越來越多的有線數據傳輸正在被無線解決方案取代。對用戶而言，線纜的棄用不僅帶來了更多方便，而且大大降低了安裝成本。特別是在傳感器網絡和控制應用中，現有網絡的安裝和改造成本是重要的考量因素。當從有線網絡轉向無線網絡時，通常節點也要從有線電源轉向電池供電。在無線網絡中，每個節點的功耗便成為一個重要因素。因此，超低功耗設計技術變得至關重要，特別是在無線傳感器節點許多年內只使用一節電池供電的情況下。

如果確定要使用無線網絡，那么第一步就是要選擇現有無線標準或實施專有解決方案，并在內部完成全面系統開發。這兩種方法各有利弊：

* 專有解決方案

o 優點：硬件靈活性高且成本低，因為僅需實現必要的功能。

o 缺點：軟件棧和傳輸協議開發時間長，且與其他設備不兼容

* 標準解決方案

o 優點：開發時間短，因為已有現成的軟件堆棧且經過了多個用戶測試。與其他廠商的產品相兼容。

o 缺點：通常，標準的軟件部分為非必須的且在應用中未予以使用。這就增加了軟件和數據存儲所需的存儲器容量。

得到廣泛認可的無線標準有多種，且每一種都針對某特定應用領域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和藍牙RF標準，前者適用于相對較短距離和中等功耗的高速傳輸。可用于PC聯網、家庭聯網以及視頻分配；而后者則面型低功耗短距離中速傳輸。可用于耳機、PC外設、PDA以及移動電話連接。

在大多數控制應用中，這些標準都不是很理想。例如，就傳感器網絡而言，利用一節小電池就可使器件工作多年的超低功耗最為關鍵。高數據速率并非必需，因為需要傳輸的只有極少數控制指令和某些測量值。

IEEE 802.15.4——ZigBee的基礎

因此，對于傳感器和控制應用而言，Wi-Fi/802.11和藍牙并非是最佳解決方案。也正因如此，業內開發了IEEE 802.15.4 標準，并于2003年10月推出。2006年6月，IEEE 802.15.4-2006 (Rev B)獲得通過。該標準不但描述了個域網(PAN)中的點對點傳輸，而且還定義了面向低功耗、低速度及可靠RF傳輸的PHY和MAC層。一般室內的傳輸距離從10到30米不等，在室外最大傳輸距離可達150 米。取決于具體應用不同，電池使用壽命可長達數年。

圖 1 免費頻段的全球分配情況
在實施無線傳輸以前，還必要對傳輸頻率進行定義。圖1顯示了當今全球頻率的分配情況。全球各地區低于1GHz的頻率使用情況不盡相同。在歐洲，433MHz和868MHz均為免費使用，而在美國，免費使用的頻段為315MHz和915MHz。只有2.4GHz頻段(Wi-Fi和藍牙也使用該頻段）在全球免費使用。此外，就868MHz和915MHz而言，可以使用相同的天線。只要具有一個靈活、自由可編程 的RF 收發器，一款可選擇運行在868MHz或915MHz上的全球解決方案也是一個不錯的選擇。在這種情況下，必須要確保將運行頻率轉換至設備運行地區所允許的頻段范圍。這會增加成本，因為必須要發布兩個不同的固件版本。

IEEE 802.15.4專門針對下列頻率而定義：

* 868MHz、1通道 20kbps … 100kbps(僅適用于歐洲）
* 915MHz、10通道 40kbps … 250kbps(僅適用于美國）
* 2.4GHz、16 通道 250kbps(適用于全球各地區）

ZigBee——軟件棧

ZigBee聯盟是一個由多家公司組成的行業協會，這些公司通力合作以實現可靠、低成本、低功耗、無線網絡監控并推出基于開放性全球標準的控制產品。ZigBee聯盟的推動者包括BM Spa、Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機、摩托羅拉、飛利浦、三星、施耐德電氣、意法半導體、西門子以及TI等公司。該聯盟擁有超過200家成員，并且這一數字還在不斷增長。該聯盟定義了ZigBee棧：是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一種標準協議棧。ZigBee的目標應用領域如下：

* 家庭自動化：

o 自動抄表(AMR)
o 照明、制熱、警報、安全
o 白家電健康狀態監控

* 商業樓宇自動化

o 采暖、通風和空調系統(HVAC)
o 能量管理
o 警報、安全
* 工業自動化
* 住院和病患護理
* 資產跟蹤/有源 RFID
* 無線傳感器網絡

圖 2 ZigBee 星形網絡

圖 3 ZigBee 網狀網絡
位于IEEE 802.15.4點對點通信協議之上的ZigBee棧，使ZigBee節點的個域網(PAN)實現成為可能。可以采用星形網絡拓撲(請參見圖2）、樹形或網狀網絡拓撲(請參見圖3）。每一個ZigBee PAN 都需要一個PAN協調器設備。PAN 協調器啟動網絡，并向新網絡分配PAN-ID。此外，PAN協調器通常還具有數據包路由功能。在樹形和網狀網絡中，通常會有若干個具有ZigBee路由器功能的節點。這些路由器節點可將接收到的數據包轉發至下一個ZigBee節點，并通過完整的ZigBee網絡以這種方式實現數據包從發送者到接收者的跳轉。

ZigBee終端設備僅與其母節點(PAN協調器或路由器)進行通信。這些終端設備的功能相對較少，因為它們不需要路由功能。精簡功能設備(RFD)的一個優點就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序閃存、數據存儲器RAM以及閃存要求也大大降低。這就使得通常是ZigBee節點主要組成部分的RFD頗具成本優勢。RFD特別適用于超低耗設計，因為在大部分時間里可以將微控制器和RF收發器關閉。一個具有路由功能的設備需要始終謹記，其必須要接收一個數據包。

ZigBee使用16位節點尋址，理論上允許一個PAN中有近2^16個ZigBee節點。在實際應用中，節點的數量受數據包延遲限制。就星形網絡而言，<2000個節點最為合適。

談及 ZigBee，一種比較簡單的情況就是開啟和關閉燈具的照明開關。照明開關可以是一個RFD且連續處于深睡眠模式。如果按下照明開關上的按鈕，則微控制器被喚醒，開啟射頻并將要求的數據包發送至其母設備(路由器或PAN協調器），等待數據包確認并返回到睡眠模式。然后，該網絡將開始傳輸數據包，數據包最終跳轉至目標地址——燈具。路由器和PAN協調器必須始終清楚會有一個數據包到達。因此，這些節點絕不能進入深睡眠模式。但是在該示例中，如果路由器位于與主電源相連的燈具中，則不存在功耗問題。

圖4：ZigBee棧架構