ZigBee設計/除錯挑戰仍在　無線網路分析儀力克難關

近年來，短距無線網路市場呈現爆炸性成長，如市調機構In-Stat就表示，在ZigBee和其他專屬協定帶動下，2009年IEEE 802.15.4之無線個人區域網路(PAN)將可實現巨幅成長，年底出貨單位將突破一億五千萬大關。

對於無線應用設計人員而言，目前有許多射頻(RF)收發器和ZigBee協定堆疊可協助在應用中實現ZigBee協定功能。無論選擇何種收發器和協定堆疊，設計工程人員都應致力於尋找能夠快速評估和開發ZigBee協定應用的設備和工具；更由於ZigBee協定的複雜度，設計人員須要使用適合的開發工具幫助設計及除錯。

在開始進行無線應用開發時，無線網路分析儀(Sniffer)將是一項必要投資。有些分析儀具備圖形介面、有些則提供文字，但不論哪種，分析儀都應具備容易理解的介面。以下將採用微芯(Microchip)具備圖形介面的ZENA無線網路分析儀為例，為讀者介紹ZigBee協定的關鍵解碼，以協助設計人員有效開發並為系統除錯。  

裝置訊息透露關鍵資訊　網路組成一目了然  

當裝置加入ZigBee協定網路時，通常會出現訊息，顯示關於相關網路的資訊。當裝置嘗試加入網路時，首先會發出信標要求(Beacon Request)，鄰近的協調器或路由器也透過發出信標來回應。新裝置將選擇一個信標並發送關聯請求(Association Request)，請求加入網路。在短暫延遲後，新裝置又發送一個數據請求(Data Request)請求回應。網路設備則發送一個關聯請求幀(Association Response)，回應該裝置是否已被網路接受。這些訊息如圖1。

圖1　新裝置加入ZigBee網路時出現的信標

通常第一則訊息為新裝置發出的信標要求；後兩則訊息是信標。從這些信標中可以知道更進一步的資訊：首先可以看出第二則信標來自協調器，因為其來源位址(Source Address)為0×0000，且信標負載內容(Beacon Payload)中指定的深度為0；也可由此推論，第一則信標來自路由器，因為其來源位址並非零。此外，也可以知道該路由器透過協調器加入網路，因為路由器和協調器在同一網路上(來源PAN相同)，且信標負載內容「深度(Depth)」為1。  

值得一提的是，因為超碼訊框欄位(Superframe Specification)的Assoc顯示為Y，因此從上述訊息中可以知道，在應用層這兩個裝置都將接受新裝置加入網路。但是，如果再仔細查看信標負載內容，可以發現協調器無法接受其他路由器或終端設備加入網路，因為RtrCap和DevCap欄位均為0(顯示為N)；但在此同時，路由器仍可接受其他路由器和終端設備。  

第四則訊息顯示，新裝置嘗試加入網路。透過檢查關聯請求的目標位址，可以知道新裝置正試圖加入的網路設備，也就是路由器。關聯請求包含關於新裝置的許多資訊，重點是觀察Dev和R×On欄位。Dev欄位表示裝置正試圖做為終端裝置加入網路；而且，可以知道該裝置的收發器保持開啟狀態，因此其本體不必為其緩衝訊息。  

R×On欄位對於之後的通訊很重要。如果R×On 顯示為Off，本體將假定該裝置的收發器保持關閉，並為新裝置緩衝訊息。如果新裝置沒有主動要求訊息，那麼本體也不會協助傳遞訊息。  

最後觀察最下方的訊息，可以發現關聯請求的狀態顯示成功；表示一個新的全功能終端裝置已經加入網路，其位址為0×1AF9。  

精確訊息傳送　即時回報系統瓶頸  

另外，由於ZigBee屬於高度要求訊息精確傳送的協定，因此具有三個訊息回應層級︰媒體存取控制(Media Access Control, MAC)、應用程式支援子層(Application Sub-support, APS)和應用程式框架(Application Framework, AF)，此三層級不但協助提升系統的可靠性，也在發生問題時能夠判斷問題所在。在圖2，裝置0×0001正告知裝置0×0000透過這三種層級分別將屬性設為指定值。

圖2　ZigBee協定的可靠性仰賴強大的訊息回應功能，而藉訊息回應的三種層級可對ZigBee協定網路進行疑難排解。

第一則訊息是發送給裝置0×0000、要求設定屬性的指令。接下來是一則簡短MAC回應，表示接收裝置的收發器正確接收了指令。這些訊息通常由收發器自動產生，ZigBee協定規範了所有訊息皆須通過MAC回應。  

在第一則訊息的APS訊框控制(APS Frame-control)欄位中，可以看出是否需要APS回應，若該值為Y，則接收端ZigBee堆疊的APS層將自動產生一則APS回應，如第三則訊息所示。該回應表示目標設備的堆疊接收到訊息，APS回應還將產生另外一則MAC回應，如第四則訊息所示。  

觀察並分析第一則訊息中Transaction 1部分，可以看到Cmd顯示SetAck--表示發出Set With Acknowledge指令。這是一則發送到應用層的指令，應用層必須發出Set Response指令回應，如第五則訊息所示(顯示為SetRsp)。該回應表示應用層確實接收了訊息，如果在將屬性設定為請求值的時候發生任何問題，也將發送錯誤代碼表示。AF回應將產生另外一則MAC回應，如第六則訊息所示。此外，AF回應隨要求的APS回應發送，也將生成第七和第八則訊息。  

這些層層相疊的回應將會產生極大的資料流量，但也幫助設計人員在訊息流出現問題時能輕易找出問題所在(表1)。

表1　確定ZigBee協定問題之根本原因分析
遺失的訊息		可能問題
1.	原始命令	來源裝置不在網路中 來源裝置的堆疊超出其處理能力 來源裝置收發器的發送問題 如果目標裝置為來源裝置的子設備，而該子設備的收發器在閒置時關閉，子設備將不能進行訊息請求 來源裝置和分析儀在不同的通道操作
2.	MAC回應	使用了錯誤的目標PAN ID或位址 目標裝置不在範圍內 目標裝置沒電 目標裝置上的射頻干擾收發器溢位
3.	APS回應	目標裝置堆疊超出其處理能力
4.	MAC回應	與2. MAC回應同
5.	AF回應	應用程式沒有回應功能 指令出錯，而應用程式未能完成錯誤處理；例如，不正確的端點以及無效的屬性ID、資料類型或值
6.	MAC回應	與2. MAC回應同
7.	APS回應	與3. APS回應同
8.	MAC回應	與2. MAC回應同

拓撲問題難解　無線網路分析儀適時伸援手  

當無線網路系統被成功開發之後，無線網路分析儀即可協助進行安裝和拓撲分析。目前有部分無線網路分析儀能夠圖形化表示訊息傳遞的方式和方向：裝置以圓形節點表示，而訊息則以連接到節點的線表示。此外，如果同時提供載明實體布局的點陣圖，拓撲問題將更清楚。  

以包含四個裝置、一個協調器、兩個路由器和一個FFD終端裝置的網路為例，儘管所有裝置都是全功能裝置，但還是可以從封包分析中看出，FFD終端裝置和任一路由器之間的訊息是透過另一路由器發送的。這可以從打開網路設定視窗(Network Configuration Display)讀取點陣圖後了解。  

圖3為網路設定視窗，顯示其中的網路流量發生問題。從圖3可以看出，有兩個設備彼此不在對方的射頻範圍內，很有可能是建物造成的干擾。訊息必須透過另一個裝置才能到達其目標設備。因此，儘管這種情況有些令人擔心，還是可以掌握系統的運作。

圖3　無線網路分析儀的網路設定視窗顯示了網路流向，說明兩個裝置不在對方的射頻範圍內；也代表了訊息必須透過其他裝置傳送到其目標設備。

值得注意的是，一個分析儀無法兼顧網路上所有節點；因此為了掌握整體網路流量，仍需要來自不同位置的訊息來源，或者使用位於不同位置的多個分析儀。  

總結來說，雖然ZigBee協定較其他無線協定簡單，但是仍須使用正確的工具才能有效開發應用。從確認正在發送正確的資料值到理解網路行為(Network Behavior)，無線網路分析儀仍是協助進行無線網路開發的基本工具。  

(本文作者為微芯高階微控制器架構部門首席應用工程師)  

參考資料

‧ZigBee Protocol Specification，http://www.zigbee.org ‧PICDEM Z Demonstration Kit User's Guide(DS51524)　　http://www.microchip.com/zigbee ‧IEEE 802.15.4 Specification，http://www.ieee.org ‧ZENA Wireless Network Analyzer User's Guide(DS51506)　http://www.microchip.com/zigbee