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IEEE80215x
IEEE802.15.4/4a/4bZigBee将「赶尽杀绝」红外线遥控器?
IEEE802.15.4/4a/4b
ZigBee将「赶尽杀绝」红外线遥控器?
(郭长佑/DigiT)
2005/04/18
导言
先让我们从生活中的小沮丧讲起吧!
过去各位在家中用遥控器操作电视机、录放机、冷气机等家电时,总有几次是按钮之后却不灵光的经验吧?
通常是角度不对的问题,修正一下方位再按一次即可,有时要试个两、三次才有效,虽然麻烦但也不觉得有大碍,久了其实也习惯且训练有素。
图说:
ZigBee与其它无线通讯间有不同的诉求定位。
(资料来源/ZigBee.org)
小麻烦不仅于此,各位用遥控器操作冷气机,可以从遥控器上的液晶显示来了解室温、风强风弱等现有状态,但其实这些状态信息并非来自冷气机,而是遥控器端的自有侦测、推算,更直接地说,即是红外线遥控器不只有前述的方位操作问题,还有单向运用的限制,诸位的录放机遥控器上就多半不具液晶显示功能,液晶显示设在录放机上,有时录放机放得太远,无法从沙发上看清机器上头的状态信息,还得趋前才能看个仔细(如:
看这个带子已播放多久时间了?
)。
如果更换遥控器的遥控技术,改用RF无线电取代IR红外线,就没有操作方位的问题,同时具双向性,不仅发送遥控信号,也可接收家电的状态信息而直接在遥控器上呈现,省得再离开沙发,这样岂不理想?
这样的想法过去即有,但在实现上却有些难处,主要是因为红外线遥控器太省电、太低廉,使无线电遥控器难以取代普及,无线电遥控器的耗电比只能撑上3、5天的手机好些,约与无线鼠标、无线键盘的待机时间相近,2~4颗电池只能抵挡1~2个月的使用,相同电量的红外线遥控器却多半可以跨年使用,约1~2年不用换电池,甚至更长。
其次,现阶段无线电遥控器也比红外线遥控器贵上数倍,红外线版一个只要一、二百元,无线电版一个却要千余或近千,加上近年来各式家电杀价竞争,采行无线电遥控器的机会自然更低。
不过,这样的情形将开始转变,2002年8月由多家业者发起的ZigBee联盟,以IEEE802.15.4规范(于2000年12月开始制订)为基础,希望发展、推广低用电、低成本的无线传输新规,且针对现有各式感应、监视、控制等应用进行最佳化设计,受用领域不单是消费性电子(随身听线控去除)、影音家电等的遥控器,也包括工业监控(感应/传感器、监督/控制板)、玩具游戏(电子宠物遥控、掌上电玩对战)、家庭自动化(空调、照明、保全)、医疗器材(检验/化验仪器、病床/病况监视)、信息外围(鼠标、键盘、摇杆)等。
ZigBee首版规范已于2004年12月正式颁布,预计首波的市场及应用将在2005年成长起飞。
图说:
ZigBee主用于感测、感应、监督、控制等应用的传递,应用范畴跨及医疗、工业、家庭、信息等多种领域。
(资料来源/ZigBee.org)
从IEEE802.15家族谈起
如同Wi-Fi成功模式的复制,ZigBee通讯的最底两层:
PHY、MAC是以IEEE规范为基础,业者所结合成立的ZigBee联盟则负责规范测试(接受业者付费送测,验证其商品是否符合IEEE规范)、互通测试(一样付费送测,验证是否能与其它已合格商品正确互通)、更高层次的实现应用示范及建议(加入联盟会员,可取得网络层、应用层、安全设计等实现示范)、以及市场推广(发给商品合格标章,宣导与鼓励消费者购买通过测试的商品,以避免不必要的兼容、互通风险)等工作。
图说:
ZigBee联盟与IEEE机构间于通讯协议层级上的分工图,最高层的应用则由各开发设计业者自由发挥。
(资料来源/ZigBee.org)
附注:
ZigBee在正式定名前还有其它称呼,如:
PURLnet、RF-Lite、RF-EasyLink、Firefly、HomeRFLite等,可在较早期的文章中发现。
附注:
之所以命名为ZigBee,是由于工蜂回巢后告知同伴们哪里有花粉时,会以转圈的舞蹈来表示,此种舞蹈称为:
Zigzag,而蜜蜂称为:
Bee,字词上拆解、混接便成了:
ZigBee。
前面已述,ZigBee以IEEE802.15.4为基础,IEEE802.15系列属无线个人区域(WirelessPersonalAreaNetwork;WPAN,个人周遭的领域、范畴)网络的制订,与ZigBee同属短距传输的还有Bluetooth、WiMEDIA/UWB等,下表简列及简述各式WPAN的标准依据:
由于Wi-Fi的后起超越,因此Bluetooth(蓝芽)将日后发展目标从WLAN转成WPAN,除此之外,IEEE机构将802.15.3设定为高速运用(HR-WPAN,HR=HighRate),将802.15.4设定为低速运用(LR-WPAN,LR=LowRate),由此可知,ZigBee不只是低用电、低成本(此两者也间接意味着技术实现上的低复杂度),而且是以低传速为诉求,主要用在传递讯息、文字、数字、最多是表格等信息,至于语音、影像、多媒体、档案等则不在其列。
更重要的是,ZigBee强调数据的正确性、完整传递性,不容许因传递而造成信息内容的偏误,且每笔传输都要确保确实送抵。
ZigBee技术特性描述
ZigBee专精在感测讯息、控制讯息的传递,所以它与其它通讯标准有诸多的特性差异。
首先是希望能在小区域内密布使用,每个具有ZigBee传输功能的传感器、装置都可称为一个ZigBee网络中的节点(Node),最初的设定是一个ZigBee网络内最多能有255个节点(主控节点x1,受控节点x254),但最后的底定是允许达65,535个Node,事实上这个数字还是经过收敛的务实作法,正规的IEEE802.15.4最多可到64-bit寻址,ZigBee缩减成16-bit寻址,此称为ShortAddress。
接着是ZigBee的网络连系型态(指:
拓朴Topology),绝大多数的无线网络都只采行Star(星状、放射状)方式,而ZigBee则较为灵活,除Star状外也可用Peer-to-Peer(成对配接,如电视配电视遥控器、冷气配冷气遥控器,互无关连)的方式,不过Star、Peer-to-Peer是使用、应用层面的逻辑拓朴,而更底层的实际沟通、联系运作的拓朴则允许用各种复杂且多样变化的连接,如ClusterTree(丛串树状)、ClusterStar(丛串星状)、Mesh(杂网状)、Hybrid(杂混状)。
图说:
ZigBee允许各种活化、变通的通讯连接架构。
(资料来源/ZigBee.org)
附注:
按理而言无线传输的ZigBee没有收发角度、方位性等限制,但为了能更平顺取代红外线,有些红外线传输的应用反而是利用角度方位限制的特性(如:
玩具靶、玩具枪),对此ZigBee也提供方位性功能,但为选用功能。
再来是传输的方式,ZigBee有3种传输法:
反复性、间歇性、周期性,3种特性各适合不同的应用,对温度传感器而言,温度每增减一度就会回报一次,适合用反复性传输;至于照明开关是不定期使用,适合间歇性;而鼠标每秒都必须有一定的坐标信息传量,定时定量传送适合周期性。
附注:
保证实时送抵的传输方式,在ZigBee中亦属选用功能,且必须在MAC层上改用特有的超级讯框(Superframe),在定期传输中以具保证性的传输时槽(GuaranteedTimeSlot;GTS)来传输数据。
由于ZigBee诉求低数据传量,因此对QoS的需求也就不高。
前面谈到节点与网络,在此我们要更进一步了解节点角色与网络运作,严格来说节点还可区分为2:
全配(FullFunctionDevice;FFD)或简配(ReducedFunctionDevice;RFD),两者主要有3项差别:
1.FFD可用各种实体拓朴方式连接,RFD只能用星状连接。
2.FFD可充当协调者(Coordinator,具调协功用的节点),RFD则否。
3.FFD可与网络中各种节点通讯,RFD只能与协调者通讯。
为何要有两种节点?
其实是为了有更简单、便宜的ZigBee实现法,节省开发设计时的心力,也降低制造量产时的花费。
至于前面所说的「协调者」为何物?
此物攸关ZigBee网络的运作,是ZigBee网络能多样性相连、活化性扩接的关键,是整个ZigBee网络中的中坚,但却默默运作于无形。
在实际的通讯运作上,所有的FFD节点、RFD节点都要与协调者(也属一个节点)相连,然后再由协调者与其它协调者(节点)相连,如此讯息才能相互传递,协调者扮演着讯息中继(Repeat)、路由(Route)的角色,然而协调者在逻辑层面上却可视为隐形,无论实际的连接、传递架构有多复杂,透过一个或多个协调者的协力合作,可在操作、运用层面上营造出直接、简易的连接感受(即:
虚拟式的联机,VirtualLink),如:
一对一配对连接、星状放射多接。
图说:
ZigBee装置有完整功能、简易功能之别,实际的沟通传输运作皆透过协调者,但在通讯应用上却感受不到协调者的存在。
(资料来源/ZigBee.org)
另外,FFD、RFD都是实际的传感器或应用装置,但已经充当FFD的协调者就不再是个感测、应用装置,而是维持整个ZigBee网络正常运作的一个无形枢纽,笔者认为FFD、RFD可称为应用节点,而协调者可称为运作节点。
以下我们将应用Node与运作Node的各种特性详列:
■应用节点(FFD、RFD)
1.一般而言其用电取自电池。
2.会自动搜寻周遭是否有ZigBee网络可以加入。
3.为嵌入、依附的传感器、应用物传递信息。
4.决定资料何时该发送,何时该暂时持留等候。
5.向协调者发出需求,要求协调者协助其收发信息。
6.在没有收发工作时,可进入休眠状态以求省电。
■运作节点(Coordinator)
1.能找寻、辨识其它的协调者,并能与其它协调者相连或相切,以此实现与变化各种连接法。
2.负责网传的各种设定,如传输速度、传输范畴。
3.管理与其相连的各节点,允许节点的加入、移除。
4.储存与其相连的节点信息,如:
应用装置的属性、以及需要以何种传输方式运作。
5.储存配对信息,如前述的电视对应电视遥控器、冷气对应冷气遥控器。
6.不断保持接收,接收与其相连的各节点信息,并在接获后进行因应动作。
至于更具体的设计实现为何呢?
无论FFD、FFD、还是Coordinator,其运算上都只要一颗8-bituP即可(如:
8051之类的微控器),而内存资源方面,FFD节点的ZigBee协议堆栈(ProtocolStack)也只要32KBROM便可容纳,RFD节点更是只要低至4KB。
相对于ZigBee的其它无线通讯,无论是Wi-Fi、Bluetooth,都至少要用上ARM架构的处理器核心,无法用8-bituP来实现。
此处所说的协议堆栈,其实是指PHY层、MAC低层已使用硬件芯片方式实现,具体范畴是从MAC高层、网络层、安全、到应用程序接口(ApplicationInterface;API)、应用程序框架(ApplicationFramework)等的部份,也不含更高层的开发应用。
附注:
Coordinator间进行讯息广播、再转递等动作,在ZigBee文件中有个特别用词:
Beacon(明灯、烽火台)。
另外,若希望实现协调者,则须具备与FFD相同的ROM资源外,还要有较多的RAM空间,用来储存协调运作时所需的信息,包括节点的描述信息、节点的配对表、传输运作所需的信息等。
ZigBee的无线传输表现
不可免俗的,ZigBee既为无线通讯,就必须了解它所用的频段、信道、频宽、调变、传速、传距等表现。
ZigBee可使用的频段有3:
全球的2.4GHz(属ISM)、美国的915MHz、欧洲的868MHz(属ISM)。
对应到IEEE802.15.4中则是由两种不同的PHY层来实现,一种用来实现2.4GHz,另一种用来实现868MHz及915MHz。
在通道数目上,2.4GHz频段有16个通道,915MHz有10个,868MHz则仅1个,而通道间的抗干扰相隔方面,2.4GHz为5MHz,915MHz为2MHz。
图说:
ZigBee可用于3种频段,且各频段适用的国度、传速也各有不同。
(资料来源/ZigBee.org)
附注:
ISM为缩写,所指的是Industrial(工业)、Scientific(科学)、Medical(医疗)等无线用途,不是军事用或保留于急难时使用。
在调变方面,由于ZigBee不强调高速,也就不需要使用波形复杂、每频率信息含带量较大的调变法,868MHz与915MHz都用BPSK调变,2.4GHz则用QPSK调变。
传速方面与频段直接对应,2.4GHz为250kbps,915MHz为40kbps,868MHz为20kbps。
而为了降低ZigBee与同频段其它无线应用间的干扰,ZigBee采行与Wi-Fi相同的直接展频法(DirectSequenceSpreadSpectrum;DSSS),而不是Bluetooth所用的跳频法(FrequencyHoppingSpreadSpectrum;FHSS)。
附注:
Wi-Fi的抗干扰方式可用DSSS也可用FHSS,但之后普遍使用DSSS。
在同时有多个客户端需要传输服务时,ZigBee所用的多重存取(笔者较倾向用:
多方存取)法有两种:
CSMA-CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,载波感测多重存取,碰撞避免式)或TDMA(TimeDivisionMultipleAccess,分时多重存取),一般而言使用CSMA-CA,只有讲究送抵时效性的周期性传输会改用TDMA,但也会降低ZigBee的省电效果。
分时性的TDMA不用笔者多作解释,过去已有诸多文章说明,倒是CSMA-CA较为特别,字样上与最早期Ethernet所用的CSMA-CD似乎只差一个字母,没错!
原理上两者也是相近,只是CSMA-CD只适合于实线传输,而难用于无线传输,但相同概念变通后便成为CSMA-CA。
CSMA-CD是侦测载波电压来研判线路目前是否被占用,倘若有人占用,则休等一段时间再进行侦测,直到侦测无人使用才正式占用并传送,而休等的时间要多久则由随机数任意决定。
有意思的是,CSMA-CA将上述法则倒逆运用,先侦测无线路径上是否有人在发波使用,一旦侦测到无人使用才开始进行休等,否则会持续不断地侦测,至于休等时间一样取决于随机数,但是随机数并非如CSMA-CD般持续不断倒数,倒数过程中仍会不断侦测是否有人占用,若有人占用则暂停倒数动作,但仍保持暂停时的递减数字,直至又恢复无人占用时才接续之前暂停的倒数工作,一直到倒数结束,才正式占用路径、进行传输。
此外,ZigBee重视每笔传输的完整性,一律采行交握式(handshaking)传输,接收的一方在收到数据后一定要回送确认(Acknowledgement,通常简写成:
Ack)讯号给原发送方,表示确实收到(类似邮寄的双挂号),否则会再重新发送。
另外ZigBee也有传输加密的安全防护,采行128-bitAES(AdvancedEncryptionStandard)算法,但此安全防护功能仍可由应用开发设计者自己决定是否使用,设计者也可在应用层上改用自己的加密防护法。
上述的表现都还算具体,比较模糊的是传距与用电,ZigBee的单段传距从10m、30m、75m、100m等说法都有,甚至有300m,莫衷一是,不同频段、不同功率都有所不同。
不过,即便传距不足,也可透过Coordinator来延伸续传,倒是IEEE802.15.4a有意提出原有ZigBee的两种PHY之外的第三种,将针对传距延伸、移动通讯、传输韧性等方面强化。
IEEE802.15.4a于2005年提案,目前仍在制订阶段,预计2007年5月完成。
4a之外还有4b,4b的第一份草案已于2004年11月完成,将针对原有的MAC、PHY进行强化,MAC方面包括可采行分布式的时序运作法(现有为同步、集中式的时序运作)、更高的安全性、更低的实现复杂度,PHY方面希望再辟增一个频段,目前计划是1GHz,专供欧洲、日本、中国地区使用,IEEE802.15.4b推估在2005年11月正式发布。
另一个粗略答案是用电,不过这与最后的具体应用紧密关连,没有具体答案实可谅解,ZigBee的用电时间从100天(3个月)到1,000天(3年),另一说法是至少6个月,亦有说可至2年,总之企求尽可能省电与长时间。
附注:
ZigBee除强调省电也强调运作反应性,辨识其它子网并与之接轨只要30mS时间,应用节点从休眠状态唤醒只要15mS。
结论
专精于低传速、低成本、低复杂、低用电的ZigBee是否一定会成功?
眼前似乎尚未明朗,虽然ZigBee联盟极力澄清ZigBee与Bluetooth互不冲突,但同为WPAN定位必然有程度上的相迭,过去Bluetooth被寄予过多厚望,为满足各式应用而致使协议堆栈复杂,如今为了因应ZigBee,Bluetooth制订机构也祭出阳春化的BluetoothLite,同时另有业者成立Z-Wave联盟及规格,强调比ZigBee更低用电、低成本。
看来要想争夺、确立LR-WPAN的主流地位,仍要几场硬仗才能见真章。
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