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论智能家庭的物联网连接—ZigBee技术

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无线网路的规格种类繁多,像是最常见的Wi-Fi,则属于高速的传输标准,以无线区域网路(WLAN)让行动装置无线化的连接,得以实现。至于在智慧家庭、智慧建筑、无线感测网路等领域,则大多不是采用Wi-Fi,而是采用ZigBee的技术来做传输。ZigBee以短距离、低功耗、低成本等特色,打入家庭控制与自动化市场,亦获得不少厂商的采用与导入。接着让我们深入了解ZigBee的技术与应用……

实现物联网应用 ZigBee应用广泛

ZigBee是一种短距低功耗的无线通讯协定标准,最早系由美国Honeywell公司所提出,于1998年开始构思与发展,推出一种能够自我组网(Self Organization)的无线点对点(ad-hoc)网路标准,其所成立的ZigBee Alliance商业组织,于2001年向电机电子工程师学会(IEEE)提案纳入IEEE 802.15.4标准规范之中,并于2005年正式发布ZigBee 1.0(又称ZigBee 2004)的工业规范,自此ZigBee渐渐成为各业界共通的低速短距无线通讯技术之一。

论智能家庭的物联网连接—ZigBee技术

图1 ZigBee感测网路的3种网路拓扑组合方式。
论智能家庭的物联网连接—ZigBee技术

图2 ZigBee的各种应用标准与对应的网路层。
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ZigBee发展到1.2版,将应用标准向外扩及,延伸到家庭娱乐与控制、无线感测网路(WSN)、工业控制、嵌入式感测、医疗数据搜集、烟幕与擅闯警示,与建筑自动化等领域,并有各式各样的应用层标准(Profile Class),当物联网(IoT)时代来临,ZigBee联盟推出2.0版,主打智慧能源规范。

更将于2015年正式推出3.0版,将过去各装置的不同ZigBee标准统一,让应用之间具备高度互通性、传输安全,同时维持其低功耗的优势,为物联网提供最到位的产业标准。
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ZigBee技术简述 低耗短距低成本、有多种网路拓朴


ZigBee基于WPAN(Wireless Personal Area Network;无线个人区域网路)的应用,其底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取控制层(Media Access Control Layer;MAC)与实体层(Physical Layer;PHY)。

主要特色有短距离(50公尺内)、低速率(250Kbps)、低耗电、低成本、低复杂度、安装快速、可靠、安全,可支援大量网路节点(高达65,000个),以及支援多种网路拓扑(如Star星状、Cluster Tree 簇树状、Mesh网状)。

由于ZigBee的网路拓朴跟网际网路那样,具有多种传输途径,每个ZigBee节点本身可以撷取资料,或传递来自其他节点的资料。

因此当一个ZigBee网路节点被移除或是断讯,其周遭的ZigBee装置能够透过ZigZag(蜿蜒曲折)的传输方式、如同大黄蜂那样的连接到其目的地(Zigzag like a Bee),这也就是ZigBee的名称由来。更是被业界视为智慧建筑(Smart Building)、物联网(IoT)最广泛的协定之一。

当今的家电控制、物件辨识、医疗照护、建筑自动化、WSN等IoT应用,很多都不需要用到高耗电的Wi-Fi传输协定,而蓝牙的成本又较高,因此业界大都选择低耗电、使用一个钮扣电池即可运作长达1年的ZigBee无线通讯标准,来建构该领域专属的WPAN网路。ZigBee的节点角色,可分为FFD(Full Function Device;全功能装置)与RFD(Reduced Function Device;缩减功能装置)两种。

FFD可在星状或网状的网路拓朴中,与任何一个节点沟通,可担任整个ZigBee网路的控制中心(即Coordinator),或者负责担任延展整个网路的中继路由器(即Router),因此必须拥有IEEE 802.15.4 MAC层的全部功能。至于RFD则是属于整个ZigBee网路中的末端装置(即End Device),只能点对点沟通,其可省略IEEE 802.15.4 的MAC层功能,因此耗费的记忆体与电源更小。

ZigBee使用的频段有3个:ISM的2.4GHz(全世界共通频段标准,资料传输率250Kbps,16组频道)、915MHz频段(欧洲采用,资料传输率20Kbps,1组频道)、868MHz频段(美国采用,资料传输率40Kbps,10组频道)。虽然不同频段有不同的传输速率和距离,尤其后两者都是Sub-GHz(低于1GHz)的频宽,但藉由提升ZigBee的射频功率,还是能将传输速率提高。

以ISM的2.4GHz频段来说,被切割成16 个频道,其采用DSSP(Direct Sequence Spread Spectrum;直接序列展频)的展频方式,将要发送的基频(Base Band)讯号,转换成低能量、高频宽的展频讯号(Spreading Signal)之后,再传送出去,因此可以提高抗环境干扰的能力。

ZigBee的各种通讯协定与应用标准

ZigBee在2005年公布的1.0版(ZigBee 2004),主要制定了其Network、MAC、PHY等Layer标准,到2007年发布的1.1版(ZigBee 2006)做了一些修正,到了2008年发布的1.2版(ZigBee 2007),则加入了ZigBee PRO与RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics)这两个应用协定层(Profile Class)。

ZigBee PRO主要涵盖了各式家用或商用领域的协定,包括ZBA(建筑自动化)、HC(医疗照护)、HA(家庭自动化)、RS(零售服务)、TS(电信服务),以及 SEP(Smart Energy 1.x Protocol,SEP 1.x,智慧能源管理协定1.x);而ZigBee RF4CE则是针对消费性应用,包括ZRC(ZigBee Remote Control,遥控)、ZID(ZigBee Input Device,输入装置)。

而ZigBee IP则涵盖Smart Energy Protocol(SEP)2.0的智慧能源管理之设计规范,亦可称之为ZigBee 2.0规范,该规范定义了智能电网(Smart Grid)应用中的各种节能规范,也包括了LL(Light Link)的智慧照明规范,让产业遵循该规范来设计出最符合能源效益的产品。

ZigBee规格再进化 更贴近物联网需求

有鉴于ZigBee 2.0与先前版本在各种领域,必须使用该专属的应用协定,造成其跨领域应用的共通性受阻,加上厂商在推广使用ZigBee技术的产品,大多会将ZigBee这个名词淡化(例如XBee模组),使得推广了10年的ZigBee标准,似乎不若蓝牙、Wi-Fi那样的声名大噪。

此外,其他物联网标准联盟的兴起,如Qualcomm(高通)主导的AllSeen Alliance与Intel(英特尔)主导的Open Interconnect Consortium(OIC)联盟,再加上Zensys领军之Z-Wave联盟的进逼,都让ZigBee联盟备感压力…

因此ZigBee联盟正加紧制订全新的ZigBee 3.0标准,目的是要将上述的各种应用标准,变成能够互通,不需要因为不同的场域应用,就必须运用不同版本的标准,使用统一标准,便可让智慧连结一次到位。ZigBee的目标也更明确,简化成四大领域:Smart Homes(智慧家庭)、Connected Lighting(互连照明)、Utility Industry(公共建设)、Retail Services(零售服务)。

ZigBee 3.0定义了超过130个设备和最广泛的设备类型,包括家庭自动化、照明、能源管理、智慧家电、安全、感测器和医疗保健监控产品。将专业人士的应用等级推向消费者使用等级,达到轻易透过DIY来安装;而ZigBee 3.0规格可以向下相容,支援ZigBee PRO所定义的种类、指令、功能,让所有ZigBee装置都能互通。

由于有先前ZigBee 2.0在业界的基础,因此ZigBee 3.0的出现,可看出ZigBee联盟成员亟欲力捧该标准,成为物联网产业标准的决心。ZigBee 3.0将于2015年CES展首度展示,其标准也将于2015年第4季正式公布。

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