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線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規(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、支持多種網(wǎng)上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee是一項新型的無線通信技術，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備之間。ZigBee無線通信技術可于數(shù)以千計的微小傳感器相互間，依托專門的無線電標準達成相互協(xié)調通信，因而該項技術常被稱為Home RF Lite無線技術、FireFly無線技術。ZigBee無線通信技術還可應用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領域，可省去計算機設備、一系列數(shù)字設備相互間的有線電纜，更能夠實現(xiàn)多種不同數(shù)字設備相互間的無線組網(wǎng)，使它們實現(xiàn)相互通信，或者接入因特網(wǎng)。 [1]ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用(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無線通信技術是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)生成的一項應用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡技術。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡通信技術，ZigBee無線通信技術表現(xiàn)出更為高效、便捷的特征。作為一項近距離、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡技術，ZigBee無線通信技術其關于組網(wǎng)、安全及應用軟件方面的技術是基于IEEE批準的802 15.4無線標準。該項技術尤為適用于數(shù)據(jù)流量偏小的業(yè)務，可尤為便捷地在一系列固定式、便攜式移動終端中進行安裝，與此同時，ZigBee無線通信技術還可實現(xiàn)GPS功能。 [1]ZigBee技術本質上是一種速率比較低的雙向無線網(wǎng)絡技術，其由IEEE.802.15.4無線標準開發(fā)而來，擁有低復雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點。其使用了2.4GHz頻段，這個標準定義了ZigBee技術在IEEE.802.15.4標準媒體上支持的應用服務。ZigBee聯(lián)盟的主要發(fā)展方向是建立一個基礎構架，這個構架基于互操作平臺以及配置文件，并擁有低成本和可伸縮嵌入式的優(yōu)點。搭建物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，有利于研究成果的轉化和產(chǎn)學研對，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的簡單途徑。

我們知道，智能家居的總體目標是讓家里的一切事物相互連接，特別是讓所有聯(lián)網(wǎng)的智能家居設備都可以共享信息。而不是單獨連接來自不同品牌方的設備。因此，溝通需要共同的語言。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?

簡單說，ZigBee 是一種低功耗無線技術，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，我們管理眾多的ZigBee節(jié)點，處理數(shù)據(jù)并向上連接云平臺，從而使智能家居系統(tǒng)運行更加可靠。

接下來，我們將詳細介紹什么是 ZigBee、其全球市場、工作原理(頻率、范圍、功率要求、架構、拓撲、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、構建ZigBee 網(wǎng)絡所需的設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 標準運行并采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術。它是一種基于標準的無線技術，旨在實現(xiàn)低成本、低功耗無線機器對機器 (M2M) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡。

ZigBee標準由ZigBee聯(lián)盟創(chuàng)建(現(xiàn)更名為：連接標準聯(lián)盟，CSA)，該聯(lián)盟包括許多全球領先的科技公司，例如飛利浦、三菱電機、愛普生、德州儀器等。該聯(lián)盟成立于 2002 年，是一個全球性的非營利組織。

ZigBee為物聯(lián)網(wǎng)硬件和應用開發(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、低功耗和更快的無線連接的顯著特點而具有多種用途。例如，它是智能家居的首選技術，因為它在多個方面優(yōu)于其他無線技術。

首先，ZigBee 設備值得信賴，因為通信是雙向的。其次，它服務于所有行業(yè)，包括照明、安防、家電、家居門禁等。第三，也是最重要的一點，該技術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，減少節(jié)點故障的可能性。

Zigbee全球市場概況

Zigbee 協(xié)議已經(jīng)存在多年，是一項經(jīng)過市場驗證的技術。Zigbee 因其有前景的特性而已在全球不同行業(yè)和領域得到廣泛采用。全球多家知名機構對Zigbee的全球趨勢和市場份額進行了大量的市場調研。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 技術的價值。

據(jù)Verified Market Research研究估計，2021年 ZigBee 市場規(guī)模為 35 億美元，預計到 2030 年將達到 77.9 億美元，2023 年至 2030 年復合年增長率為 9.30%。

據(jù)Reportslinker數(shù)據(jù)，ZigBee市場在 2020年至2025年的預測期內預計復合年增長率將超過9.2%。

而Market Research Future 則表示，到 2030 年，ZigBee 自動化市場預計凈值達 79.1 億美元，復合年增長率為 8.60%。

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

ZigBee工作原理

ZigBee 是一種用于家庭網(wǎng)絡的個人區(qū)域網(wǎng)絡技術，旨在監(jiān)控和檢測網(wǎng)絡。ZigBee 標準由 Zigbee 聯(lián)盟設計，基于標準IEEE 802.15.4。在標準 Zigbee 網(wǎng)絡中，IEEE 802.15.4 定義了由 ZigBee 協(xié)議處理的多個網(wǎng)絡層。

ZigBee 頻段和許可

Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 的物理層和 MAC 層。它也在無需許可的 2.4 GHz ISM 頻段上運行。盡管 2.4 GHz 在全球范圍內廣泛使用，但美國、歐洲和中國的設備分別使用 915 MHz、868 MHz 和 784 MHz 等頻率。僅選擇一個信道/頻帶用于網(wǎng)絡中。

頻道 0：868 MHz(歐洲)

頻道 1-10：915 MHz(美國和澳大利亞)

頻道 11-26：2.4 GHz(全球)

2.4 GHz 頻段使用最廣泛，因為它無需許可且在全球范圍內可用。它還以250 kbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。

ZigBee 通訊范圍

Zigbee 無線通信的范圍可能會有所不同，具體取決于設備的功率輸出、設備運行環(huán)境以及所使用的特定 Zigbee 協(xié)議等因素。一般來說，Zigbee 設備的范圍在室內可達約100 米，在室外露天可達400米，在理想條件下最大理論范圍約為1600 米。然而，在室內環(huán)境中，大多數(shù)實際場景中的典型范圍在 10-30 米之間。

ZigBee 電源要求

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

Zigbee組網(wǎng)是一種基于低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率的無線傳感器網(wǎng)絡技術，用于實現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應用。Zigbee組網(wǎng)可以將多個設備組成一個分布式網(wǎng)絡，包括協(xié)調器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設備(End Device)，這些設備之間通過無線通信互相交流和傳輸數(shù)據(jù)。通過Zigbee組網(wǎng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和控制操作，達到網(wǎng)絡智能化管理的目的。

Zigbee組網(wǎng)具有以下幾個特點：

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

低功耗：Zigbee組網(wǎng)采用的協(xié)議和技術可以實現(xiàn)低功耗，大大延長了設備的使用壽命。

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)狀結構的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，擴大了網(wǎng)絡范圍。

星狀/網(wǎng)狀結構： Zigbee組網(wǎng)可以采用星狀/網(wǎng)狀結構，形成分布式網(wǎng)絡，擴大了網(wǎng)絡范圍。

綜上所述，Zigbee組網(wǎng)是一種連接設備的無線傳感器網(wǎng)絡技術，通過低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的通信方式將多個設備連接到一個分布式網(wǎng)絡中，以實現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)應用。

Zigbee組網(wǎng)原理是基于面向對象設計的分布式網(wǎng)絡結構，它采用了星型、網(wǎng)狀和混合網(wǎng)絡結構，以實現(xiàn)各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應用。Zigbee組網(wǎng)主要包括以下幾個方面的原理：

Zigbee協(xié)調器(Coordinator)：協(xié)調器是Zigbee組網(wǎng)中的核心設備，它負責網(wǎng)絡的創(chuàng)建和管理工作。在一個Zigbee網(wǎng)絡中，必須有一個協(xié)調器作為網(wǎng)絡的控制中心，它負責分配網(wǎng)絡地址及維護網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)路由、設備管理等任務。

Zigbee路由器(Router)：路由器可以增強Zigbee網(wǎng)絡的覆蓋范圍和通信能力，從而可以實現(xiàn)更廣泛的應用場景。路由器可以擴展網(wǎng)絡范圍，提高網(wǎng)絡的可靠性，增強網(wǎng)絡的冗余性，同時也可以增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏蚀_性。

Zigbee終端設備(End Device)：終端設備是Zigbee網(wǎng)絡中的最基本的組成部分，主要作用是采集數(shù)據(jù)、向網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制命令。終端設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)調器或路由器傳輸給其他Zigbee設備。

Zigbee網(wǎng)絡拓撲結構：Zigbee網(wǎng)絡可以采用一些特殊的拓撲結構，如星型、網(wǎng)狀和混合網(wǎng)絡結構，以滿足不同的物聯(lián)網(wǎng)應用。在星型網(wǎng)絡中，所有終端設備通過無線連接與協(xié)調器通信;在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，終端設備可以通過多個路由器連接成網(wǎng)狀結構;在混合網(wǎng)絡中，使用多種網(wǎng)絡結構的結合，以滿足不同的應用和性能需求。

總之，Zigbee組網(wǎng)原理主要通過協(xié)調器、路由器和終端設備構建分布式網(wǎng)絡結構，采用不同的拓撲結構和協(xié)議棧，在物聯(lián)網(wǎng)應用中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制操作。這種分布式網(wǎng)絡結構可以增強網(wǎng)絡的覆蓋范圍、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)應用需求。