Advisor:Lian Jou TsaiStudent:Ping Rui Ke

ZigBee and The UPnP Expansion for Home Network

Electrical Appliance Control on the InternetKuk-Se Kim* Chanmo Park* Kyung-Sik Seo** Il-Yong Chung* Joon Lee*

*Department of Computer Engineering, College of Electronics and Information Engineering, Chosun University,

Gwangju, Korea**MOMED CO.,LTDkimkukse@hanmail.net

Outline Motivation Abstract Home Automation Architecture

Wired network technology Wireless Network technology Middleware technology not do with transmission

Zigbee & UPnP Zigbee UPnP

System Design Conclusion References

MotivationZigbee Alliance 的 Home Automation 協定研究

Abstract 家庭自動化是家裡的電器可經由有線或無線的方式形成通訊網路的連接，整合了許多家電的控制，減少管理家庭的麻煩，且提高了環境與生活管理的一套系統。 以往所發展的家庭自動化系統，往往需要高檔的硬體設備才能支援所需的通訊協定。本文希望透過 ZigBee 與 UPnP 建立一個低成本、方便性高的家庭自動化系統。

Home Automation Architecture 目前已經使用的家庭網路技術，將其分成三個類型，分成有線網路為主要媒介的網路技術、無線網路為主要媒介的網路技術、與傳輸媒介無關的中介軟體技術三種

Wired Network Technology Ethernet- 使用 CSMA/CD （ Carrier Sense Multiple Access /Collision Detect ）來避免網路封包碰撞。目前最常用的是使用100Mbit/s 雙絞線。

X-10- 主要的應用是針對家庭自動化，允許家庭的裝置與電器能夠由遠端控制。 X10 主要的傳輸媒介是電力線（ PowerLine) 。 LonWorks- 由美國 Echelon 公司所制定的一種自動化控制規格，有一套完整的軟、硬體工具，可用來設計、建立、安裝和維護網路設備。 HomePNA- 主要利用家庭的電話線作為傳輸媒介來傳送資訊 IEEE 1394- 一種高速傳輸介面，主要用於傳輸多媒體影音資料，具有高頻寬傳輸的優點

Wireless Network Technology IEEE 802.11- IEEE 所制定的無線網路標準，也是目前最常用的無線區域網路，其標準主要有 IEEE 802.11a/b/g/i/n 五種。 Ultra-wideband- 一種低電能消耗的無線個人區域網路技術，高傳輸速率、安全性高、能源消耗低、穿透性高。 Bluetooth- 應用在無線個人區域網路，主要的應用為電腦周邊，包括無線耳機、無線鍵盤滑鼠等。 ZigBee- 由 ZigBee Alliance 所制定，特色是低成本、低功率、低傳輸率。低複雜度、網絡結構簡單、體積小、放置靈活、擴展容易等優勢。

Middleware Technology Jini- 其運作基於 Java 環境，定義了網路上硬體與軟體服務如何被彼此發現，並允許每個服務互相合作。 Jini 的目的是使得網路的裝置更容易被管理。 OSGi- OSGi Alliance 所提出來的服務平台，基於 Java 環境，核心是一個 framework ，並定義了應用週期管理模式、服務註冊、額外的環境與模組。 UPnP- UPnP Forum 所提出的一種標準，目的是希望不需要經過任何設定，就可以網路上的裝置相互通訊控制，其使用 XML 描述檔來讓控制節點學習控制命令，其優點是低成本、低消耗功率、佈置靈活等等。

Zigbee Architecture 實體層（ Physical Layer ， PHY ）與媒體存取層（ Medium Access Control Layer ， MAC ）是屬於 IEEE 802.15.4 的規範。

網路層（ Network Layer ， NWK ）、應用框架（ Application Framework ）則為 ZigBee Alliance 所規範。

應用層（ Application Layer ， APL ）則為 ZigBeeAlliance 或OEM 所規範。

IEEE 802.15.4 IEEE 制定的標準，針對 LR-WPAN （ Low-Rate Wireless Personal Area Network ）的實體層與媒體存取層做相關的規範，具有低傳輸率、低電能消耗、低成本等特性。

IEEE 802.15.4 提出兩種裝置，分別為全功能裝置（ Full Function Device ， FFD ）與簡化功能裝置（ Reduced Function Device ， RFD ）。

Zigbee Stack

Zigbee Profile ZigBee 的應用 Profile 是一個簡單的描述邏輯元件及其介面的描述規範，內部沒有任何程式碼，每一個應用 Profile 必須定義：

裝置的描述Cluster ID 服務型態

ZigBee Device Profile 是 ZigBee 應用層用來描述一般ZigBee 裝置的特性，例如綁定、裝置發現、服務發現等，並被實現在 ZDO 層，而 ZigBee Device Profile 其主要支援的能力如下： 裝置與服務的發現終端裝置的綁定要求處理 網路的管理

UPnP UPnP 有三個基本元件，分別為裝置（ Device ）、服務（ Service ）與控制點（ Control Point) 。

裝置：裝置內會包含裝置的服務、嵌入的裝置（ Embedded Device) ，在一般的情況下，網路中的每一個裝置至少要有一個服務。

服務：服務是最小的控制單元，內容包括狀態表（ StateTable ）、控制服務（ Control Server ）與事件服務（ Event Server ）。 控制點：控制點是 UPnP 網路的控制者，其具備有發現與控制受控裝置的能力。

UPnP Architecture

UPnP Stack Architecture

UPnP Network Addressing：取得網路位址， Auto-IP 或 DHCP 。 Discovery：發現裝置及其擁有的服務。 Description：取得裝置描述與服務描述，並學習如何控制。 Control：發送控制訊息給受控裝置並加以控制。 Eventing：處理控制點訂閱與受控裝置的發行。 Presentation：提供網頁網址模式來進行控制與訂閱。

System Design

ZigBee System and the UPnP ZigBee 網路的訴求是低電能消耗、低速率、低成本等，不適合將大量的 UPnP 裝置與服務描述檔案建構在 ZigBee 感測節點上，因此將裝置與服務描述檔案建立在 UPnP-ZigBee 管理伺服器上，將 UPnP 網頁伺服器與描述檔案皆由管理伺服器來處理

UART Communication

UPnP-ZigBee Management Server

Power Management and Control Point Service

Air Conditioner Service

Temperture and Humidity Service

Conclusion 本文建立一個基於 UPnP 與 ZigBee 的家庭自動化系統，使用低成本、低功率、佈置靈活性高的 ZigBee 無線網路來建構家庭感測節點，並使用擁有隨插即用的 UPnP 網路，系統加入後可以不需要任何設定就可以操作。 系統啟動後，不管在家裡或是在外面，只要可以上網的地方就能透過瀏覽器連接到本系統進而達成家庭自動化的目的。 未來還增加 ZigBee 的節點功能，達到更完善的家庭自動化控制，可能包括瓦斯感測節點、水表感測節點、電視控制節點、音響控制節點等等。

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