無線技術大幅進展，也引領多項標準相繼問世，如ZigBee就是其中一項前景相當看好的標準，分析師預估未來數年會有許多ZigBee裝置上市。本文旨在協助工程人員了解採用ZigBee技術時必須面對的基本問題：ZigBee技術平台是否確實適用於新產品開發？
低成本/低功耗ZigBee逐漸普及
ZigBee為一針對低資料傳輸率無線解決方案的可靠、低成本、低功耗開放式全球標準，同時允許資料的多點跳躍傳輸路由(Multi-hop Routing)。ZigBee標準透過網狀網路(Mesh Network)功能及AES128位元加密可提供自我修復功能及高度安全性。圖1說明一般包含三種裝置或節點的ZigBee網路拓撲。其中包括協調器(Coordinator)、路由器(Router)與終端裝置。各個網路都有一個協調器，協調器會啟動網路，並且控制管理功能及資料路由功能。這些功能都需要協調器持續受到供電，因此建議這類節點連接固定電源。
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| 圖1 ZigBee網路拓撲 |
在大多數情況下，路由器都連接固定電源。路由器可協助在路由器數量不一，有時甚至不包含路由器的多點跳躍ZigBee網路中進行資料傳輸，因此能夠將網路轉換為單點對多點的型態。
這些以電池供電的低功耗裝置，能夠在大多數時間進行休眠，並且定時喚醒以收集和傳輸資料。感應器等都屬終端裝置，而且都透過路由器聯網。
驗證過程(Commissioning Process)中會指派節點類型。協調器的固定電源需求會成為ZigBee的限制因素，尤其在各個裝置都須要達到最低功耗的情況下。
隨著ZigBee網路的節點數增加，網路的某些部分可能會出現通訊瓶頸的問題，有兩種主要技術可用來限制ZigBee網路的壅塞(Congestion)問題。
第一種是透過安裝區域的節點配置及充裕的ZigBee路由器涵蓋範圍，可提供多重路徑讓訊息能傳送至集中器(Concentrator)，並且減緩網路內的潛在瓶頸點。第二種則是使用多個資料集中器，可減少將訊息傳送到集中器的節點所需的跳躍數，也可降低單一點失效的風險。
除了前述的三種方法之外，透過通道或網路ID(PAN ID)進行的網路分割(Network Partitioning)也可用來處理ZigBee網路壅塞的問題，不過，這些技術相當耗用資源。
ZigBee應用與堆疊技術息息相關
進一步檢視ZigBee堆疊，將有助於更加了解ZigBee實際應用會面臨的挑戰，尤其是選擇硬體平台時。ZigBee技術堆疊架構採用IEEE 802.15.4標準，並在其中加入一組堆疊層以達到目標功能。圖2說明ZigBee堆疊架構拓撲。
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| 圖2 ZigBee堆疊架構 |
位在底下的實體(PHY)層及媒體存取控制(MAC)層是由IEEE 802.15.4規格所定義。PHY處理2.4GHz及1GHz頻帶上的直接序列展頻(DSSS)無線射頻硬體實作，而MAC則處理PHY層的存取。除此之外，以上的各層都是由ZigBee Alliance定義，唯一的例外是應用層(Application Layer)由使用者定義。
由ZigBee Alliance定義的各層分別是網路層、應用框架層(Application Frame Work Layer)及應用組態層(Application Profile Layer)。路由及網狀網路功能都在網路層中進行定義。在ZigBee堆疊中實作的安全功能相當具有彈性，因為可在任何一層中實施。另外，組態也可為應用框架定義安全性。應用組態對標準互通性來說相當重要，因為能夠協助通用資料交換通訊協定(Data Exchange Protocol)以及許多處理動作的實施。
應用組態層可指定應用領域，並且允許不同製造商的裝置相互進行通訊。特定應用的組態能夠針對在該應用中指定功能領域內的不同相關ZigBee叢集庫進行重新組合。截至目前為止，ZigBee Alliance已定義三種應用組態：智慧型能源、家庭自動化以及居家與照護(PHHC)，適用於不同環境。
使用者對於在其中施行應用程式碼的應用層擁有完全的所有權，以便控制特定應用。
分析ZigBee堆疊架構後，不難看出對於使用者選擇處理器時所顯現的意義。對於相同的ZigBee堆疊，處理器的效能會因為不同的處理器廠商而異，在選用ZigBee平台時，應該審慎考量這項因素。
在採用ZigBee技術時，請考量以下因素：互通性的需求是選擇ZigBee的主要考量，尤其開發的產品必須與其他廠商的裝置進行通訊時。如果不須要使用或考量互通性，則可考慮採用專屬解決方案，以達到成本效益。第二項則是功耗，由於網路的協調器及路由器必須保持在開啟的狀態，因此強烈建議使用固定電源。第三則為軟體費用(Software Overhead)：由於堆疊的大小，ZigBee具有高軟體費用的特點。ZigBee不適用於CPU資源使用不高的應用。另外則是完全網狀網路，此類網路的優點在於能夠透過多點跳躍連結進行點與點之間的資料交換。大型建築物的感應器網路是其中一個很好的例子，對於這種應用方式，ZigBee是相當適用的平台。然而，有效運用IEEE 802.15.4標準或其他某些專屬通訊協定所提供的星型網路，有助於以較低的成本進行資料的傳輸。
許多工程人員都被ZigBee技術的優點所吸引，因此在設計產品時很可能忽略了其他更符合成本效益的解決方案。了解ZigBee技術及其可能的限制，有助於此技術加速起飛。
(本文作者任職於德州儀器)
| 參考資料 |
‧TolearnmoreabouttheZigBeeAlliance,visit:http://www.ZigBee.org/
‧FormoreinformationabouttheIEEE802.15.4standard,visit:http: // standards.ieee.org/getieee802/802.15.html.
‧FormoreZigBeesolutionsfromTexasInstruments,visit:www.ti.com/ZigBee. |