解決應用層標準互通問題　ZigBee Pro拓展新應用

無線感測網路中，ZigBee是最被看好的技術之一，事實上ZigBee發展並不如預期來的熱烈，其中最大的問題出於應用層並未有統一規範，雖網路層規範詳盡，但各廠商應用層無法互通，終端產品也因此無法互連，如能掌握各版本的問題與設計產品時的重點，加上各廠商間應用可互通，ZigBee可望再起。  

ZigBee規格不斷演進  

圖1 資策會網多所組長張志龍表示，八位元微控制器無法支援複雜的安全功能，因此未來採用高度安全模式時，須利用十六或三十二位元的微控制器方案。

目前ZigBee規格持續演進，ZigBee聯盟為該技術規畫一連串的標準制訂與應用發展藍圖，接下來，該聯盟將針對核心堆疊部分推出新一代ZigBee Pro規範，並著手制訂下一代Non-mains ZigBee規範，消除網路調協器(Coordinator)與裝置(Device)之間的分界，任一節點將能同時扮演網路調協器與裝置兩種角色；並在堆疊加值方面，強化安全性，與整合服務；在工具及垂直特性(Vertical Specific)上，頻寬拓展成為眾所矚目的焦點，資策會網多所組長張志龍(圖1)表示，未來將改進ZigBee媒體存取控制(MAC)層與實體(PHY)層頻寬，預期2010年時，可望完成類似藍牙的技術，屆時兩技術之衝突將不可言喻。至於在應用類別(Profile)上，為了新增更多應用以開拓ZigBee市場版圖，ZigBee聯盟預計將針對電信(Telecom)、個人家庭醫療、無線UART及環境監控等制訂相關類別。  

上述這些規格的制訂、執行或推廣等將由ZigBee聯盟組織內各個工作小組個別完成，包括類別工作小組、應用框架工作小組、網路工作小組、安全工作小組、閘道器工作小組、行銷工作小組及資格工作小組等。  

ZigBee Pro去蕪存菁  

ZigBee聯盟預計將在2007年第三季至第四季間推出核心堆疊ZigBee Pro，不僅移除部分舊規格，並新增一些規格。移除的部分包括CSKIP Address Assignment和樹狀路由方式，新增規格則包含隨機位址指派(Stochastic Address Assignment)/位址衝突解決(Address Conflict Resolution)、多對一路由(Many to one Routing)/來源路由(Source Routing)、群播(Multicast)(圖2)、頻率捷變(Frequency Agility)、分裂(Fragmentation)/重組(Re-assembly)、連結狀態(Link Status)/均衡路徑(Symmetric Route)、標準和高度安全模式(Standard and High Security Mode)等。

圖2 在ZigBee Pro網路節點進行群播時，容易造成網路壅塞，因此須減少封包數量。

另外，在抗周圍噪音干擾之部分，由於對干擾的定義不同，因此未列在規格內，張志龍表示，網路調協器周圍的裝置應具備抗干擾能力，且網路調協器本身能夠從其他節點取得干擾資訊。  

相容性問題待檢驗  

新一代ZigBee Pro與先前ZigBee 2006規格的相容性也備受質疑，張志龍表示，ZigBee Pro在商業應用內，移除一個可能有問題的路由方式，但該路由方式在居家小型網路應用上，較不成問題；另外，在ZigBee Pro結合ZigBee 2006網路應用時，由於兩網路的位址指派與路由方式不同，ZigBee Pro裝置只能當作ZigBee 2006網路中的終端裝置，不負責路由、配位，便能彼此互通，反之亦然，即ZigBee 2006裝置只能當作ZigBee Pro網路中的終端裝置；但是若ZigBee Pro網路選擇高度安全模式，則無法相容於ZigBee 2006網路。  

擴大ZigBee應用範圍  

除了核心堆疊外，近來新增、較受關注的規格包括家庭自動化(HA)類別、先進電表基礎(AMI)類別、配對工具(Commission Tool)及ZigBee橋接器等。透過家庭自動化，家庭內的普通設備、燈光設備、開關設備、空調系統(HVAC)及入侵報警系統設備等都能經由中央控制電腦串連在一起，張志龍表示，家庭自動化類別規格將於八月完成，目前的主要瓶頸在於測試案例。  

遠端自動抄表(Automated Meter Reading, AMR)是另一項相當受歡迎的ZigBee應用，也是較不受到藍牙與Z-Wave搶食的市場，因此ZigBee聯盟針對該應用制訂先進電表基礎類別，目前挪威政府便支持一項專案，採用ZigBee技術建置先進電表基礎，預計有二十六萬個電表將結合ZigBee技術。  

張志龍指出，先進電表基礎即屬於大範圍、節點數多的應用，因此較不容易遇到能與之競爭的技術，但卻也不容易設定節點參數，因此便須要利用Commission Tool輔助，透過這項工具，毋須再額外設定參數，即可自動形成網路。  

ZigBee橋接器也能擴大應用範圍，該橋接器能夠將散落在不同地理位置的ZigBee裝置串接起來，同時，蒐集裝置上的資料，在802.15.4與網際網路封包間交流，利用網際網路連線、傳送資料到主機伺服器。

ZigBee應用層標準未定影響甚巨

圖3 工研院量測中心通訊驗證與應用實驗室鄭有益表示，雖ZigBee模組與晶片持續推出中，但卻未見終端產品商廣泛採用ZigBee技術於其中。

ZigBee既擁有上述調變技術簡單、低耗電與低資料傳輸頻寬等特色，為何無法全面發展？工研院量測中心通訊驗證與應用實驗室研究員鄭有益(圖3)表示，雖ZigBee應用範圍廣、技術簡單，但要將訊號轉換為ZigBee技術能理解的程式語言，則必須經過層層轉換與規範，才能到達最終應用設備上，這層層的轉換必須由許多對ZigBee有相當程度的工程師才可理解，然而前端晶片與終端產品設計間存在一定的鴻溝，如何跨越則必須倚賴共同的標準規範。  

ZigBee聯盟頒布的各個版本中，如張志龍所言，各有無法互通之處，但只須於網路層稍作修改即可解決不相容的問題，鄭有益強調，最大的問題存在於ZigBee通訊協定中的應用層，因為ZigBee聯盟並未對應用層做出相關規範，因此各廠商一直都是各自開發應用程式，消費者購得產品後，並非安裝完畢即可將所有裝置全部連線，更遑論一支遙控器可控制所有產品。由圖4可知ZigBee技術是以IEEE802.15.4為基礎，由ZigBee聯盟制定的規範範圍至應用介面，而最後的應用則由使用者自行定義，而這使用者自行定義的應用實為ZigBee無法與其他如藍牙等無線短距傳輸技術同樣普及的最大原因。

圖4 ZigBee各層規範狀況

目前終端產品推出市場時，為了符合ZigBee使用條件，皆必須改變原來的產品主控訊號的設計，而主控訊號為各終端廠商各自研發的規格，亦即ZigBee協定並未明確規範使用者定義部分，而此主控端訊號該如何與ZigBee互通，也是一個問題，為符合ZigBee標準，則勢必改變原主控端訊號設計，但如前所述，前端與後端設計存在一定的困難，並非可輕易跨越，如能有一套共同的標準規範依循，ZigBee應用則可更容易落實在生活中，針對這個問題，ZigBee聯盟也將於2007年第三季發布家庭自動控制領域的應用層規範，屆時可望帶動ZigBee在家庭控制應用的發展。  

此外，除了解決各家使用者定義部分的互通問題外，鄭有益也指出，目前在ZigBee各項應用範圍中，還須注意涉及人身安全的應用，如大樓控制中的消防、安檢等，須符合相關法規的規範，他提到，就工研院自行測試的ZigBee應用於大樓之消防系統中發現，因限於ZigBee各節點是依序傳遞無法跳躍的設計方式，因此當某一層樓有火災預警時，ZigBee節點會每一層樓依序將訊息傳遞至主控端，而目前消防法規規定為十秒內必須將訊息有效傳遞至控制中心，以便迅速進行救災工作，但ZigBee節點無法跳躍傳遞的限制使其無法符合法規規範，也造成其應用受限。加上ZigBee雖號稱可連結上千個節點，實際上目前ZigBee有效的節點數量僅一百個左右，連結更多節點時則會出現訊號中斷問題，一旦訊號中斷，則訊號傳輸必須重新開始，也會因此使訊號無法在法規規定時間內到達控制中心。  

由於ZigBee的諸多特性，因此常用於嵌入式應用產品，也因為如此，這些嵌入式應用產品都具有低資料傳輸率、低耗電力等特性，也同時具有大眾化、低成本和能夠自行組織連結等功能。事實上，ZigBee會受到重視，是因為其所有應用產品和設備耗電量很低，因此若無法以單一普通電池連續運作一年以上，將無法滿足用戶的需求。  

除了電力精簡的特性之外，ZigBee之所以受到業界支持，其中一項因素為其網狀網路的架構允許互相連結的特性，讓工業控制、嵌入感測器、醫療搜集資料、煙霧探測，保安系統、大廈自動化、家庭自動化等應用得以順利問世。  

以目前的應用來看，包括商務上的銷售點系統(POS)、自動販賣機、斟酌照相機標度、高爾夫球推車跟蹤、交通控制電子招牌/路牌等，或是在最具潛力的住宅應用端，如照明設備控制端、相機對焦控制、住宅應用、自動化儀錶讀數、空氣調節控制、醫療遙測裝置與水池和溫泉控制，甚至可望延伸到運輸貨櫃跟蹤系統(圖5)、醫療遙測裝置、掌上型賭博用機器、車輛資料資料收集/跟蹤、賽跑計時器。其他受歡迎的應用，還包括保安/火警、全球衛星定位系統(GPS)接收器通訊器、資料收集、灌溉系統，或是軍事和政府應用上的水電流量計儀器、炸彈處置機器人與無人航空器(UAV)等。

圖5 ZigBee可以商業應用上發揮不少效益，如貨運物流就是一例。

軟硬體開發仍須突破  

圖6 迪進國際北亞及大中華區嵌入式產品應用工程師劉浩傳認為，模組化開發的產品可以為企業上下游省去軟硬體設計的不少挑戰。

由於ZigBee的諸多特性，儘管應用多元，不過要將ZigBee晶片推上產品線，仍有諸多技術門檻須跨越。美商迪進國際(Digi)北亞及大中華區嵌入式產品應用工程師劉浩傳(圖6)指出，在硬體開發上的最大挑戰，包括電子噪音、電磁相容性(EMC)、電磁干擾(EMI)、輻射場型和優化與接收器的敏感性等，都是須要克服的項目。  

劉浩傳進一步解釋，要談ZigBee的應用時，就必須考慮到如在完整電流迴路上，電流會經由那一個地線作為迴路的路徑、最少電阻與最少阻抗各為何等細節，而在電源電位設計上，也應使用星形(平行)電路設計，而非串聯電路設計。劉浩傳補充說明，硬體設計上同時須要留意電子線路板線路設計中，避免金屬阻擋收發器和天線、天線插座與連接底板的設計等問題。他並強調，唯有將上述硬體設計時可能遇到的瓶頸同時解決，推出的ZigBee產品才能正常運作。  

除了硬體部分，軟體的設計也同樣關係ZigBee產品的成敗。劉浩傳指出，軟體專案管理主要有七個階段，分別是軟體的主要概念、必要條件的分析、軟體結構設計、詳細設計、編輯程式和測試、系統測試及軟體部署和維護等，而其中尤以測試與除錯修正為首要任務，其他包括模組綜合化、版本更新和控制、編制程式性能和優化與注釋和手冊等，都是軟體發展人員須要考慮的。  

模組開發推升效能  

劉浩傳認為，由於軟硬體開發須要同時關注上述議題，因此透過模組化開發產品，可望達到最好的效能。劉浩傳強調，成本效益向來是關鍵所在，因此業者如何在低成本的前提之下，提供高效能的無線電收發機，才能突顯競爭優勢。  

據了解，目前已問世的模組產品多半具有網路拓撲結構，允許網狀網路、點對點、點對多點、多點對多點和並列網路結構方式，同時支援IEEE 802.15.4規格等特性。另外，為了保存電池壽命，也提供睡眠模式，讓功耗降至最低，延長使用時間。  

值得一提的是，由於ZigBee Pro尚未底定，因此業者間在國際認證上的拉鋸也被預期將持續一段時間，目前模組化產品須更努力，才能獲得客戶的認同。  

綜上所述，ZigBee要重返剛推出時備受矚目的光景，除了本身版本間不相容的問題待解決外，統一各家廠商間不同的應用技術，與改善ZigBee傳輸技術的限制，也是相當重要的一環，鄭有益表示，雖一統終端設備廠商主控端訊號設計的路還有很長，但在ZigBee聯盟展現出的積極與努力下，加上第三季發表的新版本ZigBee Pro的底定，ZigBee將可重新出發，並再度擁有市場競爭力。