ZigBee 無線感測網路

壹、 背景

ZigBee 的命名，源自於蜜蜂在發現花粉時，展現如同 ZigZag 形狀的舞蹈。

主要由 Honeywell 公司組成的 ZigBee Alliance 制定，從 1998 年開始發展，於 2001 年向電機電子工程師學會（IEEE）提案納入 IEEE 802.15.4 標準規範之中，

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由國際知名廠商 Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mitsubish、Motorola、

Philips 以及 SAMSUNG 共同推廣，主要以感測與控制為應用方向，定義出簡單、

低成本、實現度高的無線通訊標準，並在 2004 年以 IEEE 802.15.4 為基礎堆出 第一個 ZigBee 版本 ZigBee1.0 後，許多廠商也支持並遵循標準開發，漸漸成為 各業界共同通用的低速短距無線通訊技術之一。

ZigBee 是一種低速短距離傳輸的無線網路協定，底層是採用 IEEE 802.15.4 標準規範的媒體存取層與實體層(如圖 2-6)。主要特色有低傳輸速率(250kbps)、

短距離(一般約為 50-100 m，依耗電量之不同，可提昇至 300m)、低消耗功率、

低成本、支援大量網路節點、支援多種網路拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee 協定層從下到上分別為實體層（PHY）、媒體存取層（MAC）、網路層（NWK）、 應用層（APL）等。網路裝置的角色可分為 ZigBee Coordinator、ZigBee Router、

ZigBee End Device 等三種。支援網路拓撲有 Star、Tree、Mesh 等三種。目前 制定的頻段為全球的 2.4GHz ISM 頻段、美國的 915MHz 頻段，以及歐洲的 868MHz 頻段。在 2.4GHz 的 ISM 頻段，擁有 16 個可使用的通道數；在 915MHz 的 ISM 頻 段，擁有 10 個可使用的通道數；在歐洲的 868MHz 頻段，擁有 1 個可使用的通 道數。

圖 2- 6 ZigBee 堆疊(stack)架構 (資料來源：8.2.15.4/ZigBee 技術原理與解決方案初探，

http://web.iii.org.tw/itpd/new/itis/epaper/9511/9511_03.htm)

ZigBee 可支援主從式以及點對點的運作方式，最高可擴充至 65536 個節點，

擁有非常高靈活的擴充特性。目前已被廣泛使用於環境監測、安全控制、電子設 備自動化、醫療照護、置換住宅等方面，已是無線感測網路內所共同認可的短距

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離無線通訊技術之一。

貳、 無線規格比較

與目前所熟知的高頻寬系統一樣，為了獲得最佳性能，使用者可以將低速率 網路安排為多重配置。例如，用一條橋接兩個端點的點對點無線鏈路簡單地替換 一條通信纜線。為了消除串接在一起的纜線，使用者可以用一條點對點無線鏈路 將遙控面板連接到一台可移動設備（例如機器人）上。許多低資料速率點對點鏈 路在各端都含有低成本收發器，可用來轉換通用的通信協定，例如：RS-232 。 另一種無線網路形式：點對多點，包括一個中央基地台和多個以星形或中心輻射

（hub-and-spoke）模型安排的無線節點。儘管 Bluetooth 和 IEEE 802.11 被 認為是高頻寬網路，但它們的各種衍生產品都是以點對多點模型為基礎。

Bluetooth 採用跳頻展頻來抵抗干擾，並且以大約 720 kbps 的峰值速率傳 送資料；ZigBee 的最大速率為 128 kbps。基本的 Bluetooth 協定要求複雜的通 信協定棧，消耗多達 250 kbytes 的系統記憶體資源，而 ZigBee 控制器要求少於 32 kbytes（8 位元控制器）。ZigBee 設備可以快速連接，交換資訊、分離，然 後再回到深度睡眠狀態，以便獲得長久的電池壽命。Bluetoot 模型假定了類似 蜂窩電話的週期性電池充電。Bluetooth 網路增加一個新的從屬節點需要超過 3 秒的時間；ZigBee 則只需要 30 毫秒。最後，Bluetooth 受限於 7 個使用者端；

ZigBee 則可以處理成千上萬個使用者端。

表 2- 2 不同通訊協定間的比較

802.11b Bluetooth ZigBee

傳輸距離 100m 10m 70~300m

開發複雜度 高 普通 低

可容納節點數 視硬體能力而定 8 65536

資料傳輸率 11Mbps 1Mbps 25Kbps

安全性 SSID / WEP 64/128 bit 128 bit / key define

可否搭配感測器 否 可 可

生命週期單位 小時 天 年

(資料來源：本研究自行繪製) 參、 發展

ZigBee 發展至今已廣泛的應用於本研究的日常生活中，如：智慧型住宅的 控制(圖 2-7)、安全門禁系統的控制、醫學監測、環境監控等。在 2010 年 Yu 等

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學者(Yu,et al,2010)發表的論文中，作者建立了一種使用 Octopus X 平台為基 礎並以 Zigbee 為傳輸方式的環境感測器，實作溫度、濕度、照度、一氧化碳、

二氧化碳等多種不同功能之環境監控感測器(圖 2-8)，並佈署於建築物中，再依 據感測到的環境資訊調整建築物內相關的電器，更利用所開發的系統介面將感測 到的環境資訊統整後供管理者查看，落實感測網路於一般民生領域之應用等。

ZigBee 技術提供了以標準為基礎的無線連結能力，使用起來既簡單又方便，

應用範圍無遠弗屆。大樓的所有人若充分利用具備 ZigBee 功能的產品，就可以 享有許多好處，例如加強控制、減少成本、增加便利性，還能提高設施裡外的安 全防護。而 ZigBee 的感應器耗電量低，於非使用狀態時會進入睡眠模式，減省 不必要的能量耗損。但 ZigBee 的設計又非常適合分秒必爭的情況，處於睡眠模 式的 ZigBee 感應器會在收到訊號的 15 毫秒之內立即回應，並且即時回到網路 上運作。即在整個網路上引發一連串的動作：打開大燈，通知警方或緊急救援單 位，監視錄影系統會鎖定可疑的區域，各個鎖也會即時因應通知而進行運作。

圖 2- 7 ZigBee 於智慧住宅中的應用

(資料來源：ZigBee’ye Giriş, http://okul.selyam.net/docs/index-23892.html )

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圖 2- 8 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器 (資料來源：Yu, 2010)

肆、 架構

一個典型的感測器網路的體系結構由感測器節點、路由器節點、網際網路 (Internet)和用戶介面等組成。在這個網路中，感測器節點通過多跳中繼的方式 將數據傳到路由器上，最後由路由器將所收集的整個網路的資料透過網際網路或 者其他傳輸方式傳到控制中心進行集中的處理。ZigBee 傳輸協定支援的網路拓 樸 結 構 包 括 星 狀 (Star Topology) 、 網 狀 (Mesh Topology) 、 以 及 樹 狀 (Tree Topology)型態的網路拓樸(如圖 2-9)，每一種結構都有各自的優點且可應用在 多種不同的情況下。其中星狀結構的構造最簡單，是由一個 Coordinator 連接多 個 End Device 所組成，其優點為結構簡單、維護容易、低延遲；但是由於單一 Coordinator 所能服務的 End Device 數量有限，所以較不易進行網路的擴充。

網狀結構是由一個 Coordinator、多個 Router 以及多個 End Device 所組成，

Router 之間可彼此互相溝通與傳遞資訊，網狀結構可提高較高程度的可靠性，

資訊也可通過不同的傳輸路徑進行傳遞，擁有多點跳躍、網路形成彈性、低延遲 等優點，但是路由成本較高且必需搭配路由表的儲存。樹狀結構也是由多個 Router 以及多個 End Device 所組成，從結構的本質看來可說是網狀結構與星狀 結構的綜合體，但與網狀結構不同的地方是樹狀結構的網路型態有如樹木一樣以 Coordinator 為中心延伸出許多不同組的枝葉，而且每一枝葉之間並不會互相溝 通，樹狀結構的路由成本較低、在資料傳輸上允許多點跳躍；但其延遲時間較長，

且路由重建成本較大。

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圖 2- 9 星狀、網狀、樹狀拓樸結構

( ：Coordinator ：Router ：End Device) (資料來源：本研究自行繪製)

基於安全與便利的考量上，若使用網狀網路拓樸設計網路的範圍就可以輕鬆 擴展到建物之外，增強周邊的防護。ZigBee 網路就像籃球架上的籃網每條線都 彼此相連一樣，將許多連結至其他區塊的點串聯起來，這些連結會形成堅固的多 次跳躍式網狀網路 (Multi-hop Mesh Network)，如此一來，單一裝置無法傳輸 資料時，就有其他傳輸數據方式可供使用。在網路上增添新裝置的方式是向主裝 置或個人區域網路 (PAN) 的協調元件簡單提出要求即可。網路協調元件一收到 要求訊號之後，就會將新的裝置納入運作的網路之中。如果要讓裝置在原本網路 周邊範圍以外運作，使用者可以添置無線訊號增幅器 (Range Extender)。

ZigBee 網路可以輕鬆擴充，進而使單一網路可容納多達六萬五千個裝置。

在設施中採用大樓自動化的開發商與建築師可以充份運用 ZigBee 來建置無線 監控網路，以便集中管理建物內部的照明、暖氣、冷氣、保全系統。建物開發人 員與設施管理人員使用 ZigBee 產品之後，就無需佈設監控與管理各場地所需要 的線路。以 ZigBee 為基礎的無線網路同時具備彈性，使設施管理人員得以快速 重新設定系統，以適應個人或租戶在建物內所做的改變，包括因應公司擴建、縮 編、或是想要改變現有的工作空間而進行的改變，如此就能減少裝設與重新改建 的成本。

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