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「ZigBee無線感測網路技術暨應用」研討會記實
 

【作者: 鍾榮峰】   2007年08月21日 星期二

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資策會網多所

資策會網多所環境感知與控制技術中心組長洪志宏表示,以ZigBee技術為核心的無線感測網路(Wireless Sensor Network;WSN),提供無線環境監控、特定人與物追蹤及設備管控等等多元化服務。


《圖一 資策會網多所環境感知與控制技術中心組長洪志宏指出,目前網多所正在以ZigBee聯盟認證的底層平台為基礎,研發整合SoC與感測器的WSN萬用模組。》
《圖一 資策會網多所環境感知與控制技術中心組長洪志宏指出,目前網多所正在以ZigBee聯盟認證的底層平台為基礎,研發整合SoC與感測器的WSN萬用模組。》

ZigBee包含兩種不同單位所制定的通訊規格,一個是由IEEE所制定的IEEE 802.15.4標準,定義了實體層(PHY)以及媒體存取層(MAC);另一個則是由ZigBee Alliance所主導的ZigBee標準,定義了網路層(NWK)、安全層(Security)、應用層(APS)以及各種應用產品的Profile。ZigBee網路拓墣支援星狀(Star)、樹狀(Cluster Tree)、任意型(Mesh)三種網路拓樸,能連接最高網路節點數,可依不同型態的WSN加以彈性靈活運用。其中Mesh網路具有面臨阻斷可自我找尋替代路徑的功能,網多所是以設置兩條路徑和透過路由決定來傳送資料,並與Cisco的VoIP系統相互結合,提供彈性化網路拓墣的設計架構。


洪志宏進一步說明,目前網多所正在以ZigBee聯盟認證的底層平台為基礎,研發整合SoC與感測器的WSN萬用模組,其他還包括ZigBee Stack解決方案、平台移植(Porting)、佈建工具(Deployment Tool)、安全認證、同步網路分時多工排程、資料串流壓縮等,提供投入業者開放性的共通平台模組與客製化設計內容,藉此帶動追蹤與定位系統應用的發展進程。其中佈建工具可讓使用者輸入空間形狀與隔間材質等參數設定,就能以3D空間建立無線訊號模型與空間模擬器,計算出感測器最佳化的佈建空間地點位置,能有效降低90%的佈建與測試時間。


網多所的ZigBee通訊協定韌體程式IZAP(III ZigBee Advanced Platform),已正式通過ZigBee Compliant Platform(ZCP)認證測試,是亞洲第一個、也是全球第五個通過認證的組織,通過的認證平台分別為Chipcon 2420DB、Jennic JN5121、Ubec UZ2400。目前網多所與Jennic與STG的合作正持續進行;和達盛電子(UBEC)合作的ZigBee Network Stack,已完成III ZigBee SDK & AT Command Profile;此外網多所也正與Crossbow及Renesas洽談未來合作計畫。


洪志宏表示,ZigBee在WSN應用可遍及各類領域,目前主要應用在工業控制以及家庭自動化領域,相關廠商也正在開發作為遠距醫療居家端的傳輸媒介,以及在消費電子產品領域利用ZigBee製作通用遙控器。在應用合作上,網多所與世和數位科技合作,將WSN應用在集合住宅以及興建中的第三期南港軟體園區;網多所亦協助易京與台電合作,建立電力狀態監測系統,已在嘉義新港完成系統測試,預計在2007年會計年度Q2裝設150組電線桿電力監測系統。此外工研院創意中心、中科院與網多所共同執行的「智慧化居住空間科技整合應用計畫」,則定位應用在節能環境控制、氣體品質監控、訪客位置追蹤等領域。


禾伸堂(Holy Stone)

禾伸堂(Holy Stone)消費元件事業群經理江玖霖表示,ZigBee是一種強調將人們在家庭自動化領域(Home Automation;HA)連鎖動作的訊息,藉由無線感測網路(WSN)架構傳輸而與環境產生互動的新興技術。在應用上,ZigBee的基本特性必須滿足價格便宜、電池壽命長、能夠自我設定、低傳輸資料量、具彈性規模、可信賴安全保障、以及Protocol能夠共通並可互連等功能。


《圖二 禾伸堂(Holy Stone)消費元件事業群經理江玖霖表示,ZigBee的Cluster Library(ZCL)設計特性,可用類似程式庫的呼叫訊息、以堆疊方式組織起來,ZCL定義Clusters內容的屬性規範,藉此增加不同廠商設計方案的相容性。》
《圖二 禾伸堂(Holy Stone)消費元件事業群經理江玖霖表示,ZigBee的Cluster Library(ZCL)設計特性,可用類似程式庫的呼叫訊息、以堆疊方式組織起來,ZCL定義Clusters內容的屬性規範,藉此增加不同廠商設計方案的相容性。》

從IEEE802.15.4延伸出來、屬於開放性標準的ZigBee技術,當時有訂出歐規868MHz、美規915MHz、以及全球可通用的2.4GHz三個頻段,屬於2.4GHz 的ZigBee06,是目前最廣為普及應用的規範。江玖霖指出,ZigBee06的關鍵技術,在於AP Hub的自我設定機制,可使網狀網路自行維護而無須人工維持。再者,網路可藉佈建路由跳躍方式(multi-hop routing)設定,彈性擴充幾百個節點涵蓋範圍。加上ZigBee採用128bit AES加密演算法和中央金鑰主動控管方式,可有效阻絕外在不明入侵,建立資安防護架構。此外,ZigBee Alliance有鑑於早期藍牙標準互通性不足的教訓,特別注重ZigBee開放性標準平台特性與產品的相容性(product interoperability),以此降低廠商的維修成本。


相容性是ZigBee Alliance特別強調的競爭優勢,對此江玖霖進一步說明時表示,ZigBee晶片大廠已經完備了Stack的底層內容,第三方廠商只需針對應用層進行客製化設計即可。更重要的是,ZigBee在HA以及WSN應用的Cluster Library(ZCL)設計特性,便將類似程式庫的呼叫訊息以堆疊方式組織起來,ZCL定義了Clusters內容的屬性規範,以此增加不同廠商設計方案的相容性。除了可以定義基本以及特殊應用的Clusters外,ZCL也可針對複數裝置群體化進行單一或多重指令的Cluster定義規範。藉由ZCL方式,增加ZigBee規範在不同產品不同應用之間的多元相容特性。


不過江玖霖認為,ZigBee網路應用還是會受到因傳輸封包資料過多、路由安全機制更嚴謹、因此ZigBee副節點負載子節點能力負擔越重、記憶體因此要更大導致塞車的問題,間接會造成廠商佈建WSN的成本壓力。但相對於其他無線網路太貴太耗電的難題,ZigBee仍具明顯的競爭優勢。


江玖霖表示,從2007年下半年開始,ZigBee技術的商業化進程已有明顯的突破。除既有家庭自動化、與生命相關的Security以及維護物品環境的Safety領域外,像是義大利與南韓電信已將ZigBee晶片模組以打帶貼壓IC方式貼在SIM卡中,應用於手機購票等行動商務領域;TI也正與Philips在ZigBee照明領域更密切進行合作。不過江玖霖特別提醒與會成員,暫緩將ZigBee技術應用於例如滑鼠或鍵盤設備等PC周邊環境,等待條件成熟再行也不遲。


意法半導體(STMicroelectronics)

意法半導體(ST)技術行銷工程師劉東鑫首先簡單說明,ZigBee的系統資源負荷量只有32~64Kb,電池壽命可以維持100~1000天左右,傳輸距離可到100公尺,傳輸率在20~250kps左右。以ZigBee為核心的WSN應用,主要是以大樓自動控制、住家自動控制、家庭娛樂控制以及資產追蹤為主。


《圖三 意法半導體(STMicro)技術行銷工程師劉東鑫指出,ST的收發器不需太多外掛元件,內嵌由硬體支援的網路可除錯功能設計,並結合Ember的知識與IP智財權,開發包括硬體、軟體與工具的完整ZigBee解決方案。》
《圖三 意法半導體(STMicro)技術行銷工程師劉東鑫指出,ST的收發器不需太多外掛元件,內嵌由硬體支援的網路可除錯功能設計,並結合Ember的知識與IP智財權,開發包括硬體、軟體與工具的完整ZigBee解決方案。》

接著劉東鑫詳細介紹ST以IEEE 802.15.4規範為基礎所推出的SN250及SN260RF收發器晶片產品,其工作電壓在1.7V~1.9V之間,均擁有16個頻道,在2.405~2.480GHz工作頻段中以每5MHz間隔傳輸。RX接收靈敏度可達-97dBm~-98dBm之間;TX發送靈敏度可達+3dBm~+5dBm之間。ST的收發器不需太多外掛元件,內嵌16 bits的RISC CPU,包含AES 128bit加密韌體以及Flash以及隨機存取記憶體等,除了可供程式執行以及存取以外,也能提供應用彈性並提升執行效率。此外,ST的收發器內嵌由硬體支援的網路可除錯功能設計,包括對核心除錯與更新的SIF(Serial Interface)、以及網路Packet Trace的PTI(Packet Trace Interface),可藉此提升封包傳輸效能。


屬於SoC的SN250與作為網路處理器的SN260,都相容於ZigBee Pro的網路堆疊層,均具備EmberZNet Stack的設計內容。SN250不需太多被動元件,可與SPI、I2C、UART、ADC、GPIO 等介面相容。SN260則多增了EZSP協定,可利用SPI或UART介面,連接其他的處理器以增加功能。使用SN260可直接改善ZigBee網路堆疊的傳輸效能,讓應用層有其他空間執行設計,而不會另增負載。


劉東鑫進一步說明,ST與Ember 在去年便簽署合作協議,合作開發包括硬體、軟體與工具的完整ZigBee解決方案,結合Ember在IEEE802.15.4以及ZigBee無線軟硬體上的知識與IP智財權,以及ST的微控制器技術、開發能力和製造與行銷資源。Ember所推出的ZNet Stack軟體,適合應用於講求延長電池壽命、減少外接零件、可靠、經過驗証及符合工業標準的的環境中。在樹狀拓墣應用上,ZNet是符合ZigBee 1.0 堆疊協定(Stack Profile)規範;在Mesh拓墣應用中,ZNet則相適應於ZigBee Pro的規範。比較不同的是,在樹狀網路堆疊中,ZNet加上所謂確認訊息轉換軟體(Message transfer acknowledgement)以及Fragmentation的設計,能讓訊息傳遞產生回饋反應,確保多節點的訊息傳輸品質。


劉東鑫特別強調,網路拓墣架構在進行無線傳輸時,常會因為封包傳輸效能不一、產生非對稱性傳輸連結(Asymmetric Links)現象,間接造成網路傳輸效能下降與滿載等問題。內嵌於ST收發器產品的ZNet軟體,便可藉由路由連結方式,將非對稱性連結自動調整趨近於對稱性狀態,並且運用動態表格管理技術(dynamic table management tech),維持網路連結的最佳化以及降低記憶體的負載量,便能整體強化傳輸品質。


達盛電子(Ubec)

達盛電子(Ubec)設計研發處副總經理簡鴻程表示,目前達盛80%的資源都集中在ZigBee領域,預計今年底量產推出的UZ2410產品,會把SoC與先前的收發器模組更加完備地整合在一起。從IC成本和技術成熟度、應用領域等角度來看,ZigBee已經準備就緒,不過目前ZigBee Alliance在ZigBee Pro協定堆疊(Protocol Stack)定義上仍未明朗,佈建軟體工具尚缺完整,國際大廠對投入時機點仍抱持觀望態度,因此ZigBee形成規模經濟的條件仍尚待健全。


《圖四 達盛電子(Ubec)設計研發處副總經理簡鴻程認為,ZigBee進行點對點無線傳輸時,亦需考量實際傳輸率、跳點與干擾等技術細節。同時廠商除了應擁有RF測試能力外,也該具備layout ZigBee晶片模組的解決方案,才能縮短進入ZigBee規模量產的時間。》
《圖四 達盛電子(Ubec)設計研發處副總經理簡鴻程認為,ZigBee進行點對點無線傳輸時,亦需考量實際傳輸率、跳點與干擾等技術細節。同時廠商除了應擁有RF測試能力外,也該具備layout ZigBee晶片模組的解決方案,才能縮短進入ZigBee規模量產的時間。》

簡鴻程說明時表示,以ZigBee為核心的WSN技術,節點本身架構須包含Coordinator、Router、End Device三大部分,而以Mesh拓樸架構為主的無線網路,須包含Sensor及介面、RF、MAC/BB、以及網路應用連結等技術。當ZigBee進行點對點無線傳輸時,亦需考量實際傳輸率、跳點與干擾等技術細節,若是多重跳點傳輸,傳輸率會隨著節點數增加而逐漸下降。


簡鴻程表示,ZigBee與Bluetooth封包傳輸格式類似,以ZigBee無線封包傳輸格式中實際傳輸階段落在Payload,封包也會加上PHY Header以及MAC Header、並以CSMACA方式傳輸。不過由於Bluetooth屬於跳頻性質,其間隔為1MHz,會出現79次跳頻,這時5MHz間隔的ZigBee頻道,就會有3次落在Bluetooth範圍內,因此ZigBee與Bluetooth共存於2.4GHz,會受到干擾的機率為3.79%(亦即3/79),因此系統廠商可以在設計時考量上述實測數據,以強化ZigBee傳輸效能。


另一方面,ZigBee可與WLAN封包格式相互穿插,從實際測試數據中可知,雖然ZigBee和WLAN共用2.4GHz頻段,ZigBee和WLAN仍可順利傳輸,雖會使傳輸率下降,但沒有干擾問題。因為在2.40到2.48GHz頻段中,ZigBee共有16個頻道可以選擇,在與WLAN在其中可選擇的3個頻道比較後,ZigBee還有4個頻道不會與WLAN重疊。不過在TX與RX slot之間仍有空隙,實際傳輸率並沒有那麼高,廠商在規劃系統時需注意之。


簡鴻程認為,WSN的傳輸速率與應用場景的節點數關係密切,測試驗證程序對於廠商選擇與設計晶片方案而言非常重要,應避免redesign而耗費成本。同時廠商考量避免功率消耗,應從整體電路板著手,包含CPU、射頻收發器、低噪放大器以及功率放大器這四部分,並降低啟動時間功耗在佔空比範圍的比例。至於會影響接收距離與超過頻段的考量點,則包括室內外、天線、Normal Amplifier、天線、LNA以及PA等。一般而言每增加6~7個dBm,ZigBee無線收發IC接收距離與穿透能力就可增加1倍。


整體而言,簡鴻程認為,廠商除了應擁有RF測試能力外,也該具備layout ZigBee晶片模組的解決方案,才能縮短進入ZigBee規模量產的時間。


德國萊因技術監護顧問(TUVRheinland)

屬於開放性標準的ZigBee技術,特別注重產品的相容性(product interoperability),因此ZigBee Alliance嚴格把關有關驗證測試的程序。德國萊因技術監護顧問(TUVRheinland)電磁相容與通訊專案工程師Jan-Willem Vonk表示,只有成為ZigBee Alliance的會員,才有應用ZigBee技術製造或行銷相關產品的權利,也只有經過ZigBee Alliance驗證後的產品,才能標示ZigBee的標籤,亦即藉由層層把關驗證程序,以確保不同廠商不同ZigBee產品的相容性。


《圖五 德國萊因技術監護顧問(TUVRheinland)電磁相容與通訊專案工程師Jan-Willem Vonk表示,目前ZigBee產品的驗證設備,不及Bluetooth的標準化與成熟化,但經過ZigBee Alliance層層把關驗證程序,可確保不同廠商不同ZigBee產品的相容性。》
《圖五 德國萊因技術監護顧問(TUVRheinland)電磁相容與通訊專案工程師Jan-Willem Vonk表示,目前ZigBee產品的驗證設備,不及Bluetooth的標準化與成熟化,但經過ZigBee Alliance層層把關驗證程序,可確保不同廠商不同ZigBee產品的相容性。》

Jan-Willem Vonk進一步說明,成為ZigBee Alliance會員有Adapter、Participant、以及Promoter三種方式,在年費、參與會議決策、獲取資訊等權限也有所不同。在申請成為會員後,廠商會收到ZigBee ID(ZID),便可進行相關驗證程序。


廠商的ZigBee晶片產品,除了須經ZigBee Compliant Platform(ZCP)驗證測試IEEE 802.15.4 RF及MAC等是否相容外,ZCP還要驗證測試協定堆疊(Protocol Stack)部分,包括網路層(NWK)及應用服務層(APP);至於堆疊於上的應用類別層以及廠商指定的特殊應用層(Manufacturer Specific Application Profile;MSP)等部分,亦需經過產品驗證程序以及給付認證登入費後,始可將標籤附貼在產品上。上述驗證程序可自行測試後交由聯盟確認,或可委託ZigBee Alliance指定的兩家實驗室NTS以及TUVRheinland來辦理。目前已經通過ZigBee Alliance測試認證程序的大廠,包括Freescale、Philips、Siemens、Samsung、TI、ST、Motorola、Honeywell、Huawei等等。


目前ZigBee產品的驗證設備,不及Bluetooth的標準化與成熟化,不過加入ZigBee Alliance會員的台灣廠商,可以藉由TUVRheinland的協助,直接就地進行ZCP以及MSP的驗證測試,也可在廠商要求下替其代辦相關程序。Jan-Willem Vonk建議,在進行最後的產品驗證程序前,可以參與ZigFest活動,藉此先行掌握軟體除錯的機會。


Jan-Willem Vonk同時表示,由於ZigBee Stack部分仍未底定,廠商應先上網熟悉相關驗證訊息,掌握在驗證後推出相關產品的時機,以避免重測的風險,像是ZigBee Alliance已經在今年5月31日宣布不再驗證ZigBee 2004;ZigBee 2006的測試驗證程序仍在進行。至於ZigBee Pro的驗證程序,預估在今年9月便會展開,將會另增40多種的驗證作業。值得注意的是,ZigBee Pro將包含下一階段ZigBee 2007標準的幾項規格在內。


正因為如此,目前Alliance共有18家廠商的42件申請通過ZCP測試,不過只有5家廠商完成終端產品驗證程序,表示ZigBee規格尚未底定,間接影響到市場的接受度。Jan-Willem Vonk建議台灣廠商不妨等待時機,再進一步適時進行相關驗證程序。


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