1 概述
    ZigBee技術(shù)發(fā)展了很多年,，這項技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的過程中，經(jīng)歷了很多變遷,，國際間的技術(shù)推廣,、技術(shù)本身透過廠商產(chǎn)品的不同設(shè)計，以及最終用戶根據(jù)應(yīng)用需求對產(chǎn)品的特定需求,，都在塑造著ZigBee技術(shù)的實用化形式,，可以說ZigBee技術(shù)的發(fā)展，本身就是國際組織,、各個科研機構(gòu),、政府部門、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計廠商以及無數(shù)的客戶共同參與繪制的一幅圖畫,。
    本文站在ZigBee技術(shù)應(yīng)用的第一線,，關(guān)注ZigBee無線通訊系統(tǒng)設(shè)計中,，用戶最為關(guān)心的一些因素。之所以關(guān)注這些因素,，一方面用戶可以將本文看做應(yīng)用ZigBee無線技術(shù)參考指南,，另一方面又可以從中窺探到，用戶需求對于ZigBee這項技術(shù)發(fā)展,，特別是產(chǎn)品形式,，起到的一個塑造力。
2 應(yīng)用中的問題
    筆者在ZigBee模塊研發(fā)與應(yīng)用中碰到不少的客戶,，咨詢同樣的問題,，將這些問題匯總起來，不難看出,，設(shè)計一個2.4 GHz無線通信系統(tǒng),，需要考慮以下幾個方面。
2.1 模塊能傳多遠(yuǎn),，能否滿足我的設(shè)計需要
    這是一個不容易回答的問題,，在標(biāo)準(zhǔn)流程的無線系統(tǒng)設(shè)計過程中，現(xiàn)場勘查與信道評估是項目開始之前的準(zhǔn)備工作,，無線通信系統(tǒng)沒有了信號線,，空間成為了信道，我們知道不同材料的傳播速度不一樣,，復(fù)雜的空間物體布局,，便像一個材質(zhì)混雜的導(dǎo)線，不了解現(xiàn)場情況,，你沒辦法說從發(fā)射到接收之間信號衰減了多少,，更無法評估無線信號傳播距離。因此,，信道評估應(yīng)該在前期做好勘查,，并讓設(shè)計人員參與其中，做好勘查記錄,。
    得到現(xiàn)場的資料之后,，要知道ZigBee模塊是否能達到要求，我們還需要知道一些關(guān)于無線信號傳輸?shù)囊恍┗局R,，主要體現(xiàn)在以下三個方面,。
    (1)無線信號衰減曲線
    如圖 1所示，信號在自由空間按照指數(shù)形式衰減,，離發(fā)射源最近的1 m內(nèi),，通常會有40 dB的信號衰減，1 m～10 m又有20 dB的衰減，也就是說到達10 m,，即使空間中沒有任何障礙物,，輸出功率也會由源的0 dBm(1 mW)，下降到-60 dBm(1 μW),，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示,。

    (2)障礙物衰減
    除去自由空間,，現(xiàn)場往往還有障礙物,，不同材質(zhì)的障礙物對于2.4 GHz無線信號的衰減有一些經(jīng)驗參數(shù)，如表2所示,。

    (3)鏈路預(yù)算
    鏈路預(yù)算為發(fā)送功率和接收靈敏度的絕對值之和,，它在某種程度上，體現(xiàn)了一個射頻芯片的總體收發(fā)性能,。
    以ZM2410模塊為例,，接收靈敏度-97 dB，發(fā)送功率6 dBm(5 mW）,，6+|-97|=103,，ZICM2410芯片的鏈路預(yù)算為 8+|-98|=106 dB，從芯片到模塊,，損耗了3 dB,。
    對于ZM2410模塊103 dBm的鏈路預(yù)算，根據(jù)表 1和表2的數(shù)據(jù)可知,，在1 m之外,，只剩下63 dB的鏈路預(yù)算，從而能估算出還可以穿透3～6堵鋼筋混凝土墻,。
2.2 對等網(wǎng)還是主從式網(wǎng)絡(luò)
    在ZigBee應(yīng)用當(dāng)中,，組網(wǎng)是一個需要仔細(xì)考量的問題，用戶需要考慮實際通信需求,，一般來說,，對等網(wǎng)也稱MESH網(wǎng)絡(luò)，即任何節(jié)點都可以向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),，每個節(jié)點都會幫助其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),，應(yīng)用簡單，冗余性強,，適合大多數(shù)應(yīng)用,。而對于實時性要求嚴(yán)格，且對于路由有特殊需求的客戶,，則應(yīng)當(dāng)使用主從式網(wǎng)絡(luò),，區(qū)分出主機和從機來，由主機發(fā)起通信,，從機只做應(yīng)答,，采用輪詢的方式進行交互,，這樣的實時性是最好的。
    對于主從式網(wǎng)絡(luò)與對等網(wǎng)絡(luò),，可以參照現(xiàn)有的傳媒模式來做個對比,，主從式網(wǎng)絡(luò)好比傳統(tǒng)的傳媒，由電視臺和報社派出記者,，到現(xiàn)場采訪,，民眾回答記者的問題，記者回到報社撰稿發(fā)布信息,。而MESH對等網(wǎng),，則類似時下流行的微博，每個人都是一個微記者,，參與對實事的感知和信息采集發(fā)布,，每個人也都作為一個轉(zhuǎn)發(fā)者，路由傳遞信息,。
    這兩種組網(wǎng)方式,，各有優(yōu)缺點，在選擇的時候,，不妨橫向用傳媒的例子去對比,，或許對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會有更深的理解。
2.3 二次開發(fā)還是拿來主義
    用戶的應(yīng)用千差萬別,，沒有哪個模塊能實現(xiàn)所有的需求,，對于功耗需求嚴(yán)格，且功能較為簡單的應(yīng)用,，可以考慮在內(nèi)嵌MCU的單射頻芯片當(dāng)中,，嵌入自己的應(yīng)用，完成全部的功能,，目前市面上的ZigBee模塊一般作為一個通信Maxim模塊使用,，然而射頻芯片有不少集成了8位甚至32位的MCU核，供芯片級應(yīng)用客戶（多為有實力的代理商）在內(nèi)部開發(fā)無線路由協(xié)議棧,，因此在硬件資源上,，是具備用戶二次開發(fā)的基礎(chǔ)的。
    然而目前的現(xiàn)狀是,，要么全部開發(fā)工作都交給客戶,，廠商只提供一些底層函數(shù)，要么僅提供為數(shù)不多的AT配置命令,，實際上,，對客戶開放的程度過深或者過淺，都不利于開發(fā)使用。
    筆者認(rèn)為,，目前在二次開發(fā)方面做得較好的是一家美國的嵌入式軟件公司——Synapse Wireless,，該公司專門為專業(yè)射頻廠商提供無線路由固件，采取“虛擬機+腳本”的形式,，大部分的路由和底層操作都由底層驅(qū)動來完成,，而面向客戶的是類似VB開發(fā)環(huán)境的IDE編程環(huán)境，用戶程序以腳本的形式下載到虛擬機中,，被虛擬機按照事件驅(qū)動的形式執(zhí)行,，用戶體驗非常好。
    Synapse Wireless公司的固件稱為SNAP,，有專門針對CEL公司的射頻芯片ZICM2410的版本,，也有針對TI,、飛思卡爾以及Ateml公司的射頻芯片版本,。
    周立功公司代理的CEL公司模塊ZICM2410以及自主研發(fā)模塊ZM2410，都可以運行SNAP固件,，并且對每個用戶,，都有六個節(jié)點的免費授權(quán)。
2.4 排針封裝還是貼片封裝
    國外品牌的ZigBee模塊,，大都使用貼片形式的ZigBee模塊封裝,，這雖然是一個大趨勢，但是在焊接工藝還不太成熟的廠商,，以及應(yīng)用初期階段(可能需要更改模塊),，這樣的封裝是比較麻煩的，焊接與拆卸不但麻煩,，還容易出現(xiàn)問題,，因此，針對中國現(xiàn)階段的市場,，排針形式的ZigBee模塊,，相對會更受工程師的喜愛。
2.5 天線接頭的選擇
    2.4 GHz無線模塊外置天線一般有兩種形式的接頭,，如圖 2所示,一種為U.FL接頭,，體積很小，一種是SMA接頭,。模塊上的U.FL接頭需要通過天線轉(zhuǎn)接線轉(zhuǎn)到SMA接頭上,，才能與外置天線連接，這其中存在兩個問題：一是饋線的接頭扣得不緊容易造成連接不牢靠,，這是系統(tǒng)中的一個薄弱環(huán)節(jié),，必須使用優(yōu)質(zhì)廠商(如日本村田公司)的射頻饋線，二是這樣的小接頭不能使用較粗的饋線，這在一定程度上產(chǎn)生了線路損耗,。因此,，對于安裝精密程度不太高的、應(yīng)用環(huán)境較為惡劣的場合,，建議直接使用SMA接頭的模塊,，直接將模塊安置在產(chǎn)品PCB靠近外殼的邊上。

2.6 外置天線的選擇
    對于外置天線的選擇,，需要考慮頻段,、增益和駐波比三個參數(shù)。
    不同頻段的天線是不能混用的,，除非特別指明是寬頻段天線,，否則ZigBee必須使用2.4 GHz的天線。
    天線的作用僅僅是將球型輻射的功率變成水平或者扇形的,，無源的天線并不會增加系統(tǒng)的輸出功率,，而只是在其輻射區(qū)域相比于球型輻射增強了信號。選擇天線時,，需要指定天線的增益,，增益越大，長度越長,，5dBi的增益長度在20 cm左右,，3dBi增益的長度在12 cm左右。增益越大,，輻射區(qū)域傳輸距離越遠(yuǎn),，但是非輻射面的信號就越差。
　　駐波比反映了天線輻射能量的能力,，參數(shù)上是一個大于1的值,，越接近1越好，不等于1的原因是天線將一部分能量反射回系統(tǒng)中,。一般天線廠商會將此值做到1.5以下,，駐波比為1.5時，表示天線能將前級給它的能量輻射出96%,，也有部分廠商只做到2以下,，駐波比為2時，也能輻射出88.9%,。
    對于ZigBee產(chǎn)品應(yīng)用,，本文只是冰山一角地提到了工程師常遇到的問題，在實際應(yīng)用中,，還有許多需要考慮的問題,，比如無線路由節(jié)點的布局,，低功耗處理等，只有各家芯片廠商不斷地交流分享應(yīng)用心得,，互動起來,，才能有效地推動整個技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。