如何開發(fā)更具魯棒性的ZigBee解決方案

通過精心地定義ZigBee規(guī)范中的網(wǎng)絡和應用層，ZigBee聯(lián)盟希望獨立的設備制造商能夠開發(fā)出可以互操作的優(yōu)秀終端產(chǎn)品。成員們對ZigBee芯片組給予了很高的期望，希望能夠幫助OEM制造商進一步降低成本，從而為系統(tǒng)集成商和終端用戶提供低成本的終端產(chǎn)品。

隨著市場需求的增長以及大量的志愿者投入研究ZigBee規(guī)范，現(xiàn)在已經(jīng)到了將一個低成本、低功率的無線通信系統(tǒng)的可行性方案提供給人們的時候了。本文將討論設計和集成一個ZigBee方案時應該考慮的一些重要因素。文中的許多內(nèi)容來自MaxStream公司在研發(fā)其首套ZigBee認證產(chǎn)品——XBee OEM無線模塊過程中所獲取的經(jīng)驗。

ZigBee一覽

1. ZigBee網(wǎng)絡

ZigBee定義了三種節(jié)點類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。協(xié)調(diào)器可以通過選擇網(wǎng)絡的工作信道和個域網(wǎng)識別標志(PAN ID)來啟動一個ZigBee網(wǎng)絡。一旦網(wǎng)絡啟動，路由器和終端設備就能加入網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器和路由器都能通過網(wǎng)絡發(fā)射和路由數(shù)據(jù)，并且允許其它的路由器和終端設備加入。終端設備不能參與路由數(shù)據(jù)，因此在不發(fā)射和接收數(shù)據(jù)時可以休眠。當設備加入ZigBee PAN時，設備間的父子關系即形成，加入的設備為子，允許加入的設備為父。一個簡單的ZigBee網(wǎng)絡如圖1所示。

2. ZigBee尋址

ZigBee設備支持兩種地址類型：一種是64位IEEE地址，另一種是16位網(wǎng)址。64位地址在所有ZigBee設備之中是唯一，其中包含一個由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定組織識別符(OUI)。

當設備加入ZigBee個域網(wǎng)時，它可以從允許其加入的父設備上獲取16位網(wǎng)址。該網(wǎng)址在個域網(wǎng)內(nèi)被規(guī)定為唯一。該網(wǎng)址用于數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由。用于路由數(shù)據(jù)包的路由表存放著各個目標設備和下一跳設備的網(wǎng)絡地址。因此個域網(wǎng)的各設備都必須有明確且唯一的網(wǎng)絡地址，以保證數(shù)據(jù)能到達正確的設備。

圖1：簡單的ZigBee網(wǎng)絡。

然而，在有些條件下一個設備的地址可能會改變，或者是多個節(jié)點可能接收到同一個地址。例如，如果終端設備被移除或失去與父設備的聯(lián)系，它就必須重新連接網(wǎng)絡，這可能導致它接收到一個新的地址。另外，如果協(xié)調(diào)器被一臺新設備所替換，新協(xié)調(diào)器會不知道哪些地址是之前的協(xié)調(diào)器分發(fā)的。新協(xié)調(diào)器分發(fā)給設備的地址很容易與已有的網(wǎng)址重疊。

ZigBee聯(lián)盟正在加緊研究解決這些地址問題的對策，并將解決方案整合到ZigBee規(guī)范中去。但是，一些協(xié)議棧和模塊提供者，譬如MaxStream公司已經(jīng)研發(fā)出解決這些問題的方法。

3. ZigBee路由

ZigBee包括一個用于AODV網(wǎng)狀路由的基本框架。如果一個設備需要向其它設備發(fā)送數(shù)據(jù)，它首先需要發(fā)現(xiàn)一條可能要經(jīng)過多臺路由器才能到達目標設備的路由。網(wǎng)狀路由允許動態(tài)地建立、修改或替換傳輸路徑，從而保持設備間有一條可靠的路徑。

然而，除網(wǎng)狀路由之外，ZigBee規(guī)范還經(jīng)常依賴樹狀路由。在樹狀路由中，數(shù)據(jù)將在源設備和目標設備之間的“樹”狀路由上嚴格地按照從父到子或從子到父的路徑傳輸。

圖2：樹狀路由(左)和網(wǎng)狀路由(右)的演示。

當節(jié)點移動或刪除時路由可能出現(xiàn)問題。這時如果單個節(jié)點無法從一條路由中隔離開來，那么整個樹狀路由就無法定位故障點。而網(wǎng)狀網(wǎng)絡就能在現(xiàn)有路由發(fā)生故障時發(fā)現(xiàn)一條新路由。

ZigBee協(xié)議棧按照規(guī)范采用樹狀和網(wǎng)狀路由的ZigBee 1.0標準而建立。兩種路由之間的交互是相當復雜的，而且協(xié)議棧之間的交互也是不斷變化的。但是，增強型ZigBee規(guī)范(2006)增加了一個nwkUseTreeRouting功能，該功能可以使整個樹狀路由徹底斷開，再由(NLME)路由發(fā)現(xiàn)請求(route-discovery-request)原語根據(jù)需要強制進行路由發(fā)現(xiàn)。這些功能可以解決與樹狀路由相關的問題，并且允許開發(fā)商充分發(fā)揮網(wǎng)狀路由的優(yōu)勢。

圖3：當所建通道上的一個節(jié)點失效時樹狀路由(左)和網(wǎng)狀路由(右)的性能。

4. ZigBee互操作性

ZigBee規(guī)范包括一些可以用來定義各種網(wǎng)絡的配置功能。開發(fā)商可以很容易地配置以下參數(shù)：目標系統(tǒng)中的路由器和/或終端設備數(shù)量；安全級別；路由表和鄰居表規(guī)模；網(wǎng)絡最大深度(從協(xié)調(diào)器到最遠派生設備的連接深度)；協(xié)調(diào)器/父路由器允許的子路由器和終端設備的最大數(shù)量。

ZigBee聯(lián)盟研發(fā)出了為這些不同協(xié)議棧建立通用設置的公共框架-可配置參數(shù)表。為了完成框架(如家庭控制協(xié)議?？蚣芫投x了開燈、關燈、或切換一個燈光的簇ID)內(nèi)的共同任務，該框架還定義了一些稱作簇ID的接口。

終端設備必須圍繞可互操作的同一框架來設計。因此，應用開發(fā)商必須設置他們的協(xié)議棧參數(shù)以匹配公共框架所規(guī)定的參數(shù)值，從而確保與采用同一框架的其它解決方案的互操作性。另外，開發(fā)商也可以為了滿足其設計而通過采用專用(定制)的框架來自由修改協(xié)議棧參數(shù)。不過，在專用框架中所定義的簇ID不具備與基于公共框架的設備互操作的能力。

由于開發(fā)商具有選擇框架的靈活性，從而并非所有的ZigBee設備都能互操作。雖然這種靈活性一開始會在市場上引起一些混亂，但允許開發(fā)商決定其產(chǎn)品是否要與其他供應商的設備進行互操作。在不需要互操作性的場合，功能強大的ZigBee可以圍繞一個專用框架進行開發(fā)，并剪裁協(xié)議棧參數(shù)來滿足特殊應用需求。

5. ZigBee認證

經(jīng)認證的ZigBee硬件平臺(芯片組和模塊)和軟件層(PHY層、MAC層和網(wǎng)絡層)必須做ZigBee驗證平臺(ZCP)測試。通過ZCP認證的硬件平臺和軟件協(xié)議棧表明適用于ZigBee終端產(chǎn)品的研發(fā)。

在ZigBee兼容平臺上開發(fā)的終端產(chǎn)品可以直接做產(chǎn)品認證測試。終端產(chǎn)品認證允許產(chǎn)品出現(xiàn)在ZigBee認證產(chǎn)品列表中，并打上ZigBee標識。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)開發(fā)了相關測試標準來認證基于公共和專用框架的終端產(chǎn)品是否是合格的ZCP產(chǎn)品。

尚未解決的ZigBee問題

ZigBee規(guī)范正在繼續(xù)改進并將提供更多的功能，但同時ZigBee聯(lián)盟也認識到該規(guī)范還存在一些問題：

1. 更改網(wǎng)絡地址

如前所述，在ZigBee PAN中分配給節(jié)點的網(wǎng)絡地址可以改變，甚至在某些條件下會重名。這就使得網(wǎng)絡必須解決不可靠的尋址機制，以確保將數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的設備中。

ZigBee聯(lián)盟正在考慮改變尋址機制，以提供更具魯棒性的尋址機制。同時，包括MaxStream在內(nèi)的一些模塊提供商研發(fā)出了基于唯一性64位地址的解決方案，能確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。

2. 固定工作信道

由于ZigBee采用802.15.4 MAC/PHY規(guī)范中所規(guī)定的直序擴頻(DSSS)調(diào)制，因此可以工作在固定信道。在通過能量掃描篩選出具有較高能量的信道后選出工作信道。但是，一旦初始能量掃描完成后，在所選的信道質(zhì)量變壞時ZigBee網(wǎng)絡無法重置新的信道。因為有許多設備(包括蜂窩電話、微波和802.11網(wǎng)絡)占用2.4GHz頻段，因此這可能是一個大問題。目前，終端設備開發(fā)商必須在其設計中解決干擾問題。ZigBee聯(lián)盟也在研究此問題的解決方案。ZigBee規(guī)范的新版本可能會解決此問題。

3. 容量限制

ZigBee剛開始打算用64K閃存。但是，對于需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)狀組網(wǎng)、更高安全等級、低功率的終端設備等高級應用而言，這一空間將很難滿足802.15.4 MAC/PHY、ZigBee網(wǎng)絡層以及其它所期望的應用功能要求。隨著ZigBee的持續(xù)發(fā)展，先進的應用似乎需要遷移至帶有更多閃存的微控制器。

ZigBee實現(xiàn)方案

隨著市場需求的增長和ZigBee自身要素的改善，部署一個經(jīng)認證的ZigBee方案將具有極高的價值。隨著ZigBee規(guī)范的最新進展，可以采用現(xiàn)有的ZigBee架構開發(fā)出可靠的ZigBee解決方案。開發(fā)商必須在從零開始研發(fā)自己的軟硬件還是集成已經(jīng)驗證過的ZigBee模塊解決方案之間作出慎重選擇。

為了開發(fā)一個魯棒的ZigBee解決方案，MaxStream公司在ZigBee規(guī)范方面付出了大量的時間和精力。以下一些建議都來自于我們的實際經(jīng)驗，對那些打算采用ZigBee解決方案的開發(fā)商將有所裨益。

1. 硬件選擇

在開發(fā)ZigBee解決方案時，首先是要確定硬件平臺。通常，硬件平臺由一個芯片組或模塊組成。如前所述，ZigBee聯(lián)盟定義了一個用于平臺驗證的ZigBee ZCP，可用來驗證平臺是否支持ZigBee方案。如果ZigBee終端產(chǎn)品想攜帶ZigBee標識并作為ZigBee認證產(chǎn)品上市，所用的硬件平臺和ZigBee軟件協(xié)議棧必須被ZigBee聯(lián)盟認證為ZigBee兼容平臺。

2. 采用模塊

模塊提供了比芯片組更多的優(yōu)點。選用模塊可以為開發(fā)商節(jié)省成本，省去痛苦的RF前端設計、樣機設計、產(chǎn)品測試和EMC測試。模塊提供商已經(jīng)通過了嚴格的應用測試和網(wǎng)絡協(xié)議棧測試，并且已經(jīng)加入簡化ZigBee接口的一些功能。特別是MaxStream XBee模塊還提供了固件，這些固件提供了魯棒性的網(wǎng)狀組網(wǎng)、可靠尋址甚至信道遷移策略，為的是解決尚未解決的ZigBee問題。

如果模塊固件不能滿足某個特定應用的需求，某些模塊提供商還提供了一個靈活的選擇。某些情況下(包括MaxStream XBee模塊)，設計師能夠在模塊硬件上開發(fā)自己的應用，并定制滿足其需求的ZigBee應用。這樣的方案雖然需要一些固件開發(fā)，但仍然節(jié)省了與RF設計、樣機設計和EMC測試相關的時間和成本。

3. 采用芯片組

如果采用芯片組，設計師必須準備支持無線設計所需的大量設計、測試和生產(chǎn)要求。在定制板上使用芯片組要求支持硬件生產(chǎn)工藝，包括板級測試、調(diào)試和返工。如果選用此方案，必須從IEEE獲得一個24位的OUI，以便為每個設備分配一個唯一的64位地址。

當定制板采用芯片組時，設計師還必須選用一個ZigBee網(wǎng)絡層協(xié)議棧。設計師必須將協(xié)議棧連接到他們的硬件上，細心地測試ZigBee應用，并評估網(wǎng)絡性能。上述未解決的許多問題甚至所有的ZigBee問題都必須在應用中解決，這將大大地增加研發(fā)時間方面的開銷。

4. 設備開發(fā)

如果必須在芯片組或模塊平臺上開發(fā)定制固件，下面的步驟將會有用。

5. 選擇框架類型

在著手開發(fā)ZigBee設備前，設計師必須確定是公共框架還是專用框架更能滿足需求。設備是需要與與其它普通的ZigBee產(chǎn)品兼容，還是只適合特定的應用？協(xié)議棧參數(shù)是否需要調(diào)整到最佳性能？如果專用框架更合適，就需要向ZigBee聯(lián)盟申請一個專用框架。

6. 確定路由策略

開發(fā)商應該清楚是否允許使用樹狀路由。對于簡單的靜態(tài)網(wǎng)絡，樹狀路由將足夠。如果某些節(jié)點有可能去掉，或者需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸，樹狀路由就顯得不足了。此時，就需要花些時間對協(xié)議棧何時調(diào)用路由發(fā)現(xiàn)進行評估。

如果所選的ZigBee協(xié)議棧符合增強型ZigBee規(guī)范，應用層就可以利用路由發(fā)現(xiàn)請求原語和nwkUseTreeRouting屬性來控制路由發(fā)現(xiàn)和去除樹狀路由。如果采用的是網(wǎng)狀路由，開發(fā)商應該考慮當所有的路由表入口都被占用的情況下系統(tǒng)將如何執(zhí)行。因為ZigBee規(guī)范并不對老化路由和過期路由表條目進行監(jiān)管，因此一些ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)不會去除舊的路由表條目。一旦所有的路由表條目被占用，設備將不能再參與路由發(fā)現(xiàn)。如果協(xié)議棧無法老化或取代過期條目，應用層就應該加入自己的監(jiān)管措施來實現(xiàn)。

7. 考慮固定信道操作

對于許多應用，即便是存在突發(fā)干擾，ZigBee網(wǎng)絡也可以可靠地工作在固定信道上。但是，對于那些必須與其它系統(tǒng)共同工作在同一頻段的系統(tǒng)，或者無法允許數(shù)據(jù)包偶然丟失的系統(tǒng)，則有必要支持信道的遷移。因為目前的ZigBee規(guī)范還沒有定義信道遷移機制，應用開發(fā)商可以自行決定將網(wǎng)絡遷移到一個新信道的條件，并開發(fā)相應的實現(xiàn)方案。

8. 克服尋址限制

在許多應用中，目前的網(wǎng)絡地址分配機制是足夠的。但是，為了防止地址重復的可能，更具魯棒性的ZigBee解決方案應具有復位網(wǎng)絡地址的能力(如協(xié)調(diào)器被替換時)。

由于設備的網(wǎng)絡地址不可靠而且會變化(例如，一個加電周期或復位后設備無法找到其父設備)，應用層可能也需要一個能夠唯一識別每個節(jié)點的解決方案。

為了確保將數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的設備上，包括MaxStream XBee在內(nèi)的一些ZigBee解決方案依賴于唯一的64位地址。如果采用這樣的方案，應用層中就必須有相應的配置功能，以便在傳送數(shù)據(jù)之前將64位地址轉(zhuǎn)換成16位的網(wǎng)絡地址。

9. 測試

測試應該包括驗證系統(tǒng)如何對本文所述的應用場景反應。當路由器關掉時系統(tǒng)有什么反應？在工作信道上出現(xiàn)干擾時系統(tǒng)將如何執(zhí)行？如果設備接收到一個新的網(wǎng)絡地址，該新地址如何被發(fā)現(xiàn)？需要重申的是，一些模塊和協(xié)議棧開發(fā)商已經(jīng)開發(fā)出了解決這些問題的配置方案，從而大大減輕了應用開發(fā)商的開發(fā)負擔。

本文小結

雖然ZigBee在前進道路上面臨一些重要的問題，但ZigBee聯(lián)盟具有堅強的毅力、偉大的領導力，還有大批為標準升級積極貢獻的優(yōu)秀設計師。即使是初級階段，能夠為設計師提供強大的網(wǎng)絡層功能和應用層靈活性的ZigBee規(guī)范的重要基礎工作也已經(jīng)完成。

由于在嵌入式設備領域中有著強大的領導聯(lián)盟，ZigBee正成為嵌入式設備市場上的重要角色。目前ZigBee聯(lián)盟正在討論配置問題以便增加ZigBee價值，并試圖解決ZigBee規(guī)范中尚未解決的許多遺留問題。經(jīng)過ZigBee認證的模塊和網(wǎng)絡協(xié)議棧正在開始面市，他們提供強大的網(wǎng)狀解決方案，并有效地解決了目前ZigBee規(guī)范中存在的許多(即便不是全部)限制。現(xiàn)在正是開始開發(fā)可靠的、低功率和更高性價比的ZigBee解決方案的時候了。

作者：Damon Stewart

固件工程師

MaxStream公司