資策會網多所

資策會網多所環境感知與控制技術中心組長洪志宏表示，以ZigBee技術為核心的無線感測網路（Wireless Sensor Network；WSN），提供無線環境監控、特定人與物追蹤及設備管控等等多元化服務。

《圖一　資策會網多所環境感知與控制技術中心組長洪志宏指出，目前網多所正在以ZigBee聯盟認證的底層平台為基礎，研發整合SoC與感測器的WSN萬用模組。》

ZigBee包含兩種不同單位所制定的通訊規格，一個是由IEEE所制定的IEEE 802.15.4標準，定義了實體層（PHY）以及媒體存取層（MAC）；另一個則是由ZigBee Alliance所主導的ZigBee標準，定義了網路層（NWK）、安全層（Security）、應用層（APS）以及各種應用產品的Profile。ZigBee網路拓墣支援星狀（Star）、樹狀（Cluster Tree）、任意型（Mesh）三種網路拓樸，能連接最高網路節點數，可依不同型態的WSN加以彈性靈活運用。其中Mesh網路具有面臨阻斷可自我找尋替代路徑的功能，網多所是以設置兩條路徑和透過路由決定來傳送資料，並與Cisco的VoIP系統相互結合，提供彈性化網路拓墣的設計架構。

洪志宏進一步說明，目前網多所正在以ZigBee聯盟認證的底層平台為基礎，研發整合SoC與感測器的WSN萬用模組，其他還包括ZigBee Stack解決方案、平台移植（Porting）、佈建工具（Deployment Tool）、安全認證、同步網路分時多工排程、資料串流壓縮等，提供投入業者開放性的共通平台模組與客製化設計內容，藉此帶動追蹤與定位系統應用的發展進程。其中佈建工具可讓使用者輸入空間形狀與隔間材質等參數設定，就能以3D空間建立無線訊號模型與空間模擬器，計算出感測器最佳化的佈建空間地點位置，能有效降低90％的佈建與測試時間。

網多所的ZigBee通訊協定韌體程式IZAP（III ZigBee Advanced Platform），已正式通過ZigBee Compliant Platform（ZCP）認證測試，是亞洲第一個、也是全球第五個通過認證的組織，通過的認證平台分別為Chipcon 2420DB、Jennic JN5121、Ubec UZ2400。目前網多所與Jennic與STG的合作正持續進行；和達盛電子（UBEC）合作的ZigBee Network Stack，已完成III ZigBee SDK & AT Command Profile；此外網多所也正與Crossbow及Renesas洽談未來合作計畫。

洪志宏表示，ZigBee在WSN應用可遍及各類領域，目前主要應用在工業控制以及家庭自動化領域，相關廠商也正在開發作為遠距醫療居家端的傳輸媒介，以及在消費電子產品領域利用ZigBee製作通用遙控器。在應用合作上，網多所與世和數位科技合作，將WSN應用在集合住宅以及興建中的第三期南港軟體園區；網多所亦協助易京與台電合作，建立電力狀態監測系統，已在嘉義新港完成系統測試，預計在2007年會計年度Q2裝設150組電線桿電力監測系統。此外工研院創意中心、中科院與網多所共同執行的「智慧化居住空間科技整合應用計畫」，則定位應用在節能環境控制、氣體品質監控、訪客位置追蹤等領域。

禾伸堂（Holy Stone）

禾伸堂（Holy Stone）消費元件事業群經理江玖霖表示，ZigBee是一種強調將人們在家庭自動化領域（Home Automation；HA）連鎖動作的訊息，藉由無線感測網路（WSN）架構傳輸而與環境產生互動的新興技術。在應用上，ZigBee的基本特性必須滿足價格便宜、電池壽命長、能夠自我設定、低傳輸資料量、具彈性規模、可信賴安全保障、以及Protocol能夠共通並可互連等功能。

《圖二　禾伸堂（Holy Stone）消費元件事業群經理江玖霖表示，ZigBee的Cluster Library（ZCL）設計特性，可用類似程式庫的呼叫訊息、以堆疊方式組織起來，ZCL定義Clusters內容的屬性規範，藉此增加不同廠商設計方案的相容性。》

從IEEE802.15.4延伸出來、屬於開放性標準的ZigBee技術，當時有訂出歐規868MHz、美規915MHz、以及全球可通用的2.4GHz三個頻段，屬於2.4GHz 的ZigBee06，是目前最廣為普及應用的規範。江玖霖指出，ZigBee06的關鍵技術，在於AP Hub的自我設定機制，可使網狀網路自行維護而無須人工維持。再者，網路可藉佈建路由跳躍方式（multi-hop routing）設定，彈性擴充幾百個節點涵蓋範圍。加上ZigBee採用128bit AES加密演算法和中央金鑰主動控管方式，可有效阻絕外在不明入侵，建立資安防護架構。此外，ZigBee Alliance有鑑於早期藍牙標準互通性不足的教訓，特別注重ZigBee開放性標準平台特性與產品的相容性（product interoperability），以此降低廠商的維修成本。

相容性是ZigBee Alliance特別強調的競爭優勢，對此江玖霖進一步說明時表示，ZigBee晶片大廠已經完備了Stack的底層內容，第三方廠商只需針對應用層進行客製化設計即可。更重要的是，ZigBee在HA以及WSN應用的Cluster Library（ZCL）設計特性，便將類似程式庫的呼叫訊息以堆疊方式組織起來，ZCL定義了Clusters內容的屬性規範，以此增加不同廠商設計方案的相容性。除了可以定義基本以及特殊應用的Clusters外，ZCL也可針對複數裝置群體化進行單一或多重指令的Cluster定義規範。藉由ZCL方式，增加ZigBee規範在不同產品不同應用之間的多元相容特性。

不過江玖霖認為，ZigBee網路應用還是會受到因傳輸封包資料過多、路由安全機制更嚴謹、因此ZigBee副節點負載子節點能力負擔越重、記憶體因此要更大導致塞車的問題，間接會造成廠商佈建WSN的成本壓力。但相對於其他無線網路太貴太耗電的難題，ZigBee仍具明顯的競爭優勢。

江玖霖表示，從2007年下半年開始，ZigBee技術的商業化進程已有明顯的突破。除既有家庭自動化、與生命相關的Security以及維護物品環境的Safety領域外，像是義大利與南韓電信已將ZigBee晶片模組以打帶貼壓IC方式貼在SIM卡中，應用於手機購票等行動商務領域；TI也正與Philips在ZigBee照明領域更密切進行合作。不過江玖霖特別提醒與會成員，暫緩將ZigBee技術應用於例如滑鼠或鍵盤設備等PC周邊環境，等待條件成熟再行也不遲。

意法半導體（STMicroelectronics）

意法半導體（ST）技術行銷工程師劉東鑫首先簡單說明，ZigBee的系統資源負荷量只有32～64Kb，電池壽命可以維持100～1000天左右，傳輸距離可到100公尺，傳輸率在20～250kps左右。以ZigBee為核心的WSN應用，主要是以大樓自動控制、住家自動控制、家庭娛樂控制以及資產追蹤為主。

《圖三　意法半導體（STMicro）技術行銷工程師劉東鑫指出，ST的收發器不需太多外掛元件，內嵌由硬體支援的網路可除錯功能設計，並結合Ember的知識與IP智財權，開發包括硬體、軟體與工具的完整ZigBee解決方案。》

接著劉東鑫詳細介紹ST以IEEE 802.15.4規範為基礎所推出的SN250及SN260RF收發器晶片產品，其工作電壓在1.7V～1.9V之間，均擁有16個頻道，在2.405～2.480GHz工作頻段中以每5MHz間隔傳輸。RX接收靈敏度可達-97dBm～-98dBm之間；TX發送靈敏度可達+3dBm～+5dBm之間。ST的收發器不需太多外掛元件，內嵌16 bits的RISC CPU，包含AES 128bit加密韌體以及Flash以及隨機存取記憶體等，除了可供程式執行以及存取以外，也能提供應用彈性並提升執行效率。此外，ST的收發器內嵌由硬體支援的網路可除錯功能設計，包括對核心除錯與更新的SIF（Serial Interface）、以及網路Packet Trace的PTI（Packet Trace Interface），可藉此提升封包傳輸效能。

屬於SoC的SN250與作為網路處理器的SN260，都相容於ZigBee Pro的網路堆疊層，均具備EmberZNet Stack的設計內容。SN250不需太多被動元件，可與SPI、I2C、UART、ADC、GPIO 等介面相容。SN260則多增了EZSP協定，可利用SPI或UART介面，連接其他的處理器以增加功能。使用SN260可直接改善ZigBee網路堆疊的傳輸效能，讓應用層有其他空間執行設計，而不會另增負載。

劉東鑫進一步說明，ST與Ember 在去年便簽署合作協議，合作開發包括硬體、軟體與工具的完整ZigBee解決方案，結合Ember在IEEE802.15.4以及ZigBee無線軟硬體上的知識與IP智財權，以及ST的微控制器技術、開發能力和製造與行銷資源。Ember所推出的ZNet Stack軟體，適合應用於講求延長電池壽命、減少外接零件、可靠、經過驗証及符合工業標準的的環境中。在樹狀拓墣應用上，ZNet是符合ZigBee 1.0 堆疊協定（Stack Profile）規範；在Mesh拓墣應用中，ZNet則相適應於ZigBee Pro的規範。比較不同的是，在樹狀網路堆疊中，ZNet加上所謂確認訊息轉換軟體（Message transfer acknowledgement）以及Fragmentation的設計，能讓訊息傳遞產生回饋反應，確保多節點的訊息傳輸品質。

劉東鑫特別強調，網路拓墣架構在進行無線傳輸時，常會因為封包傳輸效能不一、產生非對稱性傳輸連結（Asymmetric Links）現象，間接造成網路傳輸效能下降與滿載等問題。內嵌於ST收發器產品的ZNet軟體，便可藉由路由連結方式，將非對稱性連結自動調整趨近於對稱性狀態，並且運用動態表格管理技術（dynamic table management tech），維持網路連結的最佳化以及降低記憶體的負載量，便能整體強化傳輸品質。

達盛電子（Ubec）

達盛電子（Ubec）設計研發處副總經理簡鴻程表示，目前達盛80％的資源都集中在ZigBee領域，預計今年底量產推出的UZ2410產品，會把SoC與先前的收發器模組更加完備地整合在一起。從IC成本和技術成熟度、應用領域等角度來看，ZigBee已經準備就緒，不過目前ZigBee Alliance在ZigBee Pro協定堆疊（Protocol Stack）定義上仍未明朗，佈建軟體工具尚缺完整，國際大廠對投入時機點仍抱持觀望態度，因此ZigBee形成規模經濟的條件仍尚待健全。

《圖四　達盛電子（Ubec）設計研發處副總經理簡鴻程認為，ZigBee進行點對點無線傳輸時，亦需考量實際傳輸率、跳點與干擾等技術細節。同時廠商除了應擁有RF測試能力外，也該具備layout ZigBee晶片模組的解決方案，才能縮短進入ZigBee規模量產的時間。》

簡鴻程說明時表示，以ZigBee為核心的WSN技術，節點本身架構須包含Coordinator、Router、End Device三大部分，而以Mesh拓樸架構為主的無線網路，須包含Sensor及介面、RF、MAC／BB、以及網路應用連結等技術。當ZigBee進行點對點無線傳輸時，亦需考量實際傳輸率、跳點與干擾等技術細節，若是多重跳點傳輸，傳輸率會隨著節點數增加而逐漸下降。

簡鴻程表示，ZigBee與Bluetooth封包傳輸格式類似，以ZigBee無線封包傳輸格式中實際傳輸階段落在Payload，封包也會加上PHY Header以及MAC Header、並以CSMACA方式傳輸。不過由於Bluetooth屬於跳頻性質，其間隔為1MHz，會出現79次跳頻，這時5MHz間隔的ZigBee頻道，就會有3次落在Bluetooth範圍內，因此ZigBee與Bluetooth共存於2.4GHz，會受到干擾的機率為3.79％（亦即3／79），因此系統廠商可以在設計時考量上述實測數據，以強化ZigBee傳輸效能。

另一方面，ZigBee可與WLAN封包格式相互穿插，從實際測試數據中可知，雖然ZigBee和WLAN共用2.4GHz頻段，ZigBee和WLAN仍可順利傳輸，雖會使傳輸率下降，但沒有干擾問題。因為在2.40到2.48GHz頻段中，ZigBee共有16個頻道可以選擇，在與WLAN在其中可選擇的3個頻道比較後，ZigBee還有4個頻道不會與WLAN重疊。不過在TX與RX slot之間仍有空隙，實際傳輸率並沒有那麼高，廠商在規劃系統時需注意之。

簡鴻程認為，WSN的傳輸速率與應用場景的節點數關係密切，測試驗證程序對於廠商選擇與設計晶片方案而言非常重要，應避免redesign而耗費成本。同時廠商考量避免功率消耗，應從整體電路板著手，包含CPU、射頻收發器、低噪放大器以及功率放大器這四部分，並降低啟動時間功耗在佔空比範圍的比例。至於會影響接收距離與超過頻段的考量點，則包括室內外、天線、Normal Amplifier、天線、LNA以及PA等。一般而言每增加6~7個dBm，ZigBee無線收發IC接收距離與穿透能力就可增加1倍。

整體而言，簡鴻程認為，廠商除了應擁有RF測試能力外，也該具備layout ZigBee晶片模組的解決方案，才能縮短進入ZigBee規模量產的時間。

德國萊因技術監護顧問（TUVRheinland）

屬於開放性標準的ZigBee技術，特別注重產品的相容性（product interoperability），因此ZigBee Alliance嚴格把關有關驗證測試的程序。德國萊因技術監護顧問（TUVRheinland）電磁相容與通訊專案工程師Jan-Willem Vonk表示，只有成為ZigBee Alliance的會員，才有應用ZigBee技術製造或行銷相關產品的權利，也只有經過ZigBee Alliance驗證後的產品，才能標示ZigBee的標籤，亦即藉由層層把關驗證程序，以確保不同廠商不同ZigBee產品的相容性。

《圖五　德國萊因技術監護顧問（TUVRheinland）電磁相容與通訊專案工程師Jan-Willem Vonk表示，目前ZigBee產品的驗證設備，不及Bluetooth的標準化與成熟化，但經過ZigBee Alliance層層把關驗證程序，可確保不同廠商不同ZigBee產品的相容性。》

Jan-Willem Vonk進一步說明，成為ZigBee Alliance會員有Adapter、Participant、以及Promoter三種方式，在年費、參與會議決策、獲取資訊等權限也有所不同。在申請成為會員後，廠商會收到ZigBee ID（ZID），便可進行相關驗證程序。

廠商的ZigBee晶片產品，除了須經ZigBee Compliant Platform（ZCP）驗證測試IEEE 802.15.4 RF及MAC等是否相容外，ZCP還要驗證測試協定堆疊（Protocol Stack）部分，包括網路層（NWK）及應用服務層（APP）；至於堆疊於上的應用類別層以及廠商指定的特殊應用層（Manufacturer Specific Application Profile；MSP）等部分，亦需經過產品驗證程序以及給付認證登入費後，始可將標籤附貼在產品上。上述驗證程序可自行測試後交由聯盟確認，或可委託ZigBee Alliance指定的兩家實驗室NTS以及TUVRheinland來辦理。目前已經通過ZigBee Alliance測試認證程序的大廠，包括Freescale、Philips、Siemens、Samsung、TI、ST、Motorola、Honeywell、Huawei等等。

目前ZigBee產品的驗證設備，不及Bluetooth的標準化與成熟化，不過加入ZigBee Alliance會員的台灣廠商，可以藉由TUVRheinland的協助，直接就地進行ZCP以及MSP的驗證測試，也可在廠商要求下替其代辦相關程序。Jan-Willem Vonk建議，在進行最後的產品驗證程序前，可以參與ZigFest活動，藉此先行掌握軟體除錯的機會。

Jan-Willem Vonk同時表示，由於ZigBee Stack部分仍未底定，廠商應先上網熟悉相關驗證訊息，掌握在驗證後推出相關產品的時機，以避免重測的風險，像是ZigBee Alliance已經在今年5月31日宣布不再驗證ZigBee 2004；ZigBee 2006的測試驗證程序仍在進行。至於ZigBee Pro的驗證程序，預估在今年9月便會展開，將會另增40多種的驗證作業。值得注意的是，ZigBee Pro將包含下一階段ZigBee 2007標準的幾項規格在內。

正因為如此，目前Alliance共有18家廠商的42件申請通過ZCP測試，不過只有5家廠商完成終端產品驗證程序，表示ZigBee規格尚未底定，間接影響到市場的接受度。Jan-Willem Vonk建議台灣廠商不妨等待時機，再進一步適時進行相關驗證程序。