台廠扮演ZigBee要角 ZigBee技術趨勢研討會實錄

潮流顯示未來會有數以億萬計的感測器存在於生活中,建構成一個無所不在的感測環境,ZigBee技術即是一項可用於構成此類感測環境的關鍵技術。 由於具備易用、廉價、低功耗,並可以進行自我組織、自我管理等...
潮流顯示未來會有數以億萬計的感測器存在於生活中,建構成一個無所不在的感測環境,ZigBee技術即是一項可用於構成此類感測環境的關鍵技術。  

由於具備易用、廉價、低功耗,並可以進行自我組織、自我管理等特性,預計將大量應用於家庭控制、工廠自動化等領域展開,並可望進一步走向語音傳輸應用。  

新通訊元件雜誌與台北市電子零件公會於2005年9月27日舉辦「2005年ZigBee技術趨勢研討會」,邀請知名晶片業者、系統業者,以及量測業者針對此一技術發展前景與應用機會進行深入研討,以下是研討會內容摘錄。  

利用ZigBee建構無所不在無線環境的機會與挑戰  

講師:華寶通訊新技術開發部襄理黃國聰  

第一堂課程由系統大廠華寶通訊新技術開發部襄理黃國聰主講,首先針對建構一個「無所不在」網路運算環境的機會切入。黃國聰指出,機器對機器(M2M)之間的溝通運算,具有極大的市場潛力。相較於以往的個人式運算(例如電腦遊戲與聆聽MP3)、人對人(P2P)溝通(例如語音通話與簡訊),演進到一對多的「即按即說(Push to talk over Cellular,簡稱PoC)」,或是人對機器(P2M)的溝通運算(例如行動票券),一路演變下來,運算環境的發展將走向機器對機器的彼此溝通,由許多感測器與網路構成一個神經系統。  

以人體的神經系統為例,是由神經中樞負責感測與運算,並透過神經將動作指令傳給身上的器官或肢體以進行動作。而這種概念用於無線感測環境時,ZigBee技術即可擔任感測器與閘道器之間的溝通管道。黃國聰表示,將來會有數以億萬計的感測器存在於生活中,建構成一個無所不在的感測環境,因此,亟需要有一種易用、廉價的傳輸技術,可以進行自我組織、自我管理,而低功耗、低成本的ZigBee技術即成為其中的代表。由於ZigBee具備容易安裝、容易使用、成本低廉等的特點,也因而成為驅動IEEE P802.15.4 WPAN標準的重要力量。根據In-Stat在今年8月發表的數據,ZigBee在2004至2009年之間的複合成長率將高達200%,在2009年的ZigBee產品出貨量也將超過1.5億個。  

ZigBee的另一個特點,即是標準的互通性,由於在同一標準之下的各種廠牌產品之間都可完全互通,也因此更容易加速其發展。此外由於ZigBee節點(Node)傳輸距離只有10公尺,因此成本低廉,每一個節點的成本將可能低於1美元,尺寸也可如同一枚郵票大小,電池使用壽命更可長達2年。在網路型態上,ZigBee的佈署範圍是以一座建築物為單位(例如工廠、醫院、家庭等),同一個網路的節點數可以高達一萬個以上,延遲時間則從10毫秒(ms)到10秒不等,並且網路中每個節點都能收集、傳輸並處理資訊,也能透過閘道器,連接到PC或GMS、UMTS、802.11等網路,相當適用於追蹤或識別物件。  

從ZigBee的協定堆疊來看,在下層的實體層與媒體存取控制層符合IEEE 802.15.4協定,而ZigBee聯盟參與廠商則是在更上層進行不同的開發。ZigBee的傳輸頻寬隨著使用的頻段而有不同,在2.4GHz的ISM頻段上有250k的頻寬,在歐洲的868MHz頻段則有20kbps頻寬,而在美國的915MHz頻段上則有40kbps頻寬。以一般的2顆AA乾電池來計算,約可使用6個月到2年不等。  

由於ZigBee與藍芽和WiFi等多種無線技術同樣使用ISM頻段,因此ZigBee採用簡單而有效率的重新傳送機制,能在這個擁擠的頻段中利用夾縫將資料傳出。ZigBee能在傳送前先確認有空隙的頻道,如果傳送未獲回覆則會不斷重複傳送,是一種善於在夾縫中求生存的傳輸技術。  

從應用面來看,ZigBee的應用層面相當廣泛,涵蓋工商業、消費電子、個人電腦周邊、家庭自動化、玩具,以及個人醫療等。而整個ZigBee的產業價值鏈更是已經成形(圖1),足以使相關產品快速進入市場。其中,台灣業者目前在上游的晶片至下游的成品,都已有廠商跨足,例如單晶片(達盛電子)、網路協定堆疊(資策會)、模組(華寶)、裝置設定(資策會)、閘道器(華寶、正文、亞旭),以及台灣廠商大量投入的消費終端產品產品,完整的價值鏈將有助於台灣廠商在ZigBee領域占有重要的一席之地。  

黃國聰使用鐘型曲線圖指出,目前ZigBee正處於大量成長期的開端,由於價格還不夠低、成熟的模組化產品也還不夠,因此還有斷層需要業界彌補。一旦問題解決,依照預估,ZigBee技術的應用將在2009年達到高峰。黃國聰並表示,從華寶的角度而言,ZigBee產業必須要等到晶片組價格低於4美元,才會出現爆發性的成長,如果降到2美元,含電池不超過3美元,則更為理想。  

由ZigBee的生態系統來看,產業鏈雖然已經成形,但仍需要更進一步的整合。目前在安全監控上的應用,似乎就是屬於ZigBee的殺手級應用,但ZigBee的下一步是什麼?卻也是必須開始思考的問題。  

ZigBee產品量測技術發展優勢  

講師:太克科技產品經理Hideaki Ogata  

第二堂課主題為「ZigBee產品量測技術發展優勢」,太克科技產品經理Hideaki Ogata先針對「什麼是ZigBee」進行講解,接著細述ZigBee規格、ZigBee訊號,最後分析如何解調(Demonstration)ZigBee訊號,並以即時頻譜分析儀(Real-time Spectrum Analyzers, RTSA)為範例,現場展示如何使用RTSA量測ZigBee訊號,以確保訊號品質,排除干擾源。  

適合建立感測器網路  

有關ZigBee的定義,Hideaki Ogata表示,ZigBee為短距離無線傳輸系統,具有低耗電、低價格、低位元率、低複雜性等特色,且在30公尺傳輸範圍內,可容納高達65,536種ZigBee裝置,若與無線區域網路(WLAN)、藍芽(BlueTooth)及超寬頻(UWB)等傳輸技術相比,其傳輸速率、耗電量及複雜度皆為最低(圖3);就應用層面來說,ZigBee特別適合用來建立感測器網路,適於空調控制、防火感測、溫度感測、大門關閉感測等無線家庭安全應用,此外,亦適合應用於工廠自動化及遠距監控。  

在多種無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)技術中,皆有不同的實體層規格標準,其中,藍芽1.1實體層規格制定於IEEE 802.15.1,高速WPAN實體層規格制定於IEEE 802.15.3,例如超寬頻實體層標準即是IEEE 802.15.3a,而ZigBee的實體層標準則為IEEE 802.15.4。若從網路拓樸架構來看,ZigBee採點對點串連,由網路協調者(Coordinator)進行工作控制,具有路由(Routing)連結及組合式網路之特性。  

ZigBee聯盟及IEEE802.15.4 工作小組負責制定規格  

ZigBee的規格標準是由兩組織進行制定,其中,ZigBee聯盟是由多家公司組成的產業組織,主要定義ZigBee的平台堆疊技術,而IEEE 802.15.4工作小組則負責制定ZigBee的實體層及媒體存取控制層。進行產品測試時,由ZigBee聯盟進行平台、協定測試,並核發Logo,而ZigBee射頻訊號品質好壞則是透過IEEE 802.15.4實體層測試而定,ZigBee射頻訊號之測試特別重要。  

Hideaki Ogata表示,ZigBee可採用868MHz頻段(歐洲)、915MHz ISM頻段(北美),及2.4GHz ISM頻段(全球)中的DSSS無線電訊號,前兩種頻段訊號採用二元相位位移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調變技術,最後一種採用正交相位位移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying, O-QPSK)調變技術。  

ZigBee訊號分析  

分析ZigBee訊號時,可透過資料擷取(Data Capturing)、功耗測量(Power Measure)、時域分析(Timing Analysis),以及解調等方式,來判斷訊號品質。  

Hideaki Ogata並在現場操作即時頻譜分析儀來示範說明,他表示,即時頻譜分析儀可透過頻率光罩觸發(Frequency Mask Trigger, FMT)功能獲取ZigBee封包訊號,資料擷取時,為了方便進行時域分析,可採用Zero SPAN模式;透過擷取整個封包訊號,可推估出載波頻率(Carrier Frequency),並得到平均功耗值;時域分析方式不僅簡單而且分析結果精確,主要是進行測量轉換時間、輪詢時間及封包寬度(圖4);解調時,從即時頻譜分析儀上的眼狀圖可以看到封包上的特定位置;與時間關聯的多重分析功能對於分析ZigBee實體層來說,是非常強大的工具。  

台灣ZigBee完整解決方案與應用  

講師:達盛電子數位IC工程處處長簡鴻程  

第三堂課主題為「台灣ZigBee完整解決方案與應用」,達盛電子數位IC工程處處長簡鴻程指出,ZigBee除了具有高度資料可靠性、低功耗、低成本、網路彈性高、整體網路覆蓋面大,以及安全性高等特點之外,ZigBee技術相對於其他廠商開發的獨占性(Proprietary)RF技術相較之下,由於是開放標準,不同廠商的產品之間具有互通性,對客戶而言有眾多供應商可以選擇,而且由於平台已經標準化,可以減少特定應用的開發成本,使得採用ZigBee技術的業者可以專心提供客戶所需要的服務,減少投入於無線方面特殊技術開發的成本等優勢,都將使得ZigBee易於普及。  

簡鴻程表示,目前ZigBee的堆疊設定(Stack Profile)在1.0版已經定義三個設定,包括家庭控制(燈光)、商業/工業/機構應用、工廠控制等。其中在家庭燈光控制方面已經完成開發,其他兩個領域則還在發展中。而資訊家電領域的應用,則是ZigBee另一個被寄予厚望的應用範圍。  

在應用面的發展上,資策會已經開發出環境感知導覽系統,例如應用於博物館,系統可以藉由安裝在各個展覽室的感測器得知參觀者的位置,在適當的時候提供不同的導覽資訊。ZigBee也能用於建構定位系統,可應用在資產管理方面,例如貨櫃管理、停車場管理等。  

而在達盛電子的ZigBee晶片產品規劃上,該公司整合了RF、基頻、MAC層的單晶片(Single Chip)已於今年8月量產,預計在2006年1月再推出一款SoC,並在同年4月推出一款獨占性(Proprietary)晶片,傳輸率可達1.25Mbps,將可應用於語音傳輸。  

(詳細圖表請見新通訊58期12月號)  

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