無線感測網路技術之 ZigBee發展現況分析

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1 無線感測網路技術之 ZigBee發展現況分析
班 級：碩專一甲 指導教授：陳偉業 研 究 生：資策會 科專助理 盧慧萍 N 日 期：96/01/20 1

2 主要參考文獻 李志鴻, ZigBee Seminar-ZigBee 2006, “ZigBee 2006(ver 1.1)規範與Z-Stack1.40介紹”, 鄧友清, IEK產業情報網, “ZigBee市場趨勢分析”, 劉東昱,“IEEE 低速率無線近身網路中2.45GHz模式之基頻訊號處理與電路設計”, 謝慶堂,電信國家型NTP科技計畫,“ZigBee技術與展望”, 許績偉, ITIS評析,“談低速短距無線技術ZigBee” 施松村、陳培源,“應用ZigBee技術傳輸紅外線脈搏偵測訊號之研究” 2

3 大綱 ZigBee 簡介 ZigBee 標準制定、規格及特性 ZigBee 市場趨勢分析 研討會及網站連結資訊 何謂ZigBee？
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4 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、雙向傳輸、高可靠度及感應網路功能等特性，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 小組與ZigBee Alliance兩個組織，分別制訂硬體與軟體標準。 4

5 ZigBee 沿革 1999年 針對自動化應用需求的增加，低功耗、低成本以及多節點的無線網路技術概念ZigBee因應而生。 2000年12月
IEEE成立IEEE 工作組，致力於開發一種可應用在固定、可攜或移動設備上的低成本、低功耗以及多節點的低速率無線連接技術。 2001年8月 美國Honeywell等公司發起成立ZigBee Alliance，他們提出的ZigBee技術被確認納入為IEEE 標準。 2002年10月 TI、Motorola、Philips和日本三菱等重量級企業加盟ZigBee Alliance。 2003年5月 IEEE 標準獲得通過。 2004年12月 推出ZigBee技術規範1.0版本。 2006年 ZigBee Alliance催生ZigBee 2006(V1.1)規範。 2007年01月11日 TI宣佈其Z-Stack已通過認證，成為業界第一套符合 ZigBee 2006 標準的相容平台。 ZigBee開放活動(Open House)將移師北京。 5

6 大綱 ZigBee 簡介 ZigBee 標準制定、規格及特性 ZigBee 市場趨勢分析 研討會及網站連結資訊 ZigBee 標準制定
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7 ZigBee 標準制定 IEEE 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。 7

8 ZigBee 實體層使用之頻帶 實體層負責啟動和停止無線電收發器、選擇通道、能量偵測以及封包的傳送和接收等功能 。
DSSS直序展頻技術，頻段有三，共27頻道： 頻帶 MHz 頻率範圍 (使用地區) 通道 數目 DSSS展頻參數 資料速率 細片率 kchip/s 調變 位元速率 kbps 鲍率  ksym/s 868 868~868.6 (歐洲) 1 300 BPSK 20 915 902~928 (美國) 10 600 40 2450 2400~2483.5 (全球) 16 2000 OQPSK 250 62.6 8

9 ZigBee 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。
由於具備高鏈結數與低耗電的特性，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。 9

10 ZigBee 媒體存取控制層 提供MAC資訊服務和管理服務，負責信標(Beacon)管理、通道接取、保障時槽(Guaranteed Time Slots, GTS)管理、訊框驗證、回覆訊框之傳輸及加盟(Association)與終止加盟(Disassociation) 。 支援全功能(Full Function Device, FFD)及精簡功能(Reduced Function Device, RFD)兩類的裝置。 FFD可支援任何網路拓樸架構，可擔任網路協調者(PAN coordinator)，並可與所有其他裝置通信。 RFD只存在於星型拓樸中，只能與網路協調者通話，且不能成為網路協調者，其好處是易於實現 。 兩種傳輸模式 同步模式(Beacon Mode)-特別的規格。 非同步模式(Non-Beacon Mode)-直接使用類似於IEEE 之載頻偵測 (Carruer Sense Multiple Access-Collision Avoidance, CSMA-CA)的協定，避免傳輸碰撞。 所謂CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查通道是否有資料傳輸，若通道無資料傳輸，則開始進行資料傳輸動作，若是產生碰撞，則稍後重新再傳。 10

11 ZigBee 資料傳送模式(一) 三種類型之ㄧ：裝置→協調者
同步模式(有信標之網路)：裝置須先取得信標與協調者同步，並以時槽式(slotted CSMA/CA)方式傳送資料。 非同步模式(無信標之網路)：裝置利用非時槽(unslotted CSMA/CA)方式傳送資料。 Data Ack 協調者 網路元件 Beacon 有信標之網路 無信標之網路 11

12 ZigBee 資料傳送模式(二) 三種類型之二：協調者→裝置 三種類型之三：裝置(協調者)裝置(協調者)：前面兩種運作方式的結合 協調者
Data Ack Data request Beacon 協調者 網路元件 有信標之網路 無信標之網路 12

13 ZigBee 安全模式 安全模式：四個安全服務 存取控制 資料加密 訊框完整性 連續刷新以拒絕重發資料訊框
設備保持一個關於網路中可信賴設備的列表。 資料加密 使用對稱密鑰128位元加密標準。 訊框完整性 保護資料不被無密鑰的人員修改。 連續刷新以拒絕重發資料訊框 網路控制器將刷新值與來自設備的上一個已知值進行比較，如果刷新值未被更新到一個新的值，那麼這個資料訊框將被拒絕。 13

14 ZigBee 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) 、叢集型(Hybrid)和網狀(Mesh)三種拓樸。 14

15 ZigBee 網路模型 星型拓樸 叢集型拓樸 網狀拓樸
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。 叢集型拓樸 資料及控制訊息是透過階層(hierarchical)的方式傳輸。 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。                                                                                                                                      15

16 ZigBee 應用層 ZigBee應用層包含應用次層(Application Support, APS)、ZigBee裝置元件(ZigBee device object, ZDO)和製造商所定義的應用物件(Application Objects)。 APS次層提供網路層與應用層之間的介面，維持物件之間的連結表(Binding Table)，並在連結的裝置之間傳遞訊息，它也維持了一個APS 資訊庫(APS Information Base, AIB)。 ZDO的功能包括起始應用支援次層、網路層以及安全服務等。ZDO並負責建構上層應用所需的資訊、發出或回應連結的要求，發現同一個網路上的裝置與應用服務、以及在網路上的裝置之間建立安全的關係等。 16

17 ZigBee/802.15.4規範之技術特性 有三種操作頻帶共27個通道提供三種資料傳輸速率。
低功率消耗，因為資料傳輸速率低(傳輸資料量少)以及極短之執行週期且有睡眠模式，因此功率消耗非常低。 網路連接之拓樸方式可選用星型、叢集型及網狀。 使用類似於IEEE 之CSMA/CA之碰撞避免機制。 支援低延遲設備。 具有連線品質指示(Link Quality Indication, LQI)功能。 17

18 大綱 ZigBee 簡介 ZigBee 標準制定、規格及特性 ZigBee 市場趨勢分析 研討會及網站連結資訊
數位化、網路化與新興服務塑造家用電氣製品(CE)市場之新機會 ZigBee 技術實際運用(三)、(四) 研討會及網站連結資訊 18

19 ZigBee晶片應用於各類市場銷售量比重統計與預估
商業大樓自動控制及家庭自動化控制市場居大宗 19

20 ZigBee的即時定位系統架構圖 即時定位系統(Real Time Locating Systems, RTLS)是一種利用GPS、IR、Wi-Fi、ZigBee、RFID等技術，即時追蹤人或物的系統。 其原理是ZigBee Tag會定期發射出自己的ID，ZigBee Access Point將收到的ID及RSS(Received Signal Strength)透過Mesh形式的網路傳給Position Server計算及運用。 20

21 ZigBee 技術實際應用(一) 芝加哥消防署-商業建築感應定位系統 SmokeNet FireEye
透過ZigBee無線感應器來隨監控煙霧濃度以及溫度，並透過ZigBee網路隨時讓消防隊員知道周邊環境的變化狀態。 FireEye 透過每2秒更新一次的ZigBee感應器矩陣提供消防指揮人員知道消防隊員以及該建築物的人員位置，可以增加救援的效率以及提供人員的安全性。 21

22 ZigBee 技術實際應用(二) 資策會於94年12月於國立自然科學博物館進行以團體遊客為主的無線定位導覽解說，讓遊客一手在握的PDA個人數位輔助學習掌上型電腦，透過即時性的系統感應及多媒體訊息傳遞，活化每一次的參觀旅程，增添學習的樂趣與深度。 Deno-中、英、日文語音導覽，恐龍廳還有兒童版喔，免費借用2hr。 PDA-生命科學廳中文互動多媒體學習，免費借用。 Wi-Fi Phone-生命科學廳及恐龍廳中文行動語音導覽，免費借用。 Inform-生命科學廳及恐龍廳中文行動語音導覽，免費借用2hr。 22

23 數位化、網路化與新興服務塑造家用電氣製品(CE)市場之新機會
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24 ZigBee 技術實際應用(三) 義大利電信- Z-SIM
於行動電話的SIM card中置入ZigBee晶片，用來提供額外的服務，例如：居家感應、電子購物識別器等應用。 24

25 ZigBee 技術實際應用(四) Philips-ZigBee燈光系統EQUOS
透過電子安定器、光感應器以及控制遙控器的協定工作達到高節能的恆亮光源應用。 25

26 研討會及網站連結資訊 2007 TI 高效能類比產品應用及技術研討會 網站連結
2007/01/25(四) 9:00~17:00, 台南大億麗緻酒店, FREE, TEL: 網站連結 ZigBee Alliance TEXAS INSTRUMENTS 財團法人資訊工業策進會(III) 經濟部工業局(IDB) 經濟部半導體產業推動辦公室(SIPO) 工研院經資中心(IEK) 數位家庭產業推動聯盟(Digital Home SIG) 家庭網路推動小組(Home Networking SIG) 26

27 Q & A 27

28 表一 ZigBee Alliance成員 Promoters Participants
Honeywell, Invensys, Motorola, Mitsubishi Electric, Philips Semiconductor Adcon RF Technology BV, AlfaPlus Semiconductor Inc., Analog Devices, Atmel Corporation, Cambridge Consultants, Chipcon, CompXs, CSEM SA, Eaton Corporation, Ember Corporation, Figure 8 Wireless, LLC, France Telecom, Helicomm Inc., Honeywell, Intel Corporation, Integration Associates, Leviton Mfg. Company Inc., Microchip Technology, Micro Linear, National Technical Systems, NTRU Cryptosystems Inc., RF Micro Devices, Uniband Electronic Corporation, Xanboo Inc., Xemics, ZMD AG 28 資料來源：Zigbee Alliance

29 圖一 ZigBee 2006(V1.1) 29 資料來源：TI

30 圖二 ZigBee Stack Architecture
30 資料來源：Zigbee Alliance

31 名詞解釋一 DSSS DSSS為目前展頻系統最常用的技術，主要是因為容易使用及較高的速度，擁有的處理增益可以讓通訊系統抑制干擾信號和相鄰通道的信號，如此一來，降低了通訊系統對通道濾波器的需求，降低了實現成本。 DSSS讓傳送及接收者都使用22MHz的頻寬，此頻寬讓設備得以支援比跳頻技術(Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS)較高的11Mbps速度。 DSSS技術為了克服多路徑(Multipath)現象所造成的訊號 延遲擴散(Delay Spread)，將資料信號以較高速度的Bit順 序作傳送，稱為碎碼(Chipping Code)或處理增益 (Processing Gain)。 31