ZigBee技術

Zigbee這個名字的靈感來源於蜂群的交流方式：蜜蜂通過Z字形飛行來通知發現的食物的位置、距離和方向等信息。Zigbee聯盟便以此作為這個新一代無線通信技術的名稱。

蜜蜂在發現花叢後會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發現的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。藉此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術，統稱為ZigBee。

簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數傳網路，類似於CDMA和GSM網路。ZigBee數傳模塊類似於移動網路基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，並且支持無限擴展。

ZigBee是一個由可多到65535個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網路平台，在整個網路範圍內，每一個ZigBee網路數傳模塊之間可以相互通信，每個網路節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是，ZigBee網路主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。

每個ZigBee網路節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的感測器直接進行數據採集和監控，還可以自動中轉別的網路節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個ZigBee網路節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的範圍內，和多個不承擔網路信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

完整的ZigBee 協議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網路層、數據鏈路層和物理層組成。

以下為各層在Zigbee結構中的作用：

物理層：作為Zigbee協議結構的最低層，提供了最基礎的服務，為上一層MAC層提供了服務，如數據的介面等等。同時也起到了與現實 (物理) 世界交互的作用；

MAC層：負責不同設備之間無線數據鏈路的建立，維護，結束，確認的數據傳送和接收；

網路/安全層：保證了數據的傳輸和完整性，同時可對數據進行加密；

應用/支持層：根據設計目的和需求使多個器件之間進行通信；

其中，Zigbee協議架構最具特色的兩項是：功耗以及自組網。

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的範圍內，但可以繼續增加。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點：

(1) 低功耗: 由於ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW,而且採用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

(2) 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元, 並且ZigBee協議是免專利費的。低成本對於ZigBee也是一個關鍵的因素。

(3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備通道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用於對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。

(4) 網路容量大：一個星型結構的Zigbee網路最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網路, 而且網路組成靈活。

(5) 可靠: 採取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和衝突。MAC層採用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

(6) 安全： ZigBee提供了基於循環冗餘校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，採用了AES-128的加密演演算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

ZigBee模塊是一種物聯網無線數據終端，利用ZigBee網路為用戶提供無線數據傳輸功能。該產品採用高性能的工業級ZigBee方案，提供SMT與DIP介面，可直接連接TTL介面設備，實現數據透明傳輸功能；低功耗設計，最低功耗小於1mA；提供6路I/O，可實現數字量輸入輸出、脈衝輸出；其中有3路I/O還可實現模擬量採集、脈衝計數等功能。

該產品已廣泛應用於物聯網產業鏈中的M2M行業，如智能電網、智能交通、智能家居、金融、移動POS終端、供應鏈自動化、工業自動化、智能建築、消防、公共安全、環境保護、氣象、數字化醫療、遙感勘測、農業、林業、水務、煤礦、石化等領域。

應用設計

1.採用高性能工業級ZigBee晶元

2.低功耗設計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗

3.電源輸入（DC 2.0～3.6V）

穩定可靠

1.WDT看門狗設計，保證系統穩定

2.提供TTL串列介面，SPI介面。

3.天線介面防雷保護（可選）

標準易用

1.採用2.0的SMA與DIP介面，特別適合於不同用戶的應用需求。

2.提供TTL介面可直接連相同電壓的TTL串口設備

3.智能型數據模塊，上電即可進入數據傳輸狀態

4.使用方便，靈活，多種工作模式選擇

5.方便的系統配置和維護介面

6.支持串口軟體升級和遠程維護

功能強大

1.支持ZigBee無線短距離數據傳輸功能

2.具備中繼路由和終端設備功能

3.支持點對點、點對多點、對等和Mesh網路

4.網路容量大：65535個節點

5.節點類型靈活：中心節點、路由節點、終端節點可任意設置；

6.發送模式靈活：廣播發送或目標地址發送模式可選

7.通信距離大

8.提供6路I/O，可實現6路數字量輸入輸出；兼容6路脈衝輸出、3路模擬量輸入、3路脈衝計數功能

ZigBee技術所採用的自組織網是怎麼回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網路模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網路模塊的通信範圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網路。

而且，由於人員的移動，彼此間的聯絡還會發生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網路進行刷新。這就是自組織網。

網狀網通信實際上就是多通道通信，在實際工業現場，由於各種原因，往往並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暫時中斷，此時由於我們有多個通道，車輛（相當於我們的控制數據）仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業現場控制而言則非常重要。

所謂動態路由是指網路中數據傳輸的路徑並不是預先設定的，而是傳輸數據前，通過對網路當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關係以及遠近，然後選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網路管理軟體中，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行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數據送達目的地為止。

在實際工業現場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過於繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀拓撲結構，就可以很好解決這個問題，從而保證數據的可靠傳輸。

ZigBee聯盟是一個高速成長的非盈利業界組織，成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、技術集成商以及最終使用者。聯盟制定了基於IEEE802.15.4，具有高可靠、高性價比、低功耗的網路應用規格。

ZigBee聯盟的主要目標是以通過加入無線網路功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產品。ZigBee技術能融入各類電子產品，應用範圍橫跨全球的民用、商用、公共事業以及工業等市場。使得聯盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網路平台，設計出簡單、可靠、便宜又節省電力的各種產品來。

ZigBee聯盟所鎖定的焦點為制定網路、安全和應用軟體層；提供不同產品的協調性及互通性測試規格；在世界各地推廣ZigBee品牌並爭取市場的關注；管理技術的發展。

IEEE組織早在2003年就開始制定IEEE802.15.4標準併發布，2006年進行標準更新，最新針對智能電網應用制定了IEEE802.15.4g標準，針對工業控制應用制定了IEEE802.15.4e標準。IEEE802.15.4系列標準屬於物理層和MAC層標準，由於IEEE組織在無線領域的影響力，以及TI、ST、Ember、Freescale、NXP等著名晶元廠商的推動，該標準已經成為無線感測器網路領域的事實標準，符合該標準的晶元已經在各個行業得到廣泛應用。

ZigBee聯盟對ZigBee標準的制定：IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數據鏈路層，標準已在2003年5月發布。ZigBee網路層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經發布。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續發布。由於ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此ZigBee聯盟對其網路層協議和API進行了標準化。完全協議用於一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K位元組或者作為Hub或路由器的協調器的32K位元組。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網路，對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網路的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

2001年8月，ZigBee Alliance成立。

2004年,ZigBee V1.0誕生。它是zigbee的第一個規範。但由於推出倉促，存在一些錯誤。

2006年，推出ZigBee 2006，比較完善；

2007年底，ZigBee PRO推出；

2009年3月，zigbee RF4CE推出，具備更強的靈活性和遠程控制能力；

2009年開始，zigbee採用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智能電網Smart Energy（SEP 2.0）的標準，致力於形成全球統一的易於與網際網路集成的網路，實現端到端的網路通信。隨著美國及全球智能電網的大規模建設和應用，物聯網感知層技術標準將逐漸由zigbee技術向IPv6 6Lowpan標準過渡。

Zigbee是一種無線自組網技術標準，由Zigbee聯盟制定。近年來，IETF組織也針對物聯網制定了6Lowpan無線自組網技術體系，包括6Lowpan、IPv6、ROLL RPL組網路由、CoAP應用層標準，具有開放、免費、海量地址空間、與網際網路無縫集成等優勢，受到越來越多的關注，並且被Zigbee IP（智能電網）、ETSI M2M、ISA100工業標準等採納，發展迅速，很可能成為物聯網領域的事實標準。因此有必要比較兩種技術標準：

此外，國外的研究者也專門對6Lowpan和zigbee兩種技術進行詳細比較和分析，詳見：Zigbee VS 6Lowpan for Sensor Networks。

隨著我國物聯網正進入發展的快車道，ZigBee也正逐步被國內越來越多的用戶接受。ZigBee技術也已在部分智能感測器場景中進行了應用。如在北京地鐵9號線隧道施工過程中的考勤定位系統便採用的是ZigBee，ZigBee取代傳統的RFID考勤系統實現了無漏讀、方向判斷準確、定位軌跡準確和可查詢，提高了隧道安全施工的管理水平；在某些高檔的老年公寓中，基於ZigBee網路的無線定位技術可在療養院或老年社區內實現全區實時定位及求助功能。由於每個老人都隨身攜一個移動報警器，遇到險情時，可以及時的按下求助按鈕不但使老人在戶外活動時的安全監控及救援問題得到解決，而且，使用簡單方便，可靠性高。

據中國電信副總工程師靳東濱介紹，預計到2015年國內物聯網市場規模將達到7500億元，年複合增長率超過30%。智慧城市建設成為運營商推進物聯網的重要落腳點。此外，工業和信息化部和財政部已設專項資金用以支持物聯網發展。據悉，2013年投入的專項資金支持預算較2012年有所增長，將超5億元。業內人士預計未來10年內物聯網會大規模普及，其產業規模將遠超網際網路。

Zigbee的開發彌補了無線網路通信市場對低速、低功耗、低成本的需求，可是從實際使用頻率上來看，相比Wifi和藍牙依舊有著較大差距。但Zigbee的優勢其它無線傳輸技術無可替代的，因此發展前景也十分廣闊。

(1) 從技術標準層面上來看，物聯網技術的實現成為了必然的發展趨勢，而Zigbee運用在物聯網技術中將極大地推動物物之間用網路相連目標的實現, 且於ZigbeeIPV6結合, 將更好地提升它的低功耗、低成本的優勢。

(2) 從應用範圍來看，Zigbee將來完全可能應用在智能手機方面，由於Zigbee相較於藍牙、Wifi而言的特有優勢，將它運用於手機行業代替藍牙、Wifi進行短距離傳輸，這將大大降低手機的功耗，提升手機的整體性能。

(3) 對於中國市場而言，由於目前中國的無線網路市場還未成熟，應鼓勵國內企業積極涉獵Zigbee技術的開發和應用，政府也應給予一定的政策支持，從而推進我國短距離無線傳輸技術的發展，縮小與發達國家之間的差距。

成本：ZIGBEE晶元出貨量比較大的TI公司，晶元其成本均在2~3美金左右，再考慮到其他外圍器件和相關2.4G射頻器件，成本難以低於10美金，針對智能家居這種成本敏感而又需要大量節點的家用設備，其成本頗為尷尬。

通信穩定性：國內Zigbee技術主要採用ISM頻段中的2.5G頻率，其衍射能力弱，穿牆能力弱。家居環境中，即使是一扇門，一扇窗，一堵非承重牆，也會讓信號大打折扣。當然，有些廠家會使用射頻功放，對2.5G信號進行放大，但是這樣會造成額外的輻射污染，同時也和ZIGBEE低功耗，節能的初衷背道而馳。

自組網能力：Zigbee技術的主要特點是支持自組網能力強，自恢復能力強，因此，對於井下定位，停車場車位定位，室外溫濕度採集，污染採集等應用非常具有吸引力。然而，對於智能家居的應用場景中，開關，插座，窗帘的位置一旦固定，一直不變，自組網的優點也就不復存在，但是自組網所耗費的時間和資源缺卻依舊不會減少。

ZigBee技術的安全性較高，其安全性源於其系統性的設計：採用AES加密(高級加密系統)，嚴密程度相當於銀行卡加密技術的12倍；其次，ZigBee採用蜂巢結構組網，每個設備不僅能通過多個方向與網關通信，保障網路的穩定性；每個設備還具有無線信號中繼功能，可以接力傳輸通訊信息把無線距離傳到1000米以外。另外，其網路容量理論節點為65300個，能夠滿足家庭網路覆蓋需求，即便是智能小區、智能樓宇等只需要1個主機就能實現全面覆蓋；最後，ZigBee具備雙向通信的能力，不僅能發送命令到設備，同時設備也會把執行狀態和相關數據反饋回來。此外，ZigBee採用了極低功耗設計，可以全電池供電，理論上一節電池能使用2年以上。