智能家居的传输方式.docx

ZigBee详细的介绍ZigBee凭借其架构简单价格低廉、低消耗功率延长使用寿命，即使传输速率不高，但针对感测与控制之应用，ZigBee有其很大的发展潜力。2004年全球ZigBee之出货量仍约为50万套，而至2008年，Zigbee的芯片出货量为3400万颗，预计到2012年，Zigbee芯片的出货量可达一亿六千万颗，随后庞大的无线传感器网络市场将全面发展。在无线个人网络领域，UWB具备高传输速率其定位为多媒体传输，Bluetooth拥有QoS可作为与语音与数据传输之用，ZigBee传输速率虽低，但适合应用在感测与控制用途，搭配低价与长寿之特性，成为众所瞩目之新兴技术，有关ZigBee之技术发展现况，以下分析之。1.ZigBee技术分析 ZigBee这个字源自于蜜蜂群通过跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其它蜜蜂有关花粉位置等信息，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。ZigBee先前亦被称为HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly无线电技术，目前统一称为ZigBee。 ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率的无线通讯技术，其传输距离约为数十米，使用频段为免费的2.4GHz与900MHz频段，传输速率为20K至250Kbps，网络架构具备Master/Slave属性，并可达到双向通信功能。根据ZigBee之技术本质，ZigBee具有下列之特性：(1)省电：ZigBee传输速率低，使其传输资料量亦少，所以讯号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZigBee处于睡眠模式，而在工作与睡眠模式之间的转换时间，一般睡眠激活时间只有15ms，而设备搜索时间为30ms。透过上述方式，使得ZigBee十分省电，透过电池则可支持ZigBee长达6个月到2年左右的使用时间。(2)可靠度高：ZigBee之MAC层采用talk-when-ready之碰撞避免机制，此机制为当有资料传送需求时则立即传送，每个发送的资料封包都由接收方确认收到，并进行确认讯息回复，若没有得到确认讯息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，以此方式大幅提高系统信息传输之可靠度。(3)高度扩充性：一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网络节点，其中一个是Master设备，其余则是Slave设备。若是透过Network Coordinator则整体网络最多可达到6500个ZigBee网络节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整体ZigBee网络节点数目将十分可观。2.ZigBee标准现况 在标准规范之制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者之角色与分工就如同IEEE 802.11小组与Wi-Fi之关系。 在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订媒体存取控制层（MAC）与物理层（PHY）规范，在2003年5月通过802.15.4标准，802.15.4任务小组目前则在着手制订802.15.4b标准，此标准主要是加强802.15.4标准，包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。2007年10月发布了ZigBee 2007规范，ZigBee 2007规范定于了两套高级的功能指令集（feature set）：分别是ZigBee功能命令集和ZigBee Pro功能命令集。（ZigBee 2004和2006都不兼容这两套新的命令集）。ZigBee 2007包含两个协议栈模板（profile）,一个是ZigBee协议栈模板(Stack Profile 1)，它是2006年发布的，目标是消费电子产品和灯光商业应用环境，设计简单，使用在少于300个节点的网络中。另一个是ZigBee Pro协议栈模板 (Stack Profile 2)，它是在2007年发布，目标是商业和工业环境，支持大型网络，1000个以上网络节点，相应更好的安全性。 在物理层（Physical；PHY）方面，802.15.4之工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种，分别提供250Kbps、40Kbps和20Kbps的传输速率。由于ZigBee使用的是2.4GHz、915MHz和868MHz频段，这些频段因是免费开放使用，故已有多种无线通讯技术使用，因此ZigBee为避免被干扰，故在各个频段皆是采用直接序列展频（DSSS）技术，以化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰。 这三者不同之频段，在调频技术方面，虽都是采取相位调频技术，但仍有所差异，2.4GHz采用QPSK调变技术以达到250Kbps的速率，并降低工作周期，以减少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面，则是用BPSK的调变技术。相较于2.4GHz频段，900MHz频段为低频的频段，故无线传播之损失较低，使其传输距离较长，其次此频段过去主要是室内无线电话使用之频段，不过现在因室内无线电话转移到2.4GHz，干扰反而较少。 而在媒体存取控制（Media Access Control；MAC）层方面，主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若是产生碰撞，则稍后重新再传。 在网络层方面，ZigBee联盟制订ZigBee可具备支持Star、Cluster Tree与Mesh三种网络架构，在各个节点之角色方面，可分为全功能设备（Full-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD之电路较为简单且内存较小。FFD之节点具备控制器（Controller）之功能提供资料交换，而RFD则是只能传送资料给予FFD或是从FFD接受资料。3.ZigBee芯片架构 ZigBee的芯片架构，主要是有MAC处理封包，而PHY则是接收处理射频（RF）讯号。ZigBee之系统架构，因其传输速率低并只做简易数据处理，故在系统架构上，在Host端只需搭配简单的8位处理器，而ZigBee芯片模块方面，则内含RF、PHY与MAC做成一单芯片，未来ZigBee芯片则将会整合处理器。而在内存方面，全功能设备（FFD）需要16_20Kbyte的ROM，而精简功能设备（RFD）则只需12_16Kbyte的ROM，不过若是网络主要节点，则因需处理节点设备信息、资料路径表、安全密钥等信息，需要更大之内存。在协议堆栈（Protocol Stack）方面，完整之协议堆栈需要32Kbyte内存，而简单协议堆栈则为4Kbyte。4.ZigBee应用领域 ZigBee应用领域主要有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗照护等，可搭配之应用产品则有家电产品、消费性电子、PC外围产品与传感器等，提供家电感测、无线PC周边控制、家电遥控等功能。 在家庭自动化领域，涵盖项目有照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接透过遥控便可开灯。通过ZigBee可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。 在工业领域，透过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可通过ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制之目的。 随着应用产品之扩大，将带动ZigBee产品出货之增加，在未来市场规模发展方面，2004年全球ZigBee之出货量仍不大约为50万套，而至2008年，Zigbee的芯片出货量为3400万颗，预计到2012年，Zigbee芯片的出货量可达一亿六千万颗，随后庞大的无线传感器网络市场将全面发展。5.结论 全球数字家庭风潮方兴未艾，虽然家庭全面走向数字化仍有一段路需要走，但随着家电装置与多媒体娱乐资料都逐渐数字化，家庭应用也将