Zigbee技术发展报告

　　ZigBee凭借其架构简单价格低廉、低消耗功率延长使用寿命，即使传输速率不高，但针对感测与控制之应用，ZigBee仍有其很大的发展潜力。2004年全球ZigBee之出货量仍不大约为50万套，而至2005年ZigBee出货量将可望达到成长爆发点，其出货量将可达到800万套，预计2007年出货量将接近1亿套。

　　在无线个人网路领域，UWB具备高传输速率其定位为多媒体传输，Bluetooth拥有QoS可作为与语音与数据资料传输之用，ZigBee传输速率虽低，但适合应用在感测与控制用途，搭配低价与长寿之特性，成为众所瞩目之新兴技术，有关ZigBee之技术发展现况，以下分析之。

　　ZigBee技术分析

　　ZigBee这个字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。ZigBee先前亦被称为‘HomeRF Lite’、‘RF-EasyLink’或‘FireFly’无线电技术，目前统一称为ZigBee 。RF-EasyLink’或‘FireFly’无线电技术，目前统一称为ZigBee 。

　　ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率之无线通讯技术，其传输距离约为数十公尺，使用频段为免费的2.4GHz与900MHz频段，传输速率为20K至250Kbps，网路架构具备Master/Slave属性，并可达到双向通信功用，2004年第二季ZigBee模组价格约为2～5美元。

　　根据ZigBee之技术本质，ZigBee具有下列之特性:

　　(1)省电:ZigBee传输速率低，使其传输资料量亦少，所以讯号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZigBee处于睡眠模式，而在工作与睡眠模式之间的转换时间，一般睡眠启动时间只有15ms，而设备搜索时间为30ms。透过上述方式，使得ZigBee十分省电，透过电池则可支援ZigBee长达6个月到2年左右的使用时间。

　　(2)可靠度高:ZigBee之MAC层采用talk-when-ready之碰撞避免机制，此机制为当有资料传送需求时则立即传送，每个发送的资料封包都由接收方确认收到，并进行确认讯息回覆，若没有得到确认讯息的回覆就表示发生了碰撞，将再传一次，以此方式大幅提高系统资讯传输之可靠度。

　　(3)高度扩充性:一个ZigBee的网路最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是Master设备，其余则是Slave设备。若是透过Network Coordinator则整体网路最多可达到6500个ZigBee网路节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整体ZigBee网路节点数目将十分可观。

　　ZigBee标准现况

　　在标准规范之制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬体与软体标准，两者之角色与分工就如同IEEE 802.11小组与Wi-Fi之关系。

　　在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理层(PHY)规范，在2003年5月通过802.15.4标准，802.15.4任务小组目前则在着手制订802.15.4b标准，此标准主要是加强802.15.4标准，包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。

　　而在ZigBee 联盟方面，ZigBee联盟是在2002年10月由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips与Invensys共同成立，ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用介面规范，其次亦肩负互通测试，预计在2004年第四季推出第1.0版规范(Version 1.0)，截至2004年8月约有90家会员。

(圖一)　ZigBee標準制訂組織

　　在物理层（Physical；PHY）方面，802.15.4之工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种，分别提供250Kbps、40Kbps和20Kbps之传输速率，其传输范围介于10到100公尺之间，一般是30公尺。由于ZigBee使用的是2.4GHz、915MHz和868MHz频段，这些频段因是免费开放使用，故已有多种无线通讯技术使用，因此ZigBee为避免被干扰，故在各个频段皆是采用直接序列展频（DSSS）技术，以化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰。

　　这三者不同之频段，在调变技术方面，虽都是采取相位调变技术但仍有所差异，2.4GHz采用较高阶之QPSK调变技术以达到250Kbps之速率，并降低工作周期，以减少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面，则是用BPSK的调变技术。相较于2.4GHz频段，900MHz频段为低频的频段，故无线传播之损失较低，使其传输距离较长，其次此频段过去主要是室内无线电话使用之频段，不过现在因室内无线电话转移到2.4GHz，干扰反而较少。

　　而在媒体存取控制（Media Access Control；MAC）层方面，主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统相容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查通道是否有资料传输，若通道无资料传输，则开始进行资料传输动作，若是产生碰撞，则稍后重新再传。

　　在网路层方面，ZigBee联盟制订ZigBee可具备支援Star、Cluster Tree与Mesh三种网路架构，在各个节点之角色方面，可分为全功能设备（Full-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD之电路较为简单且记忆体较小。FFD之节点具备控制器（Controller）之功能提供资料交换，而RFD则是只能传送资料给予FFD或是从FFD接受资料。

(圖二)　ZigBee網路架構

　　ZigBee晶片架构

　　ZigBee之晶片架构，主要是有MAC处理封包，而PHY则是接收处理射频（RF）讯号。ZigBee之系统架构，因其传输速率低并只做简易资料处理，故在系统架构上，在Host端只需搭配简单的8位元处理器，而ZigBee晶片模组方面，则内含RF、PHY与MAC做成一单晶片，未来ZigBee晶片则将会整合处理器。

　　而在记忆体方面，全功能设备（FFD）需要16_20Kbyte的ROM，而精简功能设备（RFD）则只需12_16Kbyte的ROM，不过若是网路主要节点，则因需处理节点设备资讯、资料路径表、安全密钥等资讯，需要更大之记忆体。在协定堆叠（Protocol Stack）方面，完整之协定堆叠需要32Kbyte记忆体，而简单协定堆叠则为4Kbyte。

　　2004年5月日本冲电气与美国CompXs宣称合作开发推出ZigBee模组，产品代号为ML7065，采用0.22μm CMOS制程，模组封装尺寸为7mm平方，因尺寸小，可提供产品应用弹性，且可降低耗电量。

(圖三)　ZigBee晶片架構

　　ZigBee应用领域

　　ZigBee应用领域主要有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗照护等，可搭配之应用产品则有家电产品、消费性电子、PC周边产品与感测器等，提供家电感测、无线PC周边控制、家电遥控等功能。

　　在家庭自动化领域，涵盖项目有照明、温度、安全、控制等。ZigBee模组可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模组，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接透过遥控便可开灯。藉由ZigBee可以收集家庭各种资讯，传送到中央控制设备，或是藉由遥控达到远端控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网路化与智慧化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。

　　在工业领域，透过ZigBee网路自动收集各种资讯，并将资讯回馈到系统进行资料处理与分析，以利工厂整体资讯之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可藉由ZigBee网路提供相关资讯，以达到工业与环境控制之目的。

　　随着应用产品之扩大，将带动ZigBee产品出货之增加，在未来市场规模发展方面，虽然2003年已通过802.15.4标准，不过由于2004年年底ZigBee联盟才会有规范进行产品互通测试，因此2004年全球ZigBee之出货量仍不大约为50万套，而至2005年ZigBee出货量将可望达到成长爆发点，其出货量将可达到800万套，预计2007年出货量将接近1亿套。

　　结论

　　全球数位家庭风潮方兴未艾，虽然家庭全面走向数位化仍有一段路需要走，但随着家电装置与多媒体娱乐资料都逐渐数位化，家庭应用也将整合数据、通讯与娱乐，随后将整合控制，使家庭更朝向自动化智慧家庭发展。

　　在无线个人网路领域技术分陈，前有Bluetooth1.1、Bluetooth1.2，后有UWB，各依据其技术特性，抢占各类应用产品山头。ZigBee凭借其架构简单价格低廉、低消耗功率延长使用寿命，即使传输速率不高，但针对感测与控制之应用，ZigBee仍有其很大的发展潜力。

　　不过，尽管Zigbee在标准方面有所进展，在工业自动化领域已见部分产品并获得使用，然而市面上低价且成熟之晶片解决方案仍是有限，新的互通测试规格仍须待至2004年第四季后，加上RFID等各种技术亦虎视眈眈，为ZigBee未来发展投下变数，而2005年将是关注ZigBee能否突破成长爆发点之重要关键时期。

　　ZigBee应用领域

　　ZigBee应用领域主要有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗照护等，可搭配之应用产品则有家电产品、消费性电子、PC周边产品与感测器等，提供家电感测、无线PC周边控制、家电遥控等功能。

　　在家庭自动化领域，涵盖项目有照明、温度、安全、控制等。ZigBee模组可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模组，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接透过遥控便可开灯。藉由ZigBee可以收集家庭各种资讯，传送到中央控制设备，或是藉由遥控达到远端控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网路化与智慧化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。

　　在工业领域，透过ZigBee网路自动收集各种资讯，并将资讯回馈到系统进行资料处理与分析，以利工厂整体资讯之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可藉由ZigBee网路提供相关资讯，以达到工业与环境控制之目的。

　　随着应用产品之扩大，将带动ZigBee产品出货之增加，在未来市场规模发展方面，虽然2003年已通过802.15.4标准，不过由于2004年年底ZigBee联盟才会有规范进行产品互通测试，因此2004年全球ZigBee之出货量仍不大约为50万套，而至2005年ZigBee出货量将可望达到成长爆发点，其出货量将可达到800万套，预计2007年出货量将接近1亿套。

　　结论

　　全球数位家庭风潮方兴未艾，虽然家庭全面走向数位化仍有一段路需要走，但随着家电装置与多媒体娱乐资料都逐渐数位化，家庭应用也将整合数据、通讯与娱乐，随后将整合控制，使家庭更朝向自动化智慧家庭发展。

　　在无线个人网路领域技术分陈，前有Bluetooth1.1、Bluetooth1.2，后有UWB，各依据其技术特性，抢占各类应用产品山头。ZigBee凭借其架构简单价格低廉、低消耗功率延长使用寿命，即使传输速率不高，但针对感测与控制之应用，ZigBee仍有其很大的发展潜力。

　　不过，尽管Zigbee在标准方面有所进展，在工业自动化领域已见部分产品并获得使用，然而市面上低价且成熟之晶片解决方案仍是有限，新的互通测试规格仍须待至2004年第四季后，加上RFID等各种技术亦虎视眈眈，为ZigBee未来发展投下变数，而2005年将是关注ZigBee能否突破成长爆发点之重要关键时期。