ZigBee家庭自动化平台
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JOURNAL 3.25.2009 第127期 電腦與通訊 ZigBee家庭自動化平台 ZigBee Home Automation Platform 黃揚智 張燦毅 黃清錦 Yang-Chih Huang, Tsahn-Yih Chang, Ching-Chin Huang 中文摘要 目前開發之ZigBee家庭自動化平台是以多數之終端節點(End Node)、路由器(Router)及通信閘(Gateway)構成ZigBee無線感測網路(WSN)。ZigBee無線感測網路透過通信閘再外接至Ethernet或WiFi網路。終端節點是由ZigBee 2.45GHz無線收發模組透過通用感測介面(Generic Sensor Interface)與感測器(Sensor)、制動器(Actuator)連線所組成。路由器則可為帶感測器或制動器之ZigBee節點，亦可只是ZigBee 2.45GHz無線收發模組。而通信閘是以ARM核心之SOC和ZigBee 2.45GHz無線收發模組所構成。通用感測介面提供一簡單標準化之介面，以供感測器、制動器快速容易與ZigBee 2.45GHz無線收發模組組合。目前已將此平台佈建於實驗室，以供測試應用軟體與展示使用。 Abstract A ZigBee home automation platform uses End Node, Router, and Gateway to constitute ZigBee wireless sensor network. This Zigbee WSN communicates with Ethernet and WiFi network via Gateway. End Node consists of Generic Sensor Interface, Sensor, and actuator. Gateway can be a Zigbee node which accompanies with a sensor or actuator, or just a ZigBee 2.45GHz RF module. The Gateway consists of SOC of ARM core and ZigBee RF module. Generic Sensor Interface provides a simple standardized interface, which can let Zigbee module easily cooperate with sensors and actuators. Now, we deploy this platform in ITRI’s Demo Room for software testing and display. 關鍵詞(Key Words) 無線感測網路 (Wireless Sensor Network；WSN) 終端節點 (End Node) 路由器 (Router) 協調器 (Coordinator) 通信閘 (Gateway) 通用感測介面 (Generic Sensor Interface) 感測器 (Sensor) 制動器 (Actuator) １．前言 ZigBee[5]初期的需求，主要是針對無線燈光控制，並且可使各個控制器之間行成互連，以達到整體性控制目的。ZigBee技術是藉由在各感測器或制動器(Actuator)上加入一個低耗 ICL
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JOURNAL 3.25.2009 第127 電腦與通訊 11 電以及低成本的ZigBee無線模組作為節點，所有節點再行成ZigBee網路，來達到資訊收集以及控制的目的。也因此低耗電特性，部分ZigBee終端節點可以在無市電環境下，以其它微弱電源供電方式進行長時間運作。 ２．ZigBee無線感測網路(WSN)架構 2.1 ZigBee網路 ZigBee網路(圖2.1-1)是由終端節點EN(End Node)、路由器R(Router)及協調器(Coordinator)所構成。在本文範例協調器是安裝於通信閘(Gateway)，所以ZigBee無線感測網路可透過通信閘再外接至LAN、WAN、WiMAX或3G。
３．ZigBee家庭自動化平台 ZigBee家庭自動化平台是架構在無線感測網路上。此平台之終端節點是由ZigBee 2.45GHz無線收發模組透過通用感測介面(Generic Sensor Interface)與感測器(Sensor)、制動器(Actuator)連線所組成。通用感測介面提供一簡單標準化之介面，以供感測器、制動器能夠快速容易與ZigBee 2.45GHz無線收發模組結合。路由器則可為帶感測器或制動器之ZigBee節點，亦可只是ZigBee 2.45GHz無線收發模組。而通信閘則可為Access Point、AMI電錶或XXX，本文是以ARM核心之SOC和ZigBee 2.45GHz無線收發模組所構成之ZB32Plus通信閘為範例。本文所介紹之ZigBee家庭自動化平台，可區分為兩種形態：一種是Full Function Node (FFD)，例如協調器(Coordinator)及路由器(Router)，擁有完整IEEE 802.15.4規範的功能，通常較耗電，所以採用固接式電源，本文介紹之協調器ZB32Plus和扮演路由器角色之ZB8Plus即屬此類。另一種是Reduced Function Node(RFD)，例如終端節點，擁有簡略IEEE 802.15.4規範的功能，通常較省電，所以可採用非固接式電源，本文介紹扮演終端節點之ZB8Plus即屬此類。 3.1 ZB8Plus 3.1.1 ZB8Plus基本設計規格 ZB8Plus可以是終端節點或路由器，端視其燒錄之ZigBee通訊協定而定。ZB8Plus主要是由德州儀器(TI)之CC2430晶片、天線和通用感測介面建構而成(參考圖3.1.1-1)。
其中CC2430晶片[3]之MCU是32MHz單週期、低功耗的8051微控制器，其無線介面是2.4GHz IEEE 802.15.4規範的無線射頻收發器，記憶體則可選擇32KB、64KB或128KB的系統內可程式化快閃記憶體。其主要特點如下： (a) 超低功耗，適合用電池運作。 (b) 可使用ZigBee協定堆疊(Z-Stack)。 (c) 8KB靜態記憶體，其中4KB資料在任何電源模式下都可持留資料。 (d) 4種彈性的電源模式，可減少用電、功耗。 (e) 可程式化的看門狗計時器(WatchDog Timer；WDT)。
圖 2.1-1 ZigBee網路
圖 3.1.1-1 功能方塊圖
12 ICL TECHNICAL JOURNAL 3.25.2009 第127期 電腦與通訊 (f) 電源啟動(送電)後自動進行重置(Reset)。 (g) 1個IEEE 802.15.4 MAC的計時器，1個通用的16位元計時器，以及2個8位元的計時器。 此晶片之無線收發器電氣規格如下： (a) 2.4 GHz ZigBee / IEEE 802.15.4 compliant. (b) 1 mW (0 dBm) power output. (c) Receiver Sensitivity: -94 dBm. ZB8Plus模組之天線規格如下： (a) SMD antenna :gigaAnt Rufa 2.4GHz SMD Antenna -Peak Gain : 4.1dBi -Efficiency : 68% -VSWR : 1.5 : 1 (b) U.FL connector for external antenna. 3.1.2 通用感測介面(Generic Sensor Interface) (a) 感測器連接方式 ZB8Plus所要界接感測器和制動器之方式可以作彈性排列組合(參考圖3.1.2-1)。 基本上感測器與ZB8Plus界接是靠Analog/ Digital模組轉換電氣規格來完成，當然，如果感測器和制動器有提供我們訂定之通用感測介面，亦可直接界接到
ZB8Plus
。
(b) 通用感測介面介紹 通
用
感測
介面主要定義了一組資料傳輸、傳輸控制和感測器辨認之機制。其可根據感測器辨認結果來重新設定一種資料傳輸形態及方式。但它不是可無限制界接到類比或數位訊號，它還是必須符合通用感測介面基本規定方可與ZB8Plus界接，否則便需要Analog/Digital模組轉換電氣規格來完成之(參考圖3.1.2-2)。 3.2 ZB32Plus通信閘(Gateway) 3.2.1 Gateway system block diagram 本計畫ZigBee WSN之Gateway模組，稱之為「ZB32plus」，為前代同類型platform改進而來。(前一型為ARM7 platform，且無ethernet、WiFi模組，稱之為ZB32。)ZB32plus模組之組成元件，由圖3.2.1-1所示。其核心為ARM9之CPU，搭配32Mb之SDRAM及16MB之Flash ROM為儲存記憶模組。通訊方式，可經由三種方式：一、Zigbee module。二、Ethernet。三、WiFi module。I/O部分有USB2.0及RS232及GPIO port、四組push button與四組LED。Debug interface為JTAG interface。供電方式有二：一、DC adapter。二、Li Battery。
3.2.2 ZB32plus Key Features CPU：Cirrus Logics之EP9301。[1]
圖 3.1.2-1 感測器連接方式示意圖
圖 3.1.2-2 Analog/Digital模組界接示意圖
圖 3.2.1-1 ZB32plus之system block diagram ICL
TECHNICAL JOURNAL 3.25.2009 第127 電腦與通訊 13 此CPU以ARM920T為核心，時脈為166MHz，可支援Linux及Microsoft WinCE。並整合了以下之周邊介面：最多可達四組之SDRAM、16-bit SRAM/FLASH/ROM、Serial EEPROM、 1/10/100 Ethernet MAC、兩組UART、兩組USB2.0 FS host、IrDa、ADC、SPI interface、AC97、RTK、Boot ROM。其包裝為208-pin LQFP。 Ethernet： ZB32plus使用之CPU，EP9301之中包含有一個符合ISO/IEC 802.3拓普的ethernet MAC。此晶片支援1/10/100Mbps之傳輸速率，並與標準MII interface之ethernet PHY層之晶片Realtek RTL8201CP相連接。 3.2.3 Zigbee module Zigbee模組以一個14 pin的介面與ZB32plus版相連接。如此，Zigbee模組將可以更有彈性的抽換成以TI CC2420或CC2520[2]為主體之Zigbee模組。各種天線(印刷天線、F-antenna、chip antenna、U.FL外接天線)，以及Balun的調校，將可以更彈性的組合。此14 pin的介面，及以CC2420及CC2520為主的Zigbee模組，如圖3.2.3-1所示。
