ZigBee无线通讯技术实现无线智能家居远景

ZigBee无线通讯技术实现无线智能家居远景
转发：唐勤强
ZigBee为目前市场上相当受到重视的无线通讯技术之一，而这项技术的特点及优势也便于实现智能家居中的各项应用，本文特别从其技术面为您细细分析，让您了解ZigBee技术如何实现智能家居的远景！
　　智能家居的概念至今已十余年，但目前在全球依旧无法普及的原因主要在于：解决方案价格昂贵、缺乏相关产品设备、基础设施布建困难，与无明确共通标准遵循，以上几点原因，大约可涵盖智能家居至今无法成功的八成因素。传统的智能家居大约可分为几个应用领域：个人电脑、家庭影音娱乐、自动化控制、家庭安全、语音应用、网路通讯等。想像在一个未来的世界，你是一个独居在外的单身贵族，在公司下班之前你拨了通电话，连线至家中的家庭网路伺服器，透过家庭网路伺服器下命令给连结在家庭网路中的各式设备，利用语音讯息传达各种命令指挥每一种设备。于是，在你回到家后，家里的电灯已经点亮，冷气、微波炉、烤箱等家用电器也已经依照指令正确运作，这就是数位网路家庭运作模式的写照。
　　智慧化居住空间的领域
　　未来智慧化居住空间的发展策略方向，最终目的是让在此环境居住的人们，享有安全、健康、便利及舒适的生活品质，并配合资讯电子与通讯产业技术与平台开发使得普及运算概念于智慧化居住空间或环境中实现。科技生活化的概念，其范畴包括智慧家庭、智慧建筑、智慧社区与智慧都市。在应用上短期将以安全监控、能源管理、健康照护为优先。简单来说，智慧化居住空间可简单分为三个领域：家庭与社区空间、办公室与大楼空间及公众环境空间。家庭与社区空间包含一般住宅，公寓、集合式大楼、独栋住宅等；办公室与大楼空间包含办公室、办公大楼等；公众环境空间包含博物馆、展览馆、购物中心、医院、政府机关等。建筑物导入电子、电机、资讯、通讯及自动化等相关产业技术，建构主动感知及满足使用者需求之生活空间，以创造安全、健康、便利、舒适、节能与永续的生活环境，这就是目前一般普遍对于智慧化居住空间的解释。
　　无线感测技术(WSN)的优势
　　目前有部分智能家居应用技术除了使用WLAN或是PLC来当作资料与控制讯号传输的桥梁。一般WLAN的使用问题包括涵盖范围限制、电磁波都是众人关心的议题；而PLC最大的问题在于台湾地区老旧建筑过多，电力线的品质不易掌握，因此在传输品质与传输率无法获得保证，因此目前在台湾地区使用PLC控制方式的家庭应用并不算成功﹔加上消费者一向有装潢的习惯，因此除非在装潢之初就将未来会安装的设备全部考量，一旦装潢完成后要再加装任何设备几乎是不可能的。因为不管电源线或讯号线皆会影响原有装潢的美观，所以唯一的解决之道只有使用短距离无线传输网路技术或无线感测网路才能获得解决。而ZigBee为目前市场上最受到重视的通讯技术之一，至于其它较热门之短距离无线通讯技术之比较，其中性质最相近、且较常被并列而提的为ZigBee、主动式RFID技术与蓝牙(Bluetooth)三种技术，这三种技术皆适合拿来进行无线感测网路的开发与应用。
　　ZigBee技术介绍
　　ZigBee一般翻译为群蜂技术，ZigBee一词源自于蜜蜂(Bee)，系因蜜蜂看似随意在跳着字形舞，但实际上却是将有花和蜂蜜所在地的讯息正确的传达给其他蜜蜂。而ZigBee也具备相似的通讯能力，可以将讯息透过ZigBee网路传递给其他ZigBee装置。ZigBee包含了两种不同单位所制定的通讯规格，一个是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网路层、安全层、应用层以及各种应用产品的Profile；另外一个则是由IEEE所制定的IEEE802.15.4标准，定义了实体层以及媒体存取层。
　　ZigBee的应用市场依据ZigBeeAlliance所公布的应用市场范围界定，以目前的市场趋势来看，ZigBee在工业控制、建筑自动化两方面大有斩获，不论台湾、大陆甚至于国外皆有部分案例发生；目前亦开始有厂商使用ZigBee来当作远距医疗居家端的传输媒介，甚至于消费性电子亦开始有使用ZigBee来制作通用遥控器的趋势，以目前的发展状况来说，ZigBee已经渐渐上了轨道并趋势稳定。
　　以安全的课题来看，ZigBee在标准中定义了以128bitsAES作为其加∕解密的演算法，以基本安全考量而言，ZigBee已经提供了最安全的传输环境。针对无线传输方面的优势，ZigBee可以取代目前传统的控制传输方式，如传统保全感测器大多以有线方式建置，感测器本身必须连接电源线与讯号线，而ZigBee本身具备无线传输、低成本、低耗电特性，因此可以完全取代电源线与讯号线，这也是厂商愿意投入ZigBee应用市场的原因之一。
　　基于IEEE802.15.4的规格，ZigBeeAlliance定义网路层(NWK)、应用层(APS)与安全层(Security)规格。NWK最重要的工作，在于负责网路机制的建立与管理，并具有自我组态路由路径(SelfConfigure)，以及自我修复路由路径(SelfHealing)的功能。在NWK中，ZigBee定义了三种角色，第一个是网路协调者(WPANCoordinator)，负责网路的建立(WPANFormation)，以及网路位置(NetworkAddress)的分配；第二个是路由器(Router)，主要负责找寻、建立以及修复资料封包路由路径(RoutingPath)，并负责转送资料封包，同时也具有网路位置的分配的能力；最后一个是末端装置(EndDevice)，只能选择加入别人已经形成的网路(WPAN)，可以收送资料，但不能帮忙转送封包(Routing)。
　　其他无线感测技术的介绍
　　主动式RFID技术(ActiveRadioFrequencyIdentification)是一种以电池作为电力的来源，使辨识标签能主动发射无线电波，并透过主动式读取器读取标签内资讯，依据不同资讯进行不同应用。由于感应距离较长，比被动式RFID可靠度高，但是价格较为昂贵，且有电力上的考量，因此在实用上并没有被动式RFID好。主动式RFID主要使用的频率是433MHz及2.45GHz，而其读取器的读取距离最远可达到100公尺以上，可依据不同的条件，如考量便于人员携带、物品附着等因素，针对体积大小、材质与外形设计皆有不同考量，因此目前在市面上有许多不同的外形设计可供选择。蓝牙则是一种小范围的无线通讯网路，由Intel、Nokia、Ericsson、IBM及Toshiba国际大厂组成了SIG小组，并由Ericsson主导，共同发起蓝牙技术。在网路拓朴上，蓝牙设备可以组成“点对点”和“点对多点”的无线连接，其工作频段为2.45GHz，可提供电子元件在小范围网路中，以无线的方式相互连结传输，每个元件最多一次可同时连接另外七个元件。目前在家庭中的应用大多为蓝牙的天下，不过由于蓝牙价格还是偏高，加上电力消耗问题一直无法获得解决，因此目前已经有许多厂商改以ZigBee取代蓝牙装置的趋势出现。
　　ZigBee的实际安全应用
　　在无线感测网路应用中，发展最快也最容易被民众接受的是安全应用。依据经济部技术处“智慧化居住空间科技整合应用计画”调查分析，一般家庭对于智慧化设施与应用面的需求依序分别为：安全、健康、舒适便利，最后才是娱乐、环保与节能。其中的安全包含人身安全以及财物安全，民众目前普遍以住宅的社区管理、保全系统或监视系统来防范窃盗。
　　安全监控为众多需求中最重要也是最切身相关的一个问题。由于目前治安逐渐恶化，如何运用资通讯技术来协助安全管理成为一个重要议题。安全监控范围相当广，从人员进出控制、设备管理、环境监测、门禁管理等都包含在这个领域中。目前一般保全公司主要工作为协助住户、商店、大楼等进行安全管理，并防止歹徒的入侵，或是透过数种感测器，如烟雾侦测器、门窗磁簧开关、窗户破碎侦测装置等设备，来达到安全监控的目的。在安全应用中，除了传统的监控系统与监测设备外，目前询问度最高的应用即为定位应用服务(LocationBasedService,LBS)。
　　为一个运用ZigBee网路技术发展的定位系统架构图，透过身上配戴的ZigBee识别徽章，可运用定位系统掌握行踪，对于需要高安全性的场所，如高科技工厂、医院等皆适用，再搭配其他如摄影机、麦克风等设备，更可达到完整的安全监控系统运作等级。定位服务不仅可用于人员定位上，另外也可以针对高单价物品进行应用，如一些可携带的贵重仪器、古董等，透过物品定位系统可以到防窃、搜寻的功能；针对目前容易发生的老人、小孩、宠物迷失的状况，亦可设定一个虚拟围墙，一旦目标物件离开事先划定的区域，即可立刻发出警讯，并透过通讯系统通知相关人等与单位处理。定位应用服务除了传统的GPS定位外，在室内定位部分一直没有一个好的方式来使用。而运用ZigBee网路技术的定位方式在这一两年来经过博物馆、社区、医院与晶圆厂等地的实地验证后，已证实是可行的方案之一。
　　由于配戴于人员身上的定位装置可被取下，因此容易造成安全上的管理漏洞与盲点，若是使用在安全要求度高的场所则会有风险。所以理想的安全定位系统还必需再搭配其他的设备，如摄影机、麦克风等装置一同使用。简单来讲，当人员配戴定位装置时，由于定位系统会侦测到此区域的人员是谁，所以这时摄影机拍摄到的结果不会有任何问题；反之，若摄影机拍摄到人影，而定位系统没有侦测到任何定位讯息，则可推断此人应为入侵者，并立即做出警告反应。另一方面，若一个定位装置在同一地点停留过久，亦有可能是被取下丢弃，也可以用不正常的状况来判断。经由多种感测装置交叉判断，可以达到最佳安全保证的应用。
　　结语目前无线感测网路技术在全球皆为一个刚起步的境界，以ZigBee来说，拥有晶片研发厂商、模组生产厂商与ZigBeeStack开发厂商，就整体产业环境来讲，目前正是进入此领域市场的大好机会，相信一定可以在不久的将来开花结果。