ZigBee規範定義來自不同供應商設備和應用間的互通性應用層通訊協定，包括數個特定目標應用領域，例如智慧能源、衛生保健，以及於2012年4月最新發布的照明領域規範。ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)訂出的各式ZigBee應用規範皆須在ZigBee PRO相容網路堆疊上實施，藉以透過底層協定決定大多數網路特性，以確保網路的互通性。
ZigBee PRO標準使用毋須授權的2.4GHz頻段，物理資料傳輸速率為250kbit/s，並規定用於安全、網路路由，以及網路管理的重要機制。圖1所示為ZigBee協定和規範系列。
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| 圖1 ZigBee聯盟規範系列發展一覽 |
確保ZigBee裝置互通性 ZCL規範至關重要
ZigBee規範採用叢集(Cluster)的概念，實現應用層的互用性。叢集定義公共功能的標準介面，例如時間、開/關、位準控制等，並定義在節點上(伺服器端)維持一項特定功能的方法，以及其他節點透過無線方式(使用者端)接取這項功能所需的協定命令。
ZigBee Cluster Library(ZCL)提供所有ZigBee規範的定義資訊(圖2)，每項ZigBee規範定義每種應用領域工作的設備類型，如ZigBee Smart Energy規範定義計量設備、能量顯示、自動調溫器和其他設備。ZigBee Light Link(ZLL)規範則定義開/關感測器、可調光照明和照明顏色。ZCL對於每種設備類型，提供一個強制和可選支援叢集清單，且通常相同的叢集用於不同的ZigBee規範，允許設備在一個以上的應用規範之間互用。
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| 圖2 ZCL和ZigBee規範原理 |
飛利浦(Philips)和歐司朗(Osram)等照明系統開發商，在來自ZigBee晶片供應商的強大支援下，得以順利推動ZLL規範的制訂。
ZLL具備易於安裝使用特性
ZLL規範定義兩組主要的設備--控制器(如感測器、橋接器、遙控器)和照明設備(顏色照明、可調光照明等)的運作方式與要求。值得注意的是，ZLL規範的一個重要部分還包括保證易於安裝和使用設備時無需任何預備技術知識，這是透過ZigBee聯盟提供詳盡的設備調試步驟說明、廣泛的測試範圍，以及取消可能導致互通性問題的可選功能，才得以實現的優勢。
另外，ZLL網路以分散式方式構成和運作，毋須中央協調器節點管理網路和通訊，這使系統易於安裝和維護，並且由於不存在單一故障點，因此系統可非常穩健。
在照明操作方面，ZLL規範實現開/關狀態、色調、飽和度、亮度和色溫控制的標準化，而且還可將照明參數配置做為「場景(Scenes)」並調用它們，以及安排照明設備同時進入群組控制。這可藉著使用色彩控制(Color Control)、水準控制(Level Control)、開關、場景和群組(Group)叢集實現。
ZLL與HA裝置可相容
只要把這些設備加入相同的ZigBee網路，ZLL控制設備能與ZigBee家庭自動化(HA)設備互用，且ZLL照明設備可使用ZLL控制器和HA裝置控制。這是由於HA和ZLL規範使用相同的叢集(雖然ZLL使用的叢集可能具有其他特性)，而且使用標準ZigBee機制建立設備間的聯繫，因此可實現支援不同ZigBee規範設備間的互通。
新的照明設備透過Touchlink調試加入ZLL網路，要啟動這個步驟，使用者可將一個控制器和一個照明設備相互靠近放置，通常為20～50公分，再按下控制器上的按鈕即可。在這個步驟中，照明設備連接到控制器的網路之後，網路參數就會傳送到照明設備，這項操作可重複用於每個必須使用這個控制器來操作的新照明設備。
透過使用與已經加入網路的控制器相同的Touchlink過程，也可將其他控制器添加到現有的網路中。
ZLL控制器通常使用預設的群組位址，在Touchlink之後，燈具便立即添加至一個控制器的群組中，且控制器的集群命令可以到達群組中所有的燈具。另外，用戶也可選擇一個特定的燈具，進行單獨控制。
做為ZigBee終端元件，控制器透過其母路由器發送所有的訊框資訊到網路，而照明設備做為路由器(若需要會使用其他中間路由器)，則將這些訊框資訊發送到目的節點。如果在某些節點上到達最終目的地的路徑未知，ZLL系統會自動啟動在堆疊中的路由發現程式，使用最合適的路徑發送資訊。從應用層來看，僅須指定目標節點的位址，路徑發現和維持(如果情況改變或某些路由器去除)將在ZigBee堆疊中自動控制處理。
參考設計解決ZLL設計難題
不熟悉ZigBee無線技術架構的工程師考慮在新產品中整合ZLL時，可使用微控制器(MCU)供應商提供的參考設計，例如愛特梅爾(Atmel)RF4CE-EK評測工具套件。該套件是以ATmega128RFA1無線系統單晶片(SoC)為基礎，並使用稱作BitCloud的ZigBee PRO堆疊(圖3)。
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| 圖3 具有照明控制功能的BitCloud ZLL開發板 |
在這個工具套件中，ZLLDemo參考應用包括經過認證的色彩照明和色彩場景控制器的實施方案，套件中用於色彩場景控制器的遙控電路板(RCB)應當與主遙控板安裝在一起，才工程師才可順利在主遙控器中，進行個場景的功能設計。
色彩照明應用分為兩類，一類用於單一RCB板，在這種情況下電路板上的發光二極體(LED)用作照明；而另一類是用於與帶有液晶顯示器(LCD)的主遙控板安裝在一起的RCB板。
如上所述，在控制器和照明設備間執行Touchlink可構成一個ZLL網路。在Touchlink期間，照明單元會辨認自身，以確保用戶控制器選擇正確的設備，根據照明設備的配置，透過LCD螢幕閃爍或開發板上的LED閃爍完成確認。
當照明設備調試進入網路後，可使用遙控器上的多個按鈕操縱照明，使用者可以使用開/關命令、亮度和顏色改變，以及場景設定和記憶功能，這些功能以群播(Groupcast)或單播(Unicast)形式發送到照明設備，可以配置每個遙控器控制的不同照明設備集群。
而且，節點將現有網路和應用參數保存在電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM中)，當發生重新啟動或電源開關循環的情況，可恢復網路狀態，毋須重新調試照明設備進入網路。
對工程師而言，使用參考應用的好處是用於Touchlink調試和命令交換的ZLL網路代碼經過認證時，可不須任何進一步的修改。工程師可集中精力滿足客戶應用的特別需求，如根據接收的ZLL指令進行LED驅動器控制，以及管理控制器端(按鈕、計時器、序列介面等)的命令傳送事件。
(本為作者為愛特梅爾無線解決方案資深總監)