什么是Zigbee？ 2024年开发Zigbee产品之前一定要了解的事情

作者：天博克罗地亚  时间:2024-08-11 22:12:12

  在不断发展的物联网领域，Zigbee 是一种成熟的无线网状网络技术，大范围的应用于照明、智能家居、访问控制、商业建筑和能源管理领域。它为公司可以提供了巨大的机遇，很多想要涉足Zigbee设备市场的企业朋友经常会提出什么是Zigbee？以及怎么样做Zigbee产品研究开发？所有这样一些问题的答案都将在这篇文章中得到充分解释。

  Zigbee 可以说是最流行的家庭自动化协议之一。它大范围的应用于各种智能家居产品，包括但不限于Zigbee网关、家庭自动化恒温器、PIR 运动传感器、警报器、漏水传感器、电表、智能照明系统、烟雾传感器等等。

  鉴于Zigbee协议已经经历了多次迭代，了解其演进路径和不同版本很重要。 Zigbee 的发展展示了该协议的一直在改进和适应性。对公司和研发人员来说，熟悉这些版本可能有助于他们理解 Zigbee 兼容性问题。

  Zigbee 是一种基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗 LAN 协议。根据国际标准，Zigbee 技术专为短距离和节能无线通信而设计。 Zigbee 这一个名字源自蜜蜂的交流舞蹈，蜜蜂之间可以相互交流，蜜蜂通过之字形的翅膀振动和嗡嗡声传达花粉所在的信息。

  Zigbee 1.0 是 Zigbee 规范的第一个版本，它显示出一些缺陷。未解决和修正这样一些问题，ZigBee1.1应运而生。 Zigbee 集群库已取代 2004 年堆栈中使用的值对结构，允许 Zigbee 设备向相关客户端异步报告属性更改，以此来实现实时属性更新和通知。集群名称的示例包括 Zigbee Light Link、Home Automation 和 Smart Energy。请注意，这个新协议与 ZigBee1.0 不兼容。

  尽管ZigBee1.1相对于ZigBee1.0发生了重大变化，但我们意识到最初的愿景仍然没有完全实现。因此，2007 年，Zigbee 规范进行了另一次修订，使其与以前的版本兼容，并添加了 ZigBee Pro，允许 ZigBee Pro 设备连接到传统 Zigbee 网络并在其上运行，反之亦然。 ZigBee Pro 在 2.4 GHz ISM 频段运行，还增加了对 sub-GHz 频段的支持，在频率使用方面提供了更大的灵活性。

  在后续的升级中，Zigbee 联盟重点扩展 Zigbee 在三种特定应用类型中的功能：Zigbee 家庭自动化 (ZHA)、Zigbee 楼宇自动化 (ZBA) 和高级计量基础设施 (AMI)。

  随着慢慢的变多的智能应用采用Zigbee协议，并受到CPU速度、内存容量等硬件限制，为了更好地适应不一样场景的需求，Zigbee联盟将应用层细分为各种协议，旨在提供优化的很适合特定行业的解决方案。

  ZHA 是 2007 年发布的第一个专门的 Zigbee 应用配置文件。在此之后，其他应用程序配置文件也已发布。专为家庭自动化应用而设计，涵盖住宅环境中的照明控制、HVAC、安全系统和能源管理等领域。

  专注于照明应用，为照明应用提供标准化命令和属性控制和管理灯泡、开关和调光器等照明设备。

  针对商业和工业楼宇自动化应用，它可以集成和控制各种系统，包括照明商业建筑内的 HVAC、访问控制和能源管理。

  满足医疗保健相关应用的特定需求，包括医疗设施监控、患者跟踪和远程医疗保健服务。

  随着硬件解决方案的持续不断的发展，例如低成本和低功耗无线 SoC 选项，以及互连需求的一直增长跨多个市场的各种设备。例如在智能家居领域，智能家居设备制造商拥有一定的自由度，可以在各自的产品中添加三种自己的东西，这导致遵循Zigbee协议的Zigbee产品之间无法相互通信，这增加了产品设计和开发的复杂性，也降低了用户友好性。于是，Zigbee联盟推出了Zigbee 3.0。

  Zigbee 3.0统一了前面提到的ZHA、ZLL、ZBA、ZHC等应用层协议。为了使来自不同制造商的设备能够协同工作，从加入网络到设备操作（例如打开和关闭）的一切都需要精确指定。 Zigbee 3.0 还标准化了使用不相同应用层协议的设备的设备发现和联网程序，这使得 Zigbee 设备联网更容易，研发人员也可以更轻松地创建产品。例如，用户都能够通过Zigbee 3.0网关轻松连接和控制来自不同制造商的智能开关和智能灯泡。

  Zigbee具有低功耗和低数据速率的特点，广泛应用于物联网和各种嵌入式应用，例如家庭自动化、无线传感器网络、烟雾和入侵者警报、楼宇自动化等。

  例如，在智能家居应用中，Zigbee网关可以连接和管理大量的ZigBee节点，在本地处理数据并将其上传到云平台以进行远程访问和控制。

  在工业场景中，如工业自动化、环境监测等，Zigbee传感器可以采集温度、湿度、压力、流量等数据，然后Zigbee DTU（数据传输单元）将采集到的数据发送到数据中心或云平台进行数据处理。进一步分析和处理。同时，Zigbee DTU还可以实现远程控制和设备调节，包括温度控制、阀门开关等。

  Zigbee 是一种全面的物联网解决方案，提供完整的堆栈，包括网状网络和用于智能对象有效协作的通用语言。其在互操作性方面的关键优势使得 Zigbee 设备能够无缝地相互协作，而不受制造商的影响。这使得开发人员和制造商能够以更少的开发工作来构建产品，加快上市时间，并使产品快速进入并集成到主要物联网生态系统中，并确保最终用户的易用性。

  Zigbee网络上的节点工作周期短，发送/接收效率低，并且采用休眠模式来节省能源。

  Zigbee采用扩频DSSS技术，增强无线传输的可靠性；同时，MAC层包含数据确认机制，进一步提高了可靠性。

  与蓝牙相比，Zigbee 显着简化了其协议 （不到蓝牙的十分之一） ，以降低对通信控制器的要求并使实施更容易。

  Zigbee 在加入网络的过程中利用 AES-128/64/32 等加密算法以及安装代码机制，以增强安全性。

  Zigbee 的运行数据速率范围为 20 至 250 kbps。具体速率为 2.4 GHz 下 250 kbps、915 MHz 下 40 kbps 和 868 MHz 下 20 kbps。

  Zigbee 提供 10 至 100 米的传输范围。通过提高发射功率，可以实现1~3公里的通信距离。

  Zigbee 在 2.4 GHz 频段以及 868 MHz 频段（欧洲）和 915 MHz 频段（美洲）运行，所有这些频段均已获得许可-自由频段。

  协议是指通信双方按照该标准进行数据传输和接收所需的一组通信标准。另一方面，协议栈是实现协议的特定方式。它可以被认为是开发人员用来根据协议实现无线数据传输的代码和库函数的集合。通常，商业协议栈仅提供接口（类似于互联网环境中的 API）。

  如图所示，Zigbee 协议有两个基本部分。 IEEE 802.15.4 定义了 PHY（物理层）和 MAC（媒体访问层）规范。这部分涉及Zigbee的硬件支持，包括链路的建立、维护、终止以及0和1位传输的实现。

  Zigbee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用支持层）和APL（应用层）规范。这部分涉及数据加密和路由、网络内点对点数据传输。

  处理物理无线通信的细节，包括频率选择、功率控制和数据传输速率。它定义了如何通过空中传输和接收物理信号。

  负责设备寻址、帧结构定义、冲突避免等基本网络控制功能。 MAC层确保设备能够高效地访问网络并有效地共享可用带宽。

  负责设备路由和数据包转发任务。它允许设备使用分层路由技术来实现灵活的网络拓扑，例如星形、网状和多跳网络。 NWK 层确保数据包被传送到 Zigbee 网络中的预期目的地。

  定义了设备之间命令、控制和数据交换的数据格式，以便为数据交换提供标准化格式，并实现不同设备之间的高效通信。应用层支持应用程序或用例所需的特定功能和特性。

  Zigbee Pro规范中根据不同的市场定义了不同的协议，并预留了相当多的定制内容。因此，不同制造商的产品通常无法互操作。

  Zigbee 3.0协议统一和标准化了这六大应用层协议，并允许所有符合zigbee3.0的产品互连并协同工作。

  RF4CE是家电远程控制的标准和协议。 “RF”代表“射频”，“CE”代表“消费电子”。

  RF4CE旨在利用射频通信取代传统的红外遥控技术，提供更可靠、更灵活的遥控体验。与红外相比，RF4CE提供了更长的传输距离、穿透障碍物的能力，并且支持双向通信。

  Zigbee Green Power 是一项能够为 Zigbee 生态系统中的超低功耗设备进行能量收集的技术。它旨在为需要极低功耗的设备（例如无电池或长时间待机设备）提供节能解决方案。此类设备的示例包括照明开关和门窗传感器。

  Zigbee Green Power 设备的运行功率水平要低几个数量级，可实现长期运行最低的能源需求。

  针对可能长时间离线的设备，优化数据包长度、传输路径、连接恢复和上网时间以节省能源。

  为了使设备有效地传输重要数据，应用层协议可容纳压缩信息和有限的传输尝试。

  Zigbee Green Power 特别适合不依赖电池或需要长时间待机时间的设备。

  Zigbee 协调员负责建立和管理 Zigbee 网络。它还能够最终靠各种硬件接口，例如 UART、以太网或其他无线模块（例如 Wi-Fi 或 GSM））将 Zigbee 网络桥接到其他网络或互联网。每个网络都有一个 Zigbee 协调器，除了存储网络信息外，它还充当信任中心和安全密钥存储库。

  除了运行应用程序功能、控制灯、电机和收集物理数据等功能之外，Zigbee 路由器是另一种可以通过充当中间路由器将数据转发到其他设备的设备。 Zigbee 路由器产品通常由主电源供电，确保其在网络上的持续可用性。

  Zigbee 终端设备还可以控制灯、电机、收集物理量等。但是，与 Zigbee 路由器或协调器不同，ZED 可能会选择进入睡眠模式，并且通常由电池供电，无法中继数据。为了延长电池寿命，Zigbee 终端设备通常仅包含与其父节点（协调器或路由器）交互所需的通信功能，而其余时间则处于睡眠模式。同时，Zigbee 终端设备的制造成本较低，因为它需要的内存较少。

  Zigbee 终端设备只能与网络内的父节点连接，该父节点可以是路由器或协调器。他们通过这种直接连接发送和接收数据。

  父节点可以更改或重新分配。这允许网络的灵活性和适应性，使节点能够根据需要与不同的父节点建立新的连接。

  Zigbee 网络可以有多个数据传输路径。但是，优先考虑最低丢包率原则。

  当节点退出网络时，其子节点能够通过替代父节点自主重新加入网络。这也称为自愈机制。

  可以使用 Zigbee 完全控制您的环境。这是一种多功能技术，可用于创建适合特定需求的互联智能环境。我们将概述一些实例以供参考。

  Zigbee 可用于创建智能照明系统，实现无线控制灯光、调光选项和自动化功能。

  支持 Zigbee 的传感器可用于监测和控制各种环境中的温度、湿度、空气质量和能源消耗等参数。

  Zigbee可以实现公用事业仪表和数据采集器之间的无线通信，促进自动抄表和高效的能源管理。

  Zigbee 技术可用于无线控制电动窗帘或百叶窗，提供便捷的自动化控制选项。

  支持 Zigbee 的烟雾传感器可以集成到家庭或建筑安全系统中，提供实时警报并增强安全措施。

  Zigbee 可用于医疗保健应用中进行远程监控，从而收集和传输生命体征和健康数据。

  支持 Zigbee 的恒温器和 HVAC 控制器可用于提高能源效率并可远程控制供暖、通风和空调系统。

  Zigbee 技术可集成到机顶盒和遥控器中，实现对家庭自动化系统的无缝控制和自动化家庭娱乐系统和智能设备。

  Zigbee 可用于家庭安全系统，连接传感器、警报器和访问控制设备，增强整体安全性并实现远程监控。

  Zigbee 技术可以部署在商业建筑中，用于各种系统的集中控制和自动化，包括照明、HVAC、安全、和能源管理。

  由于 Zigbee 允许设备使用相同的物联网语言相互连接和通信、低功耗运行、强大的网状网络功能等，目前数以百万计的 Zigbee 项目安装在住宅自动化、工业自动化和零售等各个行业领域。

  Zigbee 市场的增长潜力从市场预测中显而易见。 根据 Mordor Intelligence 的数据，ZigBee 市场规模预计将从 2023 年的 45.9 亿美元增长到 2028 年的 61.4 亿美元，预测期内（2023-2028 年）复合年增长率为 6.01%。该预测强调了 Zigbee 技术在实现智能互联环境中所发挥的重要作用。那么，您是否打算开发自己的Zigbee产品并合作共同扩大市场份额？

  Zigbee产业链通常包括四个主要部分：芯片提供商、解决方案提供商、平台服务提供商和终端设备。

  芯片是物联网应用的“大脑”，低功耗、高可靠性的半导体芯片是物联网几乎各个方面的重要组件。 Silicon Labs 推出了多个具有 PSA Level 3 Secure Vault 保护功能的超低功耗 Zigbee SoC 系列，使其成为 Zigbee 芯片领域的领导者。他们的芯片非常适合智能家居、医疗和工业应用。

  解决方案提供商利用上述 Zigbee 芯片开发各种基于 Zigbee 的解决方案，以满足许多行业的需求。这个过程离不开专门的Zigbee设备的设计和制造。根据应用场景和具体要求，Zigbee设备包括但不限于Zigbee传感器和Zigbee设备。控制器、Zigbee 模块 和 Zigbee 控制面板。 Zigbee设备的开发需要一定水平的专业知识和嵌入式系统、电源管理、结构设计、外壳、连接技术等方面的专业知识。

  平台服务提供商通过提供一系列平台和服务，促进终端设备和解决方案之间的数据交换和通信。物联网平台作为设备聚合、应用服务和数据分析的重要组成部分，需要提供设备层面的设备管理和控制能力，以及应用开发、服务和系统集成的PaaS服务。这些类型的服务提供商包括但不限于亚马逊、谷歌、涂鸦等。

  Zigbee终端产品是整个产业链的最终输出。它们可以是智能家居设备、工业传感器、智能照明模块等。这些产品通过集成Zigbee技术，实现设备之间的互联互通，提供智能便捷的服务。此外，Zigbee 产品充当用户和 Zigbee 技术之间的直接接口，让用户享受其优势和便利。只有Zigbee终端产品在市场上得到大范围的应用，Zigbee技术的价值才能得到充分体现。

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