智能家庭的物联网连接：论ZigBee技术与应用
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无线网络的规格种类繁多，像是最常见的Wi-Fi，则属于高速的传输标准，以无线区域网络(WLAN)让移动设备无线化的连接，得以实现。至于在智能家庭、智能建筑、无线传感网络等领域，则大多不是采用Wi-Fi，而是采用ZigBee的技术来做传输。ZigBee以短距离、低功耗、低成本等特色，打入家庭控制与自动化市场，亦获得不少厂商的采用与导入。接着让我们深入了解ZigBee的技术与应用…
ZigBee是一种短距低功耗的无线通讯协定标准，最早系由美国Honeywell公司所提出，于1998年开始构思与发展，推出一种能够自我组网(Self Organization)的无线点对点(ad-hoc)网络标准，其所成立的ZigBee Alliance商业组织，于2001年向电机电子工程师学会(IEEE)提案纳入IEEE 802.15.4标准规范之中，并于2005年正式发布ZigBee 1.0(又称ZigBee 2004)的工业规范，自此ZigBee渐渐成为各业界共通的低速短距无线通讯技术之一。
ZigBee发展到1.2版，将应用标准向外扩及，延伸到家庭娱乐与控制、无线传感网络(WSN)、工业控制、嵌入式传感、医疗数据蒐集、烟幕与擅闯警示，与建筑自动化等领域，并有各式各样的应用层标准(Profile Class)，当物联网(IoT)时代来临，ZigBee联盟推出2.0版，主打智能能源规范。
更将于2015年正式推出3.0版，将过去各装置的不同ZigBee标准统一，让应用之间具备高度互通性、传输安全，同时维持其低功耗的优势，为物联网提供最到位的产业标准。
ZigBee技术简述 低耗短距低成本、有多种网络拓朴
ZigBee基于WPAN(Wireless Personal Area Network；无线个人区域网络)的应用，其底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取控制层(Media Access Control Layer；MAC)与实体层(Physical Layer；PHY)。
主要特色有短距离(50米内)、低速率(250Kbps)、低耗电、低成本、低复杂度、安装快速、可靠、安全，可支持大量网络节点(高达65,000个)，以及支持多种网络拓扑(如Star星状、Cluster Tree 簇树状、Mesh网状)。
由于ZigBee的网络拓朴跟网际网络那样，具有多种传输途径，每个ZigBee节点本身可以撷取数据，或传递来自其他节点的数据。
因此当一个ZigBee网络节点被移除或是断讯，其周遭的ZigBee装置能够透过ZigZag(蜿蜒曲折)的传输方式、如同大黄蜂那样的连接到其目的地(Zigzag like a Bee)，这也就是ZigBee的名称由来。更是被业界视为智能建筑(Smart Building)、物联网(IoT)最广泛的协定之一。
当今的家电控制、物件识别、医疗照护、建筑自动化、WSN等IoT应用，很多都不需要用到高耗电的Wi-Fi传输协定，而蓝牙的成本又较高，因此业界大都选择低耗电、使用一个钮扣电池即可运作长达1年的ZigBee无线通讯标准，来建构该领域专属的WPAN网络。ZigBee的节点角色，可分为FFD(Full Function Device；全功能装置)与RFD(Reduced Function Device；缩减功能装置)两种。
FFD可在星状或网状的网络拓朴中，与任何一个节点沟通，可担任整个ZigBee网络的控制中心(即Coordinator)，或者负责担任延展整个网络的中继路由器(即Router)，因此必须拥有IEEE 802.15.4 MAC层的全部功能。至于RFD则是属于整个ZigBee网络中的末端装置(即End Device)，只能点对点沟通，其可省略IEEE 802.15.4 的MAC层功能，因此耗费的存储器与电源更小。
ZigBee使用的频段有3个：ISM的2.4GHz(全世界共通频段标准，数据传输率250Kbps，16组频道)、915MHz频段(欧洲采用，数据传输率20Kbps，1组频道)、868MHz频段(美国采用，数据传输率40Kbps，10组频道)。虽然不同频段有不同的传输速率和距离，尤其后两者都是Sub-GHz(低于1GHz)的带宽，但藉由提升ZigBee的射频功率，还是能将传输速率提高。
以ISM的2.4GHz频段来说，被切割成16 个频道，其采用DSSP(Direct Sequence Spread Spectrum；直接序列展频)的展频方式，将要发送的基带(Base Band)信号，转换成低能量、高带宽的展频信号(Spreading Signal)之后，再传送出去，因此可以提高抗环境干扰的能力。
ZigBee的各种通讯协定与应用标准
ZigBee在2005年公布的1.0版(ZigBee 2004)，主要制定了其Network、MAC、PHY等Layer标准，到2007年发布的1.1版(ZigBee 2006)做了一些修正，到了2008年发布的1.2版(ZigBee 2007)，则加入了ZigBee PRO与RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics)这两个应用协定层(Profile Class)。
ZigBee PRO主要涵盖了各式家用或商用领域的协定，包括ZBA(建筑自动化)、HC(医疗照护)、HA(家庭自动化)、RS(零售服务)、TS(电信服务)，以及 SEP(Smart Energy 1.x Protocol，SEP 1.x，智能能源管理协定1.x)；而ZigBee RF4CE则是针对消费性应用，包括ZRC(ZigBee Remote Control，遥控)、ZID(ZigBee Input Device，输入装置)。
而ZigBee IP则涵盖Smart Energy Protocol(SEP)2.0的智能能源管理之设计规范，亦可称之为ZigBee 2.0规范，该规范定义了智能电网(Smart Grid)应用中的各种节能规范，也包括了LL(Light Link)的智能照明规范，让产业遵循该规范来设计出最符合能源效益的产品。
ZigBee规格再进化 更贴近物联网需求
有监于ZigBee 2.0与先前版本在各种领域，必须使用该专属的应用协定，造成其跨领域应用的共通性受阻，加上厂商在推广使用ZigBee技术的产品，大多会将ZigBee这个名词淡化(例如XBee模块)，使得推广了10年的ZigBee标准，似乎不若蓝牙、Wi-Fi那样的声名大噪。
此外，其他物联网标准联盟的兴起，如Qualcomm(高通)主导的AllSeen Alliance与Intel(英特尔)主导的Open Interconnect Consortium(OIC)联盟，再加上Zensys领军之Z-Wave联盟的进逼，都让ZigBee联盟备感压力…
因此ZigBee联盟正加紧制订全新的ZigBee 3.0标准，目的是要将上述的各种应用标准，变成能够互通，不需要因为不同的场域应用，就必须运用不同版本的标准，使用统一标准，便可让智能连结一次到位。ZigBee的目标也更明确，简化成四大领域：Smart Homes(智能家庭)、Connected Lighting(互连照明)、Utility Industry(公共建设)、Retail Services(零售服务)。
ZigBee 3.0定义了超过130个设备和最广泛的设备类型，包括家庭自动化、照明、能源管理、智能家电、安全、传感器和医疗保健监控产品。将专业人士的应用等级推向消费者使用等级，达到轻易透过DIY来安装；而ZigBee 3.0规格可以向下兼容，支持ZigBee PRO所定义的种类、指令、功能，让所有ZigBee装置都能互通。
由于有先前ZigBee 2.0在业界的基础，因此ZigBee 3.0的出现，可看出ZigBee联盟成员亟欲力捧该标准，成为物联网产业标准的决心。ZigBee 3.0将于2015年CES展首度展示，其标准也将于2015年第4季正式公布。
各种ZigBee 产品问世 实现物联网应用
ZigBee联盟的成员包含家电大厂、IT大厂、照明大厂等，其中台湾的部分，目前有III (资策会)、UBEC (达盛电子)、D-Link (友讯)、Lite-On (光宝)、Moxa等厂商。
在认证实验室部分，有NTS-AT、TÜV Rheinland(德国莱因)等。在产品部分，台湾暂无自主研发的ZigBee芯片，大多厂商是推出ZigBee相关应用模块(如节点模块、路由器)、扩充模块(例如USB Dongle、miniSD/microSD SDIO卡)、开发工具(例如Debugger)。
至于各大厂所推出ZigBee的传输芯片？模块，有：Atmel(爱特梅尔)的ATZB系列、Digi的XBee(XBP24)系列、Freescale(飞思卡尔)的MC1323x、Marvell(美满电子)的88MZ100、Microchip的MRF24系列、NXP(恩智浦)的JN-516x、Panasonic(松下)的ENW-C9A系列、Silicon Labs(芯科实验室)的EM25x和EM35x、ST(意法半导体)的SPZB32W系列、Telink(大陆泰淩微电子)的TLSR8636、TI(德仪)的CC2531等。
此外也有厂商推多模(Combo)产品，像是Redpine Signals的M2MCombo RS9113(ZigBee+蓝牙4.0模块)、Securifi的Almond+(ZigBee+ Z-Wave+Wi-Fi路由器)。
