什么是 ZigBee？

在智能硬件和物联网领域，时下大名鼎鼎的ZigBee可谓是无人不知，无人不晓。作为除了wifi、蓝牙之外，ZigBee是目前最重要的无线通信协议之一，主要应用于物联网和智能硬件等领域。那么ZigBee是什么？ZigBee有那些优势呢？ZigBee可以应用在那些地方呢？带着这些问题，来了解一下ZigBee。

什么是ZigBee技术？

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。

ZigBee是基于IEEE802.15.4协议发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

Zigbee发展历史

Zigbee联盟集各联盟成员之力，接连发布多个协议标准，意图通过统一的场景标准协议等多种方式解决业内各企业互联互通等一系列问题。

2009年8月，Zigbee联盟推出加强型Zigbee Home Automation应用标准。

Zigbee Home Automation标准，是用于智能住宅，控制家电、照明、环境、能源管理和安全，以及与其它Zigbee网络互连的互操作性产品的全球标准。该标准能够控制空调系统、电源插座、机动设备、门铃和安全装置等。

2010年12月22日，Zigbee联盟宣布完成Zigbee Input Device标准，这是用于消费电子产品和计算机配件（鼠标、键盘、触摸板和其它输入设备）的人机交互设备的新的全球标准。

2012年4月18日，Zigbee联盟宣布完成Zigbee Light Link标准的制定和认证。

Zigbee Light Link标准，为照明行业的消费照明和控制装置的互操作性产品提供全球标准。该标准是由众多企业提供支持的开放性全球标准，为LED照明解决方案提供高效灵活的无线控制。 同年，顺舟智能加入Zigbee联盟成为联盟中国推广组理事成员。

2013年3月28日，Zigbee联盟宣布推出第三套规范Zigbee IP。Zigbee IP是第一个基于IPv6的全无线网状网解决方案的开放标准，提供无缝互联网连接控制低功耗、低成本设备。Zigbee IP是专门为支持即将推出的应用标准Zigbee Smart Energy（智能能源）2.0而设计的。

2016年5月12日，Zigbee联盟联合Zigbee中国成员组面向亚洲市场正式推出最Zigbee3.0标准。Zigbee3.0 基于 IEEE 802.15.4 标准、工作频率为2.4 GHz(全球通用频率)、使用 Zigbee PRO 网络，由Zigbee联盟市场领先的无线标准统一而来，是第一个统一、开放和完整的无线物联网产品开发解决方案。

2017年1月5日，Zigbee联盟正式推出物联网通用语言Dotdot，适用于整个IoT网络上，这种语言将改变现在多种设备之间通讯语言不统一的现状。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点:

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz（欧洲流行)和915 MHz（美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

（1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时;

（2）低成本：通过大幅简化协议是成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费;

（3）低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求;

（4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远;

（5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s;

（6）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网;

（7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性;

（8）免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz（全球）频段。

ZigBee协议栈结构

ZigBee技术的协议栈结构很简单，不像诸如蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常分为7层，而ZigBee技术仅分为4层，如图所示。

　图 ZigBee协议栈

在ZigBee技术中，PHY层和 MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，其中，PHY层提供了两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。

PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量监测，链路质量，信道选择，清除信道评估，以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。同样，MAC层也提供了两种类型的服务：通过MAC层管理实体服务接人点向MAC层数据和MAC层管理提供服务。MAC层数据服务可以通过PHY层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元

MAC层的具体特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请求。除此以外，MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。

ZigBee技术的网络/安全层主要用于ZigBee的WPAN的组网连接、数据管理以及网络安全等；应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术进行开发应用。

Zigbee技术应用场景

基于Zigbee技术的传感器网络应用非常广泛，可以帮助人们更好地实现生活梦想。Zigbee技术应用包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用、电信应用和仓储物流系统应用。

智能家庭： 家里可能都有很多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了ZigBee技术，可以把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到 Internet，这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。将ZigBee无线通信技术应用于智能家居领域，一方面可提高家居操作的便捷性，缩减家居成本；另一方面可提高人们的生活居住体验，切实彰显该项技术的实用性。除此之外，ZigBee无线通信技术还可实现有效的信号抗干扰功能，为人们创造便利的同时，还可缩减对其他用户造成的信号干扰。

医疗监护： 电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题，可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器，可以通过ZigBee技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较*的行动，非常方便。

传感器网络应用： 传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。

无线点餐系统： 餐厅 ZigBee无线节点网络，通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处理中心部署的ZigBee节点设备构成了完整的无线通讯网络，实现了信息处理的自动化； 服务员通过手持的点餐终端处理顾客的点单，用户订单通过终端和大厅内的 ZigBee 网络自动的上传到厨房和收银台，无线通信系统的 ZIGBEE 中心节点、无线 ZIGBEE 路由和无线点餐终端，够构成一个 蜂窝状的通信网络，任何一个节点以多调方式实现通信。

其中任何一个 ZIGBEE 路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发；所有的 ZIGBEE 路由器组成一个蜂窝网状网络，与 ZIGBEE 中心节点连接，中心节点设置在总服务台，构建成一个完整的 ZIGBEE 无线网络，是个通信非常可靠的网络结构。

智能交通控制系统： 采用 ZIGBEE 和太阳能结合的无线控制系统，无须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统安装方式对交通干 扰所带来的经济损失，而且也避免了由于城市快速发展，道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。

工业控制： 工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。

自动抄表： 抄表可能是大家比较熟悉的事情，像煤气表、电表、水表等等，每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后根据读数来收费。现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户的敲门，很不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。

电信应用： 在2006年初的时候，意大利电信就宣布她研发了一种集成了ZigBee技术的SIM卡，并命名为“ZSIM”。其实这种 SIM卡只是把ZigBee集成在电信终端上的一种手段。而ZigBee联盟也在2007年4月发布新闻，说联盟的成员在开发电信相关的应用。如果 ZigBee技术真得可以在电信领域开展起来，那么将来用户就可以利用手机来进行移动支付，并且在热点地区可以获得一些感兴趣的信息，如新闻、折扣信息，用户也可以通过定位服务获知自己的位置。虽然现在的GPS定位服务已经做得很好，但却很难支持室内的定位，而ZigBee的定位功能正好弥补这一缺陷。

仓储物流系统： 随着仓储物流系统的推广，对于无限数据传输系统的应用需求呈现出不断攀升的趋势，于此期间，特别对无线通信技术提出了高效、低成本的要求，所以，ZigBee无线通信技术凭借其安全可靠、多路径路由方式等特征，尤为适用于仓储物流系统中。对于ZigBee无线通信技术在仓储物流系统中的实践应用，具体而言：

其一，对现场车辆的调度安排。因为车辆与控制台相互间的联系尤为重要，而常规无线通信协议难以确保可在仓储物流此类应用环境中的传输距离，所以可引入ZigBee无线通信技术以实现对该部分问题的有效解决。

其二，可将网状ZigBee无线通信技术网络结构应用于仓储物流中，依托数据接力、动态路由等途径，切实保证全面系统通信的可靠性、高效性。

其三，对于仓储物流中的车辆而言，它们的总是要进行不断的移动，而常规无线通信协议在找寻最佳路径时总是会表现出灵活性不足的问题，而通过对ZigBee无线通信技术的应用，凭借其网络拓扑结构可满足信息传输路径不断转变的需求，并可灵活提供一条理想的传输路径以确保通信的质量。所以，依托设置科学适用的ZigBee节点，可促进全面物流仓储系统的健康稳定运行。

物联网市场的产品种类越来越多，技术也越来越成熟，随着ZigBee技术的不断完善，它将成为当今世界最前沿的数字化无线技术。ZigBee所具有的低功耗、低成本、低速率和使用便捷等显著优势，使它必将有着广阔的应用前景。将来，会有越来越多的具有ZigBee功能的产品进人我们的生活，为我们的生活和工作带来极大的方便和快捷。

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