论智能家庭的物联网连接—ZigBee技术

无线网路的规格种类繁多，像是最常见的Wi-Fi，则属于高速的传输标准，以无线区域网路（WLAN）让行动装置无线化的连接，得以实现。至于在智慧家庭、智慧建筑、无线感测网路等领域，则大多不是采用Wi-Fi，而是采用ZigBee的技术来做传输。ZigBee以短距离、低功耗、低成本等特色，打入家庭控制与自动化市场，亦获得不少厂商的采用与导入。接着让我们深入了解ZigBee的技术与应用……

实现物联网应用 ZigBee应用广泛

ZigBee是一种短距低功耗的无线通讯协定标准，最早系由美国Honeywell公司所提出，于1998年开始构思与发展，推出一种能够自我组网（Self Organization）的无线点对点（ad-hoc）网路标准，其所成立的ZigBee Alliance商业组织，于2001年向电机电子工程师学会（IEEE）提案纳入IEEE 802.15.4标准规范之中，并于2005年正式发布ZigBee 1.0（又称ZigBee 2004）的工业规范，自此ZigBee渐渐成为各业界共通的低速短距无线通讯技术之一。

图1 ZigBee感测网路的3种网路拓扑组合方式。

图2 ZigBee的各种应用标准与对应的网路层。

 

ZigBee发展到1.2版，将应用标准向外扩及，延伸到家庭娱乐与控制、无线感测网路（WSN）、工业控制、嵌入式感测、医疗数据搜集、烟幕与擅闯警示，与建筑自动化等领域，并有各式各样的应用层标准（Profile Class），当物联网（IoT）时代来临，ZigBee联盟推出2.0版，主打智慧能源规范。

更将于2015年正式推出3.0版，将过去各装置的不同ZigBee标准统一，让应用之间具备高度互通性、传输安全，同时维持其低功耗的优势，为物联网提供最到位的产业标准。
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ZigBee技术简述 低耗短距低成本、有多种网路拓朴

ZigBee基于WPAN（Wireless Personal Area Network；无线个人区域网路）的应用，其底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取控制层（Media Access Control Layer；MAC）与实体层（Physical Layer；PHY）。

主要特色有短距离（50公尺内）、低速率（250Kbps）、低耗电、低成本、低复杂度、安装快速、可靠、安全，可支援大量网路节点（高达65，000个），以及支援多种网路拓扑（如Star星状、Cluster Tree 簇树状、Mesh网状）。

由于ZigBee的网路拓朴跟网际网路那样，具有多种传输途径，每个ZigBee节点本身可以撷取资料，或传递来自其他节点的资料。

因此当一个ZigBee网路节点被移除或是断讯，其周遭的ZigBee装置能够透过ZigZag（蜿蜒曲折）的传输方式、如同大黄蜂那样的连接到其目的地（Zigzag like a Bee），这也就是ZigBee的名称由来。更是被业界视为智慧建筑（Smart Building）、物联网（IoT）最广泛的协定之一。

当今的家电控制、物件辨识、医疗照护、建筑自动化、WSN等IoT应用，很多都不需要用到高耗电的Wi-Fi传输协定，而蓝牙的成本又较高，因此业界大都选择低耗电、使用一个钮扣电池即可运作长达1年的ZigBee无线通讯标准，来建构该领域专属的WPAN网路。ZigBee的节点角色，可分为FFD（Full Function Device；全功能装置）与RFD（Reduced Function Device；缩减功能装置）两种。

FFD可在星状或网状的网路拓朴中，与任何一个节点沟通，可担任整个ZigBee网路的控制中心（即Coordinator），或者负责担任延展整个网路的中继路由器（即Router），因此必须拥有IEEE 802.15.4 MAC层的全部功能。至于RFD则是属于整个ZigBee网路中的末端装置（即End Device），只能点对点沟通，其可省略IEEE 802.15.4 的MAC层功能，因此耗费的记忆体与电源更小。

ZigBee使用的频段有3个：ISM的2.4GHz（全世界共通频段标准，资料传输率250Kbps，16组频道）、915MHz频段（欧洲采用，资料传输率20Kbps，1组频道）、868MHz频段（美国采用，资料传输率40Kbps，10组频道）。虽然不同频段有不同的传输速率和距离，尤其后两者都是Sub-GHz（低于1GHz）的频宽，但藉由提升ZigBee的射频功率，还是能将传输速率提高。

以ISM的2.4GHz频段来说，被切割成16 个频道，其采用DSSP（Direct Sequence Spread Spectrum；直接序列展频）的展频方式，将要发送的基频（Base Band）讯号，转换成低能量、高频宽的展频讯号（Spreading Signal）之后，再传送出去，因此可以提高抗环境干扰的能力。

ZigBee的各种通讯协定与应用标准

ZigBee在2005年公布的1.0版（ZigBee 2004），主要制定了其Network、MAC、PHY等Layer标准，到2007年发布的1.1版（ZigBee 2006）做了一些修正，到了2008年发布的1.2版（ZigBee 2007），则加入了ZigBee PRO与RF4CE （Radio Frequency for Consumer Electronics）这两个应用协定层（Profile Class）。

ZigBee PRO主要涵盖了各式家用或商用领域的协定，包括ZBA（建筑自动化）、HC（医疗照护）、HA（家庭自动化）、RS（零售服务）、TS（电信服务），以及 SEP（Smart Energy 1.x Protocol，SEP 1.x，智慧能源管理协定1.x）；而ZigBee RF4CE则是针对消费性应用，包括ZRC（ZigBee Remote Control，遥控）、ZID（ZigBee Input Device，输入装置）。

而ZigBee IP则涵盖Smart Energy Protocol（SEP）2.0的智慧能源管理之设计规范，亦可称之为ZigBee 2.0规范，该规范定义了智能电网（Smart Grid）应用中的各种节能规范，也包括了LL（Light Link）的智慧照明规范，让产业遵循该规范来设计出最符合能源效益的产品。

ZigBee规格再进化 更贴近物联网需求

有鉴于ZigBee 2.0与先前版本在各种领域，必须使用该专属的应用协定，造成其跨领域应用的共通性受阻，加上厂商在推广使用ZigBee技术的产品，大多会将ZigBee这个名词淡化（例如XBee模组），使得推广了10年的ZigBee标准，似乎不若蓝牙、Wi-Fi那样的声名大噪。

此外，其他物联网标准联盟的兴起，如Qualcomm（高通）主导的AllSeen Alliance与Intel（英特尔）主导的Open Interconnect Consortium（OIC）联盟，再加上Zensys领军之Z-Wave联盟的进逼，都让ZigBee联盟备感压力…

因此ZigBee联盟正加紧制订全新的ZigBee 3.0标准，目的是要将上述的各种应用标准，变成能够互通，不需要因为不同的场域应用，就必须运用不同版本的标准，使用统一标准，便可让智慧连结一次到位。ZigBee的目标也更明确，简化成四大领域：Smart Homes（智慧家庭）、Connected Lighting（互连照明）、Utility Industry（公共建设）、Retail Services（零售服务）。

ZigBee 3.0定义了超过130个设备和最广泛的设备类型，包括家庭自动化、照明、能源管理、智慧家电、安全、感测器和医疗保健监控产品。将专业人士的应用等级推向消费者使用等级，达到轻易透过DIY来安装；而ZigBee 3.0规格可以向下相容，支援ZigBee PRO所定义的种类、指令、功能，让所有ZigBee装置都能互通。

由于有先前ZigBee 2.0在业界的基础，因此ZigBee 3.0的出现，可看出ZigBee联盟成员亟欲力捧该标准，成为物联网产业标准的决心。ZigBee 3.0将于2015年CES展首度展示，其标准也将于2015年第4季正式公布。