【導讀】WiFi的應用可以說是無處不在,但是我們今天所要談論的是ZigBee技術。在智能建筑、智能家庭以及無線感測網(wǎng)路等方面大多采用ZigBee技術。那么ZigBee技術有何優(yōu)勢能夠款速打入市場呢?短距離、低功耗、低成本。下面我們就來深入解析ZigBee技術的原理及應用。
無線網(wǎng)路的規(guī)格種類繁多,像是最常見的Wi-Fi,則屬于高速的傳輸標準,以無線區(qū)域網(wǎng)路(WLAN)讓行動裝置無線化的連接,得以實現(xiàn)。至于在智慧家庭、智慧建筑、無線感測網(wǎng)路等領域,則大多不是采用Wi-Fi,而是采用ZigBee的技術來做傳輸。ZigBee以短距離、低功耗、低成本等特色,打入家庭控制與自動化市場,亦獲得不少廠商的采用與導入。接著讓我們深入了解ZigBee的技術與應用……
實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用 ZigBee應用廣泛
ZigBee是一種短距低功耗的無線通訊協(xié)定標準,最早系由美國Honeywell公司所提出,于1998年開始構(gòu)思與發(fā)展,推出一種能夠自我組網(wǎng)(Self Organization)的無線點對點(ad-hoc)網(wǎng)路標準,其所成立的ZigBee Alliance商業(yè)組織,于2001年向電機電子工程師學會(IEEE)提案納入IEEE 802.15.4標準規(guī)范之中,并于2005年正式發(fā)布ZigBee 1.0(又稱ZigBee 2004)的工業(yè)規(guī)范,自此ZigBee漸漸成為各業(yè)界共通的低速短距無線通訊技術之一。
圖1 ZigBee感測網(wǎng)路的3種網(wǎng)路拓撲組合方式。
圖2 ZigBee的各種應用標準與對應的網(wǎng)路層。
ZigBee發(fā)展到1.2版,將應用標準向外擴及,延伸到家庭娛樂與控制、無線感測網(wǎng)路(WSN)、工業(yè)控制、嵌入式感測、醫(yī)療數(shù)據(jù)搜集、煙幕與擅闖警示,與建筑自動化等領域,并有各式各樣的應用層標準(Profile Class),當物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代來臨,ZigBee聯(lián)盟推出2.0版,主打智慧能源規(guī)范。更將于2015年正式推出3.0版,將過去各裝置的不同ZigBee標準統(tǒng)一,讓應用之間具備高度互通性、傳輸安全,同時維持其低功耗的優(yōu)勢,為物聯(lián)網(wǎng)提供最到位的產(chǎn)業(yè)標準。
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ZigBee技術簡述 低耗短距低成本、有多種網(wǎng)路拓樸
ZigBee基于WPAN(Wireless Personal Area Network;無線個人區(qū)域網(wǎng)路)的應用,其底層采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體存取控制層(Media Access Control Layer;MAC)與實體層(Physical Layer;PHY)。
主要特色有短距離(50公尺內(nèi))、低速率(250Kbps)、低耗電、低成本、低復雜度、安裝快速、可靠、安全,可支援大量網(wǎng)路節(jié)點(高達65,000個),以及支援多種網(wǎng)路拓撲(如Star星狀、Cluster Tree 簇樹狀、Mesh網(wǎng)狀)。
由于ZigBee的網(wǎng)路拓樸跟網(wǎng)際網(wǎng)路那樣,具有多種傳輸途徑,每個ZigBee節(jié)點本身可以擷取資料,或傳遞來自其他節(jié)點的資料。
因此當一個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點被移除或是斷訊,其周遭的ZigBee裝置能夠透過ZigZag(蜿蜒曲折)的傳輸方式、如同大黃蜂那樣的連接到其目的地(Zigzag like a Bee),這也就是ZigBee的名稱由來。更是被業(yè)界視為智慧建筑(Smart Building)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)最廣泛的協(xié)定之一。
當今的家電控制、物件辨識、醫(yī)療照護、建筑自動化、WSN等IoT應用,很多都不需要用到高耗電的Wi-Fi傳輸協(xié)定,而藍牙的成本又較高,因此業(yè)界大都選擇低耗電、使用一個鈕扣電池即可運作長達1年的ZigBee無線通訊標準,來建構(gòu)該領域?qū)俚腤PAN網(wǎng)路。ZigBee的節(jié)點角色,可分為FFD(Full Function Device;全功能裝置)與RFD(Reduced Function Device;縮減功能裝置)兩種。
FFD可在星狀或網(wǎng)狀的網(wǎng)路拓樸中,與任何一個節(jié)點溝通,可擔任整個ZigBee網(wǎng)路的控制中心(即Coordinator),或者負責擔任延展整個網(wǎng)路的中繼路由器(即Router),因此必須擁有IEEE 802.15.4 MAC層的全部功能。至于RFD則是屬于整個ZigBee網(wǎng)路中的末端裝置(即End Device),只能點對點溝通,其可省略IEEE 802.15.4 的MAC層功能,因此耗費的記憶體與電源更小。
ZigBee使用的頻段有3個:ISM的2.4GHz(全世界共通頻段標準,資料傳輸率250Kbps,16組頻道)、915MHz頻段(歐洲采用,資料傳輸率20Kbps,1組頻道)、868MHz頻段(美國采用,資料傳輸率40Kbps,10組頻道)。雖然不同頻段有不同的傳輸速率和距離,尤其后兩者都是Sub-GHz(低于1GHz)的頻寬,但藉由提升ZigBee的射頻功率,還是能將傳輸速率提高。
以ISM的2.4GHz頻段來說,被切割成16 個頻道,其采用DSSP(Direct Sequence Spread Spectrum;直接序列展頻)的展頻方式,將要發(fā)送的基頻(Base Band)訊號,轉(zhuǎn)換成低能量、高頻寬的展頻訊號(Spreading Signal)之后,再傳送出去,因此可以提高抗環(huán)境干擾的能力。
ZigBee的各種通訊協(xié)定與應用標準
ZigBee在2005年公布的1.0版(ZigBee 2004),主要制定了其Network、MAC、PHY等Layer標準,到2007年發(fā)布的1.1版(ZigBee 2006)做了一些修正,到了2008年發(fā)布的1.2版(ZigBee 2007),則加入了ZigBee PRO與RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics)這兩個應用協(xié)定層(Profile Class)。
ZigBee PRO主要涵蓋了各式家用或商用領域的協(xié)定,包括ZBA(建筑自動化)、HC(醫(yī)療照護)、HA(家庭自動化)、RS(零售服務)、TS(電信服務),以及 SEP(Smart Energy 1.x Protocol,SEP 1.x,智慧能源管理協(xié)定1.x);而ZigBee RF4CE則是針對消費性應用,包括ZRC(ZigBee Remote Control,遙控)、ZID(ZigBee Input Device,輸入裝置)。
而ZigBee IP則涵蓋Smart Energy Protocol(SEP)2.0的智慧能源管理之設計規(guī)范,亦可稱之為ZigBee 2.0規(guī)范,該規(guī)范定義了智能電網(wǎng)(Smart Grid)應用中的各種節(jié)能規(guī)范,也包括了LL(Light Link)的智慧照明規(guī)范,讓產(chǎn)業(yè)遵循該規(guī)范來設計出最符合能源效益的產(chǎn)品。
ZigBee規(guī)格再進化 更貼近物聯(lián)網(wǎng)需求
有鑒于ZigBee 2.0與先前版本在各種領域,必須使用該專屬的應用協(xié)定,造成其跨領域應用的共通性受阻,加上廠商在推廣使用ZigBee技術的產(chǎn)品,大多會將ZigBee這個名詞淡化(例如XBee模組),使得推廣了10年的ZigBee標準,似乎不若藍牙、Wi-Fi那樣的聲名大噪。
此外,其他物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)盟的興起,如Qualcomm(高通)主導的AllSeen Alliance與Intel(英特爾)主導的Open Interconnect Consortium(OIC)聯(lián)盟,再加上Zensys領軍之Z-Wave聯(lián)盟的進逼,都讓ZigBee聯(lián)盟備感壓力…
因此ZigBee聯(lián)盟正加緊制訂全新的ZigBee 3.0標準,目的是要將上述的各種應用標準,變成能夠互通,不需要因為不同的場域應用,就必須運用不同版本的標準,使用統(tǒng)一標準,便可讓智慧連結(jié)一次到位。ZigBee的目標也更明確,簡化成四大領域:Smart Homes(智慧家庭)、Connected Lighting(互連照明)、Utility Industry(公共建設)、Retail Services(零售服務)。
ZigBee 3.0定義了超過130個設備和最廣泛的設備類型,包括家庭自動化、照明、能源管理、智慧家電、安全、感測器和醫(yī)療保健監(jiān)控產(chǎn)品。將專業(yè)人士的應用等級推向消費者使用等級,達到輕易透過DIY來安裝;而ZigBee 3.0規(guī)格可以向下相容,支援ZigBee PRO所定義的種類、指令、功能,讓所有ZigBee裝置都能互通。
由于有先前ZigBee 2.0在業(yè)界的基礎,因此ZigBee 3.0的出現(xiàn),可看出ZigBee聯(lián)盟成員亟欲力捧該標準,成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準的決心。ZigBee 3.0將于2015年CES展首度展示,其標準也將于2015年第4季正式公布。
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