說到短距離物聯網技術，除了Wi-Fi、藍牙之外，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議之一，在物聯網領域，尤其是智能家居領域，被廣泛應用。

今天，我們就來詳細地介紹了一下它吧！

一、起源歷史篇

1為什么要推出ZigBee？

在使用藍牙技術的過程中，人們發現，盡管它有許多優點，但對工業、家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言，它顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規模太小等。

并且，對于工業現場，要求高可靠性的無線數據傳輸，能抵抗工業現場的各種電磁干擾。藍牙技術并不能滿足要求。

因此，ZigBee協議在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近信息的，依靠著這樣的方式構成了群體中的通信網絡。因此，ZigBee的發明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來給它命名。

3ZigBee基于什么協議？

ZigBee的Mac層、PHY層是基于IEEE802.15.4協議的。

根據這個協議規定的技術，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。

4ZigBee有哪些特點？

ZigBee的特點主要有以下幾個方面：

(1)低功耗：在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比之下藍牙可以工作數周、WiFi可以工作數小時；

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

(3)低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數據的應用需求；

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

(5)短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s；

(6)高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網；

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

(8)免費頻段：使用工業科學醫療(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優點很多。

5ZigBee的組網有哪些特點？

ZigBee技術中，使用 網狀網拓撲結構 ，支持自動路由、動態組網、直序擴頻的方式。這些特點，使之能夠滿足工業自動化控制現場的需要（低數據量，低成本，低功耗，高可靠性）。

二、通信技術篇

1為什么說ZigBee使用的是免費頻段？

在世界上大多數國家，使用無線電設備都是要支付頻率使用費的，包括手機通信。只不過移動運營商或服務提供商已經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，是指各個國家根據各自的實際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規定的一致性，而劃分出來的一個頻段，專門用于工業，醫療以及科學研究使用( 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，國家對該頻段內的無線收發設備，在不同環境下的使用功率做了相應的限制。例如在城市環境下，發射功率不能超過 100mW。

2ZigBee僅適合近距離通信嗎？

ZigBee局域網絡不僅可以通過提高每個節點模塊的發射功率和接收靈敏度以及增加節點數量來擴展網絡，而且還可以通過傳統的互聯網去監控路途遙遠的ZigBee控制網絡。

但是，需要注意的是：

(1)隨著發射功率的增加，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系統和CDMA系統一樣，都采用的是直序擴頻技術(DSSS)，它是一種抗干擾能力極強，保密性和可靠性都很高的通信方式。

擴頻技術在正常通信時所要求的信噪比可以很低。也就是說，在干擾很強的環境下，它仍然能夠正常工作。根據計算和實驗，這相當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的距離（在發射功率為0dBm的情況下，藍牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米）。

4為什么Zigbee的抗干擾性能高于Wi-Fi和藍牙技術?

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制中提供CCA的能力，即如果信道被其他設備占用，則允許傳輸退出而不必考慮采用該信道的通信協議。

2、 動態信道選擇：

ZigBee個人區域網（PAN）中的協調器（網絡的中心節點，負責網絡的組織和維護）。首先要掃描所有的信道，然后確認并加入一個合適的PAN（不需要創建一個新的PAN），減少同頻段PAN的數量，降低潛在的干擾。如果干擾源出現在重疊的信道上，協調器上層的軟件要應用信道算法選擇一個新的信道。

3、 信道算法：

在網絡初始化或者響應中斷時，ZigBee 設備都會先掃描一系列被列入信道表參數中的信道，以便進行動態信道選擇，按照上述空閑信道來設置信道表參數，以便加強網絡的共存性能。

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

4、 直序擴頻技術（DSSS）和頻率快變FA：

直接序列擴頻技術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。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10-9，要達到同樣誤碼率，Wi-Fi要達10dB，藍牙要達16dB， Zigbee的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi和藍牙技術。

5、應答重傳和幀緩存：

ZigBee的MAC層和應用層(APS部分)具有自動請求重傳ARQ和幀緩存功能。當傳送數據幀給設備時，如果接收設備處于忙或者休眠狀態而不能接收該幀，那么網絡的主協調設備就暫時緩存該幀，直到接收端接收該幀。

雖然調制方式很簡單，但ZigBee在2.4GHz ISM頻段表現出了很好的抗干擾性能，非常適合于低功耗、低數據傳輸的應用場合。

三、網絡技術篇

1ZigBee是具有怎樣的無線數據傳輸網絡?

ZigBee是一個多個無線數傳模塊（多達65000個）組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信網絡。每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里。

與移動通信網絡不同的是，移動通信網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網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。

除此之外，每一個ZigBee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

2ZigBee所采用的自組織網是怎么回事?

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網絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網絡進行刷新。這就是自組織網。

3ZigBee技術為什么要使用自組織網來通信?

網狀網通信實際上就是多通道通信，在實際工業現場，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暫時中斷。

此時由于我們有多個通道，車輛(相當于我們的控制數據)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。

4為什么自組織網要采用動態路由的方式?

所謂動態路由是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的，而是傳輸數據前，通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。

在我們的網絡管理軟件中，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，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀網拓撲結構，就可以很好解決這個問題，從而保證數據的可靠傳輸。

四、市場應用篇

1ZigBee技術有哪些應用領域?

ZigBee技術的目標就是針對，工業，家庭自動化，遙測遙控，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數據采集和監控，油田，電力，礦山和物流管理等應用領域。

2ZigBee可以在哪些方面拓展應用?

ZigBee應用范圍非常廣泛，可以針對工業自動化、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農業自動化和醫療護理、油田、電力、礦山和物流管理等應用領域。

實際應用舉例如下：照明控制、環境控制、自動讀表系統、各類窗簾控制、煙霧傳感器、醫療監控系統、大型空調系統、內置家居控制的機頂盒及萬能遙控器、暖氣控制、家 庭安防、工業和樓宇自動化。

另外它還可以對局部區域內移動目標例如城市中的車輛進行定位。

4符合什么條件的短距離通信可以考慮采用ZigBee技術?

通常，符合如下條件之一的短距離通信就可以考慮應用ZigBee：

(1)需要數據采集或監控的網點多;

(2)要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低;

(3)要求數據傳輸可靠性高，安全性高;

(4)要求設備體積很小，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)地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋;

(7)對于那些現有的移動網絡的盲區進行覆蓋;

(8)已經使用了現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統。

5ZigBee技術在我國的應用情況怎樣?

盡管國內不少人已經開始關注ZigBee這項新技術，而且也有不少企業開始涉足ZigBee技術的開發，然而，考慮到ZigBee本身是一種新的系統集成技術，應用軟件的開發必須用網絡傳輸，射頻技術和底層軟硬件控制技術結合在一起，所以對于初期開發的企業來說具有一定的技術難度。由于各方面的制約，ZigBee技術的大規模商業應用還有待時日。

但是目前已經展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發展和推進，一定會得到更大的應用。

六、ZigBee3.0技術

1ZigBee3.0的發展背景

ZigBee協議誕生之初，為了滿足不同的應用背景，ZigBee聯盟先后頒布了不同的應用層協議來滿足不同的領域需求：

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

問題是，這些應用層協議是獨立不互通的。

由于早期ZigBee版本由于標準化做的不好，給了廠商太多選擇，很多廠商雖然采用了ZigBee HA的協議，但是終端的智能家居廠商根據自家的需求定制化了ZigBee HA，而非標準ZigBee協議，導致不同廠家產品還是不能互聯互通。

ZigBee聯盟對于ZigBee HA的標準化問題也是傷透了腦筋。為此，還專門組織一批組織機構做ZigBee HA認證，比如最新的ZigBee HA1.2認證，只要經過ZigBee HA1.2認證的產品就能夠實現互聯互通。

但是問題還是沒有得到完美的解決。可以說，ZigBee之前僅僅解決了智能設備的連接問題，但是沒有解決智能設備的互聯互通的問題。

2ZigBee3.0的出現

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

ZigBee聯盟推出ZigBee3.0主要的任務，就是為了統一不同的應用層協議，解決了不同應用層協議之間的互聯互通問題，用戶只要購買任意一個經過ZigBee3.0的網關就可以控制不同廠家基于ZigBee3.0的智能設備。

ZigBee3.0統一了采用不同應用層協議的ZigBee設備的發現、加入和組網方式，使得ZigBee設備的組網更便捷、更統一。另外，ZigBee3.0也進一步加強了ZigBee網路的安全性。

ZigBee聯盟也推出了ZigBee3.0認證來規范各個廠商使用標準的ZigBee3.0協議，以保證基于ZigBee3.0設備的互通性。

3ZigBee3.0的未來

ZigBee3.0解決了ZigBee不同應用層協議互聯互通的問題，也進一步標準化了ZigBee協議，向智能家居的互聯互通邁出了一大步。

但是，在和其他協議的互聯互通方面，Zigbee還要繼續努力。這也需要不同的協議(或稱標準)提供商繼續在底層協議方面進行合作和妥協，這個合作和妥協的過程可能會比較艱難。

這注定是一個任重而道遠的長期使命。