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Zigbee技术规格与测试方案之发展.pdf

发布时间：2022-04-13 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：1.83M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    ZigBee技術規格與測試方案之發展 A Survey on ZigBee Technology in Specifications and Test Programs 李 俊 賢 Jin-Shyan Lee 中文摘要 本 文 首 先 介 紹 無 線 感 測 網 路 的 特 性 與 發 展 ， 接 著 說 明 相 關 的 ZigBee/IEEE 802.15.4通 訊 協 定 ， 包 含 其 硬 體 通 訊 晶 片 、 軟 體 協 定 堆 疊 、 及 開 發 輔 助 工 具 等 。 之 後 ， 敘 述 並 比 較 ZigBee規 格 標 準 的 進 展 ， 包 含 ZigBee-2004、 ZigBee-2006、 及 ZigBee-Pro等 ， 同 時 也 提 供 IEEE 802.15.4標 準 的 現 況 。 接 下 來 ， 我 們 介 紹 ZigBee測 試 方 案 的 內 容 ， 包 括 其 平 台 相 容 性 、 產 品 認 證 、 以 及 互 通 性 測 試 等 ， 藉 此 提 供 有 意 參 與 ZigBee元 件 產 品 開 發 的 廠 商 一 個 參 考 的 方 向 。 Abstract This paper first introduces the features and evolution of wireless sensor networks, and then the ZigBee over IEEE 802.15.4 standard, including its hardware (RFIC), software (protocol stack), and assistant tools. Subsequently, we show and evaluate the ZigBee specifications, comprising ZigBee-2004, ZigBee-2006, and ZigBee-Pro, and also the status of IEEE 802.15.4 standard. After that, we illustrate ZigBee test programs, including the platform compliance, product certification, and interoperability test, so as to provide a reference for the companies who would like to develop ZigBee devices or products. 關鍵詞(Key Words) ZigBee規 格 (ZigBee Specification) IEEE 802.15.4標 準 (IEEE 802.15.4 Standard) ZigBee相 容 平 台 (ZigBee Compliant Platforms) ZigBee認 證 產 品 (ZigBee Certified Products) 無 線 感 測 網 路 (Wireless Sensor Networks) １．前言 2003 年 美 國 MIT 技 術 評 論 (Technology Review)[1] 認 為 ， 有 十 種 新 興 技 術 很 快 就 可 以 改 變 計 算 、 醫 療 、 製 造 、 運 輸 與 我 們 的 能 源 基 礎 設 施 。 其 中 位 居 榜 首 的 ， 即 是 無 線 感 測 器 網 路 (Wireless Sensor Networks；WSN)。無 線 感 測 器 網 路 是 由 一 到 數 個 無 線 資 料 收 集 器 以 及 為 數 眾 多 的 感 測 器 (sensors)所 構 成 的 網 路 系 統 ， 而 元 件 之 間 的 溝 通 則 是 採 用 無 線 的 通 訊 方 式 。 為 了 達 到 大 量 佈 建 的 目 的 ， 無 線 感 測 網 路 必 須 具 備 低 成 本 、 低 耗 電 、 體 積 小 、 容 易 佈 建 、 有 感 應 環 境 裝 置、可 程 式 化、與 可 動 態 組 成 等 特 性。 在 談 到 無 線 感 測 網 路 的 同 時 ， 其 他 常 見 的 32 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119期 電腦與通訊
    名 詞 尚 有 遍 佈 運 算 (Ubiquitous Computing)、 普 及 運 算 (Pervasive Computing) 、 環 境 智 能 (Ambient Intelligence)、 以 及 情 境 感 知 (Context Awareness)等 。 遍 佈 運 算 在 於 創 造 一 個 四 通 八 達 的 電 腦 網 絡 ( 如 Wi-Fi/WiMAX 網 路 、 3G 電 話 網 路、無 線 數 位 視 訊 )， 能 讓 資 訊 能 無 所 不 在 ； 而 普 及 運 算 在 於 讓 資 訊 可 以 隨 時 隨 地 被 取 用 ， 意 指 生 活 中 利 用 這 些 網 絡 的 裝 置 ( 如 筆 記 型 電 腦 、PDA、 手 機 等 )。 環 境 智 能 、 情 境 感 知 、 與 普 及 運 算 十 分 相 似 ， 三 者 的 目 標 都 在 於 應 用 智 能 產 品 於 我 們 的 環 境 中 ， 並 了 解 使 用 者 應 用 的 環 境 與 狀 況 ， 提 供 相 對 應 的 服 務 。 無 線 感 測 網 路 在 此 扮 演 的 角 色 ， 可 藉 由 將 具 有 通 訊 能 力 的 各 種 微 小 感 測 器 佈 建 於 生 活 週 遭 環 境 中 ， 形 成 無 所 不 在 的 網 路 ， 提 供 遍 佈 運 算 的 能 力 ； 並 且 隨 時 感 應 、 偵 測 環 境 與 使 用 者 狀 況 ， 處 理 環 境 智 能 與 情 境 感 知 的 運 作 ， 以 及 進 一 步 將 收 集 的 資 訊 傳 遞 給 使 用 者 或 相 關 控 制 中 心 ， 達 成 普 及 運 算 的 功 能 。 有 關 無 線 感 測 網 路 的 通 訊 協 定 ， 考 慮 到 規 格 相 容 性 與 市 場 接 受 度 ， 以 IEEE 802.15.4[2-3] 低 速 率 無 線 個 人 區 域 網 路 (Low-Rate Wireless Personal Area Network ； LR-WPAN) ， 結 合 ZigBee[4]無 線 標 準 為 基 礎 的 通 訊 規 範 ， 是 多 數 研 發 廠 商 依 循 的 方 向 。 雖 然 現 今 ZigBee是 以 家 庭 自 動 化 為 切 入 點 來 設 計 ， 不 過 其 應 用 範 疇 如 圖 1-1所 示，包 括 智 慧 型 大 樓、居 家 安 全 與 自 動 化 、 工 業 與 環 境 控 制 、 以 及 個 人 醫 療 照 護 等 。 可 搭 配 之 應 用 有 家 電 產 品 、 消 費 性 電 子 、PC週 邊 感 測 器 等 ， 提 供 住 家 環 境 監 控 、 個 人 區 域 感 知 、 與 家 電 無 線 遙 控 等 功 能 。 另 一 方 面 ， 過 去 即 專 精 在 家 庭 自 動 化 之 控 制 應 用 電 子 技 術 的 Zensys 公 司 ， 主 導 成 立 Z-Wave 聯 盟 [5] ， 並 提 出 Z-Wave 無 線 通 信 技 術，已 獲 得 包 含 Intel、Panasonic、ViewSonic、 與 羅 技 Logitech 等 六 十 多 家 業 者 的 力 挺 支 持 。 其 中 2006 年 4 月 ， Intel 的 宣 佈 加 入 Z-Wave聯 盟 並 且 策 略 性 投 資 Zensys公 司 ， 對 Z-Wave標 準 是 一 股 莫 大 的 推 力。此 外，瑞 典 的 Ericsson推 出 的 Bluetooth Lite， 是 主 張 將 既 有 的 Bluetooth藍 芽 無 線 通 信 技 術 進 行 簡 化 性 的 修 訂 ， 如 此 仍 可 以 適 用 於 WPAN的 應 用 領 域 。 相 對 於 業 者 自 行 提 出 的 Bluetooth Lite 與 Z-Wave 技 術 ， ZigBee 協 定 是 架 構 在 IEEE 802.15.4上，有 國 際 性 的 標 準 組 織 之 支 持，所 以 在 無 線 感 測 網 路 上 的 遵 循 與 使 用 者 較 廣 泛 。 截 至 2007 年 1月 ， Z-Wave聯 盟 擁 有 65會 員 數 ， 而 ZigBee聯 盟 已 有 207個 會 員 。 ２．ZigBee/IEEE 802.15.4標準介紹 ZigBee 的 命 名 ， 源 自 於 蜜 蜂 在 發 現 花 粉 時 ， 展 現 如 同 ZigZag形 狀 的 舞 蹈 。 看 似 隨 意 在 跳 的 字 形 舞 ， 實 際 上 是 將 有 花 和 蜂 蜜 的 地 方 ， 正 確 地 傳 達 給 其 他 的 蜜 蜂 同 伴 。 ZigBee 主 要 是 由 IEEE 802.15.4 小 組 與 ZigBee Alliance組 織 ， 分 別 制 訂 硬 體 與 軟 體 標 準 ， 如 圖 2-1 所 示 。 它 是 一 種 低 傳 輸 速 率 (250kbps)、短 距 離 (一 般 約 為 50-100公 尺，依 發 射 功 率 的 不 同 ， 可 提 昇 至 300公 尺 )、 低 消 耗 功 率 、 架 構 簡 單 的 技 術 。 目 前 制 定 的 頻 段 為 全 球 security HVAC AMR lighting control access control BUILDING AUTOMATION CONSUMER ELECTRONICS TV VCR DVD/CD remote Application Framework Application Framework Application Objects Application Objects Device Profiles Device Profiles ZigBee Device Object ZigBee Device Object (ZDO) (ZDO) Application Application Layer Layer patient monitoring fitness monitoring PERSONAL HEALTH CARE ZigBee Simply Works Wireless Control that asset mgt process control environmental energy mgt INDUSTRIAL CONTROL RESIDENTIAL/ LIGHT COMMERCIAL CONTROL mouse keyboard joystick PC & PERIPHERALS security HVAC lighting control access control lawn & garden irrigation Security Security Service Service Provider Provider Application Support Application Support Sub-layer (APS) Sub-layer (APS) Network Layer (NWK) Network Layer (NWK) Medium Access Control Medium Access Control Layer (MAC) Layer (MAC) Physical Layer (PHY) Physical Layer (PHY) Management Management ZDO ZDO Plane Plane End manufacturer defined End manufacturer defined ZigBee Alliance defined ZigBee Alliance defined IEEE 802.15.4 defined IEEE 802.15.4 defined 圖 1-1 ZigBee無線通訊協定之應用領域[4] 圖 2-1 ZigBee/IEEE 802.15.4通訊協定堆疊 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119 電腦與通訊 33
    的 2.4GHz ISM頻 段 ， 美 國 的 915MHz頻 段 ， 以 及 歐 洲 的 868MHz頻 段 。 在 2.4GHz的 ISM頻 段 ， 可 使 用 的 通 道 數 為 16 個 ； 在 915MHz 的 ISM 頻 段 ， 可 使 用 的 通 道 數 為 10 個 ； 而 在 歐 洲 的 868MHz頻 段 ， 可 使 用 的 通 道 數 為 1個 。 ZigBee 支 援 主 從 式 或 點 對 點 的 運 作 方 式 ， 具 有 高 擴 充 性，單 一 網 路 內 可 以 同 時 擁 有 超 過 65000個 裝 置 鏈 結 。 主 要 應 用 的 方 向 在 於 家 庭 裝 置 自 動 化 、 環 境 安 全 與 控 制 、 以 及 個 人 醫 療 照 護 等 功 能 ， 逐 漸 成 為 產 業 共 通 的 短 距 離 無 線 通 訊 技 術 之 一 。 2.1 IEEE 802.15.4通訊晶片(硬體) 在 IEEE 802.15.4的 通 訊 晶 片 發 展 上 ， ABI Research在 2006年 9月，發 表 其 依 據 各 供 應 商 之 創 新 和 執 行 等 重 要 參 數 來 進 行 比 較 的 結 果 [6]，如 表 2.1-1所 示。評 估 資 訊 包 括 該 廠 商 是 否 提 供 系 統 級 SoC晶 片 、 首 款 產 品 發 佈 日 期 、 當 前 產 品 版 本 、 傳 送 與 接 收 功 率 、 接 收 靈 敏 度 、 以 及 是 上 市 公 司 或 者 私 人 公 司 等 指 標 。 美 商 德 州 儀 器 TI因 併 購 挪 威 Chipcon通 訊 公 司 (2006/01 月 )而 榮 登 榜 首 ， 而 美 商 Ember及 日 商 OKI位 居 第 二 及 第 三 。 Ember原 是 一 家 無 線 感 測 網 路 軟 體 解 決 方 案 的 知 名 公 司，後 來 取 得 Chipcon授 權 的 智 財 (IP)， 打 上 自 家 的 品 牌 EM2420， 隨 後 又 與 英 國 的 射 頻 晶 片 設 計 公 司 合 作 ， 推 出 自 己 的 單 晶 片，形 成 一 家 軟 硬 體 完 整 解 決 方 案 的 廠 商。 Rank Rank Company Company Rank Rank Company Company 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Texas Instruments Texas Instruments Ember Ember Oki Semiconductor Oki Semiconductor Atmel Atmel Uniband Electro. (UBEC) Uniband Electro. (UBEC) 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 ZMD ZMD RadioPulse RadioPulse Freescale Semiconductor Freescale Semiconductor Integration Associates Integration Associates Jennic Jennic 表 2.1-1 IEEE 802.15.4的通訊晶片排名[6] 原 本 與 Chipcon射 頻 晶 片 搭 配 的 Atmel， 由 於 Chipcon 已 經 走 向 SoC 模 式 ， 不 再 需 要 Atmel 微 控 制 器 的 配 合，因 此 Atmel也 自 行 開 發 射 頻 晶 片 ， 成 為 具 備 完 整 硬 體 解 決 方 案 的 公 司 。 值 得 注 意 的 是 台 灣 的 達 盛 電 子 UBEC也 名 列 榜 中，而 Freescale的 晶 片 因 耗 電 量 效 能 問 題 ， 所 以 排 名 較 後 。 此 外 ， 英 商 Integration Associates因 併 購 CompXs 而 入 榜 。 上 述 Chipcon 、 Ember 、 Freescale 、 及 CompXs 為 ZigBee 發 展 平 台 的 先 峰 ， 此 四 家 平 台 也 是 目 前 進 行 測 試 認 證 時 所 採 用 的 黃 金 單 元 (Golden Units)。此 外，英 商 Jennic 號 稱 率 先 推 出 第 一 顆 整 合 ZigBee系 統 單 晶 片 的 SoC， 但 因 在 耗 電 量 及 接 收 靈 敏 度 上 的 效 能 問 題 而 位 居 第 十 。 其 餘 入 榜 的 尚 有 德 國 ZMD及 韓 國 RadioPulse等 廠 商 。 Zhu 與 Yang[7] 針 對 現 有 商 品 化 的 IEEE 802.15.4晶 片，依 據 可 取 得 的 產 品 規 格 書，做 進 一 步 的 評 估。表 2.1-2為 Chipcon CC2430(SoC)、 Freescale MC1321x(SiP)、及 Jennic JN5121(SoC) 等 單 晶 片 的 比 較，其 中 CC2430內 含 8051微 處 理 器 ， 且 耗 電 量 較 低 ； MC1321x 至 多 只 有 60KB Flash，因 此 協 定 堆 疊 及 程 式 設 計 時 需 要 考 量 此 限 制 ； 而 JN5121 內 含 32-bit 的 RISC 、 60KB ROM、 及 相 當 充 足 的 96KB RAM。 表 2.1-2 IEEE 802.15.4的SoC/SiP晶片比較[7] 表 2.1-3 為 單 一 IEEE 802.15.4RF 晶 片 的 比 較 ， 明 顯 看 出 Chipcon CC2420及 UBEC UZ2400 在 耗 電 量 的 效 能 較 優 良；而 xBee-PRO擁 有 較 好 的 接 收 靈 敏 度。表 2.1-4則 比 較 上 述 RF晶 片 常 搭 配 之 微 處 理 器 ， 由 左 至 右 依 序 出 自 晶 片 廠 商 Silicon Labs、Microchip、Freescale、及 Atmel。 值 得 注 意 的 是 C8051F121 及 ATmega128L 皆 擁 有 128KB Flash，在 撰 寫 程 式 及 協 定 堆 疊 時，可 有 較 充 裕 的 設 計 空 間 。 34 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119期 電腦與通訊
    表 2.1-3 IEEE 802.15.4的RF晶片比較[7] 表 2.1-4 ZigBee常搭配之微處理器比較[7] 2.2 ZigBee協定堆疊(軟體) 在 開 發 ZigBee協 定 的 軟 體 中 ， 最 富 盛 名 的 是 Figure 8 Wireless(F8W)公 司 的 Z-Stack， 其 被 Chipcon 所 併 購 ( 而 Chipcon 後 來 又 被 TI 併 購 ) 。 F8W在 未 被 Chipcon併 購 前，同 時 也 為 Freescale 的 平 台 開 發 ZigBee協 定 。 併 購 之 後 ， Freescale 轉 向 與 印 度 公 司 Mindteck 所 發 展 的 BeeStack 合 作。此 外，美 商 Helicomm與 Silicon Labs合 作 研 發 的 IPLink、Ember發 展 的 EmberZNet、Korwin (Korea Wireless Network) 的 WiniZB Stack 、 Microchip 的 MPZBee 、 台 灣 資 策 會 III 的 ZigBee Advanced Protocol、以 及 印 度 公 司 Airbee、日 商 NEC、OKI、Renesas、英 國 Jennic與 Integration’s CompXs、 韓 國 RadioPulse也 都 有 推 出 自 行 開 發 或 是 與 系 統 商 合 作 的 ZigBee 平 台 ， 並 且 通 過 ZCP相 容 性 測 試 (指 相 容 於 ZigBee 1.0版 本 ， 即 ZigBee-2004的 規 格 )。 其 中 Microchip 在 其 官 方 網 站 提 供 其 開 發 的 MPZBee原 始 碼 供 免 費 下 載，但 其 協 定 堆 疊 尚 不 支 援 自 動 route repair機 制 ， 在 安 全 性 上 也 有 些 許 限 制 ， 而 且 MAC層 只 支 援 non-beacon的 運 作 模 式 。 此 外 ， 俄 羅 斯 的 MeshNetics/Luxoft也 發 展 ZigBee stack ， 並 且 提 供 IEEE 802.15.4 MAC開 放 原 始 碼 供 下 載 。 而 工 研 院 資 通 所 也 自 行 研 發 ZigBee平 台 ： ITRI ZBnode [8]， 如 圖 2.2-1所 示 。 其 包 含 硬 體 板 層 與 協 定 堆 疊 設 計 ， 以 Linux 為 基 礎 ， 搭 配 ARM7的 處 理 器 與 CC2420通 訊 晶 片 ， 目 標 是 有 接 電 源 的 高 階 應 用 為 主 ， 例 如 ZigBee路 由 器 與 閘 道 器 等 。 圖 2.2-2為 其 插 槽 式 感 測 器 模 組 ， 提 供 溫 度 、 濕 度 與 亮 度 的 量 測 。 圖 2.2-3為 其 電 能 Sockets for Sensing Module Sockets for Sensing Module SDRAM SDRAM on rear side on rear side ARM ARM 720T 720T Flash Flash ROM ROM SMA Connector for SMA Connector for External Antenna External Antenna On-board On-board Chip Antenna Chip Antenna IEEE 802.15.4 RF Module IEEE 802.15.4 RF Module LEDs LEDs CPLD CPLD Buttons Buttons Battery Battery Connector Connector on rear side on rear side Power Power Switch Switch 圖 2.2-1 工研院資通所開發之ITRI ZBnode[8] Humidity Humidity Light Light Sounder Sounder ADC & Temp. Prototype Area ADC & Temp. Prototype Area 圖 2.2-2 ITRI ZBnode之插槽式感測器模組[8] ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119 電腦與通訊 35
    管 理 機 制 ， 利 用 一 顆 低 功 耗 的 複 雜 可 程 式 邏 輯 元 件 (CPLD)來 切 換 通 訊、感 測 與 計 算 單 元 的 供 電。而 表 2.2-1是 將 ITRI ZBnode與 市 面 上 常 見 的 MICAz 系 統 與 DustNework 之 Mote 作 一 比 較 ， ITRI ZBnode的 高 性 能 與 高 擴 充 性，適 合 路 由 演 算 法 的 驗 證 與 其 他 的 高 階 應 用 。 工作小組(ZigBee Qualification Working Group； ZQG)的 主 席 ， 曾 在 2005年 8月 拜 訪 工 研 院 資 通 所 。 圖 2.3-1 所 示 為 利 用 Daintree 感 測 網 路 分 析 器，即 時 動 態 呈 現 ITRI ZBnode的 網 路 拓 樸 及 封 包 路 由 狀 態 ， 此 為 一 個 15節 點 的 網 狀 (Mesh)網 路 ， 佈 建 於 工 研 院 51館 4樓 。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 RF Module RF Module RF Module Sensing Sensing Module Module 32-bit RISC 32-bit RISC Microprocessor Microprocessor ARM 720T ARM 720T 70MHz 70MHz CPLD CPLD SDRAM SDRAM 16 M 16 M Flash ROM Flash ROM 16 M 16 M Power Power Supply Supply 圖 2.2-3 ITRI ZBnode之電能管理機制[8] ITRI ZBnode SCAN-ZB32 Crossbow Mote 2400-MicaZ Dust Networks Mote 2020 圖 2.3-1 以Daintree SNA呈現15個ITRI ZBnode節 點形成之網狀網路 Hardware Microprocessor RF Transceiver Flash Memory RAM EEPROM Programming Node Size (mm) Supported Sensors (via an expansion connector) Software/Stack OS 802.15.4 Compatible ZigBee Compliant ZigBee Interoperability Mesh Networking 32-bit Hynix 8-bit Atmel AVR 16-bit TI MSP430 CC2420 128KB 4KB 4KB RS-232 CC2420 60KB 2KB N/A N/A CC2420 16MB 16MB N/A RS-232, JTAG 76 x 68 x 21 Temperature, Light, Humidity 58 x 32 x 20 Temperature, Light, Acceleration, 88 x 75 x 28 Temperature, Light, Tilt ARM Linux 2.4 Yes Yes Yes ZigBee Mesh Tiny OS Partial Partial No XMeshTM N/A Partial No No SmartMeshTM 此 外 ， 英 國 FlexiPanel 有 推 出 Pixie Sniffer， 與 美 商 Frontline推 出 FTS4ZB Sniffer， 皆 為 ZigBee 的 協 定 分 析 器 與 封 包 攔 截 器 (Protocol Analyzer & Packet Sniffer)，可 以 輔 助 ZigBee 協 定 開 發 者 截 取 及 分 析 空 氣 中 傳 送 的 ZigBee封 包 。 ３．ZigBee/IEEE802.15.4規範發展 如 前 述 圖 2-1 所 示 ， ZigBee 主 要 是 架 構 在 IEEE 802.15.4上 ， 本 節 主 在 說 明 ZigBee規 格 的 發 展 ， 以 及 IEEE 802.15.4標 準 的 現 況 。 3.1 ZigBee規格的發展 有 關 ZigBee 規 格 的 發 展 ， ZigBee 聯 盟 在 2004 年 12 月 發 表 了 ZigBee 1.0(r6 ， 現 稱 為 ZigBee-2004) 。 軟 體 系 統 廠 商 也 以 此 版 本 與 其 後 續 的 錯 誤 修 定 (Errata) ， 統 稱 r7(2005/09月 公 布 ) 為 規 範 來 實 作 ZigBee 協 定 堆 疊 。 約 在 發 表 ZigBee 1.0兩 年 後，2006年 10月，ZigBee聯 盟 制 定 完 成 ZigBee-2006(r13)，12月 正 進 行 投 票 批 准 中，對 外 公 佈 的 時 間 預 定 為 2007年 首 季。此 外， ZigBee-Pro(r14)的 初 稿 也 在 11月 完 成 。 表 3.1-1 表 2.2-1 ITRI ZBnode與商品化產品之比較[8] 此 外 ， 工 研 院 資 通 所 也 開 發 以 CC2430 及 CC2431(含 硬 體 計 算 定 位 功 能 )為 基 礎 的 平 台 ， 目 標 則 是 以 只 接 電 池 為 主 的 終 端 或 是 移 動 節 點 之 應 用 。 2.3 ZigBee輔助工具 在 純 粹 以 ZigBee相 關 軟 體 為 產 品 的 廠 商 。 美 商 Daintree Networks( 研 發 生 產 中 心 在 澳 洲 ) 所 開 發 的 感 測 網 路 分 析 器 (Sensor Network Analyzer； SNA)算 是 相 當 知 名 的 輔 助 軟 體 [9]， 其 視 窗 化 的 ZigBee 網 路 分 析 工 具 ， 被 列 為 ZigBee認 證 過 程 中 必 備 的 工 具 。 而 該 公 司 的 總 裁 Bill Wood先 生，是 ZigBee聯 盟 中 負 責 認 證 的 36 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119期 電腦與通訊
    Stack Version Stack Version ZigBee-2004 (r06) ZigBee-2004 (r06) ZigBee V1.0 ZigBee V1.0 (also referred to as (also referred to as Home Controls V0) Home Controls V0) r06 + Errata= r07 r06 + Errata= r07 Release date & Release date & Test program status Test program status Spec: Dec. 2004. Spec: Dec. 2004. ZCP test: Mar. 2005. ZCP test: Mar. 2005. Currently shipped by all Currently shipped by all platform suppliers! platform suppliers! ZigBee-2006 (r13) ZigBee-2006 (r13) (formerly known as (formerly known as Home Controls V1) Home Controls V1) Spec: Oct. 2006. Spec: Oct. 2006. ZCP test: Dec. 2006. ZCP test: Dec. 2006. ZigBee-Pro (r14) ZigBee-Pro (r14) (formerly known as (formerly known as Commercial, Commercial, Industrial, Industrial, Institutional) Institutional) Spec: Nov. 2006. Spec: Nov. 2006. ZCP test: ZCP test: Jan. 2007 (estimated) Jan. 2007 (estimated) Feature summary Feature summary 8 bit clusters 8 bit clusters KVP/MSG services KVP/MSG services CSkip addressing CSkip addressing Joint routing Joint routing Coordinator binding Coordinator binding 16 bit clusters 16 bit clusters Remove KVP service Remove KVP service ZigBee cluster library ZigBee cluster library Multicast Multicast Group devices Group devices Easy maintenance Easy maintenance Targeted broadcasts Targeted broadcasts Over-the-Air (OTA) setup Over-the-Air (OTA) setup Optional coordinator binding Optional coordinator binding Same as “ZigBee” stack, Same as “ZigBee” stack, plus (+) or minus (-): plus (+) or minus (-): New address assignment (+) New address assignment (+) AODV routing only (-) AODV routing only (-) Many to one (source) routing (+) Many to one (source) routing (+) Fragmentation (+) Fragmentation (+) Application Application Profiles Profiles Compatibility Compatibility Home Controls Home Controls Lighting Lighting No frame compatibility with No frame compatibility with “ZigBee” or “ZigBee-Pro” “ZigBee” or “ZigBee-Pro” Commercial Commercial Building Building Automation Automation Industrial Plant Industrial Plant Monitoring Monitoring Home Home Automation Automation Commercial Commercial Building Building Automation Automation Industrial Plant Industrial Plant Monitoring Monitoring Home Home Automation Automation No frame compatibility with No frame compatibility with “ZigBee V1.0” “ZigBee V1.0” No compatibility with No compatibility with “ZigBee-Pro” networks “ZigBee-Pro” networks No frame compatibility with No frame compatibility with “ZigBee-2004”. “ZigBee-2004”. No compatibility with No compatibility with “ZigBee-2006” networks. “ZigBee-2006” networks. 表 3.1-1 ZigBee規格(2004、2006、Pro)之比較 為 三 個 版 本 規 格：ZigBee-2004、ZigBee-2006、 及 ZigBee-Pro的 差 異 性 。 其 中 2006版 本 相 較 於 2004版 本 ， 主 要 新 增 了 ZigBee cluster library(ZCL) 與 multicast 的 功 能 ， 並 移 除 KVP(Key Value Pair)的 訊 息 格 式 。 也 新 增 元 件 組 合 (Group Devices)的 功 能 ， 可 以 將 多 個 元 件 進 行 組 合 ， 允 許 單 獨 的 元 件 從 屬 於 某 個 群 組 。 比 如 在 家 中 按 一 個 按 鈕 ， 可 以 控 制 家 中 所 有 電 燈 都 關 閉 ， 或 是 只 關 閉 某 一 層 或 某 一 個 房 間 的 電 燈 。 2006版本也具備容易維護(Easy Maintenance) 的 特 性 ， 可 防 止 在 網 路 上 單 點 失 效 ， 透 過 簡 單 的 處 理 過 程 將 一 個 設 備 的 資 訊 儲 存 到 鄰 近 設 備 上 。 其 亦 加 強 廣 播 應 用 (Targeted Broadcasts)， 可 針 對 設 備 的 具 體 類 型 進 行 指 定 ， 例 如 路 由 器 、 喚 醒 或 是 睡 眠 狀 態 的 設 備 ， 此 特 性 可 以 減 少 RAM的 要 求 ， 因 此 降 低 ZigBee產 品 元 件 總 體 成 本 。 此 外 ， 2006 版 本 也 新 增 無 線 配 置 (Over- the-Air， OTA Setup)的 功 能 ， 使 用 者 可 直 接 透 過 OTA來 動 態 即 時 更 新 元 件 韌 體 ， 可 以 取 代 目 前 需 將 安 置 好 的 ZigBee元 件 拆 卸 下 來，使 用 ICE 或 是 RS-232等 有 線 介 面 來 下 載 安 裝 新 的 韌 體 模 組 ， 如 此 不 方 便 的 作 法 。 而 在 ZigBee-Pro中 ， 進 一 步 增 加 新 的 定 址 功 能，而 不 依 據 原 本 Cskip的 分 散 式 定 址 機 制 ， 也 因 此 在 其 網 路 中 必 須 限 用 AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)的 路 由 方 式 。 以 應 用 面 來 看 ， 2004主 要 是 在 單 純 的 家 庭 用 燈 光 控 制，而 2006以 及 Pro則 擴 展 至 商 用 大 樓 自 動 化 、 工 廠 系 統 監 控 、 及 家 庭 自 動 化 上 。 值 得 注 意 的 是 ， 這 三 個 版 本 規 格 彼 此 並 不 完 全 相 容 (compatible)， 也 因 此 造 成 ZigBee聯 盟 內 部 會 員 的 許 多 反 彈 意 見 ， 目 前 正 在 尋 求 合 理 的 解 決 方 式 。 3.2 IEEE 802.15.4標準的現況 IEEE 也 在 2006 年 6 月 通 過 IEEE 802.15.4- 2006的 新 版 規 格 (2006/09月 公 布 )。 此 一 新 的 無 線 標 準 建 構 了 Zigbee協 定 和 眾 多 無 線 感 測 器 網 路 的 基 礎 。 這 一 規 範 對 2003 年 公 布 的 IEEE 802.15.4(2003/10 月 公 布 ) 做 了 特 別 的 改 進 和 修 正 ， 明 確 說 明 原 本 標 準 中 的 一 些 模 糊 概 念 ， 減 少 了 不 必 要 的 複 雜 性 ， 增 加 了 安 全 密 鑰 使 用 的 靈 活 性 ， 並 且 將 一 些 新 的 頻 率 分 配 考 慮 在 內 。 此 2006的 版 本 在 沒 有 使 用 安 全 性 (指 MAC層 )的 網 路 中 ， 可 與 IEEE 802.15.4-2003的 版 本 相 容 ； ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119 電腦與通訊 37
    但 是 在 安 全 性 的 網 路 中 ， 因 2006版 本 多 定 義 了 輔 助 安 全 標 頭 (auxiliary security header)， 所 以 會 不 相 容 於 舊 有 的 2003版 本 。 此 外 ， IEEE 802.15.4a 任 務 小 組 ， 在 2006 年 10月 選 定 了 由 Nanotron科 技 所 設 計 的 寬 頻 線 性 調 頻 擴 頻 (Chirp Spread Spectrum) 實 體 層 技 術 ， 做 為 基 準 實 體 層 標 準 。 該 技 術 是 專 門 鎖 定 即 時 精 確 定 位 (real-time precision location)和 感 測 網 路 應 用 。 前 802.15.4a任 務 小 組 副 主 席 ， 來 自 Staccato通 訊 的 Jason Ellis先 生 曾 經 表 示 ， 該 技 術 是 ZigBee和 RFID的 綜 合 體 ； 而 其 2Mbps的 傳 輸 速 率 和 低 功 耗 ， 其 實 最 適 合 於 工 廠 和 醫 學 應 用 ， 並 非 是 家 庭 或 一 般 企 業 。 Nanotron計 劃 提 供 基 於 寬 頻 線 性 調 頻 擴 頻 的 晶 片 ， 它 們 將 適 用 於 最 大 範 圍 60公 尺 的 室 內 環 境 ， 或 是 最 大 範 圍 900公 尺 的 戶 外 環 境 。 ４．ZigBee測試方案 ZigBee協 定 的 測 試 規 格 ， 主 要 是 由 ZigBee 聯 盟 中 的 認 證 小 組 ZQG來 負 責 制 定 。 目 前 提 供 兩 種 相 容 性 (compliance)的 測 試 服 務 [10]， 分 別 適 用 於 發 展 平 台 (platforms) 及 終 端 產 品 (end products) 。 目 前 全 球 只 有 德 國 萊 因 (TUV Rheinland) 及 美 國 NTS(National Technical Systems) 這 兩 家 實 驗 室 ， 為 ZigBee 聯 盟 指 定 的 完 整 測 試 服 務 授 權 廠 商 ， 而 且 只 限 ZigBee會 員 送 交 平 台 或 產 品 參 與 認 證 測 試 。 4.1 ZigBee相容平台 ZigBee 相 容 平 台 (ZigBee Compliant Platforms； ZCP)主 要 是 測 試 平 台 對 於 ZigBee規 格 之 相 容 性 。 如 圖 4.1-1所 示 ， 測 試 包 含 應 用 層 (APP ： APS 與 ZDO) 、 網 路 層 (NWK) 、 底 層 的 IEEE802.15.4 媒 體 存 取 層 (MAC) 與 實 體 層 (PHY)， 以 及 測 試 規 範 中 要 求 的 安 全 性 (SEC)。 通 過 測 試 的 平 台 ， 可 獲 得 一 張 ZigBee聯 盟 署 名 的 確 證 信 函 ， 並 且 會 公 布 在 ZigBee聯 盟 的 官 方 網 站 上 。 目 前 通 過 ZCP的 ZigBee-2004平 台 ， 共 有 來 自 16間 公 司 的 31個 平 台 (截 至 2007年 1月 )。 在 測 試 規 範 中 ， 定 義 多 個 測 試 目 標 (Test 圖 4.1-1 ZigBee相容性測試架構[10] Purpose) ， 而 各 目 標 又 包 含 數 個 測 試 案 例 (Test Case) 。 ZigBee-2006 的 測 試 規 範 已 在 2006 年 12 月 完 成 ， 表 4.1-1 為 ZigBee-2004 與 ZigBee-2006 針 對 不 同 的 測 試 目 標 ， 來 比 較 其 測 試 案 例 數 目 。 可 以 看 出 相 較 於 2004的 規 範 ， 2006新 增 了 效 能 (PER)與 ZigBee-Pro(PRO)相 容 性 測 試。PER 效 能 測 試 主 在 考 驗 ZigBee 節 點 是 否 可 在 有 Wi-Fi干 擾 的 環 境 下 正 常 運 作；而 PRO相 容 性 測 試 主 在 檢 驗 一 個 ZigBee-2006 的 終 端 元 件 (End Device) 是 否 可 在 一 個 ZigBee-Pro 作 為 協 調 者 (Coordinator) 的 網 路 下 順 利 工 作 。 此 外 ， 2006 在 網 路 層 與 應 用 層 APS的 測 試 案 例 ， 也 明 顯 增 加 許 多 。 Test Purpose Test Purpose NWK NWK APS APS ZDO ZDO SEC SEC PER PER PRO PRO Total Total ZigBee-2004 ZigBee-2004 Test Spec Test Spec 043074r07 (Mar. 2006) 043074r07 (Mar. 2006) ZigBee-2006 ZigBee-2006 Test Spec Test Spec 064207r06 (Dec. 2006) 064207r06 (Dec. 2006) 18 18 24 24 20 20 35 35 11 11 8 8 7 7 6 6 N/A N/A N/A N/A 56 56 1 1 1 1 75 75 表 4.1-1 ZigBee-2004與2006之測試規範比較 目 前 通 過 ZCP的 ZigBee-2006平 台 ， 共 有 四 家 ： 1)Ember 的 EmberZNet 、 2)Freescale 的 BeeStack 、 3)TI/Chipcon 的 Z-Stack 、 以 及 4)Integration Associates(CompXs) 的 IA OEM- DAUB1 USB Dongle。 此 四 家 公 司 是 在 ZigBee- 2004時 期 用 來 檢 驗 其 他 受 測 平 台 的 黃 金 單 元 ， 未 來 也 將 是 進 行 ZigBee-2006 相 容 性 測 試 時 所 採 用 的 黃 金 單 元 。 此 外 ， 目 前 有 關 ZigBee-Pro 38 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119期 電腦與通訊
    的 測 試 規 範 尚 未 制 定 完 成 。 4.2 ZigBee認證產品 ZigBee認 證 產 品 (ZigBee Certified Products) 主 要 是 針 對 終 端 產 品 ， 進 行 應 用 類 別 (Application Profiles)的 相 容 性 測 試 。 應 用 類 別 是 針 對 每 種 應 用 建 立 的 標 準 ， 主 要 為 ZigBee聯 盟 中 的 類 別 任 務 小 組 (Profile Task Group；PTG) 來 制 定 。 表 4.2-1 為 ZigBee 制 定 的 公 開 類 別 (Public Profiles)與 其 規 格 狀 況 ， 目 前 進 展 中 的 任 務 小 組 共 有 八 個 。 其 中 家 用 燈 光 控 制 (HCL) 是 第 一 個 規 格 制 定 完 成 的 類 別，與 ZigBee-2004 規 格 同 時 發 表。而 工 業 系 統 監 控 類 別 (IPM)也 即 將 制 定 完 成 ， 目 前 0.99 版 已 進 入 投 票 表 決 階 段。家 庭 自 動 化 (HA)、商 業 大 樓 自 動 化 (CBA)、 與 無 線 感 測 網 路 (WSN)等 規 格 也 都 在 進 行 中 ， 並 且 都 使 用 ZigBee-2006的 新 增 功 能 ZCL。 值 得 注 意 的 是 ZigBee在 WSN上 的 發 展，目 前 WSN任 務 小 組 主 要 是 由 生 產 MICAz的 Crossbow科 技 公 司 來 主 導 。 此 外 ， 電 信 應 用 (TA)、 先 進 電 錶 創 造 (AMI)、 以 及 個 人 家 庭 醫 療 照 護 (PHHC)等 也 都 成 立 任 務 小 組 來 制 定 規 格 ， 而 早 期 的 供 熱 通 風 與 空 調 (HVAC) 及 自 動 電 錶 讀 取 (AMR) 也 都 併 入 現 有 的 類 別 任 務 小 組 中 。 Profile Name Profile Name 1) Home control, lighting 1) Home control, lighting 2) Industrial plant monitoring 2) Industrial plant monitoring 3) Home automation 3) Home automation 4) Commercial building 4) Commercial building automation automation Spec Status Spec Status HCL_PTG: 03540r6 (V. 1.0), 2004/12. HCL_PTG: 03540r6 (V. 1.0), 2004/12. IPM_PTG: 053733r05 (V. 0.99), 2006/07. IPM_PTG: 053733r05 (V. 0.99), 2006/07. Draft in letter ballot! Draft in letter ballot! HA_PTG: 053520r16 (V. 0.6), 2006/08, ZCL. HA_PTG: 053520r16 (V. 0.6), 2006/08, ZCL. CBA_PTG: 053516r05 (V. 0.3), 2006/11, ZCL. CBA_PTG: 053516r05 (V. 0.3), 2006/11, ZCL. 5) Wireless sensor networks 5) Wireless sensor networks 6) Telecom applications 6) Telecom applications 7) Advanced metering initiative 7) Advanced metering initiative 8) Personal/home health care 8) Personal/home health care Heating, ventilation, air Heating, ventilation, air conditioning conditioning Automatic meter reading Automatic meter reading WSN_PTG: 064358r02 (V. 0.12), 2006/08, ZCL. WSN_PTG: 064358r02 (V. 0.12), 2006/08, ZCL. TA_PTG TA_PTG AMI_PTG AMI_PTG PHHC_PTG PHHC_PTG HVAC: 053552r01 (V. 0.15), 2005/06/10. HVAC: 053552r01 (V. 0.15), 2005/06/10. Merged into HA and CBA. Merged into HA and CBA. AMR: Merged into AMI. AMR: Merged into AMI. 表 4.2-1 ZigBee制定的公開類別與其規格狀況 想 要 送 交 ZigBee認 證 的 產 品 ， 必 須 要 在 通 過 前 述 ZCP的 軟 硬 體 平 台 上 開 發 ， 才 可 參 加 此 認 證 測 試 。 可 測 試 的 應 用 類 別 項 目 ， 包 含 上 述 的 公 開 類 別 或 是 非 公 開 的 廠 商 特 定 類 別 (Non- public Manufacturer Specific Profile)， 如 如 圖 4.1-1所 示 。 在 非 公 開 的 特 定 類 別 方 面 ， 例 如 挪 威 Radiocrafts 與 印 度 Airbee 合 作 開 發 了 ZigBee 連 結 RS232/RS485 的 序 列 埠 類 別 (Serial Port Profile with I/O mapping，SPPIO)；而 TI/Chipcon 也 自 行 建 立 了 追 蹤 用 的 定 位 類 別 (Location Profile)。 此 種 特 定 類 別 的 檢 驗 ， 亦 稱 為 ZigBee Network Capable (ZNC)測 試 ， 主 要 是 確 保 其 特 定 類 別 的 產 品 可 以 在 正 規 的 公 開 類 別 ZigBee網 路 中 正 常 運 作 ， 不 會 對 其 造 成 負 面 的 影 響 。 通 過 此 ZigBee認 證 測 試 的 產 品 ， 可 在 其 產 品 上 加 掛 通 過 認 證 的 商 標 (Certified Product Logo) ， 並 且 會 公 布 在 ZigBee 聯 盟 的 官 方 網 站 上 。 目 前 通 過 ZigBee認 證 的 產 品 ， 共 有 四 個 ： 1)美 商 Maxstream的 XBee，主 要 是 在 嚴 苛 的 工 業 商 務 應 用 環 境 中 ， 提 供 穩 定 可 靠 的 無 線 通 訊 ； 2) 日 商 NEC 的 ZB24FM-Z ， 為 一 個 結 合 PC 的 人 員 出 勤 管 理 系 統 ； 3) 美 商 S3C(Sensors Silicon Systems-Configurable) 的 XM2400 ， 提 供 以 ZigBee 為 基 礎 的 差 動 壓 力 感 測 器 ； 4)美 商 STG (Software Technologies Group)的 感 測 網 路 基 礎 (Sensor Network Infrastructure； SNI)， 提 供 多 種 不 同 的 網 路 基 礎 設 施 產 品 ， 如 中 心 閘 道 器 和 路 由 器 ， 並 且 已 經 在 無 線 滅 火 器 監 控 系 統 的 感 測 器 應 用 中 ， 實 際 部 署 了 250個 節 點 來 驗 證 。 4.3 互通性測試 在 互 通 性 (interoperability) 測 試 方 面 ， ZigBee聯 盟 每 季 會 舉 辦 一 次 ZigFest互 通 性 測 試 大 會 ， 輪 流 在 歐 、 美 、 亞 三 大 洲 舉 行 ， 同 樣 只 限 ZigBee會 員 參 與 。 其 主 要 目 的 是 提 供 各 廠 商 的 平 台 或 是 產 品 有 互 通 測 試 的 機 會 ， 可 看 成 類 似 USB的 熱 插 拔 大 會 。 ZigFest基 本 上 是 一 個 技 術 交 流 場 合 ， 所 以 只 限 工 程 人 員 參 與 ， 而 且 對 其 平 台 或 是 產 品 的 測 試 過 程 也 會 加 以 保 密 ， 只 有 互 相 對 測 的 廠 商 會 知 道 其 結 果 。 ZigBee聯 盟 強 烈 建 議 會 員 在 參 與 ZCP 認 證 前 ， 可 先 參 加 ZigFest測 試 ， 但 此 並 非 是 參 與 ZCP認 證 的 必 要 條 件 。 此 外 ， ZigBee聯 盟 內 部 亦 不 定 期 舉 辦 所 謂 的 BeeFest活 動，其 目 的 主 要 是 在 制 定 與 檢 驗 互 通 性 的 測 試 規 範 ， 以 供 ZigFest進 行 時 使 用 。 ZigFest 的 測 試 級 別 包 含 Level-1(MAC) 、 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2007 第119 電腦與通訊 39
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