ZigBee更上層樓

因應標準推出延遲 ZigBee非標準/標準產品並進

作者: 莊惠雯
2007 年 08 月 03 日

麻省理工學院將無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)評為未來改變世界的新技術之一,並預估至2008年,無線感測網路節點(Node)出貨量將超過一億個,市場銷售總額將達二十億美元,而其中60%的節點將用於ZigBee技術,資策會MIC也預測,無線感測網路的成長將從2007下半年開始,若由技術規格及供應成本的角度來看,ZigBee/IEEE 802.15.4的技術將占無線感測網路市場的60%以上,且至2009年時,ZigBee晶片出貨量將達一億五千萬顆,ZigBee可謂該技術領域中發展最大且最受矚目的焦點。
 



ZigBee Pro再度點亮市場
 




圖1 捷力大中華區行銷副總陳委琮表示,ZigBee市場發展的谷底已經過去,未來ZigBee技術若找到殺手級應用,則勢必可再創高峰。



ZigBee雖受到研究機構與各廠商的青睞,但觀察近期ZigBee的發展,似有沉潛之勢,捷力(Jennic)大中華區行銷副總經理陳委琮(圖1)表示,ZigBee於2005年推出以來,至2007年1月發展達到高峰後,便因廠商發現ZigBee技術瓶頸,加上標準未定而開始走下坡,至今年第二季時跌落谷底,但7月開始已再度往上攀升,相信2008年以後會以直線快速上升,並衝破1月時的頂點。
 



此外,由今年各廠動作頻頻來看,ZigBee市場也有逐漸復甦的態勢,德州儀器在購併Chipcon後終於解決8051核心微控制器(MCU)與射頻(RF)線路問題,即將推出新的晶片產品,並已於3月推出新平台Z-Stack,且於6月的Computex展中,展示以ZigBee技術架構的智慧化家庭;瑞薩(Renesas)則與ZMD簽署聯合開發協議,結合ZMD射頻技術與瑞薩MCU,將開發可用於北美與歐洲之900MHz頻段的ZigBee晶片組;飛思卡爾(Freescale)也推出改用BeeStack平台的SIP晶片;捷力於第二季推出新產品JN5139晶片,並預計於2008年第一季推出每顆價格僅兩美元的JN514x系列等,由此看來,晶片商仍持續發展ZigBee技術,並不因為原定於2007年第一季發表的ZigBee Pro的延遲而停滯腳步。
 



探究ZigBee市場發展不如預期的原因,除上述標準遲遲未定之外,ZigBee 1.0與1.1版本技術成熟度尚有努力空間、路由器(Router)供電問題未解、ZigBee晶片價格一直未因採用量的提升而有更多降價空間,以及認證機制不夠完備等,在在導致ZigBee技術未能普及。但在廠商努力下,上述問題皆已逐漸解決。而版本間不相容的問題,的確使發展廠商產生很大的質疑,業者咸認為ZigBee Pro於2007年第三季公布後,可協助ZigBee網路更加穩定,將帶給廠商更多的信心,目前也有廠商已經為新版本作準備,如捷力第二季即已開始準備其產品如何與ZigBee Pro接軌,新標準推出後只須修改軟體,晶片產品即可順利符合新規格,該公司並預計2007年第四季推出符合ZigBee Pro的堆疊(Stack)平台,預計可於2008年第一季提送ZigBee聯盟認證;意法半導體(STMicroelectronics)則與Ember合作開發可支援ZigBee Pro的EmberZnet Protocol Stacks,為鞏固標準化產品,其他如達盛電子、德州儀器皆表示,新標準的推出,只須稍加更改軟體,則可推出符合該規範標準的產品。
 



九月北京ZigBee開放活動即將登場
 



雖ZigBee聯盟各個會員代表平時即會利用電子郵件或電話會議的方式連繫,但仍須提供一個場合能讓彼此見面討論,也讓平時較少參與活動的其他會員能清楚了解聯盟運作的現況,因此ZigBee聯盟每季都會舉辦一次所謂的成員會議(Member Meeting),提供會員面對面接觸的機會。另外,成員會議結束後,再緊接著舉行開放活動(Open House),讓其他只對ZigBee有興趣的非會員廠商也能有機會了解ZigBee的發展現況。依ZigBee聯盟的規畫,每一季在每一洲輪流舉辦一次開放活動,2007年第三季的開放活動將於北京展開,各家廠商皆已準備就緒,將於活動中展出最具信心的ZigBee產品,例如台灣本土唯一可供應ZigBee晶片的達盛電子,將與其合作夥伴恩益禧(NEC)展出其U-NET平台與模組;捷力將展示該公司的開發套件、模組與利用其晶片產品發展出來的硬體設備,藉以推廣其客戶產品的優勢;芯科實驗室(Silicon Labs)則藉此活動宣傳其在ZigBee擁有的獨特技術;德州儀器(TI)也將延續Computex主題,展出利用該公司系統單晶片(SoC)方案組成的無線感測網路為架構的ZigBee家庭控制概念館,而意法半導體則展出其已推出之SN250單晶片與SN260系統單晶片,使與會者更明瞭該公司晶片的優勢。


圖2 芯科實驗室微控制器介面產品行銷經理Gary Franzosa表示,許多廠商都運用1.0與1.1版的ZigBee軟體從事開發工作,但ZigBee Pro標準延後發布,已造成某些客戶的困惑,使市場發展延緩。




由廠商踴躍參加ZigBee開放活動來看,廠商對於ZigBee還是抱持相當的信心,芯科實驗室微控制器介面產品行銷經理Gary Franzosa(圖2)樂觀表示,電子元件的長期發展趨勢可支援低功耗與無線連結應用,在短距離無線傳輸應用方面,以ZigBee為基礎的無線解決方案將增加系統彈性,最終更可降低成本,該技術將可協助業者針對住家、建築物及工業自動化等環境中發展短距離無線傳輸市場,這也是該公司或其他如微芯(Microchip)、瑞薩等以微控制器為主要發展產品的廠商,不約而同朝ZigBee技術發展的原因。
 



晶片商尋找更多出路
 



ZigBee發展達高峰之後,各廠商開始發現ZigBee技術實際應用上的問題,如若完全依1.0版標準布建網路,實際上無法建立可以運作的ZigBee網路系統,而ZigBee聯盟針對1.0版的不足,制定ZigBee 2006,也就是1.1版,藉此過渡版本以安撫人心,但卻也產生與1.0版網路層不相容的問題。
 



ZigBee版本間的不相容問題,使跟隨ZigBee標準發展產品的廠商,面臨極大的困境,而廠商不可能將所有的資源與時間都耗費在等待標準上,加上客戶的需求驅使下,廠商開始發展所謂的非標準產品,以供雖屬小眾,但卻迫切需要ZigBee技術的市場。陳委琮強調,最終版本的延遲公布,的確使許多廠商對ZigBee技術失去信心,因廠商急欲解決版本不相容問題,卻遲遲等不到標準的底定,因此台灣跟隨ZigBee標準發展的原始設備製造(OEM)商、原始設計製造(ODM)商,以及晶片商早已另謀出路,在充分了解ZigBee標準在技術上的限制後,開始由避開技術瓶頸中找到其他應用,發展所謂的非標準ZigBee產品,借用ZigBee大部分技術架構與名稱,修改標準規格,以符合如保全、工業系統需求。
 



非標準產品為ZigBee另一市場春天
 



非標準ZigBee晶片在架構方面大約有90~95%符合ZigBee規格,其餘的部分則是依客戶需求修改,這類非標準的產品因為在系統上修改了ZigBee規格,導致各家廠商發展的產品更加無法相容,原本的出發點是為解決版本不相容與技術瓶頸,如此,似乎更反其道而行,但因採用非標準產品的廠商,大多是特定族群,每個系統間只須獨立運作,不須與其他公司的ZigBee系統相容,因此毋須考慮系統間相容的問題。
 



目前ZigBee認證機制還不夠完備,使用非標準產品的好處是不須將產品通過ZigBee聯盟認證,可省下一筆授權費用,因此可看到打出「ZigBee Like」標籤的產品,再由規格修改方面來看,例如保全業者要將有線設備完全汰換為無線的ZigBee時,勢必關注資料在空中傳輸時,是否有被截取的危險,所以採用ZigBee技術時,則希望能加強安全方面的軟體架構,由此可見,非標準ZigBee產品有很大的彈性空間,可真正依客戶需求,設計客製化產品,這一點就是其他短距無線技術,如藍牙(Bluetooth)無法做到的。
 




圖3 左起為達盛電子行銷業務處副總經理黎俊彥,行銷業務處市場行銷部資深專案經理傅子恆。



達盛電子行銷業務處副總經理黎俊彥(圖3)表示,該公司除擁有射頻能力之外,自行開發的U-Net軟體平台,則是該公司在軟體開發能力的表現,U-Net平台也可稱為非標準ZigBee產品,因目前ZigBee節點數宣稱可連結一千個,但實際上連結超過一百個節點時則將出現瓶頸,該平台即為解決ZigBee節點數不足問題而開發,2007年底時節點連結數量將可三百個,由於修正ZigBee網路層架構,並視節點連結數增減記憶體容量,所以可稱之為非標準產品。達盛電子行銷業務處市場行銷部資深專案經理傅子恆(圖3)解釋,U-Net平台目前已送交ZigBee聯盟審核,可望成為ZigBee技術的標準版本,該認證工作已持續一季,預估U-Net平台正式通過認證,成為世界標準後,2009~2011年該公司ZigBee晶片將可達每月一百萬顆的出貨量。
 




圖4 微芯家電設備方案部門總監Steve Caldwell表示,目前ZigBee協定市場處於初期採納階段,儘管只有少數ZigBee協定產品,不過可預期未來兩到三年市場將出現更多終端產品。



微芯家電設備方案部門總監Steve Caldwell(圖4)表示,ZigBee協定系統開發者須在其微控制器建置一組最低限的功能,以便支援所有ZigBee協定選項和確保互通性。然而,有很多客戶並不需要互通性或完整的產品功能選項,因此該公司為這些客戶提供另一種方案,即非標準的MiWi協定堆疊。雖該協定堆疊限制網路最多一千個節點和四個跳頻(Hop),但記憶體和資源需求比ZigBee協定減少約75%。因此,客戶在開發重視價格因素的應用時,可選擇較低系統成本的MiWi協定堆疊。
 



目前ZigBee堆疊架構是開放給各廠商使用,並未強制規定產品皆須經過認證,因此給予非標準產品發展的空間,也造就ZigBee另一個市場春天,應用範圍包括高速公路指示牌、太陽能、風力與火力發電、保全系統等,不過ZigBee一旦如藍牙成為相當成熟的技術,有一套嚴謹的標準規範後,ZigBee聯盟也將強制執行產品皆須通過ZigBee認證,屆時首當其衝的即為非標準產品市場。非標準產品的推出,除了因應客戶需求外,同時也必須呈現其產品的附加價值,才可能被採用,目前幾乎所有的晶片廠商皆同時發展標準與非標準的產品,比例約為三比七,未來ZigBee Pro底定後兩者比例可能會相反為七比三,但標準與非標準發展方向是兩條平行線,不會互相干涉,也不會因為日後ZigBee聯盟強制認證產品而使該特殊市場消失,客戶體認ZigBee技術帶來的好處之後,即使目前採用非標準產品,日後也會因為習慣該技術而願意將其產品送交認證。意法半導體市場行銷部專案經理楊正廉(圖5)也表示,目前意法半導體的產品可同時支援標準與非標準產品,如客戶要求,亦可修改軟體架構,以符合其需求。黎俊彥則認為,目前非標準市場雖為ZigBee廠商出路,但如能將其發展的技術順利通過ZigBee聯盟認可,成為標準技術,則不會有上述問題發生。


圖5 意法半導體市場行銷部專案經理楊正廉表示,意法半導體將持續耕耘原本推出的STN250/260,並利用與Ember合作的平台,進行新的開發計畫。



與其他廠商發展方向較為不同的是德州儀器,該公司低耗電無線產品線亞洲區行銷經理陳雄基表示,身為ZigBee聯盟創始會員之一,德州儀器一直跟隨ZigBee聯盟推出各項標準產品,推出的Z-Stack平台已通過認證,並取得黃金平台(Golden Unit)的資格,黃金平台是未來ZigBee Compliant Platform(ZCP)測試的參考基準。Z-Stack平台為符合ZigBee 2006標準的相容平台,隨該平台的推出,許多等待ZigBee相容平台的廠商即可迅速推出產品,也可增加ZigBee獲得市場的採用度,並可很快看到以該平台為基礎的新型ZigBee認證產品在市場中出現。
 



開發套件與模組為另一發展趨勢
 



此外,開發套件與模組也成為廠商發展的另一趨勢,楊正廉表示,開發套件與模組可加強客戶將ZigBee技術導入產品開發,並可讓客戶快速解決所有開發上遇到的問題,可使其產品縮短上市時間,並可教育客戶體認ZigBee的優點。
 



ZigBee協定需要一個IEEE 802.15.4射頻和一顆微控制器,黎俊彥表示,這也是具備射頻能力的廠商自行或尋求微控制器廠商合作發展系統單晶片,以降低成本的因素。然而,單單射頻和微控制器仍無法讓系統開發者在最短的時間內導入設計並開發產品,因此各廠商為協助對ZigBee技術不熟悉卻有迫切需要的客戶順利開發產品,紛紛推出開發套件與模組,使客戶能縮短產品設計時間、節省學習新技術多付出的成本,以及可順利解決產品開發時所遇到的問題。Caldwell表示,微芯已量產供應IEEE 802.15.4射頻及數百種八位元和十六位元PIC微控制器,同時也提供完整的相關產品套件,包括ZigBee協定堆疊、開發工具、模組、應用註解、訓練課程、受過完整訓練的射頻專家及參考設計等,為工程師提供完備的開發協助。
 



達盛電子、意法半導體、德州儀器皆表示,推出開發套件與模組的確可為ZigBee市場發展注入活水,可大幅增加ZigBee技術市場接受度,帶動市場成長。但陳委琮卻有不同看法,他認為雖然開發套件與模組擁有諸多優點,可以將ZigBee推向更廣大的市場,但發展開發套件與模組仍非ZigBee晶片商的發展主軸。
 



群雄競逐家用/工業兩大市場
 



基於ZigBee是全球性的無線傳輸標準,因而能提供充裕的擴充性與可靠度,在建築物內或居家中的ZigBee區域網路是一個發展重點,這類網路可在室內支援雙向傳輸和ZigBee裝置之操控,可適用於控制、節能及安全監測等,其應用包括水電表、熱水器及照明系統等領域,事實上,家庭自動化與工業應用即為ZigBee兩大主要市場,但各家廠商著重的焦點卻不盡相同。
 



家庭自動化應用層標準底定
 



隨著ZigBee Pro標準的推出,ZigBee聯盟也將同時推出家庭自動化(HA)應用層標準規範,帶給廠商無比的雀躍,因除網路層不相容問題可稍解決外,ZigBee在應用層上最大的不相容問題也可迎刃而解,堅持隨標準發展產品的德州儀器,在家庭自動控制領域上持續努力,計畫於2008年在歐洲推出內建ZigBee功能的手機,使手機成為家庭控制中唯一的遙控器,並規畫將ZigBee成為數位家庭的無線傳輸技術,陳雄基強調,ZigBee最重要的即為其具備網狀網路技術,以軟體設計來看,家庭控制的消費性產品的開放性會比工業應用的封閉系統重要。有別於德州儀器專注於家庭自動化市場,楊正廉表示,意法半導體將同時發展家庭控制與工業控制市場。
 



一般而言,消費性應用不會有太多安全控管的限制,且必須簡單易用,可靠度也須大幅提升,因為消費者並不具備排除網路技術問題的能力。雖然如此,微芯也仍未放棄家庭自動化市場,Franzosa表示,微控制器是各種ZigBee應用的核心,該公司的微控制器具備低功耗、高效能的特性,同時內建記憶體,並整合高精準度的類比元件,因此能從各種家庭感測器中擷取準確的資料,對於家庭控制應用而言,是理想的功能組合。
 



致力於遠端抄表、工業控制發展的捷力,也將因家庭自動化標準的底定,發展家庭自動化產品,陳委琮表示,捷力不會因為以發展遠端抄表、工業控制見長而忽略家庭控制市場,但該市場不會是ZigBee最大的應用市場,因家庭自動化的布建最終是由系統整合商執行,因此家庭自動化標準底定最大的獲利者將是系統整合商,而目前能看到的智慧化家庭皆為豪宅設施,要普及至一般家庭,還需一段時間。
 



工業控制採用ZigBee標準技術需求大
 



Franzosa表示,雖然家庭控制市場為ZigBee提供非常大的商機,但以芯科實驗室觀點來看,工業控制與建築物自動化的市場應該是率先運用ZigBee網狀網路功能的領域。原因之一是這類環境大多屬於有安全控管系統的環境,不允許非特定裝置隨機加入網路,導致使用者必須經過實驗並精通這些網路的運作後,才能部署開放式存取權限的系統,他強調,ZigBee Pro標準的底定,對於市場的發展相當重要,尤其是工業應用市場,因ZigBee Pro提供的多項功能均有助於開發各種工業應用。
 



看準工業控制將大幅利用ZigBee標準,強調標準與非標準發展須同時進行的陳委琮表示,捷力一直以來即以發展工業控制與遠端抄表為重心,加上看好大陸市場,自然會在此領域上繼續努力。而黎俊彥則指出,達盛電子目前會將最大的重心放在工業控制上,目前已與理光(Richo)合作,搭建ZigBee工業控制應用之示範工廠,但ZigBee應用範圍廣,未來也將利用U-Net平台著力於其他應用,如醫院人員管理等。

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