ZigBee技术规格与测试方案之发展

1、ZigBee技术规格与测试方案之发展 摘要本文首先介绍无线感测网路的特性与发展， 接着说明相关的ZigBee/IEEE 802.15.4通讯协定， 包含其硬体通讯晶片、软体协定堆叠、及开发辅助工具等。 之后，叙述并比较ZigBee规格标准的 进展， 包含ZigBee-2004、 ZigBee-2006、及ZigBee-Pro等， 同时也提供IEEE 802.15.4标准的现况。 接 下来，我们介绍ZigBee测试方案的内容，包括其平台相容性、产品认证、 以及互通性测试等，借此提供有意参与ZigBee元件产品开发的厂商一个参考的方向。 关键词(Key Words) ZigBee规格 (ZigBe

2、e Specificatio n)IEEE 802.15.4标准 (IEEE 802.15.4 Standard) ZigBee相容平台 (ZigBee Compliant Platforms) ZigBee 认证产品 (ZigBee Certified Products) 无线感测网路 (Wire less Sensor Networks) 前言 2003 年美国MIT 技术评论(Technology Review)1认为， 有十种新兴技术很快就可以 改变计算、医疗、制造、运输与我们的能源基 础设施。 其中位居榜首的， 即是无线感测器网 路(Wireless Sensor Networks；

3、WSN)。 无线感测器网路是由一到数个无线资料收集器以及为数 众多的感测器(sensors)所 构成的网路系统,而元件之间的沟通则是采用无线的通讯方式。 为了达到大量布建的目的， 无线感测网路必须具备低成本、低耗电、体积小、容易布建、 有感 应环境装置、可程式化、与可动态组成等特性。 在谈到无线感测网路的同时，其他常见的名词尚有遍布运算(Ubiquitous Computing)、 普及运算(Pervasive Computing) 、 环境智能 (Ambient Intelligence)、 以及情境感知(Context Awareness)等。遍布运算在于创造一个四通八达的电脑网络(如Wi

4、-Fi/WiMAX网路、3G电话网路、无线数位视讯)，能让资讯能无所不在； 而普及运算在于让资讯可以随时随地被取用， 意指生活中利用这些网络的装置(如笔记型电 脑、PDA、手机等)。 环境智能、情境感知、与普及运算十分相似，三者的目标都在于应用智能产品于我们的环境中，并了解使用者应用的环境与状况，提供相对应的服务。 无线感测网路在此扮演的角色，可藉由将 具有通讯能力的各种微小感测器布建于生活周遭环境中， 形成无所不在的网路， 提供遍布运算的能力； 并且随时感应、侦测环境与使用者 状况， 处理环境智能与情境感知的运作， 以及进一步将收集的资讯传递给使用者或相关控制中心， 达成普及运算的功能。 有

5、关无线感测网路的通讯协定， 考虑到规 格相容性与市场接受度， 以IEEE 802.15.42-3 低速率无线个人区域网路(Low-Rate Wi reless Personal Area Network ； LR-WPAN) ， 结合 ZigBee4无线标准为基础的通讯规范，是多数 研发厂商依循的方向。 虽然现今ZigBee是以家 庭自动化为切入点来设计， 不过其应用范畴如 图1-1所示， 包括智慧型大楼、居家安全与自动 化、工业与环境控制、以及个人医疗照护等。 可搭配之应用有家电产品、消费性电子、PC周边感测器等，提供住家环境监控、个人区域感 知、与家电无线遥控等功能。 另一方面，过去即专精

6、在家庭自动化之控 制应用电子技术的Zensys 公司，主导成立 Z-Wave 联盟5 ，并提出Z-Wave 无线通信技术，已获得包含Intel、Panasonic、ViewSonic、 与罗技Logitech等六十多家业者的力挺支持。 其中2006年4月， Intel的宣布加入Z-Wave联盟 并且策略性投资Zensys公司， 对Z-Wave标准是 一股莫大的推力。 此外，瑞典的Ericsson推出的 Bluetooth Lite， 是主张将既有的Bluetooth蓝芽 无线通信技术进行简化性的修订， 如此仍可以 适用于WPAN的应用领域。图 1-1 ZigBee无线通讯协定之应用领域4 相对

7、于业者自行提出的Bluetooth Lite 与 Z-Wave 技术， ZigBee 协定是架构在IEEE 802.15.4上，有国际性的标准组织之支持， 所以 在无线感测网路上的遵循与使用者较广泛。 截 至2007年1月， Z-Wave联盟拥有65会员数， 而 ZigBee联盟已有207个会员。 ZigBee/IEEE 802.15.4标准介绍ZigBee 的命名， 源自于蜜蜂在发现花粉时， 展现如同ZigZag形状的舞蹈。 看似随意在 跳的字形舞， 实际上是将有花和蜂蜜的地方， 正确地传达给其他的蜜蜂同伴。 ZigBee 主要是由IEEE 802.15.4 小组与 ZigBee Allia

8、nce组 织， 分别制订硬体与软体标 准， 如图2-1 所示。 它是一种低传输速率 (250kbps)、短距离(一般约为50-100公尺， 依发射功率的不同， 可提升至300公尺)、低消耗功 率、架构简单的技术。 目前制定的频段为全球的2.4GHz ISM频段， 美国的915MHz频段， 以 及欧洲的868MHz频段。 在2.4GHz的ISM频段， 可使用的通道数为16个； 在915MHz的ISM频 段， 可使用的通道数为10 个； 而在欧洲的 868MHz频段， 可使用的通道数为1个。 ZigBee 支援主从式或点对点的运作方式， 具有高扩充 性， 单一网路内可以同时拥有超过65000个装置

9、 链结。 主要应用的方向在于家庭装置自动化、 环境安全与控制、以及个人医疗照护等功能， 逐渐成为产业共通的短距离无线通讯技术之一。图 2-1 ZigBee/IEEE 8 02.15.4通讯协定堆叠 2.1 IEEE 802.15.4通讯晶片(硬体) 在IEEE 802.15.4的通讯晶 片发展上， ABI Research在2006年9月， 发表其依据各供应商之创新和执行等重要参数来进行比较的结果 6， 如表2.1-1所示。 评估资讯包括该厂商是否 提供系统级SoC晶片、首款产品发布日期、当 前产品版本、传送与接收功率、接收灵敏度、 以及是上市公司或者私人公司等指标。 美商德 州仪器TI因并购

10、挪威Chipcon通讯公司(2006/01 月)而荣登榜首， 而美商Ember及日商OKI位居 第二及第三。 Ember原是一家无线感测网路软 体解决方案的知名公司， 后来取得Chipcon授权 的智财(IP)， 打上自家的品牌EM2420， 随后又 与英国的射频晶片设计公司合作， 推出自己的 单晶片，形成一家软硬体完整解决方案的厂商。 表 2.1-1 IEEE 802.15.4的通讯晶片排名6原本与Chipcon射频晶片搭配的Atmel， 由于Chipcon已经走向SoC模式， 不再需要Atmel 微控制器的配合， 因此Atmel也自行开发射频晶 片， 成为具备完整硬体解决方案的公司。 值得

11、 注意的是台湾的达盛电子UBEC也名列榜中， 而 Freescale的晶片因耗电量效能问题， 所以排名较后。 此外，英商Integration Associates因并购 CompXs 而入榜。 上述Chipcon 、Ember 、 Freescale 、 及CompXs为ZigBee 发展平台的先 峰， 此四家平台也是目前进行测试认证时所采 用的黄金单元(Golden Units)。 此外，英商Jennic 号称率先推出第一颗整合ZigBee系统单晶片的 SoC， 但因在耗电量及接收灵敏度上的效能问 题而位居第十。 其余入榜的尚有德国ZMD及韩 国RadioPulse等厂商。 Zhu 与Ya

12、ng7 针对现有商品化的IEEE 802.15.4晶片， 依据可取得的产品规格书，做进 一步的评估。 表2.1-2为Chipcon CC2430(SoC)、 Freescale MC1321x(SiP)、 及Jennic JN5121(SoC) 等单晶片的比较， 其中CC2430内含8051微处理 器， 且耗电量较低； MC1321x至多只有60KB Flash， 因此协定堆叠及程式设计时需要考量此 限制； 而JN5121 内含32-bit 的RISC 、60KB ROM、 及相当充足的96KB RAM。表 2.1-2 IEEE 80 2.15.4的SoC/SiP晶片比较7 表2.1-3为单一

13、IEEE 802.15.4RF晶片的比 较，明显看出Chipcon CC2420及UBEC UZ2400 在耗电量的效能较优良； 而xBee-PRO拥有较好 的接收灵敏度。 表2.1-4则比较上述RF晶片常搭 配之微处理器， 由左至右依序出自晶片厂商 Silicon Labs、Microchip、 Freescale、及Atmel。 值得注意的是C8051F121 及ATmega128L 皆拥 有128KB Flash， 在撰写程式及协定堆叠时，可有较充裕的设计空间。表 2.1-3 IEEE 802.15.4的RF晶片比较7表 2.1-4 ZigBee 常搭配之微处理器比较7 2.2 ZigB

14、ee协定堆叠(软体) 在开发ZigBee协定的软体中， 最富盛名的 是Figure 8 Wireless(F8W)公司的Z-Stack， 其被 Chipcon所并购(而Chipcon后来又被TI并购)。 F8W在未被Chipcon并购前， 同时也为Freescale 的平台开发ZigBee协定。 并购之后， Freescale 转向与印度公司Mindteck所发展的BeeStack合 作。 此外，美商Helicomm与Silicon Labs合作研 发的IPLink、 Ember发展的EmberZNet、 Korwin (Korea Wireless Network) 的WiniZB Stac

15、k 、 Microchip的MPZBee、 台湾资策会III的ZigBee Advanced Protocol、 以及印度公司Airbee、日商 NEC、OKI、Renesas、 英国Jennic与Integrations CompXs、 韩国RadioPulse也都有推出自行开发 或是与系统商合作的ZigBee平台， 并且通过 ZCP相容性测试(指相容于ZigBee 1.0版本， 即 ZigBee-2004的规格)。 其中Microchip在其官方网站提供其开发 的MPZBee原始码供免费下载， 但其协定堆叠尚 不支援自动route repair机制， 在安全性上也有 些许限制， 而且MAC

16、层只支援non-beacon的运 作模式。 此外， 俄罗斯的MeshNetics/Luxoft也 发展ZigBee stack ， 并且提供IEEE 802.15.4 MAC开放原始码供下载。 而工研院资通所也自行研发ZigBee平台： ITRI ZBnode 8， 如图2.2-1所示。 图 2.2-1 工研院资通所开发之ITRI ZBnode8 其包含硬体 板层与协定堆叠设计， 以Linux为基础， 搭配 ARM7的处理器与CC2420通讯晶片， 目标是有 接电源的高阶应用为主， 例如ZigBee路由器与 闸道器等。 图2.2-2为其插槽式感测器模组，提 供温度、湿度与亮度的量测。 图 2.

17、2-2 ITRI ZBnode之插槽式感测器模组8图2.2-3为其电能管理机制， 利用一颗低功耗的复杂可程式逻辑 元件(CPLD)来切换通讯、 感测与计算单元的供电。图 2.2-3 ITRI Z Bnode之电能管理机制8 而表2.2-1是将ITRI ZBnode与市面上常见的 MICAz系统与DustNe work 之Mote作一比较， ITRI ZBnode的高性能与高扩充性， 适合路由演 算法的验证与其他的高阶应用。 此外， 工研院资通所也开发以CC2430及 CC2431(含硬体计算定位功能)为基础的平台 ， 目标则是以只接电池为主的终端或是移动节点之应用。表 2.2-1 ITRI Z

18、Bnode与商品化产品之比较 8 2.3 ZigBee辅助工具 在纯粹以ZigBee相关软体为产品的厂商。 美商Daintree Networks(研发生产中心在澳洲) 所开发的感测网路分析器 (Sensor Network Analyzer； SNA)算是相当知名的辅助软体9， 其视窗化的ZigBee 网路分析工具， 被列为 ZigBee认证过程中必备的工具。 而该公司的总 裁Bill Wood先生， 是ZigBee联盟中负责认证的 工作小组(ZigBee Qualification W orking Group； ZQG)的主席， 曾在2005年8月拜访工研院资通 所。 图2.3-1所示为

19、利用Daintree感测网路分析 器， 即时动态呈现ITRI ZBnode的网路拓朴及封 包路由状态， 此为一个15节点的网状(Mesh)网 路， 布建于工研院51馆4楼。图 2.3-1 以Daintree SNA呈现15个ITRI ZBnode节 点形成之网状网路 此外， 英国FlexiPanel 有推出Pixie Sniffer， 与美商Frontline推出FTS4ZB Sniffer， 皆为ZigBee 的协定分析器与封包拦截器 (Protocol Analyzer & Pa cket Sniffer)， 可以辅助 ZigBee 协定开发者截取及分析空气中传送的 ZigBee封

20、包。 ZigBee/IEEE802.15.4规范发展 如前述图2-1所示， ZigBee主要是架构在 IEEE 802.15.4上， 本节主在说明ZigBee规格的 发展， 以及IEEE 802.15.4标准的现况。 3.1 ZigBee规格的发展有关ZigBee 规格的发展， ZigBee 联盟在 2004 年12 月发表了ZigBee 1.0(r6 ， 现称为 ZigBee-2004)。 软体系统厂商也以此版本与其 后续的错误修定(Errata)， 统称r7(2005/09月公 布)为规范来实作ZigBee协定堆叠。 约在发表 ZigBee 1.0两年后，2006年10月， ZigBee联

21、盟制 定完成ZigBee-2006(r13)， 12月正进行投票批准 中，对外公布的时间预定为2007年首季。 此外， ZigBee-Pro(r14)的初稿也在11月完成。 表3.1-1为三个版本规格：ZigBee-2004、ZigBee-2006、 及ZigBee-Pro的差异性。 表 3.1-1 ZigBee规格(2004、2006、 Pro)之比较其中2006版本相较于2004版本， 主要新增 了ZigBee cluster library(ZCL)与multicast 的功 能， 并移除KVP(Key Value Pair)的讯息格式。 也新增元件组合(Group Devices)的功

22、能， 可以 将多个元件进行组合， 允许单独的元件从属于 某个群组。 比如在家中按一个按钮， 可以控制 家中所有电灯都关闭， 或是只关闭某一层或某 一个房间的电灯。 2006版本也具备容易维护(Easy Maintenance) 的特性， 可防止在网路上单点失效， 透过简单 的处理过程将一个设备的资讯储存到邻近设备 上。 其亦加强广播应用(Targeted Broadcasts)， 可针对设备的具体类型进行指定， 例如路由 器、唤醒或是睡眠状态的设备， 此特性可以减 少RAM的要求，因此降低ZigBee产品元件总体 成本。 此外， 2006版本也新增无线配置(Overthe- Air， OTA

23、Setup)的功能， 使用者可直接透 过OTA来动态即时更新元件韧体， 可以取代目 前需将安置好的ZigBee元件拆卸下来， 使用ICE 或是RS-232等有线介面来下载安装新的韧体模 组， 如此不方便的作法。 而在ZigBee-Pro中， 进一步增加新的定址 功能， 而不依据原本Cskip的分散式定址机制， 也因此在其网路中必须限用AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)的路由方式。 以应 用面来看， 2004主要是在单纯的家庭用灯光控 制， 而2006以及Pro则扩展至商用大楼自动化、 工厂系统监控、及家庭自动化上。 值得注意的 是， 这三个版本规格彼此

24、并不完全相容 (compatible)， 也因此造成ZigBee联盟内部会员 的许多反弹意见， 目前正在寻求合理的解决方式。 3.2 IEEE 802.15.4标准的现况 IEEE 也在2006 年6 月通过IEEE 8 02.15.4- 2006的新版规格(2006/09月公布)。 此一新的无 线标准建构了Zigbee协定和众多无线感测器网 路的基础。 这一规范对2003 年公布的IEEE 802.15.4(2003/10月公布)做了特 别的改进和修 正， 明确说明原本标准中的一些模糊概念， 减少了不必要的复杂性， 增加了安全密钥使用的 灵活性， 并且将一些新的频率分配考虑在内。 此2006

25、的版本在没有使用安全性(指MAC层)的 网路中， 可与IEEE 802.15.4-2003的版本相容；但是在安全性的网路中， 因2006版本多定义了 辅助安全标头(auxiliary security heade r)， 所以 会不相容于旧有的2003版本。 此外， IEEE 802.15.4a任务小组， 在2006 年10月选定了由Nanotron科技所设计的宽频线 性调频扩频(Chir p Spread Spectrum)实体层技 术， 做为基准实体层标准。 该技术是专门锁定 即时精确定位(real-time precision locatio n)和感 测网路应用。 前802.15.4a

26、任务小组副主席， 来 自Staccato通讯的Jason Ellis先生曾经表示， 该 技术是ZigBee和RFID的综合体； 而其2Mbps的 传输速率和低功耗， 其实最适合于工厂和医学 应用， 并非是家庭或一般企业。 Nanotron计划 提供基于宽频线性调频扩频的晶片， 它们将适 用于最大范围60公尺的室内环境， 或是最大范 围900公尺的户外环境。 ZigBee测试方案 ZigBee协定的测试规格， 主要是由ZigBee 联盟中的认证小组ZQG来负责制定。 目前提供 两种相容性(compliance)的测试服务10， 分别 适用于发展平台(platforms) 及终端产品(end pr

27、oducts) 。 目前全球只有德国莱因(TUV Rheinland) 及美国NTS(National T echnical Systems)这两家实验室， 为ZigBee联盟指定的 完整测试服务授权厂商， 而且只限ZigBee会员 送交平台或产品参与认证测试。 4.1 ZigBee相容平台 ZigBee 相容平台(ZigBee Compliant P latforms；ZCP)主要是测试平台对于ZigBee规 格之相容性。 如图4.1-1所示，测试包含应用层 (APP： APS与ZDO)、网路层(NWK)、 底层的 IEEE802.15.4 媒体存取层(MAC) 与实体层 (PHY)， 以及

28、测试规范中要求的安全性(SEC)。 通过测试的平台， 可获得一张ZigBee联盟署名 的确证信函， 并且会公布在ZigBee联盟的官方 网站上。 目前通过ZCP的ZigBee-2004平台， 共有来自16间公司的31个平台(截至2007年1月)。图 4.1-1 ZigBee相容性测试架构10 在测试规范中， 定义多个测试目标(Test Purpose)， 而各目标又包含数个测试案例(Test Case)。 ZigBee-2006的测试规范已在2006年12 月完成， 表4.1-1为ZigBee-2004与ZigBee-2006 针对不同的测试目标， 来比较其测试案例数 目。 可以看出相较于20

29、04的规范， 2006新增了 效能(PER)与ZigBee-Pro(PRO)相容性测试。 PER 效能测试主在考验ZigBee 节点是否可在有 Wi-Fi干扰的环境下正常运作； 而PRO相容性测试主在检验一个ZigBee-2006的终端元件(End Device) 是否可在一个ZigBee-Pro 作为协调者 (Coordinator)的网路下 顺利工作。 此外， 2006 在网路层与应用层APS的测试案例， 也明显增 加许多。表 4.1-1 ZigB ee-2004与2006之测试规范比较 目前通过ZCP的ZigBee-2006平台， 共有四 家： 1)Ember 的EmberZNet 、2

30、)Freescale 的 BeeStack 、 3)TI/Chipcon 的Z-Stack 、 以及 4)Integration Associates(CompXs) 的IA OEMD AUB1 USB Dongle。 此四家公司是在ZigBee- 2004时期用来检验其他受测平台的黄金单元， 未来也将是进行ZigBee-2006相容性测试时所 采用的黄金单元。 此外， 目前有关ZigBee-Pro的测试规范尚未制定完成。 4.2 ZigBee认证产品 ZigBee认证产品(ZigBee Certified P roducts) 主要是针对终端产品， 进行应用类别 (Application P

31、rofiles)的相容性测试。 应用类别 是针对每种应用建立的标准， 主要为ZigBee联 盟中的类别任务小组(Pro Group； PTG) 来制定。 表4.2-1 为ZigBee 制定的公开类别 (Public Profiles)与其规格 状况， 目前进展中的 任务小组共有八个。 其中家用灯光控制(HCL) 是第一个规格制定完成的类别， 与ZigBee-2004 规格同时发表。 而工业系统监控类别(IPM)也即 将制定完成， 目前0.99 版已进入投票表决阶 段。 家庭自动化(HA)、商业大楼自动化(CBA)、 与无线感测网路(WSN)等规格也都在进行中， 并且都使用ZigBee-2006

32、的新增功能ZCL。 值得 注意的是ZigBee在WSN上的发展， 目前WSN任 务小组主要是由生产MICAz的Crossbow科技公 司来主导。 此外， 电信应用(TA)、先进电表创 造(AMI)、 以及个人家庭医疗照护(PHHC)等也 都成立任务小组来制定规格， 而早期的供热通 风与空调(HVAC)及自动电表读取(AMR)也都 并入现有的类别任务小组中。表 4.2-1 ZigBee制定的公开类别与其规格状况 想要送交ZigBee认证的产品， 必须要在通 过前述ZCP的软硬体平台上开发， 才可参加此 认证测试。 可测试的应用类别项目， 包含上述 的公开类别或是非公开的厂商特定类别(Nonpub

33、lic Manufactu rer Specific Profile)， 如如图 4.1-1所示。 在非公开的特定类别方面， 例如挪 威Radiocrafts与印度Airbee合作开发了ZigBee 连结RS2 32/RS485 的序列埠类别(Serial Port Pro I/O m apping，SPPIO)； 而TI/Chipcon 也自行建立了追踪用的定位类别(Location Profil e)。 此种特定类别的检验， 亦称为ZigBee Network Capable (ZNC)测试， 主要是确保其特 定类别的产品可以在正规的公开类别ZigBee网路中正常运作，不会对其造成负面的影

34、响。通过此ZigBee认证测试的产品， 可在其产 品上加挂通过认证的商标(Certified Product Logo)， 并且会公布在ZigBee联盟的官方网站 上。 目前通过ZigBee认证的产品， 共有四个： 1)美商Maxstream的XBee， 主要是在严苛的工业 商务应用环境中， 提供稳定可靠的无线通讯； 2) 日商NEC的ZB24FM-Z， 为一个结合PC的人 员出勤管理系统； 3)美商S3C(Sensors Silicon Systems-Configurab le) 的XM2400 ， 提供以 ZigBee为基础的差动压力感测器； 4)美商STG (Software Tech

35、nologies Group)的感测网路基 础 (Sensor Network Infrastructure； SNI)， 提供多 种不同的网路基础设施产品， 如中心闸道器和 路由器， 并且已经在无线灭火器监控系统的感 测器应用中， 实际部署了250个节点来验证。 4.3 互通性测试 在互通性(interoperability) 测试方面， ZigBee联盟每季会举办一次ZigFest互通性测试 大会， 轮流在欧、美、 亚三大洲举行， 同样只 限ZigBee会员参与。 其主要目的是提供各厂商 的平台或是产品有互通测试的机会， 可看成类 似USB的热插拔大会。 ZigFest基本上是一个技 术交

36、流场合， 所以只限工程人员参与， 而且对 其平台或是产品的测试过程也会加以保密， 只 有互相对测的厂商会知道其结果。 ZigBee联盟 强烈建议会员在参与ZCP认证前， 可先参加 ZigFest测试， 但此并非是参与ZCP认证的必要 条件。 此外， ZigBee联盟内部亦不定期举办所 谓的BeeFest活动， 其目的主要是在制定与检验 互通性的测试规范， 以供ZigFest进行时使用。 ZigFest 的测试级别包含Level-1(MAC) 、Level-2(NWK)、Leve-3(APL)、安全性、 Level 2 Networking、及Field of Dreams(FoD)等。 其中 前四个级别是由两家厂商交互测试(peer