本計畫之主要目標可以分為兩個部分：無線生醫量測系統以及微 發電機供電系統，資分述如下：
5.1 無線生醫量測系統：
5.1.1 概述
無線感測網路（Wireless Sensor Network；WSN）的概念起源於美國 國防先進技術研究計畫署中的1 個研究項目，由於無線感測網路結合 了感測、運算以及網路連結的能力，不同感測器在其感測範圍之內監 控與偵測周遭環境與特定目標的狀態，並透過無線網路將這些狀態回 傳到主機，系統管理者在收到這些訊息時，就能夠藉此做出適當的反 應。
MCU 與 RF 模組一般是通用的架構，這些硬體元件的效率就會影響
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到感測與傳輸的效率，至於在通訊介面方面，無線網路具有非常多的 標準，除一般常見的 Wi-Fi、藍牙以外，目前也越來越多針對低功耗 應用設計的無線網路標準，其中，ZigBee 就是目前相當熱門且活躍的 近端低功耗無線傳輸標準之一。
一般來說，無線感測網路的系統是由感測器、MCU、RF 模組等不 同元件所組成，搭配上適當的系統軟體，便能進行特定的監測動作。
ZigBee 主要是由 IE802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 組織，分別制定其 軟硬體標準。ZigBee Alliance 是成長快速的非盈利性產業聯盟，成員 包括全球主要半導體廠商、技術供應商、OEM 製造商和最終使用者，
而且任何人皆可申請入會。
圖10 說明 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 制訂 ZigBee 標準 的關係。
圖 10 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 之關係
在IEEE 802.15.4 方面，2002 年IEEE 成立IEEE 802.15.4 小組負 責制訂媒體存取控制(medium access control, MAC)層和實體(physical,
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PHY)層之規範，如圖1所示。2003 年5 月通過IEEE 802.15.4 標準，
接著IEEE 802.15.4 小組著手制定IEEE 802.15.4b 標準，此標準為IEEE 802.15.4 標準改良版，主要是解決原標準有疑義之處、降低複雜度、
提高安全鑰匙使用彈性以及考量新頻帶分配等。
802.15.4b(D6)草案已於2006 年6 月通過，此標準將可有效簡化架構 並改善互通性，進而提高系統穩定度。在ZigBee Alliance 方面，2002 年10 月由Honeywell、Motorola、Mitsubishi、Philips 和Invensys 等公 司共同成立ZigBee 聯盟，ZigBee 聯盟負責制訂網路層、安全管理以 及應用介面等規範，如圖10所示，同時也負責互通性測試，目前ZigBee 產品以1.0 版本為主。
ZigBee 技術的出發點是希望發展一種擴展性強，容易佈建、低耗 電、雙向傳輸、感應網路功能的低成本無線網路，在技術定位上，「監
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（Protocol Primitives），相較之下，藍芽則有 131 個，因此在軟硬體設 計上的成本得以降低。
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2.4GHz、868MHz（歐洲）以及 915MHz（美國），這些頻段皆屬於免 執照頻段，不過依照頻段的不同，在傳輸速度以及距離上也有所差異，
ZigBee 提供了資料完整性檢查和權限區分功能，硬體本身支援 CRC 和 AES-128 編碼。因此可以應用在具有高規格安全性需求的環境 中。
‧機動網路組態：
ZigBee 所架構的 WSN 網路是能夠隨狀況變化的，節點在取得授 權之後才能進入網路，相對的，系統管理者也可以隨時將某個節點切 離網路，在管理方面具備了相當強的功能。ZigBee 規格定義了三種類 型的設備，每種都有自己的功能要求：ZigBee 協調器是啟動和配置網 路的一種設備。協調器可以保持間接尋址用的固定表格，支援關聯，
同時還能設計信任中心和執行其它活動。一個ZigBee 網路只允許有一 個 ZigBee 協調器。ZigBee 路由器是一種支援關聯的設備，能夠將消 息轉發到其它設備。ZigBee 網格或樹型網路可以有多個 ZigBee 路由 器。ZigBee 星型網路不支援 ZigBee 路由器。 ZigBee 端終設備可以執
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行它的相關功能，並使用ZigBee 網路到達其它需要與其通訊的設備。
它的記憶體容量要求最少。然而需要特別注意的是，網路的特定架構 影響設備所需的資源。NWK 支援的網路拓樸有星型、樹型和網格型。
在這幾種網路拓樸中，星型網路對資源的要求最低。圖12 為其示意圖。
圖12 Star Toplogy
在星狀拓樸中，網路封包資料可於協調者節點感測範圍內的終端節 點之間傳遞而不需透過路由節點。圖13 則為樹狀拓樸。
圖13 Tree Toplogy
在樹枝狀的拓樸網路架構中，由於網路架構較大之故，因此導入了
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路由節點，因此在協調者節點感測範圍外終端節點的資料封包可透過 路由節點傳遞。圖14 為網狀拓樸。
圖14 Mesh Toplogy
網狀拓樸則是結合了星狀拓樸與樹枝狀拓樸，終端節點可直接或透 過路由節點與協調者節點相連結，路由節點間彼此也可相互連結。
Binding 型式:
圖15 為 Zigbee 進行綁定所採取之形式。可分為：
1.在 One-to-one 型式中， 一個 Coordinator 綁定一個 End Device。
2.在 One-to-many 型式中，一個 Coordinator 綁定多個 End Device。
3.在 Many-to-one 型式中，多個 End Device 綁定一個 Coordinator。
28 圖15 Types of Binding
表3 Comparison of different standards that using 2.4GHz ISM band
5.1.3 ZigBee 無線通訊協定堆疊
ZigBee 無線通訊協定堆疊如圖 16 所示，以下依序說明其各層協定。
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圖16 ZigBee 無線通訊協定堆疊
‧IEEE 802.15.4 實體層
ZigBee 的實體層負責啟動和停止無線電收發器、選擇通道、能量 偵測以及封包的傳送和接收等功能。IEEE802.15.4 所訂的無線傳輸使 用2 個模式，一為2.45 GHz 模式，另一為868/915 MHz 模式。868 MHz、915 MHz 和2450 MHz 這三個頻帶可分別提供20 kbps、40 kbps 和250 kbps 三種資料傳輸速率，其中868MHz 與915 MHz 分別適用歐 洲與美國地區，2.45 GHz ISM 頻帶則適用於全球。
在不同頻段下ZigBee也使用不同的調變技術，在868MHz、915MHz 時是使用BPSK調變，而在2.4GHz則是用Orthohonal（正交）QPSK調 變，使用OQPSK調變可以讓每個傳輸表示符（Symbol）傳遞2bits資料 量。當然！因為QPSK的調變方式較BPQK複雜，難以在長距離傳輸時 仍信號完整性，所以傳輸距離較短。此外在發波的輸出功率上，若就 一般而言，ZigBee的最大發波輸出功率為0 dBn（即1mW，一毫瓦）。
表4為ZigBee 分配使用的頻帶與相關參數以及使用調變技術，整理 如下。
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表4 ZigBee 分配使用的頻帶與相關參數以及使用調變技術
IEEE 802.15.4 標準設計四種封包結構傳輸資料，稱為物理層協定 資料單元(PHY Protocol Data Unit, PPDU)，這四種封包分別為信標訊框 (beacon frame)、資料訊框(data frame)、回覆訊框(acknowledgement frame)和媒體存取控制層指令訊框(MAC command frame)，基本上訊框 架構相同。PPDU是由同步標頭(synchronization header, SHR)、物理層 標頭(PHY header, PHR)和物理層服務資料單元(PHY service data unit, PSDU)所組成。而同步標頭由前導信號(preamble)和開始位元(start of frame delimiter, SFD)所組成，preamble長度為32個位元，所有的位元 都是0，SFD 長度為8個位元，為{1 1 1 0 0 1 0 1}，PHY 標頭長度為8 個位元，第一個位元是保留位元0，其於7個位元用來表示PSDU的長 度。PSDU的長度範圍是0 byte到127 bytes。
‧IEEE 802.15.4 媒體存取控制
ZigBee 的媒體存取控制層提供MAC 資訊服務和管理服務，負責信
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標(beacon)管理、通道接取、保障時槽(guaranteed time slots, GTS)管 理 、 訊 框 驗 證 、 回 覆 訊 框 之 傳 輸 及 加 盟(association) 與 終 止 加 盟 (disassociation)。IEEE 802.15.4支援全功能(full function device, FFD)及 精簡功能(reduced function device, RFD)兩類的裝置，全功能裝置可支 援任何網路拓樸架構，可擔任網路協調者(PAN coordinator)，並可與所 有其他裝置通信。減縮功能裝置只存在於星狀拓樸中，只能與網路協 調者通話，且不能成為網路協調者。減縮功能裝置的好處是易於實現 IEEE 802.15.4 網路主要可以分成兩種拓樸，一種是星狀拓樸，如圖所 示，很多網路裝置圍繞著一全功能裝置，中心之全功能裝置為網路協 調者，它就像個集線器(hub)收集多個全功能或精簡功能裝置當作資料 終端機。另外一種拓墣為點對點(peer-to-peer)配接，如圖所示，網路 裝置不用一定要和網路協調者連接(網路內一定有一個網路協調者)，
點對點配接網路中的全功能裝置可以進行多向通訊鏈結，而精簡功能 裝置只能與全功能裝置進行通訊鏈結。因為有多向的通訊鏈結，點對 點(peer-to-peer)配接可以升級成多變複雜的網狀(mesh)和叢串樹狀 (cluster tree)等形式網路。圖17為 WPAN(wireless personal area network) 網路拓樸型態。
圖17 WPAN 網路拓樸型態
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在802.15.4資料傳送模式，分成以下三種類型：
1. 裝置協調者：(說明如圖18)
在有信標之網路，裝置須先取得信標與協調者同步，並以slotted CSMA/CA方式傳送資料。
2. 協調者到裝置：(說明如圖19)
在有信標之網路，協調者利用信標中的欄位告知欲傳送之裝置有資 料要傳送，而裝置則是週期性的監聽信標，如果自己是協調者要傳送 的對象，則該裝置利用slotted CSMA/CA 將MAC command request 控 制訊息傳會給協調者。
在無信標之網路，裝置利用unslotted CSMA/CA 方式傳送MAC command request 控制訊息給協調者，若協調者有資料要傳送，則利 用unslotted CSMA/CA 方式將資料送出。
3. 裝置(協調者)到裝置(協調者)：前面兩種運作方式的結合。
圖18 裝置到協調者之資料傳送模式
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圖19 協調者到裝置之資料傳送模式
‧ZigBee 網路層
ZigBee 網路層包含加入(join)及離開(leave)網路的機制、訊框安全 機制以及把訊框傳輸到目的地。此外，網路層的任務還包括傳遞路徑 的發掘與維護。為了達到這個目的，網路層必須知道緊臨的裝置，和 儲存這些直接相連裝置的資訊ZigBee 網路中的協調者，負責開始建立 一個的網路和指定位址給其他的裝置。
ZigBee 網路層支援星狀、樹狀和網狀三種拓樸。在星狀拓樸中，
所有裝置只與單一的協調者通信，在樹狀網路中，資料及控制訊息是 透 過 階 層(hierarchical) 的 方 式 傳 輸 ， 在 網 狀 拓 樸 中 允 許 所 有 的 pear-to-pear 通訊。ZigBee 網路層提供資訊傳輸及網路管理兩種服 務，並維持一個網路資訊庫(network Information Base,NIB)。
‧ZigBee 應用層
ZigBee 應用層包含應用次層(Application Support, APS)、ZigBee 裝置元件(ZigBee device object, ZDO)和製造商所定義的應用物件 (application objects)。APS次層提供網路層與應用層之間的介面，維持
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物件之間的連結表(binding table)，並在連結的裝置之間傳遞訊息，它 也維持了一個APS 資訊庫(APS Information Base,AIB)。ZDO 的功能 包括起始應用支援次層、網路層以及安全服務等。ZDO 並負責建構 上層應用所需的資訊、發出或回應連結的要求，發現同一個網路上的 裝置與應用服務、以及在網路上的裝置之間建立安全的關係等。
5.1.4 IEEE80.15.4 網路架構
在 IEEE802.15.4 中的網路設備可分為 Full-function Device(FFD) 與 Reduced-function Device(RFD) 兩種。一個 FFD 具有 Personal Area Network (PAN) Coordinator 、 Coordinator 與 RFD 等功能，它 可以跟其它的 RFD 或是 FFD 進行資料傳輸。 RFD 是一個極其簡 單的網路設備，只具備與 FFD 進行資料傳輸的功能。簡而言之，它
在 IEEE802.15.4 中的網路設備可分為 Full-function Device(FFD) 與 Reduced-function Device(RFD) 兩種。一個 FFD 具有 Personal Area Network (PAN) Coordinator 、 Coordinator 與 RFD 等功能，它 可以跟其它的 RFD 或是 FFD 進行資料傳輸。 RFD 是一個極其簡 單的網路設備，只具備與 FFD 進行資料傳輸的功能。簡而言之，它