比藍芽更省電、更便宜的短距無線技術-- ZigBee 2007-10

刊於"數位家庭"2007十月號最後一期, 每年只出四期(今年是7-10月)的數位家庭專刊經費雖少, 卻是接觸第一線科技和廠商的最佳管道, 因此請大家珍惜, 也希望它未來能繼續出刊.


文：何珮琪

近年經常聽到ZigBee這個新名詞，尤其是在無線通訊、家庭數位監控領域，它更是常見的一種規格。但它到底是什麼？
ZigBee其實是指一種高階通訊協定的射頻（RF）技術標準，1998年開始發展，一開始是由Honeywell公司帶頭的ZigBee聯盟主導，並在2001年向IEEE聯盟提案，獲准被納入IEEE的802.15.4標準範圍，因而成為一種新興的短距、低功率無線通訊技術，在2002年開始有產品上市。
它是一種介於RFID和藍芽之間的技術，設計用來作小型、低功率、短距離的無線傳輸。ZigBee的基本速率為20k~250k bps，而當功率越低，傳輸範圍相對越大，通信品質也會更穩定，比藍芽（1M bps）速率慢一點，更簡單，但功率和費用也更低。
它以數千個微小的感應器接力傳輸，因此通信效率很高。
它可用作無線個人網路（WPAN），目前市面上的無線傳輸技術有很多種，如藍芽、Wi-Fi、GPRS、UWB（Ultra Wide Band超寬頻）等等，彼此不相容，但是各自有各自專擅的領域。ZigBee有其不可取代的特性，就是超低的耗電量和遠距離兩大特性，讓它不用插電，因此可以用在廣泛的無線通訊產品中，特別是用在控制和語音領域，如門禁控制、氣溫感測器、家電遙控器等，例如電話子母機之間的傳輸，或以門禁系統為例，只要持卡者在大門10~15公尺的距離，就可以感應偵測到。


@ZigBee，數位家電控制新寵
ZigBee共有四個協定層，由上到下分別是PHY（實體）層、MAC（媒體存取）層、NWK（網路）層和APL（應用）層，在後三個層存取所需的資料。國內唯一一家研發ZigBee射頻晶片的達盛電子（Uniband Electronic Corp., UBEC）報告指出，ZigBee技術有幾項重要的特性：
1. 高資料可靠度：資料傳輸主要是在MAC層控制，它可使用DSSS、CSMA/CD（Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection）、Beacon/Non等傳輸技術模式，因此資料的傳輸具有一定穩定度，在節點（node）之間能順暢傳輸不會阻塞。
2. 低耗電：ZigBee是最省電的傳輸技術，使用RF架構使得它具備高敏感度，一啟動就立刻可使用，一顆電池就可以延續兩年，如生態研究等野外探測的儀器都大量使用。
3. 低成本：協定（protocol）簡單化，因此花費可以降低。但現階段還不是很便宜，等到所有協定都定義之後，就可以更低價。而越多晶片廠商投入生產開發，就會讓價格更便宜。
4. 彈性網路拓樸（topologies）：ZigBee是設計用來作低成本、單純的使用，但目前因協定還沒有標準化，彈性還不是很大。
5. 長距離：在100公尺內，輸出功率0 dBM都可以接收，相形之下，藍芽只有5~8公尺的接收距離。
6. 安全：使用ZigBee最大的好處是，無論任何方式都無法側錄，它有AES-128bit的編碼系統，和七種模式，只有接收端可以解碼，因此可說幾乎無法破解。
具有以上這些好處和特性，讓ZigBee在安控、自動化方面幾乎無法被取代，未來的應用也相當看好。

@主要應用在安控和自動化
因為有距離短、耗電極低（不插電）、應用簡單等特點，因此ZigBee主要的用在功能簡單的家庭自動化（home automation）、建築自動化（building automation）、工業控制、醫療等領域。「家庭自動化和工業控制有共通的議題就是『資產管理』，」達盛電子協理羅堯峰說，因此著重於防盜、安全監控的應用。
而在數位建築內，舉凡家庭電子設備控制、HVAC（冷暖空調設備）、居家燈光和溫控、建築照明與能源監控、社區安全防護、個人醫療照護等領域都可見到ZigBee的蹤跡。甚至軍事、煤礦礦坑、水電的自動抄表（AMR）等領域，只要想像得到都有無限可能。數位家電遙控更是種類繁多，ZigBee聯盟相信ZigBee有相當寬廣的前景，更預言在四到五年後，每個家庭都會有50樣ZigBee技術的物品。例如Sony「BRAVIA」的液晶電視，就附了兩支遙控器，其中一支就具有ZigBee功能，未來家庭中所有Sony的產品都可以用這支遙控器整合遙控。
但是目前最積極也最大的市場是在中國大陸。羅堯峰指出，「中國在無線應用上的腳步比台灣早五年，」中國非常積極評估ZigBee，也很願意嘗試最新技術，甚至計畫訂出自己的protocol，目前在各大重點城市都看得到無線控制的蹤影。如LED燈、大樓廣告看板等，幾乎都已經自動化。而因為中國是全球電表的主要製造國，因此前述水電「抄表」自動化的措施，也是在中國研擬，未來市場規模相當大，「可說是自己創造市場，」因此也是目前全球所有ZigBee大廠的兵家必爭之地。
據市調機構In-Stat MDR的預測，全球ZigBee市場，在2004年至2009年的年複合成長率（CAGR）將高達200%，在2008年出貨量更預計將達到6億套，製作成本則隨晶片商的投入，預期可飛快下降。而ZigBee聯盟自己的數字是，2005年全球出貨100萬片Zigbee晶片，2006年可能達到500-1,000萬片。預計在2008年以前還會出現一美元的方案。但對此樂觀評估，廠商有不同的看法。
羅堯鋒指出，ZigBee晶片包含RF和MCU（控制）兩塊，都要作在一顆SOC（系統單晶片）上，要作複雜的控制時記憶量就要更大，因此價格不容易降下。「基本上要降到2.5美金以下都很難，」羅堯峰說。只是因為ZigBee本身的應用不像電腦週邊那麼繁多，又有一對多的特性，一顆IC可以驅動多種設備，目前價格還不是問題。


@ 產業鏈完整，門檻在標準沒有制定
目前ZigBee已經形成完整的產業鏈，國際上ZigBee晶片組或應用模組的領先生產者有美國的飛思卡爾（Freescale Semiconductor）、Ember、CompXs、德儀（TI）收購的Chipcon，日本的沖電（OKI Semiconductor）、Integration等，而全球各地都有很多IC設計公司主動採用ZigBee晶片，國內IC設計人才和經驗豐富，也有資策會、工研院等單位的促進，但廠商在這方面的研發應用還比較遲疑。
ZigBee的限制和技術門檻在哪裡，羅堯鋒表示，最大的障礙在於ZigBee聯盟內的大公司多，各家技術架構不同，因此對於NWK層的protocol始終沒有統一，導致各家IC design公司各自為政，單打獨鬥的局面，「不像Wi-Fi，各家電腦、產品都相通，但ZigBee的A公司與B公司的產品就不能互通，」羅堯峰說，「沒有標準就永遠不會有量，」這也是ZigBee產業至今無法蓬勃的主因。此外，技術上，IC設計許多線路被專利化，後進者就很難進入，應用層上因應不同應用，底層都要作修改，要讓軟體去符合protocol等等，都有難度。目前全球專注於ZigBee設計的廠商屈指可數，因此台灣在這方面的人才和技術可說已經擠入世界領先的地位。
但是好消息是今年五月ZigBee 聯盟在北京召開的年會上，已經決議在今年年底就要先就家庭自動化的領域先制定出統一的標準，因此預期在2010年，ZigBee的全球市場將會大起，達到100億美元的規模，這預期會是台灣可以一展長才的領域，也期待國內更多廠商的加入。
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