Jacky’s memo

无线感测网路技术是运用低成本、低耗电的优势，将各种感测器网路相连， 串连成一个立体的感测网路，其中家庭自动化是无线感测网路延伸应用的主要项目之一。 ZigBee的安全性、调变技术、讯框结构等， 能够满足家庭自动化无线感测网路环境布建需求， 台湾与国外相关厂商与研究单位都已纷纷投入开发，未来发展前景可期。

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：

 • ●消费性电子的遥控器与接收器。 WSN能把目前的红外线遥控改用成无线遥控，不仅没有红外线在方位、距离、 只能单向发送控制命令、无法接收受控者所反应的状态资讯等的功能限制， 并且能达到双向传递讯息受限降低的方便。

• ●照明、空调、保全、门禁。 WSN能够应用于居家或建筑物的自动化控制，包括屋内外的亮度与照明开关感测、 控制温度湿度等状态来回应变更空调环境等，此外还有侦烟消防、红外线防盗等感应控制， 门禁感应与铁卷门控制等等。

WSN在其他应用领域包括：

• ●工业工厂自动化控制。 WSN能应用在工厂的资产盘点管理、生产流程控制、环境能源控制等。 像是仓库中的无人搬运车、生产线上的机械手臂、后段的品管检验感测等， WSN均能强化提升作业品质。

• ●资讯周边设备。 像是人机介面装置（Human Interface Device；HID）如玩具、 电脑键盘、滑鼠、摇杆、手写笔、触控板等，也都可以采行WSN技术来感应与控制。

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。

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。

(表一)　ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth传输效能比较一览

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。