未來幾年無線嵌入式監測與控制網路市場將出現爆炸性成長，其中典型應用領域包括家庭與商業大樓自動化、工廠監控、資產追蹤、環境監控及其他感測與控制應用，ZigBee為滿足這些系統要求而發展的無線網路標準，而系統單晶片解決方案可為系統省下可觀零件用料成本，因此對ZigBee市場的重要性將與日俱增。
未來幾年無線嵌入式監測與控制網路市場將出現爆炸性成長，其中典型應用領域包括家庭與商業大樓自動化、工廠監控、資產追蹤、環境監控及其他感測與控制應用，ZigBee為滿足這些系統要求而發展的無線網路標準，而系統單晶片解決方案可為系統省下可觀零件用料成本，因此對ZigBee市場的重要性將與日俱增。
降低單位成本與耗電為短距無線通訊系統射頻元件發展的主要動力，低成本的次微米互補式金屬氧化半導體(CMOS)技術及使用高整合接收器與發射器架構為達成此項目標的關鍵要素，CMOS技術還能發展真正的無線通訊系統單晶片(SoC)，把無線電收發器、微控制器、資料與程式記憶體及周邊單元全部整合到同一個矽晶片。
系統單晶片可降低整個系統的零件用料成本，對ZigBee市場日益重要，此外，系統單晶片還有幾項優點，如電路板更小、組裝測試更簡單、可靠性更高及更有效隔絕外界的雜訊，而ZigBee系統單晶片將射頻收發器整合為微控制器的周邊單元，此重要特性使系統單晶片的應用開發比多晶片解決方案更為容易。
ZigBee關鍵點為低耗電
低耗電為ZigBee系統關鍵，因此減少主動電流消耗對ZigBee系統單晶片格外重要，另外，超低耗電睡眠模式及縮短從模式切換所需時間也同樣重要，如 ZigBee光開關，即典型的ZigBee終端裝置，多半是在無信標(Non-beacon)模式操作，且只會在使用者按下按鈕等中斷事件發生時傳送資料，若想延長電池壽命，在制定ZigBee系統單晶片的規格及開發ZigBee系統單晶片時應注意睡眠模式汲取的電流必須很小。
無線監測與控制系統通常需很多節點/感測器，使無線解決方案變得不可或缺，此外，許多感測器節點須靠廉價電池連續操作數年，因此其耗電必須很低，而其資料傳送量通常不多，因此通訊連結只需很低或中等的資料速率，且必須安全可靠。目前無線監測與控制系統通常採專屬解決方案，在與ZigBee同類的共同標準平台上設計應用可為系統開發商帶來許多好處，而ZigBee為滿足無線監測與控制系統獨特需求的無線網路標準，其規格(註1)在IEEE 802.15.4標準(註2)的媒體存取控制(MAC)層和實體(PHY)層基礎上提供網路與應用支援服務。
ZigBee讓終端產品設計人員在標準架構上發展應用，不須依賴專屬解決方案就可解決複雜的無線電與網路問題，預先通過認證的ZigBee相容平台 (ZigBee Compliant Platform)(註3)可進一步減少產品開發成本並加速上市時程，IEEE 802.15.4的2.4GHz標準無線電介面可使終端產品製造商獲得全球通用的解決方案及獨立的射頻元件廠商支援，因此世界各地2.4GHz ISM頻帶不須授權即可援用。
ZigBee應用範圍廣泛
2004年12月ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)通過ZigBee規格為低成本、低耗電無線嵌入式網路的全球開放標準，ZigBee解決方案適合的應用如表1所示。
ZigBee以IEEE 802.15.4標準定義的實體層及媒體存取控制層為基礎，並在其上定義網狀(Mesh)、點對點(Peer-to-peer)和叢集樹狀 (Cluster-tree)網路架構、資料安全功能及可操作互通的應用規範(Application Profile)，架構如圖1所示。藍牙和無線區域網路(WLAN)等標準已被認為不適合低耗電的嵌入式感測器網路應用，原因在於這些標準的節點成本高，又需複雜與耗電量大的射頻元件與協定，ZigBee為對無線控制與監測應用所制定的標準，其應用的需求包括數量龐大、需無線解決方案的節點/感測器、極低的系統/節點成本、低耗電的射頻元件與協定、節點間的連結必須安全可靠、易於部署的網路、感測器節點資訊傳送量有限，且只需很低或中等的資料速率、網路流量為周期性或間歇性且負載周期小、感測器節點通常會靜止很長一段時間及提供適用全球的解決方案。
表2為ZigBee、藍牙及WLAN的比較，這些標準的互補程度很高，如藍牙適合做為簡易模式(ad-hoc)網路以取代傳輸線，或為行動電話的無線免持聽筒解決方案、螢幕圖片與相片的傳送及中等大小檔案的傳輸；WLAN為傳送和下載大量資料的最佳技術；如網路架構相當固定並包含許多節點，每個節點又只需在低負載周期下傳送少量的資訊，則ZigBee最為理想。
IEEE 802.15.4支援全球/區域性標準
IEEE 802.15.4支援全球性(2.4GHz)或區域性(868MHz或915MHz)部署，採載波感測多重存取碰撞避免協定(CSMA-CA)做為無線電通道存取方法，並同時支援碰撞式(Contention-based)和非碰撞式(Contention-free)通道存取方式，並採64位元IEEE 和16位元定址，每個網路在理論上最多能支援65,536個節點，表3概要說明IEEE 802.15.4 2.4GHz實體層的主要參數，包含接收機能量偵測(ED)、連結品質顯示(LQI)和淨通道評估(CCA)等功能。
IEEE 802.15.4定義的調變格式為資料位元組的4個最低有效位元(LSB)會映射到一個符碼(Symbol)，4個最高有效位元(MSB)則映射到下一個符碼，總共有16個不同的符碼，每個皆含32個按準隨機順序預先定義的片碼(Chip)，片碼為半弦波(Half-sine)形狀，並送到數位偏移式正交相位偏移鍵(Digital Offset-QPSK)調變器，此方式為提供原始資料速率250kbit/s和片碼速率2Mchip/s的直接序列展頻(DSSS)調變格式，此調變為最小移鍵(MSK)，其為包絡線固定的調變機制，可讓設計人員使用簡單、低成本和相對非線性的功率放大器設計。
而實體層負責項目包括啟動個人區域網路(PAN)、在網路內傳送信標、與信標同步、連結/取消連結網路、以AES-128加密為基礎支援媒體存取控制層安全功能、採CSMA-CA做為通道存取機制、資料封包的接收確認與要求重新傳送、訊框檢查序列(FCS)計算與檢查及在兩個對等的媒體存取控制實體之間提供可靠的連結，亦即為ZigBee網路層等上面各層提供強固可靠的連結，使資料傳輸只須經過一個節點(One Hop)就能完成。
ZigBee聯盟並提供操作互通性與標準符合性的測試規格，其中ZigBee網路層負責裝置偵測和網路組態設定等工作，還支援星狀、網狀和叢集樹狀等3種網路架構(圖2)。網格網路(Mesh Network)提供多條傳輸路徑，故能提高網路的可靠性和擴展性，並擁有自我復原能力，亦即網路只要包含足夠的路由器節點，就算某個路由器節點發生問題，資料仍能經其他路徑抵達目的地。ZigBee所有節點會自動組成網路，因此網路安裝簡單，且擁有絕佳的網路擴展能力。
IEEE 802.15.4定義精簡功能裝置(RFD)和全功能裝置(FFD)等，稱為ZigBee實體裝置類型，全功能裝置能與精簡功能裝置或其他全功能裝置通訊；精簡功能裝置只能與全功能裝置通訊，精簡功能裝置應用於非常簡單的裝置，如光開關或被動紅外線感測器，這些裝置不必傳送大量資料，且一次只能連結一個全功能裝置，因此精簡功能裝置的實作只需最少資源和記憶體容量，成本也低於全功能裝置，而全功能裝置可擔任3種ZigBee邏輯裝置，精簡功能裝置則只能擔任ZigBee終端裝置。
ZigBee網路的節點可分為3種，包括ZigBee協調裝置(ZigBee Coordinator)、路由器和終端裝置，亦通稱為ZigBee邏輯裝置類型。協調裝置為建立網路並定義其主要參數，如選擇無線電頻道和定義獨一無二的網路識別碼，路由器則擴大網路通訊範圍，並可做為網路中繼裝置，把距離太遠而無法直接通訊的裝置連結在一起，而終端裝置則不參與網路路由工作。
ZigBee系統單晶片擁有多項優勢
德州儀器CC2430是一款真正的CMOS系統單晶片解決方案，為2.4GHz ISM頻帶ZigBee無線應用提供所需的高效能、低成本和低耗電，結合2.4GHz DSSS無線電收發器核心(註4)及精簡、高效率的微控制器，並含8kB隨機存取記憶體(RAM)和周邊模組，並有32、64或128kB內建快閃記憶體等3種不同元件可供選擇，且採小型7毫米×7毫米48接腳封裝和標準0.18微米CMOS技術，內建快閃記憶體使數位基頻處理、射頻、類比電路及系統記憶體能整合至同一個矽晶片(圖3)。
單晶片重要的次系統為微控制器次系統，包括晶片內建記憶體、周邊及無線電收發器，其他模組則提供電源管理、時脈分布與測試等相關的重要功能。其處理硬體包括一個以頻率為32MHz運作、標準型8位元微控制器，可執行協定堆疊、網路和應用軟體，加強型核心能提供更快執行速度並免除閒置的匯流排等待狀態，故其典型效能可達到標準核心的8倍，並包含直接記憶體存取(DMA)控制器，使微控制器核心擺脫資料移動作業的負擔。
系統核心裡，記憶體仲裁單元(Memory Arbitrator)會透過特殊功能暫存器(SFR)匯流排將微控制器和直接記憶體存取控制器連接到實際記憶體和所有周邊，8kB靜態隨機存取記憶體中，其中4kB為低耗電靜態隨機存取記憶體(SRAM)，進入電源模式，即關閉主要數位電路的電源時，仍能保持記憶體內容，單晶片尚可內建32k、64k 或128kB快閃記憶體，做為可線上燒錄的資料非揮發性程式記憶體，主要用來儲存協定堆疊、網路和使用者應用的程式碼。
單晶片共有4個振盪器，主要用於系統時脈和作業計時功能，包括32MHz高頻石英振盪器、16MHz高頻RC振盪器、可選用的32.768kHz石英振盪器和可選用的32.768kHz RC振盪器，其並整合許多周邊以支援使用者定義的應用，如加密標準(Advanced Encryption Standard, AES)協同處理器能支援IEEE 802.15.4媒體存取控制安全功能要求的AES操作，亦即128位元金鍵，使微控制器的運算負擔減至最少；中斷控制器可控制18個中斷來源，每個中斷都能設定為4種中斷優先權之一；除錯介面提供兩線式介面，執行線上除錯或外接快閃記憶體的燒錄；I/O控制器則能彈性指派和可靠控制21支通用I/O接腳。
單晶片並可包含4個計時器，即16位元媒體存取控制計時器，提供IEEE 802.15.4 CSMA-CA演算法和802.15.4媒體存取控制內部管理作業所需的計時功能，另外還有一個16位元和兩個通用8位元計時器，負責支援常見的計時器/ 計數器功能，如輸入擷取、輸出比較和脈衝寬度調製(PWM)功能。
系統單晶片整合的其他周邊可包括即時時脈、開機重置、8～4位元的8通道Δ-Σ類比數位轉換器、可程式系統狀態監控計時器(Watchdog Timer)及可程式通用同步/異步收發機(USART)，支援主從式串列周邊介面(SPI)或通用異步收發機(UART)作業。為提供更強網路和應用處理能力，單晶片還可整合許多硬體以支援IEEE 802.15.4媒體存取控制所須執行的各種高時效性作業，分擔微控制器的處理工作，這些硬體包括前置資料自動產生器、同步字元插入/偵測、媒體存取控制承載資料的CRC-16計算與檢查、淨通道評估(CCA)、能量偵測(ED)/數位接收訊號強度顯示(Digital RSSI)、連結品質顯示(LQI)及CSMA/CA協同處理器。
單晶片的射頻與類比電路負責執行實體層相關作業(圖4)，其接收機可採低中頻架構，天線接收的射頻訊號會由低雜訊放大器進行放大，然後由正交降頻轉換成為 2MHz中頻，中頻訊號經過放大和濾波後即由類比數位轉換器將其數位化，自動增益控制、精密通道濾波和解調作業皆在數位域進行，以提供高精確度並節省晶片面積，整合式類比通道濾波器確保單晶片與其他同樣在2.4GHz ISM頻帶操作的通訊系統能共存。
發射模式下，位元映射與調變皆依IEEE 802.15.4規格執行，調變與展頻則是以數位形式執行，調變後的基頻訊號送到數位類比轉換器，其輸出經過低通濾波後再由單旁波帶調變器直接升頻轉換為射頻訊號，最後射頻訊號會由晶片內建的功率放大器將其放大到預設的功率水準，再傳送到外部天線。
射頻輸入與輸出埠可採全差動設計，且共用兩支接腳，可於晶片內部直接進行切換，不須外接發射/接收的切換開關，晶片到天線(Chip-to- antenna)射頻介面只需幾顆低成本電容和電感，內含的平衡/非平衡阻抗匹配器(Balun)還能提供阻抗匹配及範圍內的濾波能力，設計人員也可使用平衡式天線，如疊合式耦極天線(Folded Dipole)。單晶片典型應用電路如圖5所示，頻率合成器完全整合至晶片，因此不需任何的迴路濾波器或壓控振盪器(VCO)外部被動零件，內建LC壓控振盪器的頻率為本地振盪器頻率範圍的兩倍，並含兩電路共同提供升頻與降頻複數混波器所用的正交本地振盪訊號。
單晶片亦可於選擇性與靈敏度等方面展現射頻效能，進而提供2.4GHz ISM頻帶共存及更遠和更可靠的通訊能力，並把整合式模組、4種操作模式和不同的電源設定方式結合在一起，提供快速模式切換時間，可將耗電降至極低水準，數位部分利用時脈閘控(Clock Gating)減少動態耗電，並將閒置模組的電源切斷以便靜態功耗減至最少。
單晶片還可提供充裕的處理能力和記憶體以支援ZigBee或類似ZigBee的無線網路節點，包括協調裝置、路由器和終端裝置，並可用於包括大樓自動化、工業監測與控制系統及無線感測器網路，且為成本低的解決方案，原始設備製造廠商(OEM)只要把它當成系統裡的主動裝置，即可發展出複雜的無線網路產品，將縮短上市時程和減少生產成本。
ZigBee平台符合 軟硬體解決方案需求
ZigBee終端產品開發的理想方法是使用ZigBee聯盟所定義的ZigBee相容平台，此硬體和軟體為ZigBee產品的開發提供基礎，設計人員可在這些平台上增加應用規範或直接增加應用，以縮短產品上市時程和系統設計的相關成本。
ZigBee系統單晶片將微控制器核心、軟體和射頻收發器緊密整合在一起，還獲整合開發環境支援(IDE)，包含硬體、C語言程式庫和軟體常式組成的完整開發套件，使設計人員容易利用此系統單晶片，並能迅速建立可靠的射頻連結和讓順利運作，而業界標準的IAR C-SPY整合開發環境則能透過簡單的兩線式序列介面支援互動式線上除錯。