ZigBee Date:2012/07/19 Speaker : Da-Wei Yang
Outline 無線通訊 何謂ZigBee ZigBee Alliance ZigBee 應用 參考文獻
Wireless Communication 目前市面上有許多彼此不相容的無線網路技術，如Wi-Fi、ZigBee、藍芽，以及近場通訊（Near Field Communications） 這些標準雖然有類似的用途，但實際的使用情境又不盡相同。 Wi-Fi有不錯的有效範圍及傳輸率，可以使用在大部份的無線網路場合，但是在可攜式裝置上，它的耗電量可能相當大。 藍芽的耗電量相當小，一般認為適合作為手機等一類裝置的網路裝置。 ZigBee雖然傳輸速率都沒有上述兩者好，但低耗電和mesh網路等特色，因此被定位在收發少量的資料量的應用。
Wireless Spectrum
Compare WiFi, BT and ZigBee Feature(s) IEEE 802.11g Bluetooth2.0 ZigBee 電源持續力 hours days years 複雜度 Very complex complex Simple 節點數 Many 7 Up to 65535 建立連線速度 Upto 3 seconds Upto 10 seconds 30 ms 傳輸距離 100m 10m(2.5mw,4dBm) 70m ~ 300m 擴充性 Roaming possible no Yes 資料傳輸率 54 Mbps 3 Mpbs 250 Kbps (at 2.4Ghz) 安全性 SSID 64bit, 128bit 128bit AES
何謂ZigBee？ ZigBee一詞源於蜜蜂，蜜蜂透過Zigzag字形舞蹈與同伴通信傳遞花與蜜的位置、方向、距離等訊息，因而藉此做為這短距無線通訊新技術的命名。 ZigBee是一種短距離無線通訊標準，具有低成本、低耗電、低速率、高可靠度及mesh網路功能等特性，容易整合個人無線數位環境並應用於多樣的產品，其「監控」角色高於「通訊」功能，朝著開放的方向發展制訂標準規範。 ZigBee技術主要是由IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，分別制訂硬體與軟體標準。 6
ZigBee Alliance ZigBee聯盟 (ZigBee Alliance) 是由多家公司組成的産業組織，主要目標是實現以開放性全球標準爲基礎、工作可靠、低成本、低功耗、無線網路連接的監測和控制産品。 ZigBee聯盟是一個成長快速的非營利性産業組織，其成員涵蓋世界各地的主要半導體廠商、技術供應商、OEM製造商和最終使用者，會員資格並對所有人開放。
LIGHT COMMERCIAL CONTROL ZigBee Application ZigBee Wireless Control that Simply Works RESIDENTIAL/ LIGHT COMMERCIAL CONTROL CONSUMER ELECTRONICS TV VCR DVD/CD remote PC & PERIPHERALS INDUSTRIAL CONTROL asset mgt process control environmental energy mgt PERSONAL HEALTH CARE BUILDING AUTOMATION mouse keyboard joystick patient monitoring fitness monitoring security HVAC lighting control access control lawn & garden irrigation AMR
ZigBee 標準制定 IEEE 802.15.4小組主導實體(PHY)層、媒體存取控制(MAC)層、資料鏈結層，以及傳輸過程中的資料加密機制等發展。 ZigBee Alliance主導軟體標準，並共同針對ZigBee Protocol Stack的發展進行研議，未來還能依系統客戶的需求，為不同應用修正其所需之應用介面。 ZigBee晶片架構主要是由PHY Layer負責接收處理射頻訊號， MAC Layer負責處理封包。 10
ZigBee 實體層使用之頻帶 實體層的主要工作: 啟動與關閉無線傳輸接收器、傳輸與接收資料、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數據調變傳輸與接收解調、頻道無占用評估(CCA)，與針對接收的封包執行鏈路品質指示(LQI)。 頻帶MHz 頻率範圍 (使用地區) 通道數目 DSSS 資料速率 調變 kbps 868 868~868.6MHz (歐洲) 1 BPSK 20 915 902~928 MHz (美國) 10 40 2450 2400~2483.5MHz (全球) 16 OQPSK 250 11
傳輸速率 傳輸速率介於20kbps～250kbps之間，並隨著傳輸距離的延長而減慢。 由於具備高節點數與低耗電的特性，對於ZigBee在感應式網路(Sensor Network)上的使用，就具有相當大的優勢。 例如：在工廠內的作業溫度量測及遠端監視、水電瓦斯計度的記錄、保全防護的監控上，業者不需經常更換電池或佈建供電網路，只需極少的人力與設備，即可取得所需的資訊。 12
網路層 ZigBee網路層提供資訊傳輸及網路管理兩種服務，並維持一個網路資訊庫(Network Information Base, NIB)。 任務包括傳遞路徑的發掘與維護，為了達到這個目的，網路層必須知道緊臨的裝置，和儲存這些直接相連裝置的資訊。包含加入(join)及離開(leave)網路的機制、訊框安全機制以及把訊框傳輸到目的地。 ZigBee網路層支援星型(Star) 、樹狀(Tree)和網狀(Mesh)三種拓樸。
Device Type Coordinator(網路協調者) Router End Device 建立網路及設定各項網路參數 發放網路位址及管理 具有Router功能 Router 轉發訊息 允許其它裝置加入網路 End Device 只能傳送或接收封包，無法轉發 具有休眠模式
Star Topology 星型拓樸 其中一個FFD類型設備擔當網路協調器的腳色，負責啟動網路並維護網路上的設備，所有其他設備都是終端設備，直接與協調器通訊。 ZigBee網路中的協調者，負責開始建立一個網路和指定位址給其他裝置。
Tree 叢集型拓樸 資料及控制訊息是透過階層(hierarchical)的方式傳輸。
Mesh 網狀拓樸 ZigBee協調器負責啟動網路以及選擇關鍵的網路參數但是網路可能透過利用ZigBee路由器進行擴展。從ZigBee網路特性來看，其拓樸架構是採取點對點(peer-to-peer)連接。
參考文獻 讀ZigBee標準架構 縱觀PHY/MAC/應用層 ZigBee Pro Feature Set塵埃定 ZigBee商機現蹤 Drew Gislason, Zigbee Wireless Networking, 2008 ZigBee Alliance, “ZigBee Specifications”, ZigBee Document 053474r17, November 2009. Summer 2011 葉俊克 Zigbee