第二章 實驗平台與模擬環境
2.2 Zigbee 網路協定
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。
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 250kbps 至 20kbps 之間，看所用頻段而決定，頻段的使用分別 是 2.4GHz 的 ISM 頻段、美國開放的 915MHz 頻段，以及歐洲開放的 868MHz 頻段，而不同頻段可使用的通道分別是 16、10、1 個。圖 2-1 為 IEEE 802.15.4 操作頻帶示意圖。
圖 2-1 IEEE 802.15.4 操作頻帶示意圖
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IEEE 802.15.4 的媒體存取層（MAC），定義了兩種傳輸協定，一種是同步模 式（Beacon Mode），另外一種則是非同步模式（Non-Beacon Mode）。
同步模式則是 IEEE 802.15.4 比較特別的規格，圖 2-2 為同步模式（Beacon Mode）資料傳送行為，利用信標的星型拓撲網路中，為於中心的父節點可以和 其從屬的多個子節點間進行資料交換，但是子節點和子節點間不能進行資料交 換。
圖 2-2 同步模式（Beacon Mode）資料傳送行為
非同步模式簡單來說就是直接使用 Unslotted CSMA-CA 協定，避免傳輸碰 撞。圖 2-3 為非同步模式（Non-Beacon Mode）資料傳送行為，本論文所使用的 資料傳輸方式為非同步模式。
圖 2-3 非同步模式（Non-Beacon Mode）資料傳送行為
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基於 IEEE 802.15.4 的規格，ZigBee Alliance 定義了網路層（NWK）、應用層
（AP）與安全層（security）。網路層最重要的工作，在於負責網路機制的建立與 管理，同時具有自我組態路由路徑（self configure），以及自我修復路由路徑（self healing）的功能。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、以及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的分配的能力；最後一個是末端裝置，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。網路功能是 ZigBee 最重要的一個特點，也是與其他 WPAN 標準最不一樣的地方；以規格來說，網 路層以 16bits 的資料長度來管理網路位置，理想上在同一個 WPAN，可以存在 65536 個 ZigBee 裝置，彼此透過多重跳點（multi hop）的方式，傳遞資訊，圖 2-4 為 ZigBee 網路拓撲架構。為了在省電、複雜度、穩定性與實現難易度等因素取 得一個平衡點，網路層的路由演算法，使用了下列三種方式：
1. AODV 演算法：建立隨易網路的拓樸架構，在 ZigBee 規格中稱為 Table Routing。
2. Motorola Cluster-tree 演算法：建立樹狀的拓樸架構，在 ZigBee 規格中 稱為 Tree Routing。
3. 利用廣播的方式傳遞資料
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PAN coordinator Full Function Device Reduced Function Device
Star
Mesh
Cluster Tree
圖 2-4 ZigBee 網路拓撲架構
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 2-5 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 2-5 Jennic JN5121 微控制器
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 2-6)，如下所示：
兩組 UARTs
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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 2-6 JN5121 周邊介面