硬體與網路通訊架構

本論文採用英商 Jennic 公司所研發的 JN5121 wireless microcontroller 做為 控制介面，是世界上第一顆整合 RF 與 MCU 之 SOC 架構的低功耗 802.15.4 / ZigBee 晶片，如圖 2-7 所示。以下分別針對微控制器的周邊介面與 ZigBee 無線 通訊作介紹。

圖 2-7 Jennic JN5121 微控制器

2.2.1 Jennic JN5121 Wireless Microcontroller

JN5121 微控制器擁有 16 MHz 的處理能力，其核心採用 32 位元定點運算，

記憶體容量方面，JN5121 擁有 64K ROM 與 96K RAM，且提供豐富的周邊擴充 介面(圖 2-8)，如下所示：

 兩組 UARTs

 兩組可程式化 Timer/Counters

 兩組可程式化 Sleep Timers 與一組 Tick Timer

 兩組串列介面 (與 SMBus 及 I²C 相容)

 Slave SPI port (與 digital I/O 共用)

 21 個數位 I/O lines (與 UARTs, timers 以及 SPI 共用)

 四組 12-bit, 100Kbps 類比/數位轉換器

 兩組 11-bit 數位/類比轉換器

 可程式化比較器

圖 2-8 JN5121 周邊介面

2.2.2 ZigBee 無線通訊

 IEEE 802.15.4/ZigBee 概述

IEEE 802.15.4/ZigBee 的命名，源自於蜜蜂在發現花粉時，展現如同 Zigzag (Z 字形)形狀的舞蹈，並與 Bee (蜜蜂)，合成為 ZigBee，形象地表述了 ZigBee 產品是像蜜蜂一樣小而敏捷；是一種相當先進新穎的短距離傳輸技術標準，由 家用無線通訊規格 HomeRF 聯盟中所分出來的技術，IEEE 802.15.4 所定義的低 傳輸速率之無線個人區域網路，是一種網路結構簡單且低價格的通訊網路，適 合在電力供應有限且只需簡單運算之應用的裝置中實現，其主要的特色在於低 傳輸速率(250 Kbps)、短距離傳輸(一般約為 50-100m，依耗電量的不同，可提升 至 300m)、可靠的資料傳輸、低耗電量、價格低廉及容易安裝；另外，JN5121

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內置天線且有一個電源放大器和低雜訊放大器(low noise amplifier; LNA)可以加 大通訊距離。

 ZigBee 架構

IEEE 802.15.4 實體層（PHY）採用 direct sequence spread spectrum（DSSS）

技術，這 DSSS 技術主要的優點在於可以降低類比電路在開發上的複雜度與成 本，其傳輸速率介於 250 Kbps 至 20 Kbps 之間，目前制定的頻段為全球的 2.4 GHz ISM 頻段、美國的 915 MHz 頻段以及歐洲的 868 MHz 頻段；在 2.4 GHz

ISM 頻段中，可使用的通道數為 16 個；在 915 MHz ISM 頻段中，可使用的通 道數為 10 個；在 868 MHz 頻段中，可使用的通道數為 1 個。ZigBee 支援主從 式或點對點方式運作，理想上在同一網路上，可以存在 65536 個 ZigBee 裝置連 結。

在 網 路 層 中 ， ZigBee 定 義 了 三 種 角 色 ， 第 一 個 是 網 路 協 調 者 (WPAN Coordinator)，負責網路的建立以及網路位置的分配；第二個是路由器(Router)，

主要負責找尋、建立、修復資料封包路由路徑，並負責轉送資料封包，同時也 具有網路位置分配的能力；最後一個是末端裝置(End Device)，只能選擇加入別 人已經形成的網路，可以收送資料，但不能幫忙轉送封包。圖 2-9 為 ZigBee 網 路拓樸架構。

圖 2-9 ZigBee 網路拓樸架構

 ZigBee 網路的建立

本研究在 ZigBee 的網路拓樸架構上，決定採用星狀拓樸的方式，主要將手 臂上三軸加速度計視為星狀拓樸中之終端設備，電腦端視為網路協調者，整個 網路的建立過程如圖 2-10 所示。

圖 2-10 ZigBee 網路建立流程

網路建立流程先由電腦端的網路協調者(Coordinator)，偵測其他網路的 ID 來選擇不會衝突的 ID，來建立一個 PAN ID 作為網路的標籤，並且預先設定一 組 16 位元的網路位址，接著協調者必須選擇一個網路所建立的射頻頻率通道，

協調者可以藉由一次的能量掃描來找到一個不受干擾的通道；協調者設定完成 後，便啟動網路，將開放加入此網路的請求，當網路中的其他網路設備進行頻 道掃描，便在特定的頻率通道中，發送信標請求，當協調者檢測到信標請求後，

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並決定是否具有足夠的資源接受新的設備，一旦接受了新的設備，協調者將發 送一組 16 位元的短位址給設備，作為設備在網路中的標識；且當有新的設備要 加入，16 位元的短位址將自動加 1，形成新的標識。

 設備間的傳輸：

a. Coordinator 向 End Device 傳輸資料，有兩種方法可以實現，分別為直接傳 輸與間接傳輸，如圖 2-11 所示，本論文之終端設備皆不處於休眠狀態，故 採用直接傳輸方式來傳送資料予終端設備。

(a) 直接傳輸 (b) 間接傳輸 圖 2-11 Coordinator 至 End Device 之資料傳送

b. End Device 向 Coordinator 傳輸資料，通常直接發送資料，Coordinator 接收 到資料後發送確認消息。

 無線通訊封包協定

當終端設備收到協調者傳送的發送請求，見表 2-1 所示，將不斷傳送 三軸分別加速度值於協調者並轉送至電腦端。

表 2-1 Coordinator 發送請求命令 Header 封包2 開始傳送 0x44 1 停止傳送 0x44 0

手臂上各自之終端設備，收到開始傳送的命令，便將處理後的訊號，由表