一文读懂ZigBee协议的技术特点及用例

我们知道，智能家居的总体目标是让家里的一切事物相互连接，特别是让所有联网的智能家居设备都可以共享信息。而不是单独连接来自不同品牌方的设备。因此，沟通需要共同的语言。这就是ZigBee等众多物联网协议诞生的初衷。

那么，什么是ZigBee？

简单说，ZigBee 是一种低功耗无线技术，与 Wi-Fi 配合使用，使家庭更智能、更安全、更舒适、更节能。借助ZigBee网关，我们管理众多的ZigBee节点，处理数据并向上连接云平台，从而使智能家居系统运行更加可靠。

接下来，我们将详细介绍什么是 ZigBee、其全球市场、工作原理（频率、范围、功率要求、架构、拓扑、通道访问、安全性、不同版本等）、与其他协议的比较、常见的用例、构建ZigBee 网络所需的设备以及安装指南等等。

什么是 Zigbee？

Zigbee是一种全栈解决方案，通常遵循 IEEE 802.15.4 标准运行并采用无线网状网络技术。它是一种基于标准的无线技术，旨在实现低成本、低功耗无线机器对机器 (M2M) 和物联网 (IoT) 网络。

ZigBee标准由ZigBee联盟创建（现更名为：连接标准联盟，CSA），该联盟包括许多全球领先的科技公司，例如飞利浦、三菱电机、爱普生、德州仪器等。该联盟成立于 2002 年，是一个全球性的非营利组织。

ZigBee为物联网硬件和应用开发人员以及最终用户提供灵活性以及出色的兼容性。该协议由于其低成本、低功耗和更快的无线连接的显着特点而具有多种用途。例如，它是智能家居的首选技术，因为它在多个方面优于其他无线技术。

首先，ZigBee 设备值得信赖，因为通信是双向的。其次，它服务于所有行业，包括照明、安防、家电、家居门禁等。第三，也是最重要的一点，该技术由于其低延迟和低占空比而消耗很少的功率。此外，它采用网状网络，减少节点故障的可能性。

Zigbee全球市场概况

Zigbee 协议已经存在多年，是一项经过市场验证的技术。Zigbee 因其有前景的特性而已在全球不同行业和领域得到广泛采用。全球多家知名机构对Zigbee的全球趋势和市场份额进行了大量的市场调研。在这里，我分享一些令人信服的数字及其参考资料，以展示 Zigbee 技术的价值。

• 据Verified Market Research研究估计，2021年 ZigBee 市场规模为 35 亿美元，预计到 2030 年将达到 77.9 亿美元，2023 年至 2030 年复合年增长率为 9.30%。
• 据Reportslinker数据，ZigBee市场在 2020年至2025年的预测期内预计复合年增长率将超过9.2%。 
• 而Market Research Future 则表示，到 2030 年，ZigBee 自动化市场预计净值达 79.1 亿美元，复合年增长率为 8.60%。

智能家居和互联设备的日益普及、智慧城市投资的增加以及对节能和低成本通信解决方案的需求推动了Zigbee市场的快速增长。

ZigBee工作原理

ZigBee 是一种用于家庭网络的个人区域网络技术，旨在监控和检测网络。ZigBee 标准由 Zigbee 联盟设计，基于标准IEEE 802.15.4。在标准 Zigbee 网络中，IEEE 802.15.4 定义了由 ZigBee 协议处理的多个网络层。

ZigBee 频段和许可

Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 的物理层和 MAC 层。它也在无需许可的 2.4 GHz ISM 频段上运行。尽管 2.4 GHz 在全球范围内广泛使用，但美国、欧洲和中国的设备分别使用 915 MHz、868 MHz 和 784 MHz 等频率。仅选择一个信道/频带用于网络中。

1. 频道 0：868 MHz（欧洲）
2. 频道 1-10：915 MHz（美国和澳大利亚）
3. 频道 11-26：2.4 GHz（全球）

2.4 GHz 频段使用最广泛，因为它无需许可且在全球范围内可用。它还以250 kbps的速率传输数据。

ZigBee 通讯范围

Zigbee 无线通信的范围可能会有所不同，具体取决于设备的功率输出、设备运行环境以及所使用的特定 Zigbee 协议等因素。一般来说，Zigbee 设备的范围在室内可达约100 米，在室外露天可达400米，在理想条件下最大理论范围约为1600 米。然而，在室内环境中，大多数实际场景中的典型范围在 10-30 米之间。

ZigBee 电源要求

Zigbee 设备通常在 2.1 至 3.6 伏的电压范围内运行，正常运行期间的典型电流消耗约为 20-50mA。Zigbee 设备的功耗也会根据所使用的特定 Zigbee 协议和频率以及设备之间的距离和数据速率而有所不同。例如，使用2.4GHz频段的Zigbee设备将比使用868/915 MHz频段的Zigbee设备消耗更多的功率。

Zigbee 设备设计为低功耗，使用小型电池或其他低功耗电源运行，额定功率通常在几毫瓦到几百毫瓦范围内。

ZigBee架构

ZigBee 网络协议遵循物理层和 MAC 层及其自身大型网络和应用层的 IEEE 802.15.4 标准。Zigbee 网络的架构由 4 层组合组成。顶部两层由 Zigbee 联盟定义，底部两层基于 IEEE 标准。连接到无线链路的最终用户应用仍然位于 4 个网络架构层的顶部。

物理层 

物理层由IEEE 802.15.4规范定义，直接控制硬件并负责与Zigbee收发器进行通信。该层通过无线通信介质解释并传输数据包。它还在发送和接收信号的同时执行调制和解调操作。物理层的设计和实现定义了频带、数据速率、范围和其他关键参数。

媒体访问控制层（MAC层）

该层也是由 IEEE 802.15.4 规范标准定义的。它制定了物理层和网络层之间的接口。MAC 层提供 PAN ID 以及通过信标请求进行网络发现。

网络层

该层充当MAC层和应用层之间的通信接口。这里我们将网络拓扑定义为网状网络。

应用层

Zigbee 网络协议的最顶层是应用层。它由作为子层的应用支持层和 Zigbee 设备组成。它还包含由不同制造商设计的应用程序。

Zigbee 网络拓扑

Zigbee 连接协议采用标准 802.15.4 物理无线设计，该设计于 2003 年获得电气和电子工程师协会 (IEEE) 的委员会批准。该规范标准是基于数据包的无线协议，旨在用于电池供电的低成本创新电池寿命长达数年的产品。Zigbee 协议与设备进行通信，以在不同类型的网络拓扑中传输数据。可以使用 Zigbee 协议设备在多种网络中连接您的智能家居设备，如图所示。

ZigBee 星形拓扑 

星形拓扑也称为Zigbee Smart Energy ，由 Zigbee 协调器和多个最终用户设备组成。设备仅与协调器通信。

ZigBee 网状拓扑 

网状拓扑也称为Self-Healing Process（自我修复），由 Zigbee 协调器、多个路由器和最终用户设备组成。每个节点通过专用电缆链路分别连接到每个其他节点，从而在网络中形成网状结构。对于 n 个节点，必须有 n (n-1)/2 个链接。由于如此大量的链路需求，网状拓扑被认为非常昂贵，因为其布线成本非常高。

ZigBee 树形拓扑

在树形拓扑中，节点以树的形式构建。Zigbee 网络由一个作为协调器的中心节点、多个路由器和终端设备组成。这种拓扑的主要目的是增强网络的覆盖范围。树形拓扑由一个基节点和多个分支节点组成。

分支电缆从基本节点开始，以顺序或分层方式将基本设备节点与智能家居网络的其他设备连接起来。与网状拓扑相比，该拓扑更为经济。

ZigBee 通道接入

正如前面所定义的，Zigbee 协议由多个通道组成，因此必须有某种机制来访问这些通道。有两种通道访问方法，如下所述。 

基于竞争的方法（ Contention-based method  ） 

该方法包含具有冲突避免机制的载波侦听多路访问。此方法速度很快，因为设备不必等待轮到它，但多个访问请求之间可能会发生冲突。

无争用方法 （ Contention-Free Method  ）

在此方法中，Zigbee 协调器为每个设备分配一个特定的时隙。它的优点是保证时隙，但可能会很慢。

Zigbee安全

无线技术主要有四种类型：蓝牙、WiFi、Zwave和ZigBee。理论上没有一种技术能够完全免受攻击，而ZigBee 在小范围无线技术中相对安全。所有 Zigbee 设备都使用内置加密来防止黑客攻击。

连接标准联盟是一个为 Zigbee 技术制定标准的组织，它使用认证计划来确保制造商遵守这些安全标准。

Zigbee的不同版本

一般来说，Zigbee有两种变体，包括Zigbee 3.0（最新）和 Zigbee Pro。然而，还有一些专为特定领域/应用而设计的其他变体，包括 Zigbee Green Power、Zigbee Smart Energy、Zigbee Light Link 和 Zigbee Home Automation。每个版本都有其独特的特性和功能，但所有版本都设计为在 Zigbee 网络中协同工作。

Zigbee 3.0是最新的版本，旨在为不同制造商的设备无缝协作提供通用标准，使消费者更轻松地创建和控制智能家居网络。

Zigbee 3.0

Zigbee 3.0是 Zigbee 的最新版本，Zigbee 是物联网设备的无线通信标准。与以前版本的 Zigbee 相比，它旨在提供增强的特性和功能。Zigbee 3.0 的一些主要特性如下：

• 不同设备类型和供应商之间的互操作性
• 改进的安全功能，例如加密和身份验证
• 通过支持更多设备提高网络可扩展性
• 针对低功耗进行了优化
• 提高网络性能和可靠性

Zigbee Pro 

Zigbee Pro 专为商业和工业应用而设计。它具有更大的网络容量、更长的电池寿命、增强的安全性、先进的网络和轻松的设备调试等功能。 它旨在为楼宇自动化、工业控制系统和智能能源管理等商业和工业应用提供强大、可扩展且安全的无线通信解决方案。

Zigbee Green Power (ZGP) 

Zigbee Green Power (ZGP) 是 Zigbee 的专门版本，针对低功耗和电池供电设备进行了优化，并具有允许设备网络中节能通信和安全的功能。

下面是它的一些主要功能：

• ZGP 使用一种称为“绿色电力隧道”的独特通信方法，使设备无需中央集线器或协调器即可相互通信。这可以降低功耗并延长设备的电池寿命。
• Zigbee Green Power 设备通过实施多项节能功能（例如睡眠模式、减少无线传输活动、降低数据速率、节能设计和能量收集）来消耗更少的能源。
• ZGP 使用 Zigbee Pro 堆栈，该堆栈比 Zigbee 家庭自动化堆栈更强大，允许更大的网络和更多设备，并且还具有更好的安全功能。

Zigbee Smart Energy (ZSE)

Zigbee Smart Energy (ZSE) 是 Zigbee 的专门版本，具有以下独特功能。 

• ZSE 专门设计用于能源管理应用，例如智能电表、负载控制和高级计量基础设施 (AMI)。
• ZSE 使用 Zigbee 智能能源应用配置文件 (SEP)，该配置文件定义了网络中设备使用的通信协议和数据模型。这允许不同类型的能源管理设备无缝地协同工作。
• ZSE 包括自动抄表 (AMR)、远程断开/重新连接和需求响应等功能，这些功能对于管理能源使用和成本非常有用。
• ZSE 还包括先进的安全功能，例如高级加密标准 (AES) 加密、安全密钥建立和安全无线 (OTA) 升级，以保护网络和连接到网络的设备。

Zigbee Light Link (ZLL) 

Zigbee Light Link (ZLL) 是 Zigbee 的专用版本，针对照明应用进行了优化。它具有以下特点：

• ZLL 专为照明应用而设计，具有非常适合控制灯光的功能，例如颜色和强度控制。
• ZLL 使用一种称为“touchlink 调试”的更简单的网络设置过程，该过程允许将设备轻松添加到网络，而无需中央集线器或协调器。
• ZLL 还具有“灯光链接”功能，可以对灯光进行分组和控制，从而轻松创建场景并在智能家居或建筑中实现照明自动化。
• ZLL 还向后兼容其他 Zigbee 设备，使其能够与其他基于 Zigbee 的产品和生态系统配合使用。

Zigbee Home Automation (ZHA) 

Zigbee Home Automation (ZHA) 是 Zigbee 的更通用版本，专为广泛的家庭自动化应用而设计，具有允许更复杂的网络拓扑和更广泛的设备集成到单个设备中的功能。ZHA 的主要特点是：

• ZHA 使用 Zigbee 应用配置文件 (ZAP)，允许不同类型的设备无缝协作。
• ZHA 使用 Zigbee Home Automation 堆栈，该堆栈的稳健性不如 Zigbee Pro 堆栈，但电源效率更高，这对于电池供电的设备很有好处。

ZigBee 技术总结

为了更好地理解和清晰地了解情况，下表展示了上述所有技术细节的摘要：

Zigbee与WiFi、蓝牙、LoRaWAN、Z-wave对比

Zigbee 和其他无线协议（例如 Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave 和 LoRaWAN）有一些相似之处和一些关键区别。如下表：

Zigbee 与 Wi-Fi、蓝牙和 Z-Wave 等其他技术相比，但每种技术都有其优点和局限性。虽然与 Wi-Fi 和蓝牙相比，Zigbee 在数据速率和范围方面不如 Wi-Fi 和蓝牙强大，但它的功耗效率更高，更适合电池供电的设备，而且比 Z-wave 更开放、更便宜。

下图详细展示了这几种技术的范围、成本、数据速率和功耗方面的清晰比： 

ZigBee 的优点

全球采用——全球数百家企业使用的广泛移动应用和设备库。

可互操作——有一个庞大的 Zigbee 产品生态系统可供选择，可以协同工作。

可靠且低功耗——自愈网状网络可消除单点故障，同时消耗很少的电量。

安全可靠——设计安全，具有多种安全机制，包括 AES-128-CCM 无线加密，以满足安全要求。

谁使用 Zigbee？

住宅和商业用户

Zigbee 是一项成熟的、经过市场验证的技术，可为智能家居和商业应用提供灵活性和互操作性。它是一种可靠、安全、节能且经济高效的解决方案，具有可扩展的网络规模，可满足各种 Zigbee 使用案例。

Zigbee 的持续发展得到了一些全球最大的公用事业公司、能源服务提供商、产品制造商和技术企业的支持。Zigbee 作为一项技术仍在不断发展，新功能正在开发中并计划发布。

物联网硬件开发商

Zigbee 是一项成熟的、经过市场验证的技术，目前物联网中已有数百万智能设备使用。Zigbee 是唯一由从芯片供应商到集成服务的全球成员生态系统支持的全栈互操作性技术，允许物联网开发和进入市场的灵活性，同时保持供应链多样性的安全。

物联网服务提供商/生态系统

Zigbee 的持续发展得到了一些全球最大的公用事业公司、能源服务提供商、产品制造商和技术企业的支持。它是一个开放标准，允许各种供应商形成竞争市场，从而降低成本。全球 2.4GHz（以及即将发布的 Sub-GHz）频谱、标准技术和经过验证的兼容性使采用和客户服务变得更加容易。

物联网公用事业

Zigbee 的持续发展得到了一些全球最大的公用事业公司、能源服务提供商、产品制造商和技术企业的支持。

哪些设备使用 ZigBee？

连接标准联盟是Zigbee的管理机构。该联盟注册会员超过400家，使用设备超过 2500 台。以下是该标准的一些主要会员单位：

1. 亚马逊
2. 三星
3. 苹果
4. 康卡斯特
5. 霍尼韦尔
6. 飞利浦
7. 博世
8. 诺基亚
9. ……简单说，差不多你能想到的IT企业都是他们的会员。

Zigbee的用例

基于Zigbee技术的传感器网络得到广泛应用，可以帮助更好地实现目标。Zigbee技术应用包括智能家居、工业控制、自动抄表、医疗监控、传感器网络应用、电信应用、仓储物流系统等。

智能家居

一般情况下，家里会有很多电器电子设备，比如灯、电视、冰箱、洗衣机、电脑、空调等，还可能有烟雾传感器、报警器、摄像头等设备。过去可以实现点对点的控制，但如果采用ZigBee技术，这些电子设备就可以链接起来形成网络。

甚至可以通过智能家居 ZigBee 集线器连接到互联网。因此人们可以从任何地方快速检查自己的家，而无需布线。将ZigBee无线通信技术应用到智能家居设备领域，可以提高操作的便利性，降低家庭的成本。

此外，ZigBee无线通信技术还可以实现实用的信号抗干扰功能，在为人们创造便利的同时减少对其他用户的信号干扰。

智慧养老

Zigbee还可以广泛应用于智慧养老领域。物联网老人居家护理解决方案让老人能够更长时间地独立在家。可以检测老人的生命轨迹，也保护老人的安全。系统采用遍布整个家庭的不显眼的无线传感器来了解老年人的日常行为模式并检测可能引起关注的行为变化。

然后它会向家庭成员或护理人员发送消息以提醒他们。智能养老系统已在住宅护理设施中成功测试多年，现已可供服务提供商、零售商和智能家居系统集成商家庭安装。

智能公寓

智能旨在为租户提供生活方式融合的住宅，并提高租户的租金，节省能源并收集有价值的居民人口数据作为回报。智能公寓可以配备zigbee网关集线器、门禁、门锁、恒温器、智能电表、漏液传感器、人体运动传感器、智能插座、智能开关等智能硬件设备。

医疗监测

电子医疗监护是近年来的研究热点。许多传感器被放置在人的身体上来测量脉搏、血压和健康状况等。医院病房内还放置了监视器和警报器，以便随时检查身体状况。一旦出现问题，可以及时做出反应，比如通知医院值班人员。

通过 ZigBee 技术，这些传感器、监视器和警报器可以连接起来创建一个监控网络。由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监控的人可以自由移动。

传感器网络应用

传感器网络也是近年来的研究热点，在货物跟踪、建筑监控、环境保护等方面具有良好的应用前景。低成本节点、低功耗、自动组网、维护简单、可靠性高是传感器网络的要求。ZigBee 因其在联网和低功耗方面的优势而成为传感器网络应用的绝佳技术选择。

仓储物流系统

随着仓储物流系统的推广，无限数据传输系统的需求呈现上升趋势。它对无线通信技术提出了高效率、低成本的要求。ZigBee以其安全可靠、多路径路由等特点特别适合仓储物流系统。其实践体现在：

首先，是现场车辆的调度。由于车辆与控制台之间的连接非常重要，而在仓库、物流等场所，传统的无线通信协议很难保证传输距离，因此可以使用ZigBee来解决这部分问题。

其次，网状ZigBee无线通信技术的网络结构可以应用于仓储物流，依靠数据中继、动态路由等手段保证整个系统通信的可靠性和高效性。

第三，仓储物流中的车辆总是需要不断移动，传统的无线通信协议在寻找最佳路径时总是表现出灵活性不足的问题。技术的应用以其网络拓扑结构，可以满足信息传输路径不断变化的需求，可以灵活地提供理想的传输路径，保证通信质量。

自动抄表

传感器将仪表读数转换为数字信号，通过 ZigBee 网络将读数直接发送给供应天然气或水的公司。使用 ZigBee 进行抄表还可以带来其他好处。例如，天然气或自来水公司可以直接向用户发送一些信息或将其与节能相结合。当发现能量使用过快时，它可以自动降低使用速度。

无线 ZigBee 设备

物联网市场的产品种类越来越多，技术也越来越成熟。随着ZigBee技术的不断完善，它将成为当今世界最前沿的数字无线技术。ZigBee低功耗、低成本、低速率、使用方便等显着优点使其必将具有广阔的应用前景。

恒温器、电表、温度、存在、亮度和二氧化碳传感器、智能插座、带有集成能量和功率计的执行器：用于智能建筑项目的各种无线设备，旨在最大限度地提高能源效率。

Zigbee网关

ZigBee 网关是一种 IoT 网关，充当 ZigBee 网络与其他无线或有线网络（例如 Wi-Fi 或以太网）之间的桥梁。ZigBee 桥集线器网关允许 ZigBee 网状网络上的 ZigBee 设备（例如智能照明、恒温器和安全摄像头）与其他网络上的设备进行通信，反之亦然。用户可以使用智能手机监控其 ZigBee 设备。在ZigBee网关内，有一个ZigBee协调器来管理ZigBee网络，还有另一个网络接口将ZigBee网络连接到其他网络，主要取决于用户的选择。

智能插座

支持 Wi-Fi 和 Zigbee 的插座与智能语音助手配合使用，使任何插座都可以进行语音控制。支持多功能：遥控、定时器、定时灯、灯具、小家电自动开/关。

传感器

目前，市场上有很多Zigbee传感器，如用于家庭自动化和智能建筑的传感器：

1. 光传感器
2. 泄漏传感器
3. 门磁
4. 暖气/燃气报警器
5. 烟雾探测器
6. 烟雾探测传感器
7. PIR人体红外传感器
8. 温湿度传感器

无线模块

除了传感器之外，还有许多供嵌入式无线模块，允许用户开发满足个性化需求的Zigbee网关。未来，越来越多具有ZigBee功能的智能产品将走进我们的生活，给我们的生活和工作带来极大的便利和快捷。

智能开关

智能开关可用于无线控制花园门、车库门、门禁系统和对讲机等物品。

ZigBee 兼容性

Zigbee 认证的设备使用标准 IoT 协议相互连接。有助于将数百万个已开发的 Zigbee 智能产品添加到智能商业和家庭建筑中。Zigbee 的兼容性提高了用户和设计人员混合和匹配来自不同供应商的多种 Zigbee 产品的灵活性。

ZigBee 安装

要创建自己的智能 Zigbee 网络，需要以下类型的设备：

通用 ZigBee 网关：该设备充当网络的中央控制器，负责管理网络并协调设备之间的通信。

ZigBee 路由器：这些设备充当协调器和终端设备之间的中介，转发数据并维护网络连接。

ZigBee 终端设备：这些设备执行特定功能，例如传感或控制，并通过路由器与网络进行通信，例如灯泡、运动传感器、电表等。

ZigBee 安装指南

值得注意的是，ZigBee 设备通常需要ZigBee 集线器网关来连接到互联网或其他设备，而这些集线器或网关将需要电源和互联网连接。

ZigBee 网关常见问题

1、是否需要 zigbee 网关？