ZigBee技术规格与测试方案之发展

ZigBee技术规格与测试方案之发展摘要本文首先介绍无线感测网路的特性与发展，接着说明相关的ZigBee/IEEE802.15.4通讯协定，包含其硬体通讯晶片、软体协定堆叠、及开发辅助工具等。之后，叙述并比较ZigBee规格标准的进展，包含ZigBee-2004、ZigBee-2006、及ZigBee-Pro等，同时也提供IEEE802.15.4标准的现况。接下来，我们介绍ZigBee测试方案的内容，包括其平台相容性、产品认证、以及互通性测试等，借此提供有意参与ZigBee元件产品开发的厂商一个参考的方向。关键词(KeyWords)ZigBee规格(ZigBeeSpecification)IEEE802.15.4标准(IEEE802.15.4Standard)ZigBee相容平台(ZigBeeCompliantPlatforms)ZigBee认证产品(ZigBeeCertifiedProducts)无线感测网路(WirelessSensorNetworks)１．前言2003年美国MIT技术评论(TechnologyReview)[1]认为，有十种新兴技术很快就可以改变计算、医疗、制造、运输与我们的能源基础设施。其中位居榜首的，即是无线感测器网路(WirelessSensorNetworks；WSN)。无线感测器网路是由一到数个无线资料收集器以及为数众多的感测器(sensors)所构成的网路系统,而元件之间的沟通则是采用无线的通讯方式。为了达到大量布建的目的，无线感测网路必须具备低成本、低耗电、体积小、容易布建、有感应环境装置、可程式化、与可动态组成等特性。在谈到无线感测网路的同时，其他常见的名词尚有遍布运算(UbiquitousComputing)、普及运算(PervasiveComputing)、环境智能(AmbientIntelligence)、以及情境感知(ContextAwareness)等。遍布运算在于创造一个四通八达的电脑网络(如Wi-Fi/WiMAX网路、3G电话网路、无线数位视讯)，能让资讯能无所不在；而普及运算在于让资讯可以随时随地被取用，意指生活中利用这些网络的装置(如笔记型电脑、PDA、手机等)。环境智能、情境感知、与普及运算十分相似，三者的目标都在于应用智能产品于我们的环境中，并了解使用者应用的环境与状况，提供相对应的服务。无线感测网路在此扮演的角色，可藉由将具有通讯能力的各种微小感测器布建于生活周遭环境中，形成无所不在的网路，提供遍布运算的能力；并且随时感应、侦测环境与使用者状况，处理环境智能与情境感知的运作，以及进一步将收集的资讯传递给使用者或相关控制中心，达成普及运算的功能。有关无线感测网路的通讯协定，考虑到规格相容性与市场接受度，以IEEE802.15.4[2-3]低速率无线个人区域网路(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork；LR-WPAN)，结合ZigBee[4]无线标准为基础的通讯规范，是多数研发厂商依循的方向。虽然现今ZigBee是以家庭自动化为切入点来设计，不过其应用范畴如图1-1所示，包括智慧型大楼、居家安全与自动化、工业与环境控制、以及个人医疗照护等。可搭配之应用有家电产品、消费性电子、PC周边感测器等，提供住家环境监控、个人区域感知、与家电无线遥控等功能。另一方面，过去即专精在家庭自动化之控制应用电子技术的Zensys公司，主导成立Z-Wave联盟[5]，并提出Z-Wave无线通信技术，已获得包含Intel、Panasonic、ViewSonic、与罗技Logitech等六十多家业者的力挺支持。其中2006年4月，Intel的宣布加入Z-Wave联盟并且策略性投资Zensys公司，对Z-Wave标准是一股莫大的推力。此外，瑞典的Ericsson推出的BluetoothLite，是主张将既有的Bluetooth蓝芽无线通信技术进行简化性的修订，如此仍可以适用于WPAN的应用领域。图1-1ZigBee无线通讯协定之应用领域[4]相对于业者自行提出的BluetoothLite与Z-Wave技术，ZigBee协定是架构在IEEE802.15.4上，有国际性的标准组织之支持，所以在无线感测网路上的遵循与使用者较广泛。截至2007年1月，Z-Wave联盟拥有65会员数，而ZigBee联盟已有207个会员。２．ZigBee/IEEE802.15.4标准介绍ZigBee的命名，源自于蜜蜂在发现花粉时，展现如同ZigZag形状的舞蹈。看似随意在跳的字形舞，实际上是将有花和蜂蜜的地方，正确地传达给其他的蜜蜂同伴。ZigBee主要是由IEEE802.15.4小组与ZigBeeAlliance组织，分别制订硬体与软体标准，如图2-1所示。它是一种低传输速率(250kbps)、短距离(一般约为50-100公尺，依发射功率的不同，可提升至300公尺)、低消耗功率、架构简单的技术。目前制定的频段为全球的2.4GHzISM频段，美国的915MHz频段，以及欧洲的868MHz频段。在2.4GHz的ISM频段，可使用的通道数为16个；在915MHz的ISM频段，可使用的通道数为10个；而在欧洲的868MHz频段，可使用的通道数为1个。ZigBee支援主从式或点对点的运作方式，具有高扩充性，单一网路内可以同时拥有超过65000个装置链结。主要应用的方向在于家庭装置自动化、环境安全与控制、以及个人医疗照护等功能，逐渐成为产业共通的短距离无线通讯技术之一。图2-1ZigBee/IEEE802.15.4通讯协定堆叠2.1IEEE802.15.4通讯晶片(硬体)在IEEE802.15.4的通讯晶片发展上，ABIResearch在2006年9月，发表其依据各供应商之创新和执行等重要参数来进行比较的结果[6]，如表2.1-1所示。评估资讯包括该厂商是否提供系统级SoC晶片、首款产品发布日期、当前产品版本、传送与接收功率、接收灵敏度、以及是上市公司或者私人公司等指标。美商德州仪器TI因并购挪威Chipcon通讯公司(2006/01月)而荣登榜首，而美商Ember及日商OKI位居第二及第三。Ember原是一家无线感测网路软体解决方案的知名公司，后来取得Chipcon授权的智财(IP)，打上自家的品牌EM2420，随后又与英国的射频晶片设计公司合作，推出自己的单晶片，形成一家软硬体完整解决方案的厂商。表2.1-1IEEE802.15.4的通讯晶片排名[6]原本与Chipcon射频晶片搭配的Atmel，由于Chipcon已经走向SoC模式，不再需要Atmel微控制器的配合，因此Atmel也自行开发射频晶片，成为具备完整硬体解决方案的公司。值得注意的是台湾的达盛电子UBEC也名列榜中，而Freescale的晶片因耗电量效能问题，所以排名较后。此外，英商IntegrationAssociates因并购CompXs而入榜。上述Chipcon、Ember、Freescale、及CompXs为ZigBee发展平台的先峰，此四家平台也是目前进行测试认证时所采用的黄金单元(GoldenUnits)。此外，英商Jennic号称率先推出第一颗整合ZigBee系统单晶片的SoC，但因在耗电量及接收灵敏度上的效能问题而位居第十。其余入榜的尚有德国ZMD及韩国RadioPulse等厂商。Zhu与Yang[7]针对现有商品化的IEEE802.15.4晶片，依据可取得的产品规格书，做进一步的评估。表2.1-2为ChipconCC2430(SoC)、FreescaleMC1321x(SiP)、及JennicJN5121(SoC)等单晶片的比较，其中CC2430内含8051微处理器，且耗电量较低；MC1321x至多只有60KBFlash，因此协定堆叠及程式设计时需要考量此限制；而JN5121内含32-bit的RISC、60KBROM、及相当充足的96KBRAM。表2.1-2IEEE802.15.4的SoC/SiP晶片比较[7]表2.1-3为单一IEEE802.15.4RF晶片的比较，明显看出ChipconCC2420及UBECUZ2400在耗电量的效能较优良；而xBee-PRO拥有较好的接收灵敏度。表2.1-4则比较上述RF晶片常搭配之微处理器，由左至右依序出自晶片厂商SiliconLabs、Microchip、Freescale、及Atmel。值得注意的是C8051F121及ATmega128L皆拥有128KBFlash，在撰写程式及协定堆叠时，可有较充裕的设计空间。表2.1-3IEEE802.15.4的RF晶片比较[7]表2.1-4ZigBee常搭配之微处理器比较[7]2.2ZigBee协定堆叠(软体)在开发ZigBee协定的软体中，最富盛名的是Figure8Wireless(F8W)公司的Z-Stack，其被Chipcon所并购(而Chipcon后来又被TI并购)。F8W在未被Chipcon并购前，同时也为Freescale的平台开发ZigBee协定。并购之后，Freescale转向与印度公司Mindteck所发展的BeeStack合作。此外，美商Helicomm与SiliconLabs合作研发的IPLink、Ember发展的EmberZNet、Korwin(KoreaWirelessNetwork)的WiniZBStack、Microchip的MPZBee、台湾资策会III的ZigBeeAdvancedProtocol、以及印度公司Airbee、日商NEC、OKI、Renesas、英国Jennic与Integration’sCompXs、韩国RadioPulse也都有推出自行开发或是与系统商合作的ZigBee平台，并且通过ZCP相容性测试(指相容于ZigBee1.0版本，即ZigBee-2004的规格)。其中Microchip在其官方网站提供其开发的MPZBee原始码供免费下载，但其协定堆叠尚不支援自动routerepair机制，在安全性上也有些许限制，而且MAC层只支援non-beacon的运作模式。此外，俄罗斯的MeshNetics/Luxoft也发展ZigBeestack，并且提供IEEE802.15.4MAC开放原始码供下载。而工研院资通所也自行研发ZigBee平台：ITRIZBnode[8]，如图2.2-1所示。图2.2-1工研院资通所开发之ITRIZBnode[8]其包含硬体板层与协定堆叠设计，以Linux为基础，搭配ARM7的处理器与CC2420通讯晶片，目标是有接电源的高阶应用为主，例如ZigBee路由器与闸道器等。图2.2-2为其插槽式感测器模组，提供温度、湿度与亮度的量测。图2.2-2ITRIZBnode之插槽式感测器模组[8]图2.2-3为其电能管理机制，利用一颗低功耗的复杂可程式逻辑元件(CPLD)来切换通讯、感测与计算单元的供电。图2.2-3ITRIZBnode之电能管理机制[8]而表2.2-1是将ITRIZBnode与市面上常见的MICAz系统与DustNework之Mote作一比较，ITRIZBnode的高性能与高扩充性，适合路由演算法的验证与其他的高阶应用。此外，工研院资通所也开发以CC2430及CC2431(含硬体计算定位功能)为基础的平台，目标则是以只接电池为主的终端或是移动节点之应用。表2.2-1ITRIZBnode与商品化产品之比较[8]2.3ZigBee辅助工具在纯粹以ZigBee相关软体为产品的厂商。美商DaintreeNetworks(研发生产中心在澳洲)所开发的感测网路分析器(SensorNetworkAnalyzer；SNA)算是相当知名的辅助软体[9]，其视窗化的ZigBee网路分析工具，被列为ZigBee认证过程中必备的工具。而该公司的总裁BillWood先生，是ZigBee联盟中负责认证的工作小组(ZigBeeQualificationWorkingGroup；ZQG)的主席，曾在2005年8月拜访工研院资通所。图2.3-1所示为利用Daintree感测网