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來源：貿澤電子 Zigbee是一種低功耗、低數據速率的協議，在包括2.4GHz在內的各種未經許可的無線頻帶中工作，并針對低功耗設備網絡進行了優化，專注于低電池供電設備之間的簡單、自組網狀網絡。 在實際應用中，Zigbee的數據速率高達250kbps，尤其適用于小數據包的周期性或間歇性傳輸。隨著物聯網技術的發展，Zigbee設備已經成為物聯網應用的重要組成部分。從智慧城市到智能家居，Zigbee技術在實現設備之間的互聯互通、為人們的生活和工作帶來便利方面發揮著重要作用。 Zigbee技術的發展史 Zigbee協議已經經歷了多次迭代。在介紹其近期技術進展和應用之前，我們不妨先了解一下它的進化路徑。對于企業和開發人員來說，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協議，使用直接序列擴頻調制在100米內提供可靠的數據傳輸。作為全球開放標準創建的無線技術之一，Zigbee旨在滿足低功耗、低成本無線物聯網網絡連接的獨特要求。 • Zigbee 1.0 Zigbee于2004年被批準為基于IEEE 802.15.4標準的無線通信協議。緊接著Zigbee聯盟又于2005年6月13日宣布了規范1.0的可用性，也稱為Zigbee 2004規范。 • Zigbee 1.1 Zigbee 1.0是Zigbee規范的第一個版本，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構，允許Zigbee設備向相關客戶端異步報告屬性更改，從而實現實時屬性更新和通知。不過，新協議與ZigBee1.0不能兼容。 • Zigbee Pro 盡管ZigBee1.1與ZigBee1.0相比發生了重大變化，但行業初始時的愿景仍未完全實現。因此，在2007年，Zigbee規范再次進行了修訂，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Zigbee網絡并在其上運行，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，由數百家公司組成并致力于開發物聯網開放標準的國際組織連接標準聯盟共同發布了Zigbee協議棧技術規范的新版本：Zigbee PRO 2023。Zigbee PRO 2023的關鍵內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，讓協議棧從技術架構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來簡化設備的入網和控制。 實現了“Works with All Hubs”第一階段的目標，為以集線器為中心的網絡推進標準化操作。具體來說，就是通過幫助設備識別網絡中合適的父節點用以安全地入網或重新入網來提升此類網絡的網絡彈性。 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技術規范的Zigbee設備可與Smart Energy設備共處同一網絡，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（比如在智能家居領域，智能家居設備制造商在各自的產品中添加了自己的內容，導致遵守Zigbee協議的Zigbee產品無法相互通信），Zigbee聯盟推出了Zigbee 3.0。在Zigbee 3.0協議中統一了應用層協議，如ZHA、ZLL（Zigbee Light Link：專注于照明應用，為控制和管理燈泡、開關和調光器等照明設備提供標準化的命令和屬性）、ZBA和ZHC（Zigbee Healthcare：滿足醫療保健相關應用程序的特定需求，包括醫療設備監控、患者跟蹤和遠程醫療保健服務）。為了讓來自不同制造商的設備協同工作，從加入網絡到設備操作（如打開和關閉）都有明確的規范。Zigbee 3.0還為使用不同應用層協議的設備標準化了設備發現和聯網步驟，使得Zigbee設備聯網更容易，這樣，用戶通過Zigbee 3.0網關可輕松連接和控制來自不同制造商的智能開關和智能燈泡。 作為ZigBee聯盟的發起人和ZigBee3.0標準工作組的積極貢獻者，恩智浦（NXP）已經將其ZigBee的產品的研發和應用推進到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微控制器系統框圖（圖源：NXP） 歸納起來，Zigbee Pro與Zigbee 3.0的區別在于，在Zigbee Pro規范中，根據不同的市場定義了不同的協議，并保留了相當多的定制內容。因此，來自不同制造商的產品往往無法進行互操作。Zigbee 3.0協議則是對六大應用層協議進行了統一和標準化，并允許所有符合zigbee3.0的產品互連并協同工作。 智能家居：Zigbee設備應用主戰場 在不斷發展的物聯網領域，Zigbee是一種成熟的無線網狀網技術，它允許使用低功耗和低成本的解決方案對無線網絡進行廣泛的組網。智能電網、照明控制、AMR（自動抄表）、醫療設備、車隊應用、暖通空調控制、儲罐監控和樓宇自動化系統都是促進Zigbee協議市場拓展的應用領域。 Zigbee市場的增長潛力從市場預測中可見一斑。根據Mordor Intelligence的數據，ZigBee市場規模預計將從2023年的45.9億美元增長到2028年的61.4億美元，預測期內（2023-2028年）的復合年增長率為6.01%。這一預測突顯了Zigbee技術在實現智能互連方面發揮的重要作用。
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增長（圖源：Mordor Intelligence） 連接標準聯盟（CSA）的統計數據表明，截至目前已經有數以億計的Zigbee產品部署在各地的智能家居和智能建筑中，3900多款Zigbee產品通過認證，超過10億顆芯片組銷往全球。 在當今數字化時代，智能家居技術正以前所未有的速度發展。作為重要力量之一，Zigbee技術正逐漸成為智能家居領域的中流砥柱。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技術實現互聯，用戶可以通過智能手機或語音助手控制這些設備，實現遠程監控和智能管理。Zigbee可以說是非常流行的家庭自動化協議之一，相關的智能家居產品包括但不限于Zigbee網關、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、煙霧傳感器等。 芯片是智能家居等各種物聯網應用的“大腦”，低功耗、高可靠性的半導體芯片幾乎是物聯網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無線電收發器與32位微處理器、閃存和RAM相結合，并具有強大硬件支持的網絡級調試功能。 該公司另一款支持Matter、OpenThread和Zigbee等多協議的無線SoC產品EFR32MG24非常適合使用智能家居、照明和樓宇自動化產品的無線連接。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等關鍵功能，設備制造商可以快速創建智能、強大和節能的產品。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開發套件是一個緊湊、功能齊全的開發平臺，有了它，研發人員可以很快的速度構建一個原型的智能家居產品。
圖3：借助EFR32xG24開發套件，研發人員可快速開發基于多協議無線SoC的智能家居應用（圖源：Mouser） Zigbee的優勢和應用前景 作為一種基于IEEE 802.15.4標準的小型低數據速率和低功率數字無線協議，Zigbee針對低功耗、低數據速率的監控系統進行了優化。ZigBee網絡使用網狀拓撲結構，所有設備/節點都可以相互通信，形成無線網狀網絡。該網絡結構可幫助設備共享多條路徑，并定期優化與其他設備的連接，使網狀網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、低數據速率和安全網絡的射頻應用。Zigbee協議還增強了開發人員和用戶的靈活性和選擇，并確保服務和產品通過各級標準化協同工作。因此，與Zigbee兼容的產品可與每個經Zigbee認證的聯網企業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品，而不會被綁定到單個零售商的生態系統中。 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據，當然，BLE信標也可用于室內定位服務。然而，對于需要在沒有高帶寬的情況下本地傳輸數據的智能家居設備，Zigbee憑借網狀網功能、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標準的加密算法和雙向身份驗證來保護設備入網和后續操作期間的網絡安全，讓消費者更加安心，提升了智能家居的整體安全性，將會對行業的健康發展形成新一波助力。 通過無線網絡技術我們正在向一個更互聯、更智能的世界邁進，隨著智能家居市場的不斷擴大和物聯網技術的不斷成熟，Zigbee設備的應用前景愈發寬廣。未來，隨著技術的進一步發展和成本的不斷降低，Zigbee設備的類型和數量將大幅增加，智能家居和物聯網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注，低功耗Zigbee技術將得到更廣泛的應用，。在未來的發展中，我們可以期待更多創新的Zigbee設備的出現，為人們的生活和工作帶來更多的便利和舒適。 |
