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來源：貿(mào)澤電子 Zigbee是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率的協(xié)議，在包括2.4GHz在內(nèi)的各種未經(jīng)許可的無線頻帶中工作，并針對低功耗設備網(wǎng)絡進行了優(yōu)化，專注于低電池供電設備之間的簡單、自組網(wǎng)狀網(wǎng)絡。 在實際應用中，Zigbee的數(shù)據(jù)速率高達250kbps，尤其適用于小數(shù)據(jù)包的周期性或間歇性傳輸。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，Zigbee設備已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)應用的重要組成部分。從智慧城市到智能家居，Zigbee技術(shù)在實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)互通、為人們的生活和工作帶來便利方面發(fā)揮著重要作用。 Zigbee技術(shù)的發(fā)展史 Zigbee協(xié)議已經(jīng)經(jīng)歷了多次迭代。在介紹其近期技術(shù)進展和應用之前，我們不妨先了解一下它的進化路徑。對于企業(yè)和開發(fā)人員來說，了解這一過程將非常有助于他們理解市場上各類Zigbee設備的兼容性問題。 Zigbee原名HomeRF Lite，是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，使用直接序列擴頻調(diào)制在100米內(nèi)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。作為全球開放標準創(chuàng)建的無線技術(shù)之一，Zigbee旨在滿足低功耗、低成本無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡連接的獨特要求。 • Zigbee 1.0 Zigbee于2004年被批準為基于IEEE 802.15.4標準的無線通信協(xié)議。緊接著Zigbee聯(lián)盟又于2005年6月13日宣布了規(guī)范1.0的可用性，也稱為Zigbee 2004規(guī)范。 • Zigbee 1.1 Zigbee 1.0是Zigbee規(guī)范的第一個版本，在使用過程中它暴露出一些明顯的缺陷。為了解決和修正這些問題，ZigBee聯(lián)盟很快就推出了ZigBee1.1。在新的版本中，Zigbee Cluster Library（ZCL）取代了2004年堆棧中使用的值對結(jié)構(gòu)，允許Zigbee設備向相關(guān)客戶端異步報告屬性更改，從而實現(xiàn)實時屬性更新和通知。不過，新協(xié)議與ZigBee1.0不能兼容。 • Zigbee Pro 盡管ZigBee1.1與ZigBee1.0相比發(fā)生了重大變化，但行業(yè)初始時的愿景仍未完全實現(xiàn)。因此，在2007年，Zigbee規(guī)范再次進行了修訂，重要的一點是新版本可以與以前的版本兼容，允許ZigBee Pro設備連接到傳統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡并在其上運行，反之亦然。ZigBee Pro工作在2.4 GHz ISM頻段，并增加了對sub-GHz頻段的支持，在頻率使用方面提供了更大的靈活性。在此次修訂中，Zigbee聯(lián)盟專注于擴展Zigbee在三種特定應用類型中的能力，即：Zigbee家庭自動化（ZHA）、Zigbee樓宇自動化（ZBA）和高級計量基礎設施（AMI）。 • Zigbee PRO 2023 2023年4月12日，由數(shù)百家公司組成并致力于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)開放標準的國際組織連接標準聯(lián)盟共同發(fā)布了Zigbee協(xié)議棧技術(shù)規(guī)范的新版本：Zigbee PRO 2023。Zigbee PRO 2023的關(guān)鍵內(nèi)容之一是增加了一系列增強的安全功能和新添加的安全機制。Zigbee PRO 2023是向后兼容的，用戶可使用Zigbee 3.0產(chǎn)品認證中的新堆棧。具體包括： 在Zigbee PRO 2023中添加的多項安全增強功能，讓協(xié)議棧從技術(shù)架構(gòu)設計上保證和拓展了安全性。 簡化了用戶使用體驗，并將支持的頻段延伸到2.4GHz以外。 增加了Zigbee Direct功能，利用在語音助手和移動設備中普遍使用的低功耗藍牙技術(shù)來簡化設備的入網(wǎng)和控制。 實現(xiàn)了“Works with All Hubs”第一階段的目標，為以集線器為中心的網(wǎng)絡推進標準化操作。具體來說，就是通過幫助設備識別網(wǎng)絡中合適的父節(jié)點用以安全地入網(wǎng)或重新入網(wǎng)來提升此類網(wǎng)絡的網(wǎng)絡彈性。 增加了對歐洲 (800MHz) 和北美 (900MHZ) Sub-GHz的支持，提供更高的信號強度和更廣的信號范圍，為更多應用場景提供支持。 符合Zigbee PRO 2023技術(shù)規(guī)范的Zigbee設備可與Smart Energy設備共處同一網(wǎng)絡，交換重要信息，提升了能源和設備的控制體驗和使用效率。 • Zigbee 3.0 隨著低成本和低功率無線SoC硬件解決方案的不斷發(fā)展，以及跨多個市場互連各種設備的日益增長的需求（比如在智能家居領(lǐng)域，智能家居設備制造商在各自的產(chǎn)品中添加了自己的內(nèi)容，導致遵守Zigbee協(xié)議的Zigbee產(chǎn)品無法相互通信），Zigbee聯(lián)盟推出了Zigbee 3.0。在Zigbee 3.0協(xié)議中統(tǒng)一了應用層協(xié)議，如ZHA、ZLL（Zigbee Light Link：專注于照明應用，為控制和管理燈泡、開關(guān)和調(diào)光器等照明設備提供標準化的命令和屬性）、ZBA和ZHC（Zigbee Healthcare：滿足醫(yī)療保健相關(guān)應用程序的特定需求，包括醫(yī)療設備監(jiān)控、患者跟蹤和遠程醫(yī)療保健服務）。為了讓來自不同制造商的設備協(xié)同工作，從加入網(wǎng)絡到設備操作（如打開和關(guān)閉）都有明確的規(guī)范。Zigbee 3.0還為使用不同應用層協(xié)議的設備標準化了設備發(fā)現(xiàn)和聯(lián)網(wǎng)步驟，使得Zigbee設備聯(lián)網(wǎng)更容易，這樣，用戶通過Zigbee 3.0網(wǎng)關(guān)可輕松連接和控制來自不同制造商的智能開關(guān)和智能燈泡。 作為ZigBee聯(lián)盟的發(fā)起人和ZigBee3.0標準工作組的積極貢獻者，恩智浦（NXP）已經(jīng)將其ZigBee的產(chǎn)品的研發(fā)和應用推進到ZigBee3.0階段。目前，公司JN516x和JN517x系列中的所有微控制器都支持ZigBee 3.0，免費的NXP支持軟件也可用于JN516x/7x上的ZigBee 3.0，包括ZigBee PRO堆棧和相關(guān)的API、廣泛的ZCL cluster、ZigBee-Lighting and Occupancy（ZLO）設備類型以及可作為自定義應用程序開發(fā)基礎的示例設備軟件。 
圖1：支持ZigBee 3.0的恩智浦JN516x微控制器系統(tǒng)框圖（圖源：NXP） 歸納起來，Zigbee Pro與Zigbee 3.0的區(qū)別在于，在Zigbee Pro規(guī)范中，根據(jù)不同的市場定義了不同的協(xié)議，并保留了相當多的定制內(nèi)容。因此，來自不同制造商的產(chǎn)品往往無法進行互操作。Zigbee 3.0協(xié)議則是對六大應用層協(xié)議進行了統(tǒng)一和標準化，并允許所有符合zigbee3.0的產(chǎn)品互連并協(xié)同工作。 智能家居：Zigbee設備應用主戰(zhàn)場 在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，Zigbee是一種成熟的無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)，它允許使用低功耗和低成本的解決方案對無線網(wǎng)絡進行廣泛的組網(wǎng)。智能電網(wǎng)、照明控制、AMR（自動抄表）、醫(yī)療設備、車隊應用、暖通空調(diào)控制、儲罐監(jiān)控和樓宇自動化系統(tǒng)都是促進Zigbee協(xié)議市場拓展的應用領(lǐng)域。 Zigbee市場的增長潛力從市場預測中可見一斑。根據(jù)Mordor Intelligence的數(shù)據(jù)，ZigBee市場規(guī)模預計將從2023年的45.9億美元增長到2028年的61.4億美元，預測期內(nèi)（2023-2028年）的復合年增長率為6.01%。這一預測突顯了Zigbee技術(shù)在實現(xiàn)智能互連方面發(fā)揮的重要作用。
圖2：2023-2028年期間，ZigBee市場預計將以6.01%的復合年增長率實現(xiàn)增長（圖源：Mordor Intelligence） 連接標準聯(lián)盟（CSA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截至目前已經(jīng)有數(shù)以億計的Zigbee產(chǎn)品部署在各地的智能家居和智能建筑中，3900多款Zigbee產(chǎn)品通過認證，超過10億顆芯片組銷往全球。 在當今數(shù)字化時代，智能家居技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展。作為重要力量之一，Zigbee技術(shù)正逐漸成為智能家居領(lǐng)域的中流砥柱。在智能家居市場，從智能燈泡、智能插座到智能門鎖，幾乎所有的智能家居設備都可以使用Zigbee技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)，用戶可以通過智能手機或語音助手控制這些設備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和智能管理。Zigbee可以說是非常流行的家庭自動化協(xié)議之一，相關(guān)的智能家居產(chǎn)品包括但不限于Zigbee網(wǎng)關(guān)、家庭自動化恒溫器、PIR運動傳感器、警報器、漏水傳感器、電表、智能照明系統(tǒng)、煙霧傳感器等。 芯片是智能家居等各種物聯(lián)網(wǎng)應用的“大腦”，低功耗、高可靠性的半導體芯片幾乎是物聯(lián)網(wǎng)各個方面的重要組件。Silicon Labs公司的EM351和EM357 Ember ZigBee芯片是基于ARM Cortex-M3的ZigBee SoC系列，在緊湊的封裝中提供了優(yōu)異的性能、功耗和代碼密度。EM351和EM357將2.4 GHz IEEE 802.15.4無線電收發(fā)器與32位微處理器、閃存和RAM相結(jié)合，并具有強大硬件支持的網(wǎng)絡級調(diào)試功能。 該公司另一款支持Matter、OpenThread和Zigbee等多協(xié)議的無線SoC產(chǎn)品EFR32MG24非常適合使用智能家居、照明和樓宇自動化產(chǎn)品的無線連接。憑借高性能2.4 GHz射頻、低電流消耗、AI/ML硬件加速器和Secure Vault等關(guān)鍵功能，設備制造商可以快速創(chuàng)建智能、強大和節(jié)能的產(chǎn)品。芯片中的Arm Cortex-M33可運行高達78 MHz、高達1.5 MB的閃存和256 kB的RAM，為要求苛刻的應用提供豐富的資源，同時為未來的增長留出空間。 EFR32xG24開發(fā)套件是一個緊湊、功能齊全的開發(fā)平臺，有了它，研發(fā)人員可以很快的速度構(gòu)建一個原型的智能家居產(chǎn)品。
圖3：借助EFR32xG24開發(fā)套件，研發(fā)人員可快速開發(fā)基于多協(xié)議無線SoC的智能家居應用（圖源：Mouser） Zigbee的優(yōu)勢和應用前景 作為一種基于IEEE 802.15.4標準的小型低數(shù)據(jù)速率和低功率數(shù)字無線協(xié)議，Zigbee針對低功耗、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)控系統(tǒng)進行了優(yōu)化。ZigBee網(wǎng)絡使用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，所有設備/節(jié)點都可以相互通信，形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可幫助設備共享多條路徑，并定期優(yōu)化與其他設備的連接，使網(wǎng)狀網(wǎng)絡能夠自動從無線干擾或斷開的鏈路中恢復。正是這一功能，使得Zigbee常常被用于家庭自動化及其應用，比如連接智能燈、恒溫器、智能門鎖等需要本地通信而無需高帶寬的設備。加之Zigbee的覆蓋范圍達到了100米，對于一個普通家庭來說已經(jīng)足夠了。 與藍牙等其他WPAN相比，采用Zigbee的方案更便宜、更簡單，尤其適用于那些需要長電池壽命、低數(shù)據(jù)速率和安全網(wǎng)絡的射頻應用。Zigbee協(xié)議還增強了開發(fā)人員和用戶的靈活性和選擇，并確保服務和產(chǎn)品通過各級標準化協(xié)同工作。因此，與Zigbee兼容的產(chǎn)品可與每個經(jīng)Zigbee認證的聯(lián)網(wǎng)企業(yè)或家庭平臺配合使用，這樣人們就可以按照自己的喜好在市場上尋找適合的智能家居產(chǎn)品，而不會被綁定到單個零售商的生態(tài)系統(tǒng)中。 對于簡單的設備配對和短距離無線通信，藍牙可能是極合適的協(xié)議。通過藍牙低能耗（BLE），可以在可穿戴設備和智能手機等智能設備之間以非常低的功率無線交換少量數(shù)據(jù)，當然，BLE信標也可用于室內(nèi)定位服務。然而，對于需要在沒有高帶寬的情況下本地傳輸數(shù)據(jù)的智能家居設備，Zigbee憑借網(wǎng)狀網(wǎng)功能、低功耗特性以及較高的性價比，使其成為此類應用的首選。Zigbee PRO 2023添加的安全功能和安全機制利用行業(yè)標準的加密算法和雙向身份驗證來保護設備入網(wǎng)和后續(xù)操作期間的網(wǎng)絡安全，讓消費者更加安心，提升了智能家居的整體安全性，將會對行業(yè)的健康發(fā)展形成新一波助力。 通過無線網(wǎng)絡技術(shù)我們正在向一個更互聯(lián)、更智能的世界邁進，隨著智能家居市場的不斷擴大和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，Zigbee設備的應用前景愈發(fā)寬廣。未來，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和成本的不斷降低，Zigbee設備的類型和數(shù)量將大幅增加，智能家居和物聯(lián)網(wǎng)應用將變得更加普及和智能。同時，隨著人們對能耗的日益關(guān)注，低功耗Zigbee技術(shù)將得到更廣泛的應用，。在未來的發(fā)展中，我們可以期待更多創(chuàng)新的Zigbee設備的出現(xiàn)，為人們的生活和工作帶來更多的便利和舒適。 |
