ZigBee家庭自动化平台

10ICLTECHNICALJOURNAL3.25.2009第127期電腦與通訊ZigBee家庭自動化平台ZigBeeHomeAutomationPlatform黃揚智張燦毅黃清錦Yang-ChihHuang,Tsahn-YihChang,Ching-ChinHuang中文摘要目前開發之ZigBee家庭自動化平台是以多數之終端節點(EndNode)、路由器(Router)及通信閘(Gateway)構成ZigBee無線感測網路(WSN)。ZigBee無線感測網路透過通信閘再外接至Ethernet或WiFi網路。終端節點是由ZigBee2.45GHz無線收發模組透過通用感測介面(GenericSensorInterface)與感測器(Sensor)、制動器(Actuator)連線所組成。路由器則可為帶感測器或制動器之ZigBee節點，亦可只是ZigBee2.45GHz無線收發模組。而通信閘是以ARM核心之SOC和ZigBee2.45GHz無線收發模組所構成。通用感測介面提供一簡單標準化之介面，以供感測器、制動器快速容易與ZigBee2.45GHz無線收發模組組合。目前已將此平台佈建於實驗室，以供測試應用軟體與展示使用。AbstractAZigBeehomeautomationplatformusesEndNode,Router,andGatewaytoconstituteZigBeewirelesssensornetwork.ThisZigbeeWSNcommunicateswithEthernetandWiFinetworkviaGateway.EndNodeconsistsofGenericSensorInterface,Sensor,andactuator.GatewaycanbeaZigbeenodewhichaccompanieswithasensororactuator,orjustaZigBee2.45GHzRFmodule.TheGatewayconsistsofSOCofARMcoreandZigBeeRFmodule.GenericSensorInterfaceprovidesasimplestandardizedinterface,whichcanletZigbeemoduleeasilycooperatewithsensorsandactuators.Now,wedeploythisplatforminITRI’sDemoRoomforsoftwaretestinganddisplay.關鍵詞(KeyWords)無線感測網路(WirelessSensorNetwork；WSN)終端節點(EndNode)路由器(Router)協調器(Coordinator)通信閘(Gateway)通用感測介面(GenericSensorInterface)感測器(Sensor)制動器(Actuator)１．前言ZigBee[5]初期的需求，主要是針對無線燈光控制，並且可使各個控制器之間行成互連，以達到整體性控制目的。ZigBee技術是藉由在各感測器或制動器(Actuator)上加入一個低耗ICLTECHNICALJOURNAL3.25.2009第127電腦與通訊11電以及低成本的ZigBee無線模組作為節點，所有節點再行成ZigBee網路，來達到資訊收集以及控制的目的。也因此低耗電特性，部分ZigBee終端節點可以在無市電環境下，以其它微弱電源供電方式進行長時間運作。２．ZigBee無線感測網路(WSN)架構2.1ZigBee網路ZigBee網路(圖2.1-1)是由終端節點EN(EndNode)、路由器R(Router)及協調器(Coordinator)所構成。在本文範例協調器是安裝於通信閘(Gateway)，所以ZigBee無線感測網路可透過通信閘再外接至LAN、WAN、WiMAX或3G。３．ZigBee家庭自動化平台ZigBee家庭自動化平台是架構在無線感測網路上。此平台之終端節點是由ZigBee2.45GHz無線收發模組透過通用感測介面(GenericSensorInterface)與感測器(Sensor)、制動器(Actuator)連線所組成。通用感測介面提供一簡單標準化之介面，以供感測器、制動器能夠快速容易與ZigBee2.45GHz無線收發模組結合。路由器則可為帶感測器或制動器之ZigBee節點，亦可只是ZigBee2.45GHz無線收發模組。而通信閘則可為AccessPoint、AMI電錶或XXX，本文是以ARM核心之SOC和ZigBee2.45GHz無線收發模組所構成之ZB32Plus通信閘為範例。本文所介紹之ZigBee家庭自動化平台，可區分為兩種形態：一種是FullFunctionNode(FFD)，例如協調器(Coordinator)及路由器(Router)，擁有完整IEEE802.15.4規範的功能，通常較耗電，所以採用固接式電源，本文介紹之協調器ZB32Plus和扮演路由器角色之ZB8Plus即屬此類。另一種是ReducedFunctionNode(RFD)，例如終端節點，擁有簡略IEEE802.15.4規範的功能，通常較省電，所以可採用非固接式電源，本文介紹扮演終端節點之ZB8Plus即屬此類。3.1ZB8Plus3.1.1ZB8Plus基本設計規格ZB8Plus可以是終端節點或路由器，端視其燒錄之ZigBee通訊協定而定。ZB8Plus主要是由德州儀器(TI)之CC2430晶片、天線和通用感測介面建構而成(參考圖3.1.1-1)。其中CC2430晶片[3]之MCU是32MHz單週期、低功耗的8051微控制器，其無線介面是2.4GHzIEEE802.15.4規範的無線射頻收發器，記憶體則可選擇32KB、64KB或128KB的系統內可程式化快閃記憶體。其主要特點如下：(a)超低功耗，適合用電池運作。(b)可使用ZigBee協定堆疊(Z-Stack)。(c)8KB靜態記憶體，其中4KB資料在任何電源模式下都可持留資料。(d)4種彈性的電源模式，可減少用電、功耗。(e)可程式化的看門狗計時器(WatchDogTimer；WDT)。圖2.1-1ZigBee網路圖3.1.1-1功能方塊圖12ICLTECHNICALJOURNAL3.25.2009第127期電腦與通訊(f)電源啟動(送電)後自動進行重置(Reset)。(g)1個IEEE802.15.4MAC的計時器，1個通用的16位元計時器，以及2個8位元的計時器。此晶片之無線收發器電氣規格如下：(a)2.4GHzZigBee/IEEE802.15.4compliant.(b)1mW(0dBm)poweroutput.(c)ReceiverSensitivity:-94dBm.ZB8Plus模組之天線規格如下：(a)SMDantenna:gigaAntRufa2.4GHzSMDAntenna-PeakGain:4.1dBi-Efficiency:68%-VSWR:1.5:1(b)U.FLconnectorforexternalantenna.3.1.2通用感測介面(GenericSensorInterface)(a)感測器連接方式ZB8Plus所要界接感測器和制動器之方式可以作彈性排列組合(參考圖3.1.2-1)。基本上感測器與ZB8Plus界接是靠Analog/Digital模組轉換電氣規格來完成，當然，如果感測器和制動器有提供我們訂定之通用感測介面，亦可直接界接到ZB8Plus。(b)通用感測介面介紹通用感測介面主要定義了一組資料傳輸、傳輸控制和感測器辨認之機制。其可根據感測器辨認結果來重新設定一種資料傳輸形態及方式。但它不是可無限制界接到類比或數位訊號，它還是必須符合通用感測介面基本規定方可與ZB8Plus界接，否則便需要Analog/Digital模組轉換電氣規格來完成之(參考圖3.1.2-2)。3.2ZB32Plus通信閘(Gateway)3.2.1Gatewaysystemblockdiagram本計畫ZigBeeWSN之Gateway模組，稱之為「ZB32plus」，為前代同類型platform改進而來。(前一型為ARM7platform，且無ethernet、WiFi模組，稱之為ZB32。)ZB32plus模組之組成元件，由圖3.2.1-1所示。其核心為ARM9之CPU，搭配32Mb之SDRAM及16MB之FlashROM為儲存記憶模組。通訊方式，可經由三種方式：一、Zigbeemodule。二、Ethernet。三、WiFimodule。I/O部分有USB2.0及RS232及GPIOport、四組pushbutton與四組LED。Debuginterface為JTAGinterface。供電方式有二：一、DCadapter。二、LiBattery。3.2.2ZB32plusKeyFeaturesCPU：CirrusLogics之EP9301。[1]圖3.1.2-1感測器連接方式示意圖圖3.1.2-2Analog/Digital模組界接示意圖圖3.2.1-1ZB32plus之systemblockdiagramICLTECHNICALJOURNAL3.25.2009第127電腦與通訊13此CPU以ARM920T為核心，時脈為166MHz，可支援Linux及MicrosoftWinCE。並整合了以下之周邊介面：最多可達四組之SDRAM、16-bitSRAM/FLASH/ROM、SerialEEPROM、1/10/100EthernetMAC、兩組UART、兩組USB2.0FShost、IrDa、ADC、SPIinterface、AC97、RTK、BootROM。其包裝為208-pinLQFP。Ethernet：ZB32plus使用之CPU，EP9301之中包含有一個符合ISO/IEC802.3拓普的ethernetMAC。此晶片支援1/10/100Mbps之傳輸速率，並與標準MIIinterface之ethernetPHY層之晶片RealtekRTL8201CP相連接。3.2.3ZigbeemoduleZigbee模組以一個14pin的介面與ZB32plus版相連接。如此，Zigbee模組將可以更有彈性的抽換成以TICC2420或CC2520[2]為主體之Zigbee模組。各種天線(印刷天線、F-antenna、chipantenna、U.FL外接天線)，以及Balun的調校，將可以更彈性的組合。此14pin的介面，及以CC2420及CC2520為主的Zigbee模組，如圖3.2.3-1所示。3.2.4WiFimodule：VNT6656AUZB32plus所搭配之WiFi模組為Via公司所生產之VTN6656AU[4]，為一個符合WLAN802.11b/g規範之USBdongle，可提供高達54Mbps的傳輸速率於LAN的服務。此WiFiUSBdongle可以熱插拔使用，提供ZB32plus之無線網路傳輸能力。此模組如圖3.2.4-1所示。3.2.5PowerZB32plus之電源供應可來自變壓器或鋰電池所提供。其中變壓器是由市電交流之110V轉為5V直流、2.3A。電池供電則是由興能高科技之產品AHB503759PA，3.7V、1200mAh容量之鋰電池。此兩種電源供應皆經由3.3V之LDOregulator穩壓後提供與ZB32plus，鋰電池可由另一個充電電路進行充電，以上如圖3.2.5-1所示。圖3.2.5-2為ZB32plus之實體圖，及各組成元件之標示。４．系統佈建4.151館416室佈建現況現階段在工研院51館416室已佈建ZigBee無線感測網路。現有之終端節點感測器是警報器、溫濕感測器、玻璃振動感測器、磁簧感測器、一氧化碳感測器、插座電力計和煙霧感測圖3.2.3-1Zigbee模組示意圖及14pin之定義圖3.2.4-1WiFiUSBdongle圖3.2.5-1電源供應示意圖14ICLTECHNICALJ