Z i g B e e

focus

センサーネットワーク市場の起爆剤
ZigBee の登場
今、近距離無線システム規格の 1 つである ZigBee が注目されている。2004 年

条件を満たす無線システムの標準化が検12 月に正式な仕様が策定されたとたん、各社から準拠製品の出荷発表が相次い討がされた。そして、物理・MAC 層のだことからも、この技術に向けられた期待の大きさがわかる。本稿では、この技術仕様を IEEE802.15.4 内で標準化し、ZigBee 規格について、仕様策定の経緯から技術的特徴や応用分野、そしてビジそれを ZigBee Alliance がマーケティンネス的展望までを解説する。

グと互換性でサポートするという ZigBeeの枠組みができあがり、2004 年 12 月に正池田 武弘式版の仕様が発表された。なお、ZigBee

株式会社トリプレットゲート

代表取締役 工学博士

Alliance は現在 100 社を超える企業で構成され、日本からも三菱電機、沖電気、オムロンなどが参加している。

これまでにない特徴を持った新たな規格の誕生

マルチメディアをサポートする高速伝

日本での普及促進を行うための特定送無線システムは、無線 LAN や Blue-

非営利活動法人「ZigBee SIG ジャパン」

tooth など多数の標準が存在する。しかも 2005 年 2 月に設立され、日本でもいよ「ZigBee（ジグビー）」とは、超低消費電し、センサーやオートメーションといったいよ ZigBee 普及の土壌が整ってきた。

力を特徴とする近距離無線システム規格特有のアプリケーションに特化した「超の名称である。主なアプリケーションと低消費電力」「低遅延」「低データ伝送通して、医療機器管理、家電やコンピュー信」「多数の端末管理」の特徴を持つ無線タの周辺機器制御、照明のオン／オフなシステムの標準はこれまでなかった。そどを想定している。また、超低消費電力のため、既存のセンサーネットワークにZigBee と同様の近距離無線システムの特徴を活かし、頻繁に電池を交換できは専用端末が使われており、コストや互に、無線 LAN や Bluetooth がある。図 1ない温度モニターや照明管理といった換性の面で問題があった。に、システムが対象とする伝送速度およこのような経緯から、IEEE802.15 標準

び通信距離を示す。ZigBee の伝送速度化委員会内において初めて、上記の要求は最大 250kbps と、IEEE802.11a/b/g なオートメーションシステム、センサーネットワークでの活用も期待されている。

他の無線通信システムにはない優位性

どの無線 LAN、現在標準化作業が進んで い る 高 速 無 線 L A N 規 格 の長テキスト

インターネット、音声、画像

映像

多チャンネル
デジタル映像IEEE802.11n や Bluetooth に比較して低速である。しかし、表 1 に示すように、
ZigBee は無線 LAN や Bluetooth と比較して、オートメーションシステムやセンサーネットワークで要求される信頼性、802.11b（11Mbps）
802.11g（54Mbps）

通信距
離

802.11n（100Mbps以上）を持っている。

802.11a（54Mbps）
802.15.4/ZigBee（250kbps）

よく練り込まれバランスのとれた仕様

802.15.3/UWB（1Gbps以上）
Bluetooth 1（1Mbps）

短

超低消費電力、低コストといった優位性

Bluetooth 2（3Mbps）

NFC（424kbps）

遅（狭）ZigBee Alliance で仕様が策定された伝送速度（帯域幅）速（広）ZigBee プロトコルスタックを図 2 に示す。
こ の 仕 様 で は 、物 理 ・ M A C 層 に

図 1 近距離無線通信技術の伝送速度・通信距離の比較

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IEEE802.15.4 標準を採用し、ZigBee
Alliance がその上位層であるネットワー

WiFi
Bluetooth（IEEE802.11a/b/g） （IEEE802.15.1）

ZigBee（IEEE802.15.4）

対象アプリケーション

ウェブ、メール、ビデオ

ケーブルの置き換え

センサー、コントロール

バッテリー接続時間（日）

0.5〜5

1〜7

100〜1,000以上

収容端末数

64〜2568（active）
256（park）

65,535

キーワード

スピード、柔軟性

コスト、便利性

信頼性、消費電力、コスト

標準名

ク層、セキュリティー、アプリケーションイ
ンターフェイスを規定している。
ZigBee では、Bluetooth よりさらに低消費電力を実現するため低周期駆動モードを採用している。さらに、端末のコストを低価格に抑えるため、ZigBee で規定しているすべての機能を実装するフル機
能端末（FFD： Full Function Device）に加え、実装する機能を限定した限定機
能 端 末（ RFD： Reduced FunctionDevice）も定義している。通信距離は 10〜 100m、使用する周波数帯は世界共通

表 1 近距離無線通信技術の性能比較の 2.4GHz（ISM バンド）周波数に加え、915MHz 帯（米国）、868MHz（欧州）にも対応する。新しい標準であるため、セカスタマー

アプリケーション層

キュリティーには米国政府次世代標準暗アプリケーションインターフェイス層号方式である AES（Advanced Encryption Standard）を採用し、さらにマルチセキュリティー層ホップ用にネットワークレイヤーでの AES暗号化を採用するなど、最新の技術が盛ネットワーク層（スター、クラスター、メッシュ）り込まれている。

ZigBeeAlliance

MAC層構成できるネットワークの種類と特徴

MAC層

IEEE
802.15.4

物理層（2.4GHz、915MHz、868MHz）

ZigBee のネットワーク構成には、図 3に示すようなスター型、メッシュ型、クラスター・ツリー型がある。フル機能端末

アプリケーション

ZigBeeスタック

半導体

図 2 ZigBee のプロトコルスタック（ZigBee Alliance 資料より抜粋）

はどのネットワーク構成にも対応できる。
一方、限定機能端末はスター型の構成にしか対応せず、またネットワークの確立には、少なくとも 1 つのフル機能端末がネッ

ネットワークコーディネーター

フル機能端末限定機能端末トワークコーディネーターとして機能しなければならない。例えば、限定機能端末であるセンサーが情報を収集し、その情報をネットワークコーディネータ ー（スターの頂点）に送信し、コーディネーターはその情報を制御管理システムへ転送するといった構成が一般的だ。広い敷地内でコーディネーターが外部システムとつながっていない場合は、クラスター・ツリースター型

クラスター・ツリー型

メッシュ型型ネットワークを使用して外部との接続
図 3 ZigBee で構成できるネットワーク

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ZigBee の登場 │ iNTERNET magazine │ 2005 │ 04 │ 71
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点である端末へマルチホップ転送するこるため、Bluetooth に比較して、ネット現在発表されている ZigBee の具体的とも可能である。

ワーク接続時間を短縮している。具体的な応用例を紹介する。米イートン社は、物理・MAC 層には無線 LAN で使用には、新しい端末がネットワークに接続

2005 年夏に発売予定の家庭向けセンされている CSMA/CA（干渉回避キャリする時間を通常 30ms、スリープモードにサー製品「Home Heartbeat」を発表してアセンス型マルチプルアクセス）をスロッある端末がアクティブモードに変わる時いる。家庭内の電気製品やドア・窓の状ト型にした手法を使用し、他のシステム間を通常 15ms に抑えている。

態などをユーザーの手元にある鍵タイプからの干渉や他のシステムへの干渉を最小限に抑える仕組みが提供されている。
これはノンビーコンモードと呼ばれ、チャの端末に知らせることにより、自宅を出見えてきた応用・適用分野と製品事例

ンネルが空いているときにすぐに通信をる前にヒーターがオフになっている、またすべての窓が閉まっているなどの安全確認を可能とした。さらに将来は、窓枠開始し、周辺の端末と直接通信できると従来のセンサーネットワークは、消費に取り付けられた ZigBee センサーが、いう利点を持っているが、常に自分宛て

電力の問題、コストの問題、専用端末で住人の不在時にドアや窓が動いたらそののデータを受信できるように待機する必あるためネットワーク構築には向かない

情報を即座にホームサーバーに通知する要があるため省電力化に向かない。

といった問題があった。しかし ZigBeeなど、ホームセキュリティーやビル監視用

一方ビーコンモードは、間欠受信を可の登場で、低コストでバッテリーの持ち途への期待も大きい。

能とし、帯域保証型と呼ばれる期間を設の良さ、さらにはアドホックネットワークフリースケール・セミコンダクタ社も、けている。コーディネーター端末がビーでの情報共有が可能となった。ZigBee

家庭内の機器制御に応用した製品を発コン信号を周期的に送信し、他の端末と端末をさまざまな場所に置くことで、端表している。照明制御用のボード、空調の同期確立や配下の端末に対して帯域末間通信により多くの情報を得ることがの温度制御用のボード、煙探知器用のの割り当てを行うことで、低遅延アプリできるのである。

ボードなどで（図 4）、バージョン 1 仕様にケーションに対応している。対応する主な応用例として、ビルオートメーショ

データタイプは 3 つあり、センサーで使わン、照明・空調制御、セキュリティー管理れるような周期的送信を必要とするデーが挙げられる。また医療関連では、人体一方、沖電気工業は ZigBee を健康管タ、照明のオン／オフといった断続的にの体調モニター、フィットネス機器との連理ソリューションに応用している。病院送信されるデータ、コンピュータのマウス

携 、さらに 物 流 に お いて は 、サ プライ

や各種養護施設などの敷地内で、患者ややジョイスティックといった周期的かつ低チェーン環境モニターと、位置管理があ高齢者が ZigBee 生体センサーを装着し遅延を必要とするデータである。

る。つまり ZigBee を使うことで、省エネて自由に行動している際に、不整脈などルギー、高効率、さらにはコスト削減をの異常が発生すると、本人だけではなく、実現できる。

施設内の離れた場所にいる医師や看護

ZigBee では、これらのリアルタイム性を必要とするアプリケーションに対応す

図4

フリースケール・セミコンダクタ社が 1 月の CES で展示した照明制御基づいた同社のチップ（図 5）が使われている。

図 5 ZigBee 半導体チップ用（左上）、空調の温度制御用（右上）、煙検知器用（下）の各種ボード

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師に即座に通知することが可能な、健康管理ユビキタスネットワーク（図 6）の構築

施設内に設置したZigBee中継ノードを目指している。さらに今後は、ZigBee

施設内に設置したZigBee中継ノードにより構成されるセンサーネットワークと携帯電話の位置情報サービスを融合さ異常発生アラーム、心電波形などせることで、屋内や屋外での本人安否通知や緊急情報などを自動的に通知することができるようになると考えられている。
ZigBee の標準仕様が 2004 年 12 月に決定されたこともあり、現在は、互換性保ユビキタスコミュニケーター＋ZigBeeノード

証のための認証プログラムを策定中である。そのため現在発表されている Zig-

筋電センサー

心電センサー

Bee 製品は、あくまでも ZigBee 対応（ZigBee-ready）無線チップかプロトコルス

ZigBee生体センサーノードを装着した患者施設内の離れた場所にいる医師タックである。三菱電機から発表された
ZigBee 対応無線センサー端末（図 7）は、

図 6 沖電気工業が描く健康管理ユビキタスネットワークの利用イメージ

無線部が 10 円玉程度という小型で家屋や事務所などに設置しやすい大きさを実現している。

すでに始まっている
次期規格への動き

拡散（Chirp Spread Spectrum）、シングルキャリア（Single Carrier）の 4 つに分類でき、これらはすべて UWB（超広帯域）

また、2 月中旬に実施した研究成果発
表会では ZigBee を利用した産業プラン

次期 ZigBee に向けた標準化活動もす技術である。本年度中には提案の一本

ト設備監視システムの試作品が発表されでに始まっている。IEEE802.15.4a では、化が期待されており、次期 ZigBee の物た（図 8）。三菱では、ZigBee の産業プラ

伝送速度の高速化、距離・位置測定（1m理層の置き換えに向けて着々と前進してント監視における利用のための仕様の標以内の精度）などを物理層に盛り込むこいる。一方 IEEE802.15.4b では、現在準化を ZigBee Alliance に働きかけていとが検討されており、今年の 1 月にはZigBee で使用されている物理・MAC 層るという。ZigBee 準拠認定（compliantIEEE802.15.4a 内で 28 社から提案発表がの拡張に加え、新周波数仕様、高速化、certification）製品も 2005 年中には発表行われた。

セキュリティー改善がなされており、今後される予定であり、2006 年には ZigBee

伝送手法は、インパルス応答（Impulse

製品が我々の手元に届く見込みである。

Response）、直接拡散（DSSS）、チャープ

はさらにマーケットからの要求を重視した標準化が進められる予定だ。

センサーボード
ZigBee 無線ボード

図 7 三菱電機の ZigBee 対応無線センサー端末

図8

設備監視システムの試作品。ZigBee 通信ボードに、温度センサーからの入力端子を付けている。

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