國際間通用之 Z IGBEE 無線式系統之建置

ZigBee 的命名，源自於蜜蜂在發現花粉時，所跳的一種類似 ZigZag 形狀的 舞蹈，這看似隨意飛舞的舞蹈，實際上是將花粉的所在位置，正確的傳達給同伴。

ZigBee 是由 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 組織，分別制訂硬體與 軟體標準，如下圖 3-23 所示。

圖 3-23 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 的工作模型

（資料來源：January 2006 high Frequency Electronics）

它是一種低傳輸(250kbps)、架構簡單的雙向傳輸無線通訊技術，其本身具有 低成本、低耗電、體積小及網路拓樸等特性，且容易整合個人無線數位環境並應 用於多樣化的產品。

圖 3-24 ZigBee 可應用於消費性電子控制、資訊週邊、家電控制、工廠監控、醫 療保健、建築物自動化等

（資料來源：ZigBee Alliance）

貳、 ZigBee 的組成架構：

一、 IEEE 802.15.4：

2000 年 12 月 IEEE 成立了 802.15.4 小組，負責制定媒體存取控制層（MAC）

與物理層（PHY）在低速無線個人區域網路（Low-Rate Wireless Personal and Network：LR-WPAN）的規範。在 IEEE802.15.4 網路中支援全功能裝置（Full Functional Device：FFD）及簡化功能裝置（Reduced Functional Device：RFD）

兩類裝置。

1. 物理層（PHY）：

負責啟動和停止無線電收發器、能量偵測、選擇通道與封包的傳送和接收等 功能。所採用的通訊技術為直接序列展頻（DSSS），傳輸頻率則有 2.4GHz、

915MHz 和 886MHz 三種

表 3-5 IEEE802.15.4 各頻帶比較 IEEE802.15.4 各頻帶比較表

頻帶 通道數 Chip rate 調變方式 傳輸速率 區域 868 MHz 1 300 kchip/s BPSK 20kbps 歐洲 915 MHz 10 600 kchip/s BPSK 40kbps 美國 2.4 GHz 16 2000 kchip/s O-QPSK 250kbps 全球

（本研究整理）

2. PHY Protocol Data Unit：

PHY Protocol Data Unit（PPDU）為 IEEE 802.15.4 標準設計封包結構傳輸資 料，稱為物理層協定資料單元。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。

圖 3-25 PPDU 由 SHR、PHR 和 PSDU 所組成

（資料來源：Kevin Klues Department of Computer Science and Engineering）

3. 媒體存取控制層（MAC）：

負責提供 MAC 資訊服務和管理服務，負責信標(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) 。

支援全功能裝置（Full Functional Device：FFD）及簡化功能裝置（Reduced Functional Device：RFD）：

I FFD 可支援任何網路拓樸架構，可擔任網路協調者 PAN coordinator，並 可與其他裝置通信。 圖 3-26 Coordinator to Device 的資料傳輸模式

（來源：Kevin Klues Department of Computer Science and Engineering）

ii. Device to Coordinator ：

資料由裝置送給網路協調者主要是用兩向交握（two-way handshaking）的方 式，送端裝置利用 slotted/unslotted CSMA/CA 通訊協定傳送資料給網路協調者，

接下來網路協調者回以 ACK 訊框（非必須的，使用時則為兩向交握的方法）。

Beacon Enabled Mode Non-Beacon Enabled Mode 圖 3-27 Device to Coordinator 的資料傳輸模式

（來源：Kevin Klues Department of Computer Science and Engineering）

iii. Peer to Peer（NonBeacon-Enabled）：

每個裝置可能直接和傳輸範圍內的其他裝置進行通訊。為了能有效率的傳輸 資料，要傳輸資料的裝置必須一直保持 active 模式不斷等待接收資料，或是要彼 此間能夠同步。裝置可以簡單的使用非時槽型的 CSMA/CA 機制去傳送資料。

5. CSMA/CA 機制：

在 IEEE802.15.4 中採用的媒體存取方法是 slotted/unslotted CSMA/CA 通訊協 定，在星狀拓撲網路中若協調者有傳送 Beacon-enabled，用以支援需要等待潛伏 時間的裝置和應用，則收送資料時用 slotted CSMA/CA 通訊協定，反之則用 unslotted CSMA/CA 通訊協定；對等拓撲網路則可以簡單的使用 unslotted CSMA/CA 通訊協定，使用 slotted CSMA/CA 通訊協定則必須在收送裝置兩端間 先達到同步才可以辦到。

i. unslotted CSMA/CA：

每當有裝置有命令或資料傳輸時，需等待一個隨機亂數的期間，當等待時間 結束後，若此頻道沒有被使用，即開始傳送；若頻到已被使用或忙碌的話，則需 再等待一亂數期間。

ii. slotted CSMA/CA：

當裝置收到網路協調者所發出的 Beacon 後，會將 backoff slot 對準 Beacon 發出的時間。當裝置有資料要傳送時，它必須先找出下一個 backoff slot 的起始 邊界，然後等待隨機產生的若干個 backoff slot 時間，當等待的時間結束後，若 此頻道沒有被使用，則裝置可在下一個退後時槽的起始邊界開始傳送資料；若頻 到已被使用或忙碌的話，則需再次等待另一隨機產生的若干個 backoff slot 時間。

二、ZigBee Alliance：

ZigBee 聯盟在 2002 年 10 月由 Honeywell、Mitsubishi、Invensys、Motorola 與 Philips 共同成立，ZigBee 聯盟負責制定網路層、安全管理、應用介面層規範，

並必須肩負互通測試。

在 2004 年 12 月至 2007 年 1 月間 ZigBee Alliance 共推出了三個版本做改善，

分別為 ZigBee 1.0（ZigBee 2004）、ZigBee 1.1（ZigBee 2006）和 ZigBee Pro（ZigBee 2007）。雖然 ZigBee Alliance 一直持續對 ZigBee 的規格做改善，但也造成三個版 本無法完全相容，成為推展上的問題點。

ZigBee 網路層支援 Star、Cluster 和 Mesh 三種拓樸。

圖 3-28 星形拓墣：由協調者直接控制終端設備

（資料來源：2005 Wireless & Mobile WorldExpo）

圖 3-29 叢集型拓墣：協調者藉 FFD 裝置控制終端設備所下達指令是透過階級方 式傳輸

（資料來源：2005 Wireless & Mobile WorldExpo）

圖 3-30 網狀拓墣：網路透過 FFD 來擴展就架構來看是採取 peer to peer 的連接

（資料來源：2005 Wireless & Mobile WorldExpo）

2. ZigBee 安全管理模式：

i. 存取控制：

ii. 設備保持一個關於網路中可以信賴設備的列表。

iii. 資料加密：

iv. 使用對稱密鑰 128 位元高加密標準。

v. 訊框完整性：

vi. 保護資料不被無密鑰之人員修改。

vii. 連續刷新以拒絕重發資料訊框：

viii. 網路控制器將刷新值與來自設備的上一個已知值進行比較，如果刷 新值沒有更新，那麼這個資料訊框將被拒絕。

3. 應用層：

應用層包含有應用次層（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）。

應用次層提供應用層與網路層之間的溝通介面和維持物件之間的連結表

（Binding Table），並在連結的裝置之間傳遞訊息，它也維持了一個應用次層的

資訊庫（APS Information Base, AIB）。

圖 3-31 NEC 家庭應用架構圖 強調防犯用途、空調控制、火災感知和使用量管 理等四個項目。

（資料來源：日本 NEC）

1. 防犯用途：

利用開關和震動感測器安裝至窗戶上，若發生宵小入侵等異常狀況時，

透過路由器傳回控制器，並經由電話或網路通知做回報。

2. 空調控制：

利用溫度和濕度的感測器，將數據傳回控制器，而達到空調控制的可能。

3. 火災感知：

利用煙霧感知器和溫溼度感測器，將異常狀態傳回控制器，並可經由電 話或網路做回報。

4. 使用量管理：

利用記錄器對家中的水、電和瓦斯使用量作紀錄，將這些數據傳回控制 器提供住戶管理的功能。

二、ZigBee 實機網路試驗：

OKI（沖電気工業株式会社）：

ZigBee 本身具有比其他無線通信省電和確認訊息短的優點，被當作是自律

三、自動抄錶系統（Automatic Meter Reading, AMR）

巴黎市自動抄錶計畫：

2007 年巴黎也決定在 2009 年 7 月前，完成全市的遠距抄錶設備。值得一提

的是，巴黎市計畫採用的 ZigBee 加 GPRS 自動抄錶系統，不但可能是全球將 ZigBee 應用於 AMR 上的首例，更計畫自 GPRS 的抄錶中心連接至四十三個 ZigBee 節點。此外，更驚人的是，這個系統最終串起了二十七萬個水電錶。

圖 3-33 將電錶紀錄的數值透過 GPRS 和 Internet 傳送至電力中心。

（本研究整理）

四、ZigBee 在醫療上的應用

無線技術已應用於這個市場，即簡單的按鈕呼叫器。透過 ZigBee 可以改進 這些系統，安裝多個低成本的感測器，可以毫無干擾地地監護患者的活動並對護 理人員發出警報訊號。透過簡單的感測器可監測床鋪使用或開門的狀態，以瞭解 患者的活動情況。

圖 3-34 當患者進入 ZigBee 的感測位置時，即可從電腦上得知患者的所在位置。

（資料來源：日本總務省東海總合通信局）

五、ZigBee 在防災上的應用：

發生重大災害時，將人民疏散至避難所，防災中心可以透過架設於避難所內 的 ZigBee 得知各避難所的正確位置、人數等實際狀況，可在第一時間輸送所需 的資源，補給至各個避難所，提高救援效率。

圖 3-35 ZigBee 可掌握實際狀況，提高救援的效率。

（資料來源：日本總務省東海總合通信局）

肆、 台灣現階段發展之 ZigBee 實機試驗：

ZigBee 本身具有相當多的優點，低成本、高可靠度及待機時間長等的優點，

使 ZigBee 具有相當大的發展潛力，所以目前世界各國對 ZigBee 開發相當積極，

當然台灣也在這股熱潮當中，雖然目前的技術並不夠成熟，但在未來的發展上令 人期待。

本次實驗是利用兩組功能不同之 ZigBee 無線模組進行實機測試，實機測試 之模組分別有量測 Sensor 微小電壓/電流之設備及窗型冷氣專用之數位電錶，這 次實驗主要著重於 ZigBee 無線模組傳輸能力及量測資料之準確性，藉此分析台 灣目前 ZigBee 之發展現況

1. 量測 Sensor 微小電壓/電流之設備：

實驗設備主要有：電壓電流顯示器、ZigBee 無線模組

圖 3-36 量測微小電壓電流之設備 i. 實驗設備之架設

本次實驗器材在安裝方面相當的容易，先將待測訊號透過單芯線接至顯示器 上，再利用 RS485 介面將顯示器與 ZigBee 無線模組做連結，而另一個 ZigBee 無線模組則透過 RS232 直接接到電腦上，如此一來訊號就可透過 ZigBee 來進行 傳輸。搭配所附贈之套裝軟體，還可進行數值的記錄與監測之工作。

圖 3-37 實驗設備架構圖

圖 3-38 監測之紀錄軟體 ii. ZigBee 模組無線傳輸測試

ZigBee 模組本身具有 RS232 及 RS485 兩種傳輸介面供使用者選擇，且在組 裝上也相當容易，只要透過 Windows 之「超級終端機」程式，即可做 ZigBee 網 路之測試。

圖 3-39 ZigBee 無線模組

圖 3-40 ZigBee 與電腦做連結

圖 3-41 透過「超級終端機」能使兩組 ZigBee 進行傳輸 iii. 電壓/電流顯示器功能簡介

電壓/電流顯示器本身的功能，除了能顯示出電壓電流之值瞬間值、平均值 及極值外，還擁有自我檢測的功能。

圖 3-42 電壓/電流顯示器

圖 3-43 將量測之數值透過 ZigBee 傳輸 2. 窗型冷氣專用之數位電錶：

實驗設備主要有：ZigBee 數位電錶、ZigBee 接收裝置

圖 3-44 由 ZigBee 無線模組與電壓/電流顯示器組成之數位電錶

圖 3-45 由 ZigBee 無線模組與控制器組成之 ZigBee 接收裝置 i. 實驗設備之架設

本次實驗在 ZigBee 數位電錶的架設上只需將電源供應端插入插座，再將冷

本次實驗在 ZigBee 數位電錶的架設上只需將電源供應端插入插座，再將冷