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携成本优势 ZigBee进军医疗电子领域

ZigBee问世以来不断改进,2007年底ZigBee公布Pro规格,结构与技术上与原本的版本稍有不同,也造成两者不兼容问题,但许多利基市场毋须考虑兼容性问题,因此也带动ZigBee市场发展,而医疗领域的应用,未来也将成为ZigBee重要的发展项目。

ZigBee核准ZigBee-2007规格,此规格定义ZigBee与ZigBee Pro这两套功能组,以ZigBee-2006为基础,新的2007规格功能进一步强化,而且兼容于某些网络情境。简而言之,ZigBee功能组提供树状寻址、特定随选距离向量(AODV)网格路由、单点传播、广播与群组通讯、安全性等其它功能;ZigBee Pro以随机寻址取代树状寻址,包含ZigBee2006与2007所使用的AODV,但提供多对一来源路由为替代方案,并新增有限的广播寻址,并可支持高层级安全性,此外,ZigBee与ZigBee Pro功能组,皆可支持选用的灵活性跳频与片段化(图1)。

图1 Zigbee解决方案的多种途径

ZigBee的树状寻址是以阶层方式指定地址,ZigBee Pro则采用随机寻址方式,将地址随机指定给装置,并持续监测与响应管理封包的流量,以修正冲突。ZigBee采用唯一寻址,毋须持续监测通讯,可避免产生额外负荷与地址冲突,然而Pro的优势在比较大规模的网络,如通讯限制造成包含五个以上跃点的网络,或网络可能包含很多行动端装置,但是所付出的代价则是启动延迟时间更长,因为ZigBee Pro必须花时间来解决地址冲突,而树状寻址不需要。 

ZigBee与ZigBee Pro路由均使用AODV路由,但只有Pro支持多对一来源路由选项。在需要较大的通讯协议堆栈下,多对一来源路能快速建立路由,其中许多装置如感应器均向单一连结如网络网关装置报告,对于未经要求的双向与对等式通讯如电灯开关及照明,多对一功能的效能较差,有时甚至不适用。 

ZigBee与ZigBee Pro都支持群组寻址,但Pro还可支持有限广播群组寻址,能在所有群组成员接近时,避免整个网络大量传送不必要的讯息,此功能有助于降低大型网络中网络通讯的额外负荷,但缺点是须额外宝贵的程序代码空间。 

ZigBee与ZigBee Pro还有其它些微差异,即对高安全性的支持。高安全性提供的机制,让对等式联机之间建立连结机码,并在网络装置在应用层可能不受信任时,提供额外的安全。高安全性和许多Pro功能相同,对若干应用程序颇为实用,但是须利用程序代码空间,占用应用程序可用的空间。 

ZigBee与ZigBee Pro仍有兼容性限制 

ZigBee与ZigBee Pro的功能大多相同,但两者只有在少数情况下才能同时在同一个网络中使用。若已由协调者建立属ZigBee的网络,则ZigBee Pro装置仅能以端点装置的身分加入该网络,这表示该装置与该网络通讯时会透过父节点,即路由器或协调者,而且不可作路由,也不可允许其它装置透过其加入网络;若原先建立的为ZigBee Pro网络,则ZigBee装置也仅能以有限的端点装置身分加入网络。 

许多使用ZigBee的产品为专属性质,或是实作私人设定文件或应用规格,任何特定网络只可兼容特定公司或公司集团所销售的装置,尤其是目前尚未定义及核准公共设定档的医疗领域,因此,ZigBee会用于网格路由通讯协议、通讯备援,以及低功率操作这类用途。然而,若市场中不同供货商的装置必须以单一合作网络的方式运作,以执行指定的服务或功能,公共设定文件已指定,才能确保网络所有装置采用共通的语言,而且可互通,这类的互通性是指A公司的产品,如电灯开关能与B公司的电灯安定器通讯,毋须事先合作就能确保装置可搭配使用(图2)。

图2 适用于家庭自动化的ZigBee产品

ZigBee持续发展新兴应用 

ZigBee问世初期,这项技术主要着眼于家庭与商业建筑物自动化市场。如今采用ZigBee的公司与专家越来越多,技术日渐成熟,且针对更广泛的市场设计发展应用,其中最突出的是,ZigBee已跨足先进抄表基础结构(Advanced Metering Infrastructure, AMI),并与老年人照护、辅助生活、医疗、电讯、资产追踪、娱乐等领域的产品整合。 

ZigBee联盟除通过ZigBee-2007规格,也决定并正式测试数个应用设定档,这些设定文件定义网络支持的装置类型,以及这些装置共通的通讯语言。家庭自动化(HA)公共设定档是最早获得核准,如今已臻成熟。锁定AMI的智慧能源(Smart Energy, SE)目前已获核准,预计2008年5月将完成最终测试及黄金平台(Golden Unit)认证。 

商业建筑物自动化(Commercial Building Automation, CBA)预计将进行测试,而且有越来越多公司投入开发相关产品,为联盟贡献一己之力,因此日后会有更多公共设定档问世,而医疗方面,特别是个人健康与医院照护(Personal Health and Hospital Care, PHHC)正是其中之一,这个领域若利用ZigBee实作IEEE 11073标准,未来势必更受瞩目。 

未来ZigBee应用重点为个人健康与医院照护应用 

PHHC装置尚属开发初期,未来12~18个月内可能还无法上市,但这个领域的相关公司并未因此不采用ZigBee技术的装置。医疗市场包括辅助生活与家庭照护等,相关业者深知ZigBee网络通讯协议的用处,而且成本效益极高。ZigBee可为可携式医疗应用提供实惠的解决方案,如监测与响应紧急事故项目、监测病患或年长者进行日常例行活动,以及提供实时数据,加速照护人员的响应速度,并挽救生命。辅助生活中心的居民如此可以安心,因为随时可以取得支持;而组织机构人员也能扩大监测范围,而且不会侵扰日常生活(图3)。

图3 可携式医疗监测应用范例

ZigBee网络应用于辅助生活时,有助于以实时且不被察觉的方式收集可靠的数据,如追踪居民家中所在位置、监测饮食或沐浴习惯、确保定期而且准时吃药、收集体重、血压或其它生物测定数据,并可提供自动照明或自动门以防意外。 

ZigBee也可用于追踪医院与医疗机构内的资产。该技术采用的多跃点网格网络广泛,能在大型机构标示并追踪昂贵的设备,由于医疗器材可用设备有限,而且必须由多个单位与楼层共享,因此掌握设备在特定时间的所在位置,不仅省钱,更能挽救生命。 

此外,ZigBee还可应用于其它医疗用途,其中不少正处于开发中。截至目前,这些系统因为缺少公共设定文件,因此仍属于单一供货商的解决方案,尚无法互通,但往往也有其优点,因为产品可根据特定的系统需求自订,毋须考虑其它供货商的产品,取决于系统需求与部署规模,此特定市场可谓使用ZigBee与ZigBee Pro皆可。
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