ZigBee规范与系统设计需求剖析

2. 应用层规范

与产品使用紧密相关的，则是应用层的设计。ZigBee应用层包含应用程序支持子层(APS)、应用程序架构(AF)、ZigBee装置管控对象(ZDO)与各厂商定义的应用程序对象。此外，ZigBee还定义了应用规格(Application Profile)，它针对各种不同的应用情境定义出概略的行为蓝图，让特定应用中采用此规格的装置之间能够互相操作，例如只要家庭控制照明(Home Control Lighting, HCL)的应用规格，不同厂商的灯光开关也能用来控制各种的照明灯具。

为了保证产品之间的互操作性，目前有7个次团体正在制定ZigBee的公用规格(Public Profile)，一些有趣的应用领域及ZigBee解决方案包括：货物运送的资产管理、家庭看护监控、商用照明控制、旅馆空调系统(HVAC)能源管理、先进电表平台等。所有采用ZigBee公用规格的认证合格产品，都可以在此产品上使用ZigBee语言和标志。设备制造商也可以在公用规格之上加入额外的功能，以让他们的产品显得独特和具有加值性。此外，厂商也可以自己设计专属的规格，也就是在ZigBee兼容平台之上开发专属性的产品。目前ZigBee联盟提供三大测试项目，分别是ZigBee兼容性平台、ZigBee认证(ZigBee Certified)和ZigBee网络支持(ZigBee Network Capable)。

ZigBee系统需求

ZigBee节点往往仅需要一对AA电池就能工作大约一年甚至许多年，因此它的功耗必须很低，其软、硬件技术架构自然不能太过复杂。以网络协议栈来说，相较于802.11动辄需要1MB以上的程序内存，ZigBee对程序代码的空间需求很低，通常只需32KB至70KB，因此非常适用于无线控制及传感节点的单纯设计架构。


图4 ZigBee系统示意

除了无线的部分，在硬件架构上，目前业界与学界已发展出多套适合的硬件系统，包括：BTnode rev2/rev3、Imote/Imote2、Mica/Mica2/Mica2Dot/MicaZ、WiseNet等；常被采用的处理器则包括：ARM7、Atmel AVR、Xscale、Intel 8051、PIC、TI MSP430等。这类系统皆具有低成本、低功耗和微小化的特性。在软件方面，ZigBee协议必须执行在适当的嵌入式操作系统或实时操作系统(RTOS)之上。此类操作系统不需要如PC操作系统一般支持复杂的应用程序及使用者接口；由于在内存映像硬件支持上的限制，此类操作系统也不需或无法建置虚拟内存(virtual memory)的机制。

此外，由于无线控制及传感网络中最耗电的动作是数据的传送，因此这类软件需采用特殊的算法，通常是使用多点跳跃(multi-hop)的传送方式，也就是从一个节点传到另一个节点，一直往基地台的目的地传送，进而能将单次的传输功耗降到最低。

另一个重要的设计机制是为节点加入休眠功能，也就是当设备不需传感、控制或传送数据时，就让此节点进入休眠的模式。但开关收发器(亦即进入睡眠状态或结束睡眠状态)也会造成不小的功率损耗，因此如何安排节点的休眠时间表(scheduling)也成为一项重要的研究课题。

结语

以电子设备为中心的网络规模其实是远远大于以人为中心的信息及娱乐性网络。在家庭、办公室、工业环境、医疗院所等等地方已使用了太多的电子设备，而另一种以传感用途为主的设备也开始广为布建，当这些节点具备了网络连结与控制的能力，将对人类的生活产生极为巨大的影响。

从温度、湿度、照明、运动到影像，各种想得到的传感组件都已出现商业化的产品。利用这些传感器建立起的无线传感网络，具有监控、追踪和控制等基本功能，用得到的场合难以尽数，例如住宅监控、对象追踪、核反应堆控制、火警侦测、交通流量监控等等。ZigBee为这些应用提供了极为理想的无线传输基础，然而应用上的落实还在起步阶段。除了ZigBee之外，还有多项竞争性的技术在发展中，例如强调比ZigBee更精简的Z-wave，蓝牙的精简版Bluetooth Lite及互补的Wibree，其中Wibree由Nokia主导，强调能提供十倍于蓝牙的效率，其输出功率将只有-6dBm。这些技术的竞争对于市场发展有良性的帮助，而且此应用领域太广了，不同的技术可能适合于特定的应用领域。