ZigBee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線智能家居遠(yuǎn)景

ZigBee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線智能家居遠(yuǎn)景
轉(zhuǎn)發(fā)：唐勤強(qiáng)
ZigBee為目前市場(chǎng)上相當(dāng)受到重視的無線通訊技術(shù)之一，而這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)也便于實(shí)現(xiàn)智能家居中的各項(xiàng)應(yīng)用，本文特別從其技術(shù)面為您細(xì)細(xì)分析，讓您了解ZigBee技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)景！
　　智能家居的概念至今已十余年，但目前在全球依舊無法普及的原因主要在于：解決方案價(jià)格昂貴、缺乏相關(guān)產(chǎn)品設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施布建困難，與無明確共通標(biāo)準(zhǔn)遵循，以上幾點(diǎn)原因，大約可涵蓋智能家居至今無法成功的八成因素。傳統(tǒng)的智能家居大約可分為幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：個(gè)人電腦、家庭影音娛樂、自動(dòng)化控制、家庭安全、語音應(yīng)用、網(wǎng)路通訊等。想像在一個(gè)未來的世界，你是一個(gè)獨(dú)居在外的單身貴族，在公司下班之前你撥了通電話，連線至家中的家庭網(wǎng)路伺服器，透過家庭網(wǎng)路伺服器下命令給連結(jié)在家庭網(wǎng)路中的各式設(shè)備，利用語音訊息傳達(dá)各種命令指揮每一種設(shè)備。于是，在你回到家后，家里的電燈已經(jīng)點(diǎn)亮，冷氣、微波爐、烤箱等家用電器也已經(jīng)依照指令正確運(yùn)作，這就是數(shù)位網(wǎng)路家庭運(yùn)作模式的寫照。
　　智慧化居住空間的領(lǐng)域
　　未來智慧化居住空間的發(fā)展策略方向，最終目的是讓在此環(huán)境居住的人們，享有安全、健康、便利及舒適的生活品質(zhì)，并配合資訊電子與通訊產(chǎn)業(yè)技術(shù)與平臺(tái)開發(fā)使得普及運(yùn)算概念于智慧化居住空間或環(huán)境中實(shí)現(xiàn)?？萍忌罨母拍?，其范疇包括智慧家庭、智慧建筑、智慧社區(qū)與智慧都市。在應(yīng)用上短期將以安全監(jiān)控、能源管理、健康照護(hù)為優(yōu)先。簡(jiǎn)單來說，智慧化居住空間可簡(jiǎn)單分為三個(gè)領(lǐng)域：家庭與社區(qū)空間、辦公室與大樓空間及公眾環(huán)境空間。家庭與社區(qū)空間包含一般住宅，公寓、集合式大樓、獨(dú)棟住宅等；辦公室與大樓空間包含辦公室、辦公大樓等；公眾環(huán)境空間包含博物館、展覽館、購物中心、醫(yī)院、政府機(jī)關(guān)等。建筑物導(dǎo)入電子、電機(jī)、資訊、通訊及自動(dòng)化等相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)，建構(gòu)主動(dòng)感知及滿足使用者需求之生活空間，以創(chuàng)造安全、健康、便利、舒適、節(jié)能與永續(xù)的生活環(huán)境，這就是目前一般普遍對(duì)于智慧化居住空間的解釋。
　　無線感測(cè)技術(shù)(WSN)的優(yōu)勢(shì)
　　目前有部分智能家居應(yīng)用技術(shù)除了使用WLAN或是PLC來當(dāng)作資料與控制訊號(hào)傳輸?shù)臉蛄?。一般WLAN的使用問題包括涵蓋范圍限制、電磁波都是眾人關(guān)心的議題；而PLC最大的問題在于臺(tái)灣地區(qū)老舊建筑過多，電力線的品質(zhì)不易掌握，因此在傳輸品質(zhì)與傳輸率無法獲得保證，因此目前在臺(tái)灣地區(qū)使用PLC控制方式的家庭應(yīng)用并不算成功﹔加上消費(fèi)者一向有裝潢的習(xí)慣，因此除非在裝潢之初就將未來會(huì)安裝的設(shè)備全部考量，一旦裝潢完成后要再加裝任何設(shè)備幾乎是不可能的。因?yàn)椴还茈娫淳€或訊號(hào)線皆會(huì)影響原有裝潢的美觀，所以唯一的解決之道只有使用短距離無線傳輸網(wǎng)路技術(shù)或無線感測(cè)網(wǎng)路才能獲得解決。而ZigBee為目前市場(chǎng)上最受到重視的通訊技術(shù)之一，至于其它較熱門之短距離無線通訊技術(shù)之比較，其中性質(zhì)最相近、且較常被并列而提的為ZigBee、主動(dòng)式RFID技術(shù)與藍(lán)牙(Bluetooth)三種技術(shù)，這三種技術(shù)皆適合拿來進(jìn)行無線感測(cè)網(wǎng)路的開發(fā)與應(yīng)用。
　　ZigBee技術(shù)介紹
　　ZigBee一般翻譯為群蜂技術(shù)，ZigBee一詞源自于蜜蜂(Bee)，系因蜜蜂看似隨意在跳著字形舞，但實(shí)際上卻是將有花和蜂蜜所在地的訊息正確的傳達(dá)給其他蜜蜂。而ZigBee也具備相似的通訊能力，可以將訊息透過ZigBee網(wǎng)路傳遞給其他ZigBee裝置。ZigBee包含了兩種不同單位所制定的通訊規(guī)格，一個(gè)是由ZigBeeAlliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)路層、安全層、應(yīng)用層以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的Profile；另外一個(gè)則是由IEEE所制定的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，定義了實(shí)體層以及媒體存取層。
　　ZigBee的應(yīng)用市場(chǎng)依據(jù)ZigBeeAlliance所公布的應(yīng)用市場(chǎng)范圍界定，以目前的市場(chǎng)趨勢(shì)來看，ZigBee在工業(yè)控制、建筑自動(dòng)化兩方面大有斬獲，不論臺(tái)灣、大陸甚至于國外皆有部分案例發(fā)生；目前亦開始有廠商使用ZigBee來當(dāng)作遠(yuǎn)距醫(yī)療居家端的傳輸媒介，甚至于消費(fèi)性電子亦開始有使用ZigBee來制作通用遙控器的趨勢(shì)，以目前的發(fā)展?fàn)顩r來說，ZigBee已經(jīng)漸漸上了軌道并趨勢(shì)穩(wěn)定。
　　以安全的課題來看，ZigBee在標(biāo)準(zhǔn)中定義了以128bitsAES作為其加∕解密的演算法，以基本安全考量而言，ZigBee已經(jīng)提供了最安全的傳輸環(huán)境。針對(duì)無線傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，ZigBee可以取代目前傳統(tǒng)的控制傳輸方式，如傳統(tǒng)保全感測(cè)器大多以有線方式建置，感測(cè)器本身必須連接電源線與訊號(hào)線，而ZigBee本身具備無線傳輸、低成本、低耗電特性，因此可以完全取代電源線與訊號(hào)線，這也是廠商愿意投入ZigBee應(yīng)用市場(chǎng)的原因之一。
　　基于IEEE802.15.4的規(guī)格，ZigBeeAlliance定義網(wǎng)路層(NWK)、應(yīng)用層(APS)與安全層(Security)規(guī)格。NWK最重要的工作，在于負(fù)責(zé)網(wǎng)路機(jī)制的建立與管理，并具有自我組態(tài)路由路徑(SelfConfigure)，以及自我修復(fù)路由路徑(SelfHealing)的功能。在NWK中，ZigBee定義了三種角色，第一個(gè)是網(wǎng)路協(xié)調(diào)者(WPANCoordinator)，負(fù)責(zé)網(wǎng)路的建立(WPANFormation)，以及網(wǎng)路位置(NetworkAddress)的分配；第二個(gè)是路由器(Router)，主要負(fù)責(zé)找尋、建立以及修復(fù)資料封包路由路徑(RoutingPath)，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送資料封包，同時(shí)也具有網(wǎng)路位置的分配的能力；最后一個(gè)是末端裝置(EndDevice)，只能選擇加入別人已經(jīng)形成的網(wǎng)路(WPAN)，可以收送資料，但不能幫忙轉(zhuǎn)送封包(Routing)。
　　其他無線感測(cè)技術(shù)的介紹
　　主動(dòng)式RFID技術(shù)(ActiveRadioFrequencyIdentification)是一種以電池作為電力的來源，使辨識(shí)標(biāo)簽?zāi)苤鲃?dòng)發(fā)射無線電波，并透過主動(dòng)式讀取器讀取標(biāo)簽內(nèi)資訊，依據(jù)不同資訊進(jìn)行不同應(yīng)用。由于感應(yīng)距離較長(zhǎng)，比被動(dòng)式RFID可靠度高，但是價(jià)格較為昂貴，且有電力上的考量，因此在實(shí)用上并沒有被動(dòng)式RFID好。主動(dòng)式RFID主要使用的頻率是433MHz及2.45GHz，而其讀取器的讀取距離最遠(yuǎn)可達(dá)到100公尺以上，可依據(jù)不同的條件，如考量便于人員攜帶、物品附著等因素，針對(duì)體積大小、材質(zhì)與外形設(shè)計(jì)皆有不同考量，因此目前在市面上有許多不同的外形設(shè)計(jì)可供選擇。藍(lán)牙則是一種小范圍的無線通訊網(wǎng)路，由Intel、Nokia、Ericsson、IBM及Toshiba國際大廠組成了SIG小組，并由Ericsson主導(dǎo)，共同發(fā)起藍(lán)牙技術(shù)。在網(wǎng)路拓樸上，藍(lán)牙設(shè)備可以組成“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”和“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的無線連接，其工作頻段為2.45GHz，可提供電子元件在小范圍網(wǎng)路中，以無線的方式相互連結(jié)傳輸，每個(gè)元件最多一次可同時(shí)連接另外七個(gè)元件。目前在家庭中的應(yīng)用大多為藍(lán)牙的天下，不過由于藍(lán)牙價(jià)格還是偏高，加上電力消耗問題一直無法獲得解決，因此目前已經(jīng)有許多廠商改以ZigBee取代藍(lán)牙裝置的趨勢(shì)出現(xiàn)。
　　ZigBee的實(shí)際安全應(yīng)用
　　在無線感測(cè)網(wǎng)路應(yīng)用中，發(fā)展最快也最容易被民眾接受的是安全應(yīng)用。依據(jù)經(jīng)濟(jì)部技術(shù)處“智慧化居住空間科技整合應(yīng)用計(jì)畫”調(diào)查分析，一般家庭對(duì)于智慧化設(shè)施與應(yīng)用面的需求依序分別為：安全、健康、舒適便利，最后才是娛樂、環(huán)保與節(jié)能。其中的安全包含人身安全以及財(cái)物安全，民眾目前普遍以住宅的社區(qū)管理、保全系統(tǒng)或監(jiān)視系統(tǒng)來防范竊盜。
　　安全監(jiān)控為眾多需求中最重要也是最切身相關(guān)的一個(gè)問題。由于目前治安逐漸惡化，如何運(yùn)用資通訊技術(shù)來協(xié)助安全管理成為一個(gè)重要議題。安全監(jiān)控范圍相當(dāng)廣，從人員進(jìn)出控制、設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、門禁管理等都包含在這個(gè)領(lǐng)域中。目前一般保全公司主要工作為協(xié)助住戶、商店、大樓等進(jìn)行安全管理，并防止歹徒的入侵，或是透過數(shù)種感測(cè)器，如煙霧偵測(cè)器、門窗磁簧開關(guān)、窗戶破碎偵測(cè)裝置等設(shè)備，來達(dá)到安全監(jiān)控的目的。在安全應(yīng)用中，除了傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)設(shè)備外，目前詢問度最高的應(yīng)用即為定位應(yīng)用服務(wù)(LocationBasedService,LBS)。
　　為一個(gè)運(yùn)用ZigBee網(wǎng)路技術(shù)發(fā)展的定位系統(tǒng)架構(gòu)圖，透過身上配戴的ZigBee識(shí)別徽章，可運(yùn)用定位系統(tǒng)掌握行蹤，對(duì)于需要高安全性的場(chǎng)所，如高科技工廠、醫(yī)院等皆適用，再搭配其他如攝影機(jī)、麥克風(fēng)等設(shè)備，更可達(dá)到完整的安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)作等級(jí)。定位服務(wù)不僅可用于人員定位上，另外也可以針對(duì)高單價(jià)物品進(jìn)行應(yīng)用，如一些可攜帶的貴重儀器、古董等，透過物品定位系統(tǒng)可以到防竊、搜尋的功能；針對(duì)目前容易發(fā)生的老人、小孩、寵物迷失的狀況，亦可設(shè)定一個(gè)虛擬圍墻，一旦目標(biāo)物件離開事先劃定的區(qū)域，即可立刻發(fā)出警訊，并透過通訊系統(tǒng)通知相關(guān)人等與單位處理。定位應(yīng)用服務(wù)除了傳統(tǒng)的GPS定位外，在室內(nèi)定位部分一直沒有一個(gè)好的方式來使用。而運(yùn)用ZigBee網(wǎng)路技術(shù)的定位方式在這一兩年來經(jīng)過博物館、社區(qū)、醫(yī)院與晶圓廠等地的實(shí)地驗(yàn)證后，已證實(shí)是可行的方案之一。
　　由于配戴于人員身上的定位裝置可被取下，因此容易造成安全上的管理漏洞與盲點(diǎn)，若是使用在安全要求度高的場(chǎng)所則會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。所以理想的安全定位系統(tǒng)還必需再搭配其他的設(shè)備，如攝影機(jī)、麥克風(fēng)等裝置一同使用。簡(jiǎn)單來講，當(dāng)人員配戴定位裝置時(shí)，由于定位系統(tǒng)會(huì)偵測(cè)到此區(qū)域的人員是誰，所以這時(shí)攝影機(jī)拍攝到的結(jié)果不會(huì)有任何問題；反之，若攝影機(jī)拍攝到人影，而定位系統(tǒng)沒有偵測(cè)到任何定位訊息，則可推斷此人應(yīng)為入侵者，并立即做出警告反應(yīng)。另一方面，若一個(gè)定位裝置在同一地點(diǎn)停留過久，亦有可能是被取下丟棄，也可以用不正常的狀況來判斷。經(jīng)由多種感測(cè)裝置交叉判斷，可以達(dá)到最佳安全保證的應(yīng)用。
　　結(jié)語目前無線感測(cè)網(wǎng)路技術(shù)在全球皆為一個(gè)剛起步的境界，以ZigBee來說，擁有晶片研發(fā)廠商、模組生產(chǎn)廠商與ZigBeeStack開發(fā)廠商，就整體產(chǎn)業(yè)環(huán)境來講，目前正是進(jìn)入此領(lǐng)域市場(chǎng)的大好機(jī)會(huì)，相信一定可以在不久的將來開花結(jié)果。