ZigBee技术规格与测试方案之发展

ICLTECHNICALJOURNAL3.25.2007第119電腦與通訊19ZigBee技術規格與測試方案之發展ASurveyonZigBeeTechnologyinSpecificationsandTestPrograms李俊賢Jin-ShyanLee中文摘要本文首先介紹無線感測網路的特性與發展，接著說明相關的ZigBee/IEEE802.15.4通訊協定，包含其硬體通訊晶片、軟體協定堆疊及開發輔助工具等。之後，敘述並比較ZigBee規格標準的進展，包含ZigBee-2004、ZigBee-2006及ZigBee-Pro等，同時也提供IEEE802.15.4標準的現況。接下來，我們介紹ZigBee測試方案的內容，包括其平台相容性、產品認證、以及互通性測試等，藉此提供有意參與ZigBee元件產品開發的廠商一個參考的方向。AbstractThispaperfirstintroducesthefeaturesandevolutionofwirelesssensornetworks,andthentheZigBeeoverIEEE802.15.4standard,includingitshardware(RFIC),software(protocolstack),andassistanttools.Subsequently,weshowandevaluatetheZigBeespecifications,comprisingZigBee-2004,ZigBee-2006,andZigBee-Pro,andalsothestatusofIEEE802.15.4standard.Afterthat,weillustrateZigBeetestprograms,includingtheplatformcompliance,productcertification,andinteroperabilitytest,soastoprovideareferenceforcompanieswhowouldliketodevelopZigBeedevicesorproducts.關鍵詞(KeyWords)ZigBee規格(ZigBeeSpecification)IEEE802.15.4標準(IEEE802.15.4Standard)ZigBee相容平台(ZigBeeCompliantPlatforms)ZigBee認證產品(ZigBeeCertifiedProducts)無線感測網路(WirelessSensorNetworks)１．前言2003年美國MIT技術評論(TechnologyReview)[1]認為，有十種新興技術很快就可以改變計算、醫療、製造、運輸與我們的能源基礎設施。其中位居榜首的，即是無線感測器網路(WirelessSensorNetworks；WSN)。無線感測器網路是由一到數個無線資料收集器以及為數眾多的感測器(sensors)所構成的網路系統，而元件之間的溝通則是採用無線的通訊方式。為了達到大量佈建的目的，無線感測網路必須具備低成本、低耗電、體積小、容易佈建、有感應環境裝置、可程式化、與可動態組成等特性。在談到無線感測網路的同時，其他常見的20ICLTECHNICALJOURNAL3.25.2007第119期電腦與通訊名詞尚有遍佈運算(UbiquitousComputing)、普及運算(PervasiveComputing)、環境智能(AmbientIntelligence)、以及情境感知(ContextAwareness)等。遍佈運算在於創造一個四通八達的電腦網絡(如Wi-Fi/WiMAX網路、3G電話網路、無線數位視訊)，能讓資訊能無所不在；而普及運算在於讓資訊可以隨時隨地被取用，意指生活中利用這些網絡的裝置(如筆記型電腦、PDA、手機等)。環境智能、情境感知、與普及運算十分相似，三者的目標都在於應用智能產品於我們的環境中，並了解使用者應用的環境與狀況，提供相對應的服務。無線感測網路在此扮演的角色，可藉由將具有通訊能力的各種微小感測器佈建於生活週遭環境中，形成無所不在的網路，提供遍佈運算的能力；並且隨時感應、偵測環境與使用者狀況，處理環境智能與情境感知的運作，以及進一步將收集的資訊傳遞給使用者或相關控制中心，達成普及運算的功能。有關無線感測網路的通訊協定，考慮到規格相容性與市場接受度，以IEEE802.15.4[2-3]低速率無線個人區域網路(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork；LR-WPAN)，結合ZigBee[4]無線標準為基礎的通訊規範，是多數研發廠商依循的方向。雖然現今ZigBee是以家庭自動化為切入點來設計，不過其應用範疇如圖1-1所示，包括智慧型大樓、居家安全與自動化、工業與環境控制、以及個人醫療照護等。可搭配之應用有家電產品、消費性電子、PC週邊感測器等，提供住家環境監控、個人區域感知、與家電無線遙控等功能。另一方面，過去即專精在家庭自動化之控制應用電子技術的Zensys公司，主導成立Z-Wave聯盟[5]，並提出Z-Wave無線通信技術，已獲得包含Intel、Panasonic、ViewSonic、與羅技Logitech等六十多家業者的力挺支持。其中2006年4月，Intel的宣佈加入Z-Wave聯盟並且策略性投資Zensys公司，對Z-Wave標準是一股莫大的推力。此外，瑞典的Ericsson推出的BluetoothLite，是主張將既有的Bluetooth藍芽無線通信技術進行簡化性的修訂，如此仍可以適用於WPAN的應用領域。相對於業者自行提出的BluetoothLite與Z-Wave技術，ZigBee協定是架構在IEEE802.15.4上，有國際性的標準組織之支持，所以在無線感測網路上的遵循與使用者較廣泛。截至2007年1月，Z-Wave聯盟擁有65會員數，而ZigBee聯盟已有207個會員。２．ZigBee/IEEE802.15.4標準介紹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。看似隨意在跳的字形舞，實際上是將有花和蜂蜜的地方，正確地傳達給其他的蜜蜂同伴。ZigBee主要是由IEEE802.15.4小組與ZigBeeAlliance組織，分別制訂硬體與軟體標準，如圖2-1所示。它是一種低傳輸速率(250kbps)、短距離(一般約為50-100公尺，依發射功率的不同，可提昇至300公尺)、低消耗功率、架構簡單的技術。目前制定的頻段為全球ZigBeeWirelessControlthatSimplyWorksRESIDENTIAL/LIGHTCOMMERCIALCONTROLCONSUMERELECTRONICSTVVCRDVD/CDremotesecurityHVAClightingcontrolaccesscontrollawn&gardenirrigationPC&PERIPHERALSINDUSTRIALCONTROLassetmgtprocesscontrolenvironmentalenergymgtPERSONALHEALTHCAREBUILDINGAUTOMATIONsecurityHVACAMRlightingcontrolaccesscontrolmousekeyboardjoystickpatientmonitoringfitnessmonitoring圖1-1ZigBee無線通訊協定之應用領域[4]PhysicalLayer(PHY)MediumAccessControlLayer(MAC)NetworkLayer(NWK)ApplicationSupportSub-layer(APS)EndmanufacturerdefinedZigBeeAlliancedefinedIEEE802.15.4definedApplicationFrameworkZigBeeDeviceObject(ZDO)ApplicationObjectsSecurityServiceProviderZDOManagementPlaneApplicationLayerDeviceProfilesPhysicalLayer(PHY)MediumAccessControlLayer(MAC)NetworkLayer(NWK)ApplicationSupportSub-layer(APS)EndmanufacturerdefinedZigBeeAlliancedefinedIEEE802.15.4definedApplicationFrameworkZigBeeDeviceObject(ZDO)ApplicationObjectsSecurityServiceProviderZDOManagementPlaneApplicationLayerDeviceProfiles圖2-1ZigBee/IEEE802.15.4通訊協定堆疊ICLTECHNICALJOURNAL3.25.2007第119電腦與通訊21的2.4GHzISM頻段，美國的915MHz頻段，以及歐洲的868MHz頻段。在2.4GHz的ISM頻段，可使用的通道數為16個；在915MHz的ISM頻段，可使用的通道數為10個；而在歐洲的868MHz頻段，可使用的通道數為1個。ZigBee支援主從式或點對點的運作方式，具有高擴充性，單一網路內可以同時擁有超過65000個裝置鏈結。主要應用的方向在於家庭裝置自動化、環境安全與控制、以及個人醫療照護等功能，逐漸成為產業共通的短距離無線通訊技術之一。2.1IEEE802.15.4通訊晶片(硬體)在IEEE802.15.4的通訊晶片發展上，ABIResearch在2006年9月，發表其依據各供應商之創新和執行等重要參數來進行比較的結果[6]，如表2.1-1所示。評估資訊包括該廠商是否提供系統級SoC晶片、首款產品發佈日期、當前產品版本、傳送與接收功率、接收靈敏度、以及是上市公司或者私人公司等指標。美商德州儀器TI因併購挪威Chipcon通訊公司(2006/01月)而榮登榜首，而美商Ember及日商OKI位居第二及第三。Ember原是一家無線感測網路軟體解決方案的知名公司，後來取得Chipcon授權的智財(IP)，打上自家的品牌EM2420，隨後又與英國的射頻晶片設計公司合作，推出自己的單晶片，形成一家軟硬體完整解決方案的廠商。原本與Chipcon射頻晶片搭配的Atmel，由於Chipcon已經走向SoC模式，不再需要Atmel微控制器的配合，因此Atmel也自行開發射頻晶片，成為具備完整硬體解決方案的公司。值得注意的是台灣的達盛電子UBEC也名列榜中，而Freescale的晶片因耗電量效能問題，所以排名較後。此外，英商IntegrationAssociates因併購CompXs而入榜。上述Chipcon、Ember、Freescale、及CompXs為ZigBee發展平台的先峰，此四家平台也是目前進行測試認證時所採用的黃金單元(GoldenUnits)。此外，英商Jennic號稱率先推出第一顆整合ZigBee系統單晶片的SoC，但因在耗電量及接收靈敏度上的效能問題而位居第十。其餘入榜的尚有德國ZMD及韓國RadioPulse等廠商。Zhu與Yang[7]針對現有商品化的IEEE802.15.4晶片，依據可取得的產品規格書，做進一步的評估。表2.1-2為ChipconCC2430(SoC)、FreescaleMC1321x(SiP)、及JennicJN5121(SoC)等單晶片的比較，其中CC2430內含8051微處理器，且耗電量較低；MC1321x至多只有60KBFlash，因此協定堆疊及程式設計時需要考量此限制；而JN5121內含32-bit的RISC、60KBROM、及相當充足的96KBRAM。表2.1-3為單一IEEE802.15.4RF晶片的比較，明顯看出ChipconCC2420及UBECUZ2400在耗電量的效能較優良