ZigBee通信中有哪些基本特征及功能？

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee是一項(xiàng)新型的無(wú)線通信技術(shù)，適用于傳輸范圍短數(shù)據(jù)傳輸速率低的一系列電子元器件設(shè)備之間。ZigBee無(wú)線通信技術(shù)可于數(shù)以千計(jì)的微小傳感器相互間，依托專門的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成相互協(xié)調(diào)通信，因而該項(xiàng)技術(shù)常被稱為Home RF Lite無(wú)線技術(shù)、FireFly無(wú)線技術(shù)。ZigBee無(wú)線通信技術(shù)還可應(yīng)用于小范圍的基于無(wú)線通信的控制及自動(dòng)化等領(lǐng)域，可省去計(jì)算機(jī)設(shè)備、一系列數(shù)字設(shè)備相互間的有線電纜，更能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同數(shù)字設(shè)備相互間的無(wú)線組網(wǎng)，使它們實(shí)現(xiàn)相互通信，或者接入因特網(wǎng)。 [1]ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍(lán)牙相類似。是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。ZigBee無(wú)線通信技術(shù)是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)生成的一項(xiàng)應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)表現(xiàn)出更為高效、便捷的特征。作為一項(xiàng)近距離、低成本、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)其關(guān)于組網(wǎng)、安全及應(yīng)用軟件方面的技術(shù)是基于IEEE批準(zhǔn)的802 15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)尤為適用于數(shù)據(jù)流量偏小的業(yè)務(wù)，可尤為便捷地在一系列固定式、便攜式移動(dòng)終端中進(jìn)行安裝，與此同時(shí)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)GPS功能。 [1]ZigBee技術(shù)本質(zhì)上是一種速率比較低的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其由IEEE.802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)而來(lái)，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。其使用了2.4GHz頻段，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee技術(shù)在IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)媒體上支持的應(yīng)用服務(wù)。ZigBee聯(lián)盟的主要發(fā)展方向是建立一個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)架，這個(gè)構(gòu)架基于互操作平臺(tái)以及配置文件，并擁有低成本和可伸縮嵌入式的優(yōu)點(diǎn)。搭建物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，有利于研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研對(duì)，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)單途徑。

我們知道，智能家居的總體目標(biāo)是讓家里的一切事物相互連接，特別是讓所有聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)備都可以共享信息。而不是單獨(dú)連接來(lái)自不同品牌方的設(shè)備。因此，溝通需要共同的語(yǔ)言。這就是ZigBee等眾多物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議誕生的初衷。

那么，什么是ZigBee?

簡(jiǎn)單說(shuō)，ZigBee 是一種低功耗無(wú)線技術(shù)，與 Wi-Fi 配合使用，使家庭更智能、更安全、更舒適、更節(jié)能。借助ZigBee網(wǎng)關(guān)，我們管理眾多的ZigBee節(jié)點(diǎn)，處理數(shù)據(jù)并向上連接云平臺(tái)，從而使智能家居系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

接下來(lái)，我們將詳細(xì)介紹什么是 ZigBee、其全球市場(chǎng)、工作原理(頻率、范圍、功率要求、架構(gòu)、拓?fù)?、通道訪問、安全性、不同版本等)、與其他協(xié)議的比較、常見的用例、構(gòu)建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)所需的設(shè)備以及安裝指南等等。

什么是 Zigbee?

Zigbee是一種全棧解決方案，通常遵循 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行并采用無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗無(wú)線機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee聯(lián)盟創(chuàng)建(現(xiàn)更名為：連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，CSA)，該聯(lián)盟包括許多全球領(lǐng)先的科技公司，例如飛利浦、三菱電機(jī)、愛普生、德州儀器等。該聯(lián)盟成立于 2002 年，是一個(gè)全球性的非營(yíng)利組織。

ZigBee為物聯(lián)網(wǎng)硬件和應(yīng)用開發(fā)人員以及最終用戶提供靈活性以及出色的兼容性。該協(xié)議由于其低成本、低功耗和更快的無(wú)線連接的顯著特點(diǎn)而具有多種用途。例如，它是智能家居的首選技術(shù)，因?yàn)樗诙鄠€(gè)方面優(yōu)于其他無(wú)線技術(shù)。

首先，ZigBee 設(shè)備值得信賴，因?yàn)橥ㄐ攀请p向的。其次，它服務(wù)于所有行業(yè)，包括照明、安防、家電、家居門禁等。第三，也是最重要的一點(diǎn)，該技術(shù)由于其低延遲和低占空比而消耗很少的功率。此外，它采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，減少節(jié)點(diǎn)故障的可能性。

Zigbee全球市場(chǎng)概況

Zigbee 協(xié)議已經(jīng)存在多年，是一項(xiàng)經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證的技術(shù)。Zigbee 因其有前景的特性而已在全球不同行業(yè)和領(lǐng)域得到廣泛采用。全球多家知名機(jī)構(gòu)對(duì)Zigbee的全球趨勢(shì)和市場(chǎng)份額進(jìn)行了大量的市場(chǎng)調(diào)研。在這里，我分享一些令人信服的數(shù)字及其參考資料，以展示 Zigbee 技術(shù)的價(jià)值。

據(jù)Verified Market Research研究估計(jì)，2021年 ZigBee 市場(chǎng)規(guī)模為 35 億美元，預(yù)計(jì)到 2030 年將達(dá)到 77.9 億美元，2023 年至 2030 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 9.30%。

據(jù)Reportslinker數(shù)據(jù)，ZigBee市場(chǎng)在 2020年至2025年的預(yù)測(cè)期內(nèi)預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過9.2%。

而Market Research Future 則表示，到 2030 年，ZigBee 自動(dòng)化市場(chǎng)預(yù)計(jì)凈值達(dá) 79.1 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.60%。

智能家居和互聯(lián)設(shè)備的日益普及、智慧城市投資的增加以及對(duì)節(jié)能和低成本通信解決方案的需求推動(dòng)了Zigbee市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。

ZigBee工作原理

ZigBee 是一種用于家庭網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在監(jiān)控和檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)由 Zigbee 聯(lián)盟設(shè)計(jì)，基于標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4。在標(biāo)準(zhǔn) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中，IEEE 802.15.4 定義了由 ZigBee 協(xié)議處理的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層。

ZigBee 頻段和許可

Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 的物理層和 MAC 層。它也在無(wú)需許可的 2.4 GHz ISM 頻段上運(yùn)行。盡管 2.4 GHz 在全球范圍內(nèi)廣泛使用，但美國(guó)、歐洲和中國(guó)的設(shè)備分別使用 915 MHz、868 MHz 和 784 MHz 等頻率。僅選擇一個(gè)信道/頻帶用于網(wǎng)絡(luò)中。

頻道 0：868 MHz(歐洲)

頻道 1-10：915 MHz(美國(guó)和澳大利亞)

頻道 11-26：2.4 GHz(全球)

2.4 GHz 頻段使用最廣泛，因?yàn)樗鼰o(wú)需許可且在全球范圍內(nèi)可用。它還以250 kbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。

ZigBee 通訊范圍

Zigbee 無(wú)線通信的范圍可能會(huì)有所不同，具體取決于設(shè)備的功率輸出、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境以及所使用的特定 Zigbee 協(xié)議等因素。一般來(lái)說(shuō)，Zigbee 設(shè)備的范圍在室內(nèi)可達(dá)約100 米，在室外露天可達(dá)400米，在理想條件下最大理論范圍約為1600 米。然而，在室內(nèi)環(huán)境中，大多數(shù)實(shí)際場(chǎng)景中的典型范圍在 10-30 米之間。

ZigBee 電源要求

Zigbee 設(shè)備通常在 2.1 至 3.6 伏的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，正常運(yùn)行期間的典型電流消耗約為 20-50mA。Zigbee 設(shè)備的功耗也會(huì)根據(jù)所使用的特定 Zigbee 協(xié)議和頻率以及設(shè)備之間的距離和數(shù)據(jù)速率而有所不同。例如，使用2.4GHz頻段的Zigbee設(shè)備將比使用868/915 MHz頻段的Zigbee設(shè)備消耗更多的功率。

Zigbee組網(wǎng)是一種基于低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。Zigbee組網(wǎng)可以將多個(gè)設(shè)備組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，包括協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備(End Device)，這些設(shè)備之間通過無(wú)線通信互相交流和傳輸數(shù)據(jù)。通過Zigbee組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和控制操作，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)智能化管理的目的。

Zigbee組網(wǎng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

低成本：Zigbee組網(wǎng)采用低功耗和小容量的傳輸設(shè)備，減少傳輸設(shè)備的成本和能耗。

低功耗：Zigbee組網(wǎng)采用的協(xié)議和技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低功耗，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

低數(shù)據(jù)速率：Zigbee組網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率較低，但可以通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)范圍。

星狀/網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)： Zigbee組網(wǎng)可以采用星狀/網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成分布式網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)范圍。

綜上所述，Zigbee組網(wǎng)是一種連接設(shè)備的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的通信方式將多個(gè)設(shè)備連接到一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

Zigbee組網(wǎng)原理是基于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它采用了星型、網(wǎng)狀和混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。Zigbee組網(wǎng)主要包括以下幾個(gè)方面的原理：

Zigbee協(xié)調(diào)器(Coordinator)：協(xié)調(diào)器是Zigbee組網(wǎng)中的核心設(shè)備，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和管理工作。在一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的控制中心，它負(fù)責(zé)分配網(wǎng)絡(luò)地址及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)路由、設(shè)備管理等任務(wù)。

Zigbee路由器(Router)：路由器可以增強(qiáng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和通信能力，從而可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。路由器可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的冗余性，同時(shí)也可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確性。

Zigbee終端設(shè)備(End Device)：終端設(shè)備是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的最基本的組成部分，主要作用是采集數(shù)據(jù)、向網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制命令。終端設(shè)備通常具有各種傳感器，可用于采集環(huán)境溫度、濕度、光線、聲音、氣壓等各種參數(shù)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器或路由器傳輸給其他Zigbee設(shè)備。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以采用一些特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型、網(wǎng)狀和混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以滿足不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有終端設(shè)備通過無(wú)線連接與協(xié)調(diào)器通信;在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備可以通過多個(gè)路由器連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);在混合網(wǎng)絡(luò)中，使用多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合，以滿足不同的應(yīng)用和性能需求。

總之，Zigbee組網(wǎng)原理主要通過協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議棧，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制操作。這種分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、通信能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，以滿足各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。