家庭自动化沿革

从历史的角度来看，家庭自动化的观念是由日本首先提出，日立（Hitachi）和松下（Panasonic）于1978年便提出家庭自动化系统方案；Sanyo、Sony、Toshiba则是最先提出家庭自动化产品的企业。 Honeywell在1978年首次展示「自动化家庭」架构，X10系统则是在1979年出现；GE在1983年提出多媒体家庭汇流排通讯协定Homenet；CEBus和Smart House技术在1984年于美国出现。GIS、Home Automation Ltd. MK Electric….等欧洲公司，也陆续开发出自己的家庭自动化系统，而完整的自动化家庭系统则是在1992年推出。

何谓无线感测网路

无线感测网路（Wireless Sensor Network；WSN）是由感测器（Sensor）、监示器（Monitor）、控制器（Controller或Actor）等功效所构成，利用低成本、低耗电的优势，将各种感知器网网相连，串连成一个感测网路，透过该网路可实现各种过去所做不到的生活应用，如家庭保全、环境监测、家庭／大楼自动化、定位应用等。

WSN的实际应用领域非常广泛，智慧化居住空间在近年成为一个重要议题，根据世界卫生组织WHO提出的四大生活指标—「安全、保健、便利、舒适」，安全更是列为首位，因此如何针对不同领域、不同需求提供不同的解决方案，且利用WSN技术将感知化为无形，让使用者在不知不觉中融入环境感测世界中，将成为智慧化居住空间发展成功的关键因素。

WSN实际应用案例

目前WSN的实际应用范围包括：

WSN在其他应用领域包括：

家庭自动化为何采用ZigBee

大多数应用于工业环境自动化、家庭自动化与商业大楼自动化等控制应用的WSN，目前最大问题即在于不管是感测器或网路通讯本身，皆无统一标准规格，因此各家厂商只能按自身技术开发定义产品与应用解决方案，无形中也会妨碍WSN技术的推广与发展。不过作为短距离无线传输通讯协定的802.15.4／ZigBee，因为低成本、低功率、低耗电的特性，相当适合担​​负WSN需要大量部署传输需求的主干角色。此外在安全方面，ZigBee在标准规范中，定义以128bits AES加密演算法作为安全机制的准则，因此对一般WSN的应用而言，ZigBee可提供使用者最安全的传输环境；尤其在远距跨区控制时，ZigBee安全性功能的优势便显现出来。在系统设计方面，此加密的功能可由软体来实现或直接做在硬体中，例如UBEC的UZ2400系列，借此降低软体运算的负担，并提升系统效率。

ZigBee传输的技术关键

ZigBee能满足市场对支援低资料速率、低功耗、安全可靠、低成本的无线网路传输需求。 ZigBee联盟（ZigBee Alliance）在IEEE 802.15.4无线标准之上开发了标准化的通讯协定，并与IEEE密切合作提供市场具完整性且可相互操作的网路协定，例如该组织提供包括ZigBee软体层的802.15.4系统互通性测试认证。

ZigBee的射频标准及工作频率，包括全球的2.4GHz、美洲的902到928MHz和欧洲的868MHz。 16个通道的2.4GHz频段可以达到250Kbps的原始资料吞吐率，10个通道的915MHz频段为40Kbps，1个通道的868MHz频段为20Kbps。 ZigBee可传输距离为10到75公尺，取决于输出功率和环境参数。 ZigBee在2.4GHz频段利用直接序列展频技术（DSSS），并采用偏移－正交相移键控调变（O-QPSK），通道频宽为2MHz，通道间距为5MHz。而868MHz和915MHz频段也采用直接序列展频技术，但是采用二进位相移键控调变（BPSK）。

ZigBee的讯框结构在IEEE802.15.4所定义的4个基本讯框类型为：资料讯框、应答讯框（ACK）、MAC命令讯框和信标讯框（beacon）。资料讯框提供最多104 bytes的Packet。讯框被标号以确保所有的资料封包可以被追踪，用一个讯框检查序列来确保资料封包没有错误地接收，这种讯框结构提高在恶劣条件下的可靠性。

IEEE802.15.4另一个重要的结构是应答讯框（ACK），利用规定讯框之间的「静默时间」，提供了从接收器到发送器的反馈，以确认资料封包被正确无误地接收。 MAC命令讯框则提供客户节点的遥控和配置机制。无论网路有多大，集中型网路管理者都可利用MAC来配置每个客户的命令讯框。信标讯框则是用来唤醒客户设备，这些设备侦听他们的地址，若无收到讯号便进入睡眠状态。信标对于网格网路和丛集树状（cluster-tree）网路来说非常重要。

未来还是拥有低功率特性的ZigBee技术比较有发展潜力。低功率模式ZigBee很适用于无线网路监测系统。以火灾警示器来说，ZigBee平常无须动作，只要在火灾发生时赶快发出警报，可以好几秒钟才检查一次温度计，温度正常便可继续休眠。基本上，只要是被动式的防盗或安全系统，都适用于此方式，顶多就是每日例行检查，发出一个讯号，要各感应器自行回报目前工作状态。

《图一 应用在WSN的ZigBee应用模块》

家庭自动化不采用其他标准原因

家庭自动化系统不适合采用Wi-Fi 或是Bluetooth、而适合采用ZigBee的原因，在于ZigBee耗电低，除传送少量资料外，平时均能处于近似休眠的状态，只会在与中央控制器或主控电脑之间进行收发无线讯号时才会运作。此外ZigBee在抗干扰能力及晶片价格上的竞争力远胜于Wi-Fi。如此在铺设WSN ZigBee传输，不仅无须任何电源插座，也能大大提高电池的续航力。

从长远市场观察，ZigBee在互通性及大型区域家庭自动化将略胜一筹。此外，ZigBee的抗干扰能力及晶片价格亦优于Wi-Fi以及蓝牙。至于另外一个常与ZigBee做比较的技术Z-Wave，其在耗电流表现以及网路扩充性上，均较ZigBee差，且Z-Wave并非采用IEEE的标准做为实体层，在未来产品的互通性上，将受到很大的限制。

家庭自动化WSN厂商发展现况

目前市场上提供ZigBee相关的IC厂商已有将近10家以上。从早期的Chipcon／TI、Freescale、达盛电子（UBEC）、Embers、OKI到近期的Jennic、Samsung、RadioPulse、STM、Microchip、Renesas、NEC等，已形成完整的上游供应链。

不过由于WSN技术的应用实在太广，往往需要整合各种软硬体不同的技术领域，方能构建完整稳定的WSN系统。因此，全方位而绵密的技术支援，将是ZigBee晶片供应商能否胜出的关键。台湾目前唯一的ZigBee晶片供应商，早在2002年ZigBee联盟成立时，即成为会员并开始相关产品研发计画，目前除了提供ZigBee／IEEE802.15.4的晶片外，同时也提供包含天线设计、模组设计等技术支援。在ZigBee堆叠及应用软体方面，台湾亦有资策会及工研院等单位从事相关开发作业，配合晶片供应商，已经可以提供完整的解决方案。举例来说，全球第3家推出2.4GHz IEEE802.15.4单晶片的达盛电子，频获许多国际MCU大厂的青睐，顺利与NEC、Fujitsu、Microchip等大厂建立紧密的合作关系。

成功仍待努力

专精于低速率、低成本、低耗电且易于开发的ZigBee是否一定会成功？眼前似乎尚未明朗。目前，ZigBee SoC的晶片价格在数量达百K时约3美元左右，但这个市场价格极有可能降到2美元来刺激市场需求，研究显示这个目标将在不久的未来实现。届时，相信在市场价格降低的刺激下，会为ZigBee市场注入启动的活水。看好ZigBee市场并已深耕多时的台湾厂商，也更紧锣密鼓地研发新应用技术，努力朝向成为全球无线通讯IC制造业中的佼佼者迈进。

（本文由达盛电子UBEC提供）