說到短距離物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，除了Wi-Fi、藍(lán)牙之外，其實還有一個很有名氣的家伙，那就是——ZigBee。

　　ZigBee在過去的幾年，一直是重要的無線通信協(xié)議之一，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，尤其是智能家居領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用。

　　今天，我們就來詳細(xì)地介紹了一下它吧!

　　一、起源歷史篇

　　1 為什么要推出ZigBee?

　　在使用藍(lán)牙技術(shù)的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，盡管它有許多優(yōu)點，但對工業(yè)、家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，它顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等。

　　并且，對于工業(yè)現(xiàn)場，要求高可靠性的無線數(shù)據(jù)傳輸，能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。藍(lán)牙技術(shù)并不能滿足要求。

　　因此，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世了。

　　2 為什么叫做ZigBee?

　　由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠(yuǎn)近信息的，依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。因此，ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來給它命名。

　　3 ZigBee基于什么協(xié)議?

　　ZigBee的Mac層、PHY層是基于IEEE802.15.4協(xié)議的。

　　根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。

　　4 ZigBee有哪些特點?

　　ZigBee的特點主要有以下幾個方面：

　　(1)低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時;

　　(2)低成本：通過大幅簡化協(xié)議，使得Zigbee成本很低(不足藍(lán)牙的1/10)。另外，Zigbee降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費;

　　(3)低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求;

　　(4)近距離：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn);

　　(5)短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s;

　　(6)高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng);

　　(7)高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性;

　　(8)免費頻段：使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國)，868MHz(歐洲)，2.4GHz(全球)，無需支付頻段使用費用。

　　總而言之，ZigBee優(yōu)點很多。

　　5ZigBee的組網(wǎng)有哪些特點?

　　ZigBee技術(shù)中，使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持自動路由、動態(tài)組網(wǎng)、直序擴(kuò)頻的方式。這些特點，使之能夠滿足工業(yè)自動化控制現(xiàn)場的需要(低數(shù)據(jù)量，低成本，低功耗，高可靠性)。

　　二、通信技術(shù)篇

　　1為什么說ZigBee使用的是免費頻段?

　　在世界上大多數(shù)國家，使用無線電設(shè)備都是要支付頻率使用費的，包括手機(jī)通信。只不過移動運營商或服務(wù)提供商已經(jīng)向國家支付了這筆費用，并通過各種方式向用戶收取了這筆費用。

　　而免費頻段，是指各個國家根據(jù)各自的實際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規(guī)定的一致性，而劃分出來的一個頻段，專門用于工業(yè)，醫(yī)療以及科學(xué)研究使用(ISM頻段)，不需申請而可以免費使用。

　　我們國家的2.4G頻段，就是這樣一個頻段。

　　然而，為了保證大家都可以合理使用，國家對該頻段內(nèi)的無線收發(fā)設(shè)備，在不同環(huán)境下的使用功率做了相應(yīng)的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過 100mW。

　　2ZigBee僅適合近距離通信嗎?

　　ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過提高每個節(jié)點模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節(jié)點數(shù)量來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，而且還可以通過傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)去監(jiān)控路途遙遠(yuǎn)的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。

　　但是，需要注意的是：

　　(1)隨著發(fā)射功率的增加，耗電量自然要增大，便會失去ZigBee本身電能消耗很低的優(yōu)勢;

　　(2)盡管2.4Ghz是免費頻段，但是不能超過電波法中對于最大功率的限制。

　　所以，通常還是將Zigbee用于近距離通信場景。

　　3ZigBee采用直序擴(kuò)頻的通信方式有什么好處?

　　同樣的頻段，采用不同的通信方式則結(jié)果也許會有很大的差別。例如ASK、FSK、FHSS、DSSS等的抗干擾能力，通信安全保密性，可靠性都各不相同。

　　ZigBee系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)一樣，都采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，它是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性和可靠性都很高的通信方式。

　　擴(kuò)頻技術(shù)在正常通信時所要求的信噪比可以很低。也就是說，在干擾很強(qiáng)的環(huán)境下，它仍然能夠正常工作。根據(jù)計算和實驗，這相當(dāng)于接收靈敏度提高了7dBm。它也不容易干擾別人。

　　換句話說，它可以使用較低的功率傳輸更遠(yuǎn)的距離(在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍(lán)牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米)。

　　4 為什么Zigbee的抗干擾性能高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)?

　　ZigBee抗干擾特性主要是抗同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。

　　主要特性如下：

　　1、 空閑信道評估(Clear Channel Assessment，CCA)：

　　判斷信道是否空閑。IEEE 802.15.4 物理層在碰撞避免機(jī)制中提供CCA的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，則允許傳輸退出而不必考慮采用該信道的通信協(xié)議。

　　2、 動態(tài)信道選擇：

　　ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)中的協(xié)調(diào)器(網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù))。首先要掃描所有的信道，然后確認(rèn)并加入一個合適的PAN(不需要創(chuàng)建一個新的PAN)，減少同頻段PAN的數(shù)量，降低潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上，協(xié)調(diào)器上層的軟件要應(yīng)用信道算法選擇一個新的信道。

　　3、 信道算法：

　　在網(wǎng)絡(luò)初始化或者響應(yīng)中斷時，ZigBee 設(shè)備都會先掃描一系列被列入信道表參數(shù)中的信道，以便進(jìn)行動態(tài)信道選擇，按照上述空閑信道來設(shè)置信道表參數(shù)，以便加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的共存性能。

　　在嚴(yán)重干擾期間，ZigBee不改變信道，而是依靠其低占空比、免沖突算法(每個設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前偵聽信道)來減小由于傳輸沖突所造成的數(shù)據(jù)丟失。

　　4、 直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)和頻率快變FA：

　　直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有一定的抗干擾效果(如下圖所示)，在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。所謂頻率快變是改變頻率、以避開一個已知干擾源或信號源的影響。

　　由上圖可見，ZigBee的誤碼率在信噪比為4dB的情況下可達(dá)10-9，要達(dá)到同樣誤碼率，Wi-Fi要達(dá)10dB，藍(lán)牙要達(dá)16dB， Zigbee的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)。

　　5、應(yīng)答重傳和幀緩存：

　　ZigBee的MAC層和應(yīng)用層(APS部分)具有自動請求重傳ARQ和幀緩存功能。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)幀給設(shè)備時，如果接收設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀，那么網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)設(shè)備就暫時緩存該幀，直到接收端接收該幀。

　　雖然調(diào)制方式很簡單，但ZigBee在2.4GHz ISM頻段表現(xiàn)出了很好的抗干擾性能，非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合。

　　三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)篇

　　1 ZigBee是具有怎樣的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)?

　　ZigBee是一個多個無線數(shù)傳模塊(多達(dá)65000個)組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)。每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里。

　　與移動通信網(wǎng)絡(luò)不同的是，移動通信網(wǎng)每個基站價值一般都非常昂貴，而每個ZigBee“基站”卻非常便宜。

　　每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。

　　除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。

　　2 ZigBee所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事?

　　舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當(dāng)一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。

　　3 ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來通信?

　　網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷。

　　此時由于我們有多個通道，車輛(相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù))仍然可以通過其他道路到達(dá)目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言則非常重要。

　　4 為什么自組織網(wǎng)要采用動態(tài)路由的方式?

　　所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點的通路進(jìn)行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。

　　在實際工業(yè)現(xiàn)場，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進(jìn)行及時傳送。動態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

　　四、市場應(yīng)用篇

　　1 ZigBee技術(shù)有哪些應(yīng)用領(lǐng)域?

　　ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對，工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2 ZigBee可以在哪些方面拓展應(yīng)用?

　　ZigBee應(yīng)用范圍非常廣泛，可以針對工業(yè)自動化、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理、油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　實際應(yīng)用舉例如下：照明控制、環(huán)境控制、自動讀表系統(tǒng)、各類窗簾控制、煙霧傳感器、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、大型空調(diào)系統(tǒng)、內(nèi)置家居控制的機(jī)頂盒及萬能遙控器、暖氣控制、家 庭安防、工業(yè)和樓宇自動化。

　　另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進(jìn)行定位。

　　3 符合什么條件的短距離通信可以考慮采用ZigBee技術(shù)?

　　通常，符合如下條件之一的短距離通信就可以考慮應(yīng)用ZigBee：

　　(1)需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多;

　　(2)要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低;

　　(3)要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高;

　　(4)要求設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊;

　　(5)可以用電池供電;

　　(6)地形復(fù)雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋;

　　(7)對于那些現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)進(jìn)行覆蓋;

　　(8)已經(jīng)使用了現(xiàn)存移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)。

　　4 ZigBee技術(shù)在我國的應(yīng)用情況怎樣?

　　盡管國內(nèi)不少人已經(jīng)開始關(guān)注ZigBee這項新技術(shù)，而且也有不少企業(yè)開始涉足ZigBee技術(shù)的開發(fā)，然而，考慮到ZigBee本身是一種新的系統(tǒng)集成技術(shù)，應(yīng)用軟件的開發(fā)必須用網(wǎng)絡(luò)傳輸，射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起，所以對于初期開發(fā)的企業(yè)來說具有一定的技術(shù)難度。由于各方面的制約，ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日。

　　但是目前已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會得到更大的應(yīng)用。

　　六、ZigBee3.0技術(shù)

　　1 ZigBee3.0的發(fā)展背景

　　ZigBee協(xié)議誕生之初，為了滿足不同的應(yīng)用背景，ZigBee聯(lián)盟先后頒布了不同的應(yīng)用層協(xié)議來滿足不同的領(lǐng)域需求：

　　ZigBee Home Automation (ZigBee HA) → 智能家居

　　ZigBee Light Link(ZigBee LL) → 智能照明

　　ZigBee Building Automation(ZigBee BA) → 智能建筑

　　ZigBee Retail Services(ZigBee RS) → 智能零售

　　ZigBee Health Care(ZigBee HC) → 智能健康

　　ZigBee Telecommunication services(ZigBee TS) → 智能通信服務(wù)

　　問題是，這些應(yīng)用層協(xié)議是獨立不互通的。

　　由于早期ZigBee版本由于標(biāo)準(zhǔn)化做的不好，給了廠商太多選擇，很多廠商雖然采用了ZigBee HA的協(xié)議，但是終端的智能家居廠商根據(jù)自家的需求定制化了ZigBee HA，而非標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議，導(dǎo)致不同廠家產(chǎn)品還是不能互聯(lián)互通。

　　ZigBee聯(lián)盟對于ZigBee HA的標(biāo)準(zhǔn)化問題也是傷透了腦筋。為此，還專門組織一批組織機(jī)構(gòu)做ZigBee HA認(rèn)證，比如最新的ZigBee HA1.2認(rèn)證，只要經(jīng)過ZigBee HA1.2認(rèn)證的產(chǎn)品就能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。

　　但是問題還是沒有得到完美的解決?？梢哉f，ZigBee之前僅僅解決了智能設(shè)備的連接問題，但是沒有解決智能設(shè)備的互聯(lián)互通的問題。

　　2 ZigBee3.0的出現(xiàn)

　　2016年5月，ZigBee聯(lián)盟聯(lián)手ZigBee聯(lián)盟中國組成員在上海亞洲消費電子展(CES Asia)舉辦新聞發(fā)布會暨剪彩儀式，正式向亞洲市場推出了ZigBee3.0。

　　ZigBee聯(lián)盟推出ZigBee3.0主要的任務(wù)，就是為了統(tǒng)一不同的應(yīng)用層協(xié)議，解決了不同應(yīng)用層協(xié)議之間的互聯(lián)互通問題，用戶只要購買任意一個經(jīng)過ZigBee3.0的網(wǎng)關(guān)就可以控制不同廠家基于ZigBee3.0的智能設(shè)備。

　　ZigBee3.0統(tǒng)一了采用不同應(yīng)用層協(xié)議的ZigBee設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、加入和組網(wǎng)方式，使得ZigBee設(shè)備的組網(wǎng)更便捷、更統(tǒng)一。另外，ZigBee3.0也進(jìn)一步加強(qiáng)了ZigBee網(wǎng)路的安全性。

　　ZigBee聯(lián)盟也推出了ZigBee3.0認(rèn)證來規(guī)范各個廠商使用標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee3.0協(xié)議，以保證基于ZigBee3.0設(shè)備的互通性。

　　3 ZigBee3.0的未來

　　ZigBee3.0解決了ZigBee不同應(yīng)用層協(xié)議互聯(lián)互通的問題，也進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化了ZigBee協(xié)議，向智能家居的互聯(lián)互通邁出了一大步。

　　但是，在和其他協(xié)議的互聯(lián)互通方面，Zigbee還要繼續(xù)努力。這也需要不同的協(xié)議(或稱標(biāo)準(zhǔn))提供商繼續(xù)在底層協(xié)議方面進(jìn)行合作和妥協(xié)，這個合作和妥協(xié)的過程可能會比較艱難。

　　這注定是一個任重而道遠(yuǎn)的長期使命。