採用Zigbee建立家庭網路

藍芽、ZigBee和802.11即將步入家用網路市場。過去幾年，我們在日常生活中見證了無線遙控設備的巨大發展。5年前，用於電視遙控的紅外線(IR)是家庭中僅有的遙控設備。而現在，家用遙控產品不斷問世，隨著越來越多的設備在遠距離進行控制或監控，這個數字只會不斷成長。

圖1：ZigBee堆疊架構。

為使所有這些遙控設備相符，我們將需要讓他們採用唯一的標準化控制介面，這樣可以在一個網路中互連，特別是HAN(家庭區域網路)。最具前途的HAN協議是ZigBee，它是基於IEEE 802.15.4標準的一個軟體層。本文將為你介紹ZigBee如何工作，以及它如何更適用於家庭網路。

為什麼有那麼多遙控器？目前，在我們家庭中安裝越多的遙控設備，遙控器就堆積越多。像電視、車庫門開門裝置以及燈和風扇控制都支援單向、點對點控制。它們互相之間不可調換，不支援多於兩個設備。因為絕大多數遙控設備是專用的，生產廠商之間沒有標準化，即使這些遙控器用於相同的功能(例如開和關)，也不能和不同廠商的相似遙控器互換。換言之，你所擁有的分離遙控單元數量將與你需要控制的設備一樣多。

一些現代的IR遙控器允許你透過‘學習’發射程式碼讓你控制多個設備。由於IR控制的範圍受視線的侷限，因此他們主要用於家庭娛樂控制。

HAN可以解決這兩個問題，因為它不需要視線通訊，而且一個遙控器(或者其他控制單元)可以控制很多設備。

X-10協議

在建立可以控制不同家庭設備的家庭網路標準的幾個嘗試中，X-10協議是最早的一個。它在1978年被導入，用於Sears Home Control System和Radio Shack Plug'n Power System。它採用電力線發送和接收命令。X-10 PRO程式碼格式是電力線載波傳輸的實際標準。

X-10傳輸同步於交流電力線的過零點。在過零點上的一個1ms的120kHz脈衝串代表二進位的1，而在沒有120kHz脈衝串的情況代表二進位的0。網路由發送器單元、接收器單元以及能接收和發送X-10命令的雙向單元組成。接收單元相當於遙控電力開關來控制家庭設備或燈遙控調光器。發送器單元一般是常開開關，當被關閉後就發送一個預定義的X-10命令。X-10命令能讓你改變設備的狀態(打開或關閉)，或者控制燈的狀態(開、關、明、暗)。雙向設備可以在要求的情況下發送他們的當前狀態(開或關)。一個特別的程式碼用來傳輸來自類比感測器的資料。現在，Radio Shack或者網路零售商可以提供很多種使用X-10協議來控制家庭設備的設備。

圖2：802.15.4定義的四種訊框

類型：資料、ACK、MAC命令和信標。

可用性和簡單性使X-10成為最有名的家庭自動控制標準。它實現了任何家庭設備的即插即用操作，不需要特別的知識來配置和操作家庭網路。

其缺點在於低速、低可靠性以及缺乏安全性。有效的資料傳輸速率為60bps，對於節點之間任何有意義的資料傳輸來說太慢。電力線上嚴重的訊號弱化是由於轉換中的高度冗餘造成。對於任何電力設備，X-10傳輸看起來類似於雜訊，容易被電力線上的濾波器濾除。可靠性和安全問題使得X-10網路不能用於像門禁遙控這樣關鍵的家庭設備。

在過去的幾年中，像Wi-Fi和藍芽這樣新的無線區域網路(WLAN)開始可以應用。表1顯示了這些不同系統的優勢和應用。用於遠端監控的無線攝影機是如何在家庭自動化和控制領域中採用這些技術的一個例子。但是，問題是這些技術不能滿足HAN的需求。

如果我們看一下在感測器和致動器網路中傳輸的資料類型，我們會發現絕大多數是用於控制設備或獲得他們的狀態的小的資料封包。對於很多應用來說，如無線煙霧和二氧化碳探測器或無線家庭安全，設備通常處於深度睡眠模式，只在產生觸發事件時才發送一個短的資訊脈衝。對於這種網路中的設備的主要要求是：超低功耗、能在很長的時間內處於睡眠狀態、簡單、低成本。

一個家庭網路還應該支援不同的配置以有效地覆蓋30~70公尺的家庭範圍，例如星型或網狀拓撲網路。

ZigBee是什麼？

ZigBee是一種家庭區域網路，特別為取代不斷增加的獨立遙控器而設計。當初建構ZigBee是為了滿足市場對支援低資料速率、低功耗、安全可靠的基於標準的低成本無線網路的需求。為解決這樣的需求，ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4無線標準之上開發了標準化的應用軟體。該聯盟與IEEE密切合作以保證為市場提供一個整合的、完整的和可互操作的網路。例如，該工作組將提供包括ZigBee軟體層的802.15.4系統互通性測試認證。

ZigBee聯盟還將作為ZigBee設備的官方測試和認證部門。ZigBee是唯一滿足絕大多數遠端檢測、控制和感測器網路應用的基於標準的技術。

圖3： ZigBee網路模型。

將IEEE 802.15.4看成是無線傳輸的實體部分，ZigBee是邏輯網路和應用軟體部分或許會有所幫助，如圖1所示。在緊接著標準開放系統互連(Open Systems Interconnection,OSI)參考模型之後，ZigBee協議堆疊按層構建。頭兩層是實體層(PHY)和媒體存取層(MAC)，在IEEE 802.15.4標準中定義。在這兩層之上的層由ZigBee聯盟定義。IEEE工作組在2003年通過了PHY和MAC的第一次草案。網路(NWK)層的最終版本預期在今年的某個時間推出。

滿足ZigBee標準的產品工作在全球的免授權頻段，包括2.4GHz(全球)、902到928MHz(美洲)和868MHz(歐洲)。在2.7GHz(16個通道)可以達到250Kbps的原始資料吞吐率，在915MHz(10個通道)為40Kbps，868MHz(1個通道)為20Kbps。預計的傳輸距離為10公尺到75公尺，取決於輸出功率和環境參數。像Wi-Fi和Zigbee利用2.4GHz頻段直接序列擴頻，採用偏移－正交相移鍵控調製。通道頻寬為2MHz，通道間距為5MHz。868和900MHz頻段也採用直接序列擴頻，但是採用二進位相移鍵控。

訊框結構

圖2提供了在802.15.4種定義的四個基本的訊框類型：資料、ACK、MAC命令和信標(beacon)。

資料訊框提供最高104位元組的淨載荷。訊框被標號以確保所有的資料封包能被追蹤。一個訊框檢查序列確保資料封包沒有錯誤地接收。這種訊框結構提高了在惡劣條件下的可靠性。

對於802.15.4的另外一個重要的結構是應答訊框(ACK)，它提供了從接收器到發送器的反饋，以確認資料封包被無錯接收。設備利用規定的訊框之間的‘靜默時間’來在資料封包發送之後立即發送一個短封包。

MAC命令訊框提供客戶節點的遙控和和配置機制。無論網路有多大，集中型網路管理者都可利用MAC來配置每個客戶的命令訊框。

最後，信標訊框喚醒客戶設備，然後這些設備偵聽他們的地址，如果沒有收到的話就進入睡眠狀態。信標對於網狀網和叢集樹狀(cluster-tree)網路來說很重要，可以保持所有的節點

通道存取，定址

在802.15.4中實現了兩種通道存取機制。對於非信標網路，標準ALOHA CSMA-CA(具有避免碰撞的載波感測媒介存取)對成功接收的資料封包用肯定應答通訊。在一個支援信標的網路中，用一種超級訊框來控制通道存取。超級訊框由網路協調器來設置，以在預定的間隙(多個15.38ms，最高252s)發送信標，信標之間提供16個等寬時隙以避免在每個時隙內的無競爭通道存取。這種結構保證了專用的頻寬和低延遲。每個時隙內的通道存取是基於競爭的。然而，網路協調器可給每個信標間隙分配最多7個有保證的時隙以保證服務品質。

設備地址採用64位元IEEE和可選的16位元短定址。在MAC中的地址欄位可以包含原始地址和目標地址資訊(對等操作必須)。這種雙地址資訊用在網狀網路中以防止網路中的單點故障。

設備類型

* 網路協調器需要具有全面的網路知識。樹狀類型最成熟，需要最多的記憶體和運算能力。

* 全功能設備(FFD)支援所有的802.15.4標準規定的功能和特性。它可以用作網路協調器。額外的記憶體和運算能力使其非常適合網路路由器功能或者用在網路邊沿設備(即應用於最終用戶的網路部分)。

* 簡化功能設備(RFD)具有有限的(如標準所定義)功能，以降低成本和複雜性。通常可以在網路邊沿設備中見到。

功率與信標

超低功耗是ZigBee技術能延長不帶可充電電池設備的壽命的原因。ZigBee網路設計可以節省從節點的功率。很多時候，一個從設備處於深度的睡眠模式，只是在若干分之一秒的時間內喚醒以確認它在網路內的存在。例如，從睡眠模式到資料傳輸的轉換時間大約為15ms，新的從節點列舉時間通常為僅僅30ms。

ZigBee網路可以利用信標或非信標環境。信標用來同步網路設備，識別HAN，以及描述超級訊框結構。網路協調器設置信標間隔，時間在15ms到4分鐘之間。在信標之間分配16個相等的時隙用來發送消息。在每個時隙內的通道存取是基於競爭的。然而，網路協調器可以分配最多7個保證的時隙用於非競爭的或低延遲發送。

非信標模式是一種用在簡單的對等或近似對等網路的簡單、傳統的多重存取系統。它的執行類似於一個雙向的無線電網路，每個客戶是自治的，可以按意願發起一個對話，但會無意地干涉到其他的客戶。接收者不能聽到呼叫或通道已經在使用中。

圖4：典型的ZigBee設備由

RF IC和用週邊連接

到應用感測器或激勵器的8位

元微控制器組成。

信標模式是在像叢集樹狀或者網狀網路這樣的擴展網路的功耗控制機制。它使所有的客戶知道什麼時候相互通訊。這裏，雙向無線電網路具有一個中央分配器來管理通道以及安排呼叫。信標的主要價值是它能降低系統的功耗。

非信標模式一般用於安保系統，在這種系統中，像入侵感測器、運動探測器和玻璃損壞檢測器這樣的客戶單元99.999%的時間是睡眠狀態。遠端單元有規則地但又隨機地喚醒以顯示他們在網路中的存在。當發生一個事件時，感測器立即喚醒，並發送報警(例如‘有人在走廊’)。由主電源供電的網路協調器讓它的接收器在所有的時間打開，因此可以等待並偵聽每個這些站點。因為網路協調器具有‘無限’的能量源，它可以允許客戶機無限時間內睡眠，使它們能節省功率。

當網路協調器由電池供電，信標模式更適合。客戶單元偵聽網路協調器的信標(在0.015到252s之間的間隙內廣播)。客戶單元紀錄協調器並查找任何發送給它的消息。如果沒有懸而未決的消息，客戶單元返回到睡眠，並按照協調器規定的時間表喚醒。一旦客戶單元通訊完成，協調器本身就返回到睡眠狀態。

這種時序要求可能對每個終端設備的時序電路的成本有影響。越長的睡眠時間間隔意味著計時器必須更準確，或者更早打開以確保信標被偵聽到，這些都會增加接收器功耗。越長的睡眠間隔也意味著計時器必須提高其時序振盪器電路的質量(這會增加成本)，或者控制信標之間的最大間隔時間不超過252s，使振盪器電路成本較低。

安全性

安全性和資料完整性是ZigBee技術的關鍵好處。ZigBee利用IEEE 802.15.4 MAC子層的安全模式，這個安全模式規定了四個安全服務：

* 存取控制－設備保持一個關於網路中可信賴設備的列表

* 資料加密，使用對稱密鑰128位元高級加密標準

* 訊框完整性保護資料不被無密鑰的人員修改

* 連續刷新以拒絕重發資料訊框－網路控制器將刷新值與來自設備的上一個已知值進行比較，如果刷新值未被更新到一個新的值，那麼這個資料訊框將被拒絕。

實際的安全實現由實現者透過利用一個ZigBee安全軟體標準化的工具箱來定義。

網路層

NWK層關聯或非關聯設備利用網路協調器實現安全，並路由訊框到它們期望的目的地。此外，網路協調器的NWK層負責啟動一個新的網路，並給新關聯的設備分配一個地址。

NWK層支援多個網路拓撲，包括星型、叢集樹型以及網狀，所有這些顯示在圖3中。

在一個星型拓撲中，其中一個FFD類型設備擔當網路協調器的角色，負責啟動網路並維護網路上的設備，所有其他設備是終端設備，直接與協調器通訊。

表1：三種目前市場上的新興無線技術比較表。

在一個網狀拓撲中，ZigBee協調器負責啟動網路以及選擇關鍵的網路參數，但是網路可能透過利用ZigBee路由器進行擴展。路由演算法採用請求－回應協議來消除非最佳路由。最終的網路規模可以達到256個節點(超過我們可能需要的)。使用局部定址，你可以配置超過65,000(216)個節點的簡單網路，從而減少地址開銷。

總執行框架(GOF)是一個在應用程式和協議堆疊其他部分之間的膠合層。當前GOF包括不同的單元，這些單元為其他設備所共用。它包括子地址定址和定址模式，以及設備描述，例如設備類型、電源、睡眠模式以及協調器。使用一個物件模式，GOF規定方法、事件和資料格式，這些為應用類(application profile)用來構建set/get命令和它們的應答。

實際應用類在IEEE的工作組的每個類中定義。每個ZigBee設備可以支援最多30個不同的類。當前只定義了商業和家居照明這個類。它包括對負載控制器進行開關和調光、與遙控設備通訊以及是否有人的感測器和光感測器。

與其他無線標準相比較，ZigBee堆疊較小。對於有限性能的網路邊沿設備，堆疊要求4Kb的記憶體。完全實現協議堆疊需要不到32Kb的記憶體。網路協調器可能需要額外的RAM用於節點設備資料庫、處理以及配對表。802.15.4標準為PHY層和MAC層定義了26個原語；在NWK層規範最終定案後可能還會另外增加12個。這與藍芽定義的131個原語相比，依然是適度的。這樣的一個緊湊的框架使你在一個簡單的8位元微控制器上執行ZigBee，例如基於HC08或8051處理器核心的微控制器。

如圖4所示，一個支援ZigBee的設備一般包括一個部分實現PHY層的射頻積體電路(RF IC)，用週邊連接到一個低功率、低電壓的8位元微控制器，連接到一個應用感測器或者激勵器。協議堆疊和應用韌體駐留在晶片上快閃記憶體記憶體上。整個ZigBee設備可以緊湊而低成本。

摩托羅拉和Atmel已經提供RF IC集以及用於ZigBee的微控制器。Chipcon正在推出符合802.15.4的2.4GHz頻段的RF IC樣片。現在，ZigBee晶片集費用在7美元左右，但這個價格在市場接受後將降到2美元。研究顯示這將在未來幾年內出現。可能需要一年或者更多時間來確定有多少ZigBee為市場所接受。

未來預測

IEEE 802.15.4是一個新的標準，依然有待於通過嚴格的技術檢驗，並在業界確立它自身的位置。對於很多的市場研究公司來說，預測支援ZigBee的設備的未來是一個熱門的話題。但對任何預測方法進行解讀，這些分析的結果都服從於解釋。

儘管我傾向於保持客觀，但我相信，根據802.15.4中實現的協議特性，ZigBee具有光明的未來。由於得到IEEE的支援，ZigBee具有統一感測器、致動器、設備、資產追蹤設備的資料通訊方法的可能。它利用電池供電設備的低資料率和低負載週期，提供構建可靠但成本可承受的網路骨幹。可以用在很多應用中，從工業自動化、公用事業計量、大樓控制甚至是玩具。然而，家庭自動化是ZigBee設備的最大市場。這是從平均家庭中擁有的遙控設備(或者那些透過無線連接的設備)的數量得來的。這種低成本和易於使用的家庭網路可能產生一個全新的互連家庭設備生態系統、照明和環境(空氣和濕度)控制系統以及安全和感測器子網路。

作者：Mikhail Galeev

高級工程師

Email: Mikhail.Galeev@motorola.com

摩托羅拉公司