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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(shè)備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，專注于低電池供電設(shè)備之間的簡單、自組網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 在實(shí)際應(yīng)用中，Zigbee的數(shù)據(jù)速率高達(dá)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(shè)備已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要組成部分。從智慧城市到智能家居，Zigbee技術(shù)在實(shí)現(xiàn)設(shè)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(jìn)展和應(yīng)用之前，我們不妨先了解一下它的進(jìn)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(shè)備的兼容性問題。 Zigbee原名HomeRF Lite，是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，使用直接序列擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)連接的獨(dú)特要求。 • Zigbee 1.0 Zigbee于2004年被批準(zhǔn)為基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備向相關(guān)客戶端異步報告屬性更改，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)。因此，在2007年，Zigbee規(guī)范再次進(jìn)行了修訂，重要的一點(diǎn)是新版本可以與以前的版本兼容，允許ZigBee Pro設(shè)備連接到傳統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)并在其上運(yùn)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(kuò)展Zigbee在三種特定應(yīng)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(chǔ)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的國際組織連接標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的安全功能和新添加的安全機(jī)制。Zigbee PRO 2023是向后兼容的，用戶可使用Zigbee 3.0產(chǎn)品認(rèn)證中的新堆棧。具體包括： 在Zigbee PRO 2023中添加的多項(xiàng)安全增強(qiáng)功能，讓協(xié)議棧從技術(shù)架構(gòu)設(shè)計上保證和拓展了安全性。 簡化了用戶使用體驗(yàn)，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(shè)備中普遍使用的低功耗藍(lán)牙技術(shù)來簡化設(shè)備的入網(wǎng)和控制。 實(shí)現(xiàn)了“Works with All Hubs”第一階段的目標(biāo)，為以集線器為中心的網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化操作。具體來說，就是通過幫助設(shè)備識別網(wǎng)絡(luò)中合適的父節(jié)點(diǎn)用以安全地入網(wǎng)或重新入網(wǎng)來提升此類網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度和更廣的信號范圍，為更多應(yīng)用場景提供支持。 符合Zigbee PRO 2023技術(shù)規(guī)范的Zigbee設(shè)備可與Smart Energy設(shè)備共處同一網(wǎng)絡(luò)，交換重要信息，提升了能源和設(shè)備的控制體驗(yàn)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(shè)備的日益增長的需求（比如在智能家居領(lǐng)域，智能家居設(shè)備制造商在各自的產(chǎn)品中添加了自己的內(nèi)容，導(dǎo)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(yīng)用層協(xié)議，如ZHA、ZLL（Zigbee Light Link：專注于照明應(yīng)用，為控制和管理燈泡、開關(guān)和調(diào)光器等照明設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化的命令和屬性）、ZBA和ZHC（Zigbee Healthcare：滿足醫(yī)療保健相關(guān)應(yīng)用程序的特定需求，包括醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控、患者跟蹤和遠(yuǎn)程醫(yī)療保健服務(wù)）。為了讓來自不同制造商的設(shè)備協(xié)同工作，從加入網(wǎng)絡(luò)到設(shè)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(yīng)用層協(xié)議的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化了設(shè)備發(fā)現(xiàn)和聯(lián)網(wǎng)步驟，使得Zigbee設(shè)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(biāo)準(zhǔn)工作組的積極貢獻(xiàn)者，恩智浦（NXP）已經(jīng)將其ZigBee的產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用推進(jìn)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(fèi)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(shè)備類型以及可作為自定義應(yīng)用程序開發(fā)基礎(chǔ)的示例設(shè)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(dāng)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(jìn)行互操作。Zigbee 3.0協(xié)議則是對六大應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行了統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備應(yīng)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(luò)進(jìn)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(shè)備、車隊(duì)?wèi)?yīng)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(jìn)Zigbee協(xié)議市場拓展的應(yīng)用領(lǐng)域。 Zigbee市場的增長潛力從市場預(yù)測中可見一斑。根據(jù)Mordor Intelligence的數(shù)據(jù)，ZigBee市場規(guī)模預(yù)計將從2023年的45.9億美元增長到2028年的61.4億美元，預(yù)測期內(nèi)（2023-2028年）的復(fù)合年增長率為6.01%。這一預(yù)測突顯了Zigbee技術(shù)在實(shí)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(yù)計將以6.01%的復(fù)合年增長率實(shí)現(xiàn)增長（圖源：Mordor Intelligence） 連接標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證，超過10億顆芯片組銷往全球。 在當(dāng)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(shè)備都可以使用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，用戶可以通過智能手機(jī)或語音助手控制這些設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(yùn)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(yīng)用的“大腦”，低功耗、高可靠性的半導(dǎo)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(qiáng)大硬件支持的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備制造商可以快速創(chuàng)建智能、強(qiáng)大和節(jié)能的產(chǎn)品。芯片中的Arm Cortex-M33可運(yùn)行高達(dá)78 MHz、高達(dá)1.5 MB的閃存和256 kB的RAM，為要求苛刻的應(yīng)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(yīng)用（圖源：Mouser） Zigbee的優(yōu)勢和應(yīng)用前景 作為一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了優(yōu)化。ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有設(shè)備/節(jié)點(diǎn)都可以相互通信，形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可幫助設(shè)備共享多條路徑，并定期優(yōu)化與其他設(shè)備的連接，使網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠自動從無線干擾或斷開的鏈路中恢復(fù)。正是這一功能，使得Zigbee常常被用于家庭自動化及其應(yīng)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(shè)備。加之Zigbee的覆蓋范圍達(dá)到了100米，對于一個普通家庭來說已經(jīng)足夠了。 與藍(lán)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(luò)的射頻應(yīng)用。Zigbee協(xié)議還增強(qiáng)了開發(fā)人員和用戶的靈活性和選擇，并確保服務(wù)和產(chǎn)品通過各級標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同工作。因此，與Zigbee兼容的產(chǎn)品可與每個經(jīng)Zigbee認(rèn)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(shè)備配對和短距離無線通信，藍(lán)牙可能是極合適的協(xié)議。通過藍(lán)牙低能耗（BLE），可以在可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)等智能設(shè)備之間以非常低的功率無線交換少量數(shù)據(jù)，當(dāng)然，BLE信標(biāo)也可用于室內(nèi)定位服務(wù)。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(shè)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(yīng)用的首選。Zigbee PRO 2023添加的安全功能和安全機(jī)制利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加密算法和雙向身份驗(yàn)證來保護(hù)設(shè)備入網(wǎng)和后續(xù)操作期間的網(wǎng)絡(luò)安全，讓消費(fèi)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(luò)技術(shù)我們正在向一個更互聯(lián)、更智能的世界邁進(jìn)，隨著智能家居市場的不斷擴(kuò)大和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，Zigbee設(shè)備的應(yīng)用前景愈發(fā)寬廣。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成本的不斷降低，Zigbee設(shè)備的類型和數(shù)量將大幅增加，智能家居和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)用，。在未來的發(fā)展中，我們可以期待更多創(chuàng)新的Zigbee設(shè)備的出現(xiàn)，為人們的生活和工作帶來更多的便利和舒適。 |
