家庭自動化沿革

從歷史的角度來看，家庭自動化的觀念是由日本首先提出，日立（Hitachi）和松下（Panasonic）於1978年便提出家庭自動化系統方案；Sanyo、Sony、Toshiba則是最先提出家庭自動化產品的企業。Honeywell在1978年首次展示「自動化家庭」架構，X10系統則是在1979年出現；GE在1983年提出多媒體家庭匯流排通訊協定Homenet；CEBus和Smart House技術在1984年於美國出現。GIS、Home Automation Ltd. MK Electric….等歐洲公司，也陸續開發出自己的家庭自動化系統，而完整的自動化家庭系統則是在1992年推出。

何謂無線感測網路

無線感測網路（Wireless Sensor Network；WSN）是由感測器（Sensor）、監示器（Monitor）、控制器（Controller或Actor）等功效所構成，利用低成本、低耗電的優勢，將各種感知器網網相連，串連成一個感測網路，透過該網路可實現各種過去所做不到的生活應用，如家庭保全、環境監測、家庭／大樓自動化、定位應用等。

WSN的實際應用領域非常廣泛，智慧化居住空間在近年成為一個重要議題，根據世界衛生組織WHO提出的四大生活指標—「安全、保健、便利、舒適」，安全更是列為首位，因此如何針對不同領域、不同需求提供不同的解決方案，且利用WSN技術將感知化為無形，讓使用者在不知不覺中融入環境感測世界中，將成為智慧化居住空間發展成功的關鍵因素。

WSN實際應用案例

目前WSN的實際應用範圍包括：

WSN在其他應用領域包括：

家庭自動化為何採用ZigBee

大多數應用於工業環境自動化、家庭自動化與商業大樓自動化等控制應用的WSN，目前最大問題即在於不管是感測器或網路通訊本身，皆無統一標準規格，因此各家廠商只能按自身技術開發定義產品與應用解決方案，無形中也會妨礙WSN技術的推廣與發展。不過作為短距離無線傳輸通訊協定的802.15.4／ZigBee，因為低成本、低功率、低耗電的特性，相當適合擔負WSN需要大量部署傳輸需求的主幹角色。此外在安全方面，ZigBee在標準規範中，定義以128bits AES加密演算法作為安全機制的準則，因此對一般WSN的應用而言，ZigBee可提供使用者最安全的傳輸環境；尤其在遠距跨區控制時，ZigBee安全性功能的優勢便顯現出來。在系統設計方面，此加密的功能可由軟體來實現或直接做在硬體中，例如UBEC的UZ2400系列，藉此降低軟體運算的負擔，並提升系統效率。

ZigBee傳輸的技術關鍵

ZigBee能滿足市場對支援低資料速率、低功耗、安全可靠、低成本的無線網路傳輸需求。ZigBee聯盟（ZigBee Alliance）在IEEE 802.15.4無線標準之上開發了標準化的通訊協定，並與IEEE密切合作提供市場具完整性且可相互操作的網路協定，例如該組織提供包括ZigBee軟體層的802.15.4系統互通性測試認證。

ZigBee的射頻標準及工作頻率，包括全球的2.4GHz、美洲的902到928MHz和歐洲的868MHz。16個通道的2.4GHz頻段可以達到250Kbps的原始資料吞吐率，10個通道的915MHz頻段為40Kbps，1個通道的868MHz頻段為20Kbps。ZigBee可傳輸距離為10到75公尺，取決於輸出功率和環境參數。ZigBee在2.4GHz頻段利用直接序列展頻技術（DSSS），並採用偏移－正交相移鍵控調變（O-QPSK），通道頻寬為2MHz，通道間距為5MHz。而868MHz和915MHz頻段也採用直接序列展頻技術，但是採用二進位相移鍵控調變（BPSK）。

ZigBee的訊框結構在IEEE802.15.4所定義的4個基本訊框類型為：資料訊框、應答訊框（ACK）、MAC命令訊框和信標訊框（beacon）。資料訊框提供最多104 bytes的Packet。訊框被標號以確保所有的資料封包可以被追蹤，用一個訊框檢查序列來確保資料封包沒有錯誤地接收，這種訊框結構提高在惡劣條件下的可靠性。

IEEE802.15.4另一個重要的結構是應答訊框（ACK），利用規定訊框之間的「靜默時間」，提供了從接收器到發送器的反饋，以確認資料封包被正確無誤地接收。MAC命令訊框則提供客戶節點的遙控和配置機制。無論網路有多大，集中型網路管理者都可利用MAC來配置每個客戶的命令訊框。信標訊框則是用來喚醒客戶設備，這些設備偵聽他們的地址，若無收到訊號便進入睡眠狀態。信標對於網格網路和叢集樹狀（cluster-tree）網路來說非常重要。

未來還是擁有低功率特性的ZigBee技術比較有發展潛力。低功率模式ZigBee很適用於無線網路監測系統。以火災警示器來說，ZigBee平常無須動作，只要在火災發生時趕快發出警報，可以好幾秒鐘才檢查一次溫度計，溫度正常便可繼續休眠。基本上，只要是被動式的防盜或安全系統，都適用於此方式，頂多就是每日例行檢查，發出一個訊號，要各感應器自行回報目前工作狀態。

《圖一　應用在WSN的ZigBee應用模組》

家庭自動化不採用其他標準原因

家庭自動化系統不適合採用Wi-Fi 或是Bluetooth、而適合採用ZigBee的原因，在於ZigBee耗電低，除傳送少量資料外，平時均能處於近似休眠的狀態，只會在與中央控制器或主控電腦之間進行收發無線訊號時才會運作。此外ZigBee在抗干擾能力及晶片價格上的競爭力遠勝於Wi-Fi。如此在鋪設WSN ZigBee傳輸，不僅無須任何電源插座，也能大大提高電池的續航力。

從長遠市場觀察，ZigBee在互通性及大型區域家庭自動化將略勝一籌。此外，ZigBee的抗干擾能力及晶片價格亦優於Wi-Fi以及藍牙。至於另外一個常與ZigBee做比較的技術Z-Wave，其在耗電流表現以及網路擴充性上，均較ZigBee差，且Z-Wave並非採用IEEE的標準做為實體層，在未來產品的互通性上，將受到很大的限制。

家庭自動化WSN廠商發展現況

目前市場上提供ZigBee相關的IC廠商已有將近10家以上。從早期的Chipcon／TI、Freescale、達盛電子（UBEC）、Embers、OKI到近期的Jennic、Samsung、RadioPulse、STM、Microchip、Renesas、NEC等，已形成完整的上游供應鏈。

不過由於WSN技術的應用實在太廣，往往需要整合各種軟硬體不同的技術領域，方能構建完整穩定的WSN系統。因此，全方位而綿密的技術支援，將是ZigBee晶片供應商能否勝出的關鍵。台灣目前唯一的ZigBee晶片供應商，早在2002年ZigBee聯盟成立時，即成為會員並開始相關產品研發計畫，目前除了提供ZigBee／IEEE802.15.4的晶片外，同時也提供包含天線設計、模組設計等技術支援。在ZigBee堆疊及應用軟體方面，台灣亦有資策會及工研院等單位從事相關開發作業，配合晶片供應商，已經可以提供完整的解決方案。舉例來說，全球第3家推出2.4GHz IEEE802.15.4單晶片的達盛電子，頻獲許多國際MCU大廠的青睞，順利與NEC、Fujitsu、Microchip等大廠建立緊密的合作關係。

成功仍待努力

專精於低速率、低成本、低耗電且易於開發的ZigBee是否一定會成功？眼前似乎尚未明朗。目前，ZigBee SoC的晶片價格在數量達百K時約3美元左右，但這個市場價格極有可能降到2美元來刺激市場需求，研究顯示這個目標將在不久的未來實現。屆時，相信在市場價格降低的刺激下，會為ZigBee市場注入啟動的活水。看好ZigBee市場並已深耕多時的台灣廠商，也更緊鑼密鼓地研發新應用技術，努力朝向成為全球無線通訊IC製造業中的佼佼者邁進。

（本文由達盛電子UBEC提供）