智慧家庭的物聯網連接：論ZigBee技術與應用
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無線網路的規格種類繁多，像是最常見的Wi-Fi，則屬於高速的傳輸標準，以無線區域網路(WLAN)讓行動裝置無線化的連接，得以實現。至於在智慧家庭、智慧建築、無線感測網路等領域，則大多不是採用Wi-Fi，而是採用ZigBee的技術來做傳輸。ZigBee以短距離、低功耗、低成本等特色，打入家庭控制與自動化市場，亦獲得不少廠商的採用與導入。接著讓我們深入了解ZigBee的技術與應用…
ZigBee是一種短距低功耗的無線通訊協定標準，最早係由美國Honeywell公司所提出，於1998年開始構思與發展，推出一種能夠自我組網(Self Organization)的無線點對點(ad-hoc)網路標準，其所成立的ZigBee Alliance商業組織，於2001年向電機電子工程師學會(IEEE)提案納入IEEE 802.15.4標準規範之中，並於2005年正式發布ZigBee 1.0(又稱ZigBee 2004)的工業規範，自此ZigBee漸漸成為各業界共通的低速短距無線通訊技術之一。
ZigBee發展到1.2版，將應用標準向外擴及，延伸到家庭娛樂與控制、無線感測網路(WSN)、工業控制、嵌入式感測、醫療數據蒐集、煙幕與擅闖警示，與建築自動化等領域，並有各式各樣的應用層標準(Profile Class)，當物聯網(IoT)時代來臨，ZigBee聯盟推出2.0版，主打智慧能源規範。
更將於2015年正式推出3.0版，將過去各裝置的不同ZigBee標準統一，讓應用之間具備高度互通性、傳輸安全，同時維持其低功耗的優勢，為物聯網提供最到位的產業標準。
ZigBee技術簡述 低耗短距低成本、有多種網路拓樸
ZigBee基於WPAN(Wireless Personal Area Network；無線個人區域網路)的應用，其底層採用IEEE 802.15.4標準規範的媒體存取控制層(Media Access Control Layer；MAC)與實體層(Physical Layer；PHY)。
主要特色有短距離(50公尺內)、低速率(250Kbps)、低耗電、低成本、低複雜度、安裝快速、可靠、安全，可支援大量網路節點(高達65,000個)，以及支援多種網路拓撲(如Star星狀、Cluster Tree 簇樹狀、Mesh網狀)。
由於ZigBee的網路拓樸跟網際網路那樣，具有多種傳輸途徑，每個ZigBee節點本身可以擷取資料，或傳遞來自其他節點的資料。
因此當一個ZigBee網路節點被移除或是斷訊，其周遭的ZigBee裝置能夠透過ZigZag(蜿蜒曲折)的傳輸方式、如同大黃蜂那樣的連接到其目的地(Zigzag like a Bee)，這也就是ZigBee的名稱由來。更是被業界視為智慧建築(Smart Building)、物聯網(IoT)最廣泛的協定之一。
當今的家電控制、物件辨識、醫療照護、建築自動化、WSN等IoT應用，很多都不需要用到高耗電的Wi-Fi傳輸協定，而藍牙的成本又較高，因此業界大都選擇低耗電、使用一個鈕扣電池即可運作長達1年的ZigBee無線通訊標準，來建構該領域專屬的WPAN網路。ZigBee的節點角色，可分為FFD(Full Function Device；全功能裝置)與RFD(Reduced Function Device；縮減功能裝置)兩種。
FFD可在星狀或網狀的網路拓樸中，與任何一個節點溝通，可擔任整個ZigBee網路的控制中心(即Coordinator)，或者負責擔任延展整個網路的中繼路由器(即Router)，因此必須擁有IEEE 802.15.4 MAC層的全部功能。至於RFD則是屬於整個ZigBee網路中的末端裝置(即End Device)，只能點對點溝通，其可省略IEEE 802.15.4 的MAC層功能，因此耗費的記憶體與電源更小。
ZigBee使用的頻段有3個：ISM的2.4GHz(全世界共通頻段標準，資料傳輸率250Kbps，16組頻道)、915MHz頻段(歐洲採用，資料傳輸率20Kbps，1組頻道)、868MHz頻段(美國採用，資料傳輸率40Kbps，10組頻道)。雖然不同頻段有不同的傳輸速率和距離，尤其後兩者都是Sub-GHz(低於1GHz)的頻寬，但藉由提升ZigBee的射頻功率，還是能將傳輸速率提高。
以ISM的2.4GHz頻段來說，被切割成16 個頻道，其採用DSSP(Direct Sequence Spread Spectrum；直接序列展頻)的展頻方式，將要發送的基頻(Base Band)訊號，轉換成低能量、高頻寬的展頻訊號(Spreading Signal)之後，再傳送出去，因此可以提高抗環境干擾的能力。
ZigBee的各種通訊協定與應用標準
ZigBee在2005年公布的1.0版(ZigBee 2004)，主要制定了其Network、MAC、PHY等Layer標準，到2007年發布的1.1版(ZigBee 2006)做了一些修正，到了2008年發布的1.2版(ZigBee 2007)，則加入了ZigBee PRO與RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics)這兩個應用協定層(Profile Class)。
ZigBee PRO主要涵蓋了各式家用或商用領域的協定，包括ZBA(建築自動化)、HC(醫療照護)、HA(家庭自動化)、RS(零售服務)、TS(電信服務)，以及 SEP(Smart Energy 1.x Protocol，SEP 1.x，智慧能源管理協定1.x)；而ZigBee RF4CE則是針對消費性應用，包括ZRC(ZigBee Remote Control，遙控)、ZID(ZigBee Input Device，輸入裝置)。
而ZigBee IP則涵蓋Smart Energy Protocol(SEP)2.0的智慧能源管理之設計規範，亦可稱之為ZigBee 2.0規範，該規範定義了智能電網(Smart Grid)應用中的各種節能規範，也包括了LL(Light Link)的智慧照明規範，讓產業遵循該規範來設計出最符合能源效益的產品。
ZigBee規格再進化 更貼近物聯網需求
有鑑於ZigBee 2.0與先前版本在各種領域，必須使用該專屬的應用協定，造成其跨領域應用的共通性受阻，加上廠商在推廣使用ZigBee技術的產品，大多會將ZigBee這個名詞淡化(例如XBee模組)，使得推廣了10年的ZigBee標準，似乎不若藍牙、Wi-Fi那樣的聲名大噪。
此外，其他物聯網標準聯盟的興起，如Qualcomm(高通)主導的AllSeen Alliance與Intel(英特爾)主導的Open Interconnect Consortium(OIC)聯盟，再加上Zensys領軍之Z-Wave聯盟的進逼，都讓ZigBee聯盟備感壓力…
因此ZigBee聯盟正加緊制訂全新的ZigBee 3.0標準，目的是要將上述的各種應用標準，變成能夠互通，不需要因為不同的場域應用，就必須運用不同版本的標準，使用統一標準，便可讓智慧連結一次到位。ZigBee的目標也更明確，簡化成四大領域：Smart Homes(智慧家庭)、Connected Lighting(互連照明)、Utility Industry(公共建設)、Retail Services(零售服務)。
ZigBee 3.0定義了超過130個設備和最廣泛的設備類型，包括家庭自動化、照明、能源管理、智慧家電、安全、感測器和醫療保健監控產品。將專業人士的應用等級推向消費者使用等級，達到輕易透過DIY來安裝；而ZigBee 3.0規格可以向下相容，支援ZigBee PRO所定義的種類、指令、功能，讓所有ZigBee裝置都能互通。
由於有先前ZigBee 2.0在業界的基礎，因此ZigBee 3.0的出現，可看出ZigBee聯盟成員亟欲力捧該標準，成為物聯網產業標準的決心。ZigBee 3.0將於2015年CES展首度展示，其標準也將於2015年第4季正式公布。
各種ZigBee 產品問世 實現物聯網應用
ZigBee聯盟的成員包含家電大廠、IT大廠、照明大廠等，其中台灣的部分，目前有III (資策會)、UBEC (達盛電子)、D-Link (友訊)、Lite-On (光寶)、Moxa等廠商。
在認證實驗室部分，有NTS-AT、TÜV Rheinland(德國萊因)等。在產品部分，台灣暫無自主研發的ZigBee晶片，大多廠商是推出ZigBee相關應用模組(如節點模組、路由器)、擴充模組(例如USB Dongle、miniSD/microSD SDIO卡)、開發工具(例如Debugger)。
至於各大廠所推出ZigBee的傳輸晶片？模組，有：Atmel(愛特梅爾)的ATZB系列、Digi的XBee(XBP24)系列、Freescale(飛思卡爾)的MC1323x、Marvell(美滿電子)的88MZ100、Microchip的MRF24系列、NXP(恩智浦)的JN-516x、Panasonic(松下)的ENW-C9A系列、Silicon Labs(芯科實驗室)的EM25x和EM35x、ST(意法半導體)的SPZB32W系列、Telink(大陸泰淩微電子)的TLSR8636、TI(德儀)的CC2531等。
此外也有廠商推多模(Combo)產品，像是Redpine Signals的M2MCombo RS9113(ZigBee+藍牙4.0模組)、Securifi的Almond+(ZigBee+ Z-Wave+Wi-Fi路由器)。
