降低終端系統設計門檻　平台式ZigBee方案勢在必行

市場定義明確　ZigBee發展熾熱  

ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)最早是由Honeywell在1998年所成立，並將該項技術定義為低速率、低功耗與低成本的連網應用市場。一般來說，ZigBee底層直接採用IEEE 802.15.4規格，並規畫網路層以上之規格。目前該應用的市場解決方案包括有線與無線兩種類型。在有線解決方案方面，其特性包括透過專業人員協助接線方案，使用雙絞線或是特殊規格線材，亦或電力電源線解決方案，由於不需專人牽線，因此較為方便；而無線的解決方案，除了非標準無線解決方案由各供應商自行定義規格並供貨外，亦可採用已標準化之解決方案，如無線區域網路(WLAN)或是藍牙(Bluetooth)技術。  

立志取代既有老舊技術  

根據ZigBee聯盟的計畫，在當初鎖定的市場中，其技術本質是取代而非創新，也就是以無線方案取代有線方案，或是以更優秀的無線方案取代既有的無線方案。從應用來看，ZigBee聯盟鎖定的第一順位市場，也就是家庭自動化市場(Home Automation, HA)本來就已存在有線的解決方案及陽春級的無線方案，因此只要ZigBee聯盟能夠提供更適合的無線方案，HA市場唾手可得，因此，ZigBee聯盟才積極推出ZigBee技術。  

原先在HA市場中，占有率最大的技術是X10，由於X10是非常老舊的有線技術，ZigBee聯盟打算一舉攻下這塊市場做為灘頭堡。為此，ZigBee聯盟首先推出的就是HA領域中燈光控制的應用規格(Lighting Control Profile)。不過，儘管動作很快，但由於在整個HA系列的檔案規劃上，組織成員發生歧見，因此ZigBee聯盟也很明確的表示，該規格僅供參考，HA檔案至今尚未定案公布，只有核心成員能夠取得草案版本。  

新興技術頻出頭  

就在ZigBee聯盟內鬨的同時，由Zensys所主導的Z-wave技術，進了歐美的HA市場。Z-wave的目標同樣鎖定家庭自動化市場，且Z-wave的商業模式非常務實，該公司找來現存的家庭自動化廠商做為Z-wave聯盟(Z-wave Alliance)的成員，並且提供完整的開發套件，大幅降低廠商開發的困難度。  

此外，還有另一家專注於無線技術的廠商Insteon，不但提供解決方案，更提供整體產品解決方案(Turnkey Solution)。在規格中，Insteon原先的設計即同時支援射頻(RF)與X10並存，因此用戶可以將現行的X10系統進行升級。Insteon聯盟(Insteon Alliance)的成員也以系統商居多，且成員數量與應用領域較Z-wave來得更廣，然其鎖定市場較為低階。  

ZigBee力挽狂瀾  

有鑑於前述市場變化以及ZigBee聯盟在應用領域失焦，且HA市場持續延宕，該聯盟做出兩個重要決定，一是將應用主力聚焦在家庭自動化、建築物自動化(Building Automation, BA)以及工業自動化(Industrial Automation, IA)三大方向；第二則是持續搜尋有潛力的應用領域，包括電信應用領域及節能應用領域等。

簡單的說，今天ZigBee聯盟的主要任務包括：

‧	盡可能開發、推廣並擴大市場
	有些領域單單憑一個成員的力量不足以催生並擴大，必須由聯盟出面協商。

‧	協調並制定公用規格
	在部分情況下，因為牽涉的利益龐大，為維持一定的市場機制，須要仲裁機構介入。

‧	催生目標領域的實體產品
	為了確保產品投入市場後可以正常運作，ZigBee聯盟也須要致力於產品認證模式、互通性測試等，讓終端產品可以步入現實。

從上述任務來看，由於Z-wave與Insteon均只有單一開發平台供應商，因此，在HA領域，Z-wave與Insteon可以遊刃有餘的完成後兩項目標。相較之下，成員複雜的ZigBee聯盟則仍有許多努力空間。

開發平台多樣化　影響商業模式深遠

談到ZigBee聯盟內部的狀況，從Chipcon率先發表第一顆IEEE 802.15.4射頻晶片(RFIC)以後，其他業者也陸續推出射頻加基頻(Baseband)與媒體存取控制(MAC)之射頻矽晶片。台灣方面，則有達盛電子以全球第三順位推出IEEE 802.15.4 RFIC，資策會也協同達盛電子推出通過ZigBee聯盟平台認證(ZigBee Certified Platform, ZCP)的ZigBee協定堆疊(Protocol Stack)，顯見台灣業者在ZigBee的發展不落人後。  

目前ZigBee開發平台非常多樣化，有獨立公司從頭到尾一手提供整套平台，也有策略聯盟合作提供平台。大體上來說，兩者所呈現的方案雖無太大差異，但卻對商業模式會有較大影響。  

獨立業者成本低  

舉例來說，獨立提供開發平台者必須單獨面對銷售的問題，如果想接觸異業整合的市場，就必須投入大量的資源，或是引入第三方公司的力量來達成；好處是，因為平台產品的成本來自同公司，因此成本較低。  

平台參與者競合激烈  

至於參與策略聯盟合作的業者，雖會因為彼此銷售通道得到整合，而有多元化發展的機會，但因為平台產品來自於數個公司，成本較高，再加上分配給各公司的利潤有限，將會使得終端產品價格偏高。  

最典型的例子，就是協定堆疊開發商所抽取的使用權利金與晶片供應商提供高整合度單晶片方案的現象。而近來許多一次購足(One-stop Shopping)開發平台供應商紛紛放棄抽取協定堆疊權利金，也立刻對策略合作式的平台產生衝擊。  

ZigBee聯盟的平台供應商們，彼此的布局形成了橫向競爭，但縱向的平台開發卻需要穩固的合作。平台成員透過ZigBee聯盟的平台認證取信客戶，而各個平台供應商雖然均為ZigBee聯盟認證的平台，但唯有將自身平台的完整度繼續向上提升，才能擺脫聯盟內的對手。因此呈現彼此既競爭又合作的微妙關係。  

終端用戶一頭霧水  

對於終端用戶來說，由於市面上始終看不到任何ZigBee終端商品，因此對於ZigBee的發展可說是一知半解。  

雖說ZigBee聯盟對於通過ZigBee認證的產品會蓋上ZigBee商標，讓終端用戶放心；但由於終端用戶等不到互通性高的產品，因此造成ZigBee遲遲無法明確且大量步入公規化應用市場，也導致平台供應商間處於備戰卻無法開戰的尷尬狀況。  

平台供應商的客戶其實主要分為兩種，一種是電子產品原始設備製造/設計商(OEM/ODM)，另一種是應用系統整合商(System Integrator, SI)。真正透過大量訂單獲利的是前者；後者則是透過客製化，從量少高單價的產品中獲得利潤，一般來說，也會是市場先期出量之處。前者的強項在於生產面，其所在乎的只有兩件事情，一是價格，二是有無完整產品方案；後者的技術層次較高，單位產品的利潤較豐富。面對這兩種性質迥異的客戶，每個平台供應商都必須調整自己的腳步，以有限的資源來搶攻機會最大的市場。圖1為ZigBee的商業模式。

圖1　ZigBee市場商業模式

垂直合作拓展技術縱深  

垂直縱向的技術合作的主要目的為產生一個開發平台，開發平台的構成如圖2所示，左方為規格持有者，其主控權較大，態勢較主動。右方為韌體與硬體供應廠商，主控權較小且較被動。實體的開發平台，多為韌體與硬體提供者遵照規格持有者的規格定義所設計出，也就是說，平台供應商是由硬體與韌體供應商組合而成。

圖2　ZigBee開發平台的構成要素

由於縱向技術的合作目的，在於對更上層的應用系統整合商提供開發平台，因此開發平台的實體商品主要有兩類，分別是開發套件(Development Kit)與開發用模組(Module)。  

從系統整合商的角度來說，他們選擇的是一個平台，而針對任何一個平台內的構成元素，平台提供者必需為其平台商品負責。  

平台供應商提供給客戶的技術支援工具，分為四個等級(圖3)。每個等級的意義與完整度均不同，概述如下：

‧	評估板
	評估板(Evaluation Board, EVB)單純提供客戶體驗並驗證晶片與晶片資料手冊(Datasheet)的一致性。元件(Component)等級的晶片產品只須做到此階段。

‧	開發套件
	供客戶開發產品的平台，包括硬體、軟體以及韌體平台，本文中所稱之開發平台即為此階段產品。其中PC軟體開發套件亦稱為軟體開發套件(Software Development Kit, SDK)。開發套件(Development kit, DK，亦稱為Evaluation Kit, EVK)的目的為省去客戶製作初版功能性設計印刷電路板(PCB)的麻煩，並提高初版功能性設計的成功率。足夠的範例程式碼(Demo Code)可迅速讓客戶加速學習並對產品產生信心。好的開發套件亦可大幅加速原型(Prototype)製作週期，對客戶產生正面企業形象。

‧	參考設計
	參考設計(Reference Design)係針對客戶可能的應用，以接近最終產品的硬體/韌體/軟體組態，提供完整的參考電路與原始碼設計。大幅加速原型開發週期。某些於參考設計中被隱蓋住的設計將對客戶產生無法抽換的導入設計(Design-in)效果。

‧	完整產品解決方案
	可直接等同於原型設計的技術支援工具，若對客戶提供完全隱蓋住的方案，則形同導入量產(Design-win)，被置換的機會微乎其微。如此一來，客戶只須聚焦於工業外型設計即可。

圖3　技術支援工具完整度分級

一般來說，利用廠商提供的設計支援工具，可避免無謂的技術失誤，大幅加速產品推出的時程。  

產業生態牽連廣泛　互相掣肘問題仍多  

雖然業者看好合作平台所帶來的優勢，然而也因為牽扯的業者廣泛，帶來不少複雜的情勢，包括硬體、軟體與韌體供應商都介入頗深。  

射頻/微控制器業者積極布局  

硬體供應商由射頻晶片與微控制器(MCU)供應商所組成，射頻晶片供應商的核心能力在射頻技術，微控制器供應商的核心能力除了晶片技術外，則還有開發工具及價格等考量因素。  

射頻晶片供應商中，以德州儀器(TI)/Chipcon、飛思卡爾(Freescale)的推廣力度最大，Chipcon是最先開發出IEEE 802.15.4 RFIC的廠商，但德州儀器在2006年1月將其收購。飛思卡爾則是美國本土晶片業者，並於2004年7月從摩托羅拉(Motorola)中分離。各家業者之分布狀況如表1。

表1　IEEE 802.15.4 RFIC供應商
公司名稱	產品型號	說明
TI/Chipcon	CC2420	性能優良但價格較高，搭載硬體AES算法電路。
Freescale	MC1320X	功耗較高，無硬體AES算法電路。
Renesas/ZMD	ZMD44102	唯一900MHz頻段上的RFIC，但ZMD此產品線已經全面被Renesas買下。
UBEC	UZ2400	高性價比，625kbps Turbo mode，搭載硬體AES算法電路。

第三家推出2.4GHz頻段IEEE 802.15.4 RFIC的廠商達盛電子，目前已與多家微控制器廠商達成多項合作業務。瑞薩(Renesas)買下的ZMD，則為少數868/915MHz頻段之IEEE 802.15.4產品。  

在單晶片方面，英國廠商Jennic於2005年9月首先推出單晶片解決方案，德州儀器/Chipcon與飛思卡爾也推陸續出單晶片方案。供應商如表2。

表2　IEEE 802.15.4 單晶片供應商
公司名稱	產品型號	說明
TI/Chipcon	CC2431	搭載獨家研發之定位引擎。
Freescale	MC1321X	數顆晶片封裝在單一包裝形式的單晶片，功耗較高。
Jennic	JN5139	市面上唯一採用32-bit等級CPU的單晶片，功耗最高。

此外，微控制器大廠注意到ZigBee市場並開始布局，無射頻團隊的業者開始找尋射頻協力廠，同時紛紛尋求協定堆疊開發商做為合作廠商。參與業者如表3。

表3　MCU供應商
公司名稱	產品型號	說明
Freescale	HC08系列	只有Freescale原廠搭配該公司RFIC使用
Fujitsu	F2MC-8FX	產品線完整，價格較低
Microchip	PIC系列	擁有支持群眾最廣的8-bit MCU市場， 其應用手冊與MCU開發套件非常完整。
NEC	78K0系列	產品線非常完整，價格較低，性價比極高
Silicon Laboratory	C8051系列	產品線完整，開發套件齊全，價格較高
TI	MSP430系列	業界公認功耗最低，價格較高

韌體供應商銷售策略具彈性  

前文提及，實體的平台商品主要有開發套件與開發用模組(Module)。韌體供應商可提供客戶上述兩種供後端系統整合商開發用的平台，也可以直接針對系統整合商的需求調整或開發韌體，並以模組或整體的形式出售給系統整合商。  

通常韌體供應商有足夠的研發資源，可自行擔任系統整合商的角色，但苦於銷售通道缺乏，還是必須跟擁有特定目標銷售管道之系統整合商配合。某些韌體供應商會鎖定特定領域，一來可累積一定的知識與經驗，二來可使產品複製性提高，讓研發成本可攤提在多次銷售行為上，還可以針對該領域做更深入的結合。  

韌體供應商主要有協定堆疊供應商(Stack Provider)或是加值型供應商(Value-added Reseller, VAR)兩種。協定堆疊供應商使用自己製作的協定堆疊，並對外銷售協定堆疊、模組或開發套件；加值型供應商則使用他人的協定堆疊，並對外販售模組或是開發套件。市場分布如表4。

表4　協定堆疊供應商
類型 \ 項目	廠商名稱	產品型號	說明
協定堆疊	資策會(III)	III Stack	國內唯一獨立製作的ZigBee堆疊。
	Freescale	Bee-stack	印度Minteck幫其製作之堆疊。
	Helicomm	EZ-Net	美國公司，主力為華人。技術實力堅強，可客製化依客戶的實用環境調整網路型式。
	Integration	IA DAMD-DK1 2400	美國公司，使用OKI之硬體，不直接提供堆疊。
	Meshnetics	eZeeNet	俄羅斯公司，使用Atmel硬體平台。
	Microchip MiWi	ZigBee	美國公司，自行製作ZigBee堆疊並且免費提供(不抽權利金，已通過ZCP)。 其MiWi協議棧為一免費供應(不抽權利金)之非標準協議。
	Skyley	ZigBee SDK	日本公司，提供NEC平台之ZigBee堆疊。
	TI/Chipcon	Z-stack	挪威Chipcon所持有之Z-stack，Chipcon已被TI併購。
加值型供應商	Aerocomm	ZB2430	除ZigBee外另提供非標準方案，文件齊全。
	Cirronet	ZMN-2400	除ZigBee外，非標準方案非常完整， 提供非標準方案自訂平台。持有ZigBee自定義檔案。
	Flexipanel	EasyBee Pixie Pixie lite	使用Microchip免費ZigBee堆疊，持有自定義檔案。
	MaxStream	XBee系列	與Freescale達成合作，模組產品穩定完整，價格較高。
	Rabbit Semiconductor	ZigBee/802.15.4 Application Kit	採用MaxStream的模組。Rabbit跟MaxStream皆為Digi手下的公司。
	Telegesis	ETRX STRX	採用Ember SN250系列產品，產品線完整。

規格制定者引領市場  

少數廠商以IEEE 802.15.4規格為基礎，於其上繼續衍生出獨特之網路層規格，原則上這類規格必須持續再往應用層發展，或是選取市場上現存的更上層規格進行綑綁，才會出現更明確的應用。比如Dust Network研發之Time Synchronized Mesh Protocol(TSMP)協定堆疊，已獲得Wireless HART選定為底層規格，Wireless HART已經被正式收納入HART第七版規格中。  

除了ZigBee之外，目前其他基於IEEE 802.15.4為底層而開發出的規格，均屬於特定廠商所獨立開發出的成果。也就是說除了ZigBee之外，大部分商用的無線網路規格均由單一公司擬訂並自行製作協定堆疊。  

廠商之所以自行訂定上層協定堆疊規格的原因在於ZigBee市場不明確，或是該廠商另有看好並鎖定的市場；ZigBee協定堆疊的複雜度過高，面對低階之應用要真正做到低價方案將有困難；ZigBee協定堆疊的規格無法支援某些應用等。  

ZigBee方案相關的供應商，在面對非標準方案的市場價格競爭下，與之抗衡的手段包括將協定堆疊精簡化以求更低價，或是提供ZigBee規格所辦不到的功能。規格制定持有者當中，以Dust Network的攻勢較為主動，鎖定工控領域並已經成功綁入Wireless HART協定，也因此獲得國際大廠艾默生(Emerson)的訂單。相關業者如表5。

表5　規格制定持有者(使用IEEE 802.15.4為底層之規格)
公司名稱	產品型號	說明
Dust Networks	TSMP	使用TDMA的網路層協議。獲得HART基金會選取為無線版本HART之底層(Wireless HART)。
Microchip	MiWi	MiWi協議棧為一免費供應(不抽權利金)之非標準協議。由Microchip自行研發。
UBEC	U-NET	U-NET協議棧為一免費供應(不抽權利金)之非標準協議棧。由UBEC自行研發。U-NET採用的是ZigBee樹型網路演算法，並增加自我修復(self-healing)之機制。
Ubiwave	UbiNet SWU	UbiNet Z與UbiNet SWU為比利時Ubiwave之產品。UbiNet Z為ZigBee協議棧，UbiNet SWU是非標準協議棧。
ZigBee Alliance	ZigBee	ZigBee協議棧為ZigBee Alliance所提出，基於IEEE 802.15.4規格於其上衍生出的協議。是所有以IEEE 802.15.4為基礎所發展出之協議者中最具影響力的規格。

單/雙晶片各有優劣　視應用取捨  

從過去到現在，單晶片一直是受人熱愛的產品，單晶片的吸引力在於：技術整合度高，無論是設計或是生產，面臨到的問題可能較少；省去過度複雜的商業模式，只跟特定供應商購買，可能得以壓低成本；體積較小，適合手持設備。  

但是，真實的情況仍然值得更進一步的探討與分析。首先，採用單晶片來開發，開發人員可能須要看完動輒四百頁的資料，且學習完整的晶片技術(Datasheet)。而若是下游業者已經熟悉某間公司的微控制器，並具有高度的認同與信任，那麼單晶片的周邊資源根本無法滿足需求。  

舉例來說，如果該單晶片的類比/數位(A/D)轉換器數目與精確度無法滿足開發人員的需求，或是該單晶片效能不彰，無法同時處理網路與A/D或是D/A轉換，甚或是該單晶片的定時器(Timer)不足，那麼選擇單晶片可能無法完全滿足開發人員的需求。反之，若晶片開發商將其單晶片產品功能設計得過度強大，成本可能會高得讓人無法接受。  

此外，假設原本的微控制器上已經具備一個作業系統(OS)，開發人員除了要先將作業系統架設至單晶片中，還要將協定堆疊轉換到該作業系統上，這就又牽扯到定時器以及資源中斷的問題。最終不如直接將單晶片定義成網路協處理器(Network Processor)，主微處理器維持不變，透過串列埠控制網路協處理器。網路協處理器方案如圖4。

圖4　網路協處理器方案

對於主要業務是OEM/ODM的終端客戶來說，最好是只須對現存產品做最小改動，就能迅速擴增產品線，推出新產品，因此網路協處理器較符合其需求。單晶片與雙晶片方案若是同時都能支援網路協處理器之技術架構，價格就會成為重點。  

另一種狀況是當客戶的應用非常簡單，可以直接將協定堆疊移植至CPU平台上時，圖5所示的方案是最小硬體更動方案。此種方案的考量是該CPU能否承載所選的協定堆疊，以及客戶對CPU的偏好。

圖5　最小硬體更動方案

ZigBee協定堆疊  

ZigBee協定堆疊目前碰到較大的瓶頸是，原本預期可支援六十五個節點，但是由於加入了網格狀網路(Mesh Network)，使得節點數在超過五十點時困難度大幅提升。原因是路由器(Router)跟網路調諧器(Coordinator)都必須透過路由尋找(Route Discovery)功能，協助網路中的其他點繞徑到對方的網路地址。而路由尋找使用的是廣播(Broadcast)技術，極度消耗網路頻寬，一旦有數個設備因為通訊不穩一直斷線，而使得其他節點在傳送資料前，必須反覆尋找這些不穩的設備，將有可能癱瘓整個網路。  

反觀樹狀(Tree)網路則因為採用演算法獲得繞徑方式，因此不須大規模的廣播來做路由尋找。至於五十個節點是否符合大部分使用者的期盼，自然還須探索。不過倘若採用樹狀網路，ZigBee又不提供備用連接(Redundant Connection)防止斷線發生，將因此陷入兩難。不過，未來仍可能採用樹狀與網格狀混合之混合型(Hybrid)網路來處理。  

(本文作者任職於達盛電子)