驱动智能家居未来的核心引擎——Zigbee无线协议

jf_84757297 2024-01-12 800

电子说

1.3w人已加入

描述

随着物联网（IoT）技术的飞速发展，Zigbee作为一种成熟的无线网状网络技术，已经在照明、智能家居、访问控制、商业建筑和能源管理等领域得到了广泛应用。Zigbee模组在智能家居领域中扮演着核心引擎的角色，为各种智能设备提供无线通信能力，实现设备间的互联互通。对于那些想要涉足Zigbee设备市场的企业来说，了解Zigbee是什么以及如何进行Zigbee产品开发是至关重要的。

首先，我们来了解一下什么是Zigbee 。Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、低传输速率的无线通信技术。它具有近距离的特点，相邻节点之间的有效传输范围一般在10米左右。此外，Zigbee协议还具有强大的可靠性和稳定性，采用了无线Mesh网络结构，可以自动进行路由和跳频，避免了无线信道上的干扰和冲突。同时，Zigbee 协议还提供了完善的网络安全机制，确保数据的安全性和隐私性。

Zigbee可以说是最流行的家庭自动化协议之一。它广泛应用于各种智能家居产品，包括但不限于Zigbee网关、家庭自动化恒温器、PIR运动传感器、警报器、漏水传感器、电表、智能照明系统、烟雾传感器等等。

Zigbee协议的历史

Zigbee协议经历了多次迭代，其演进路径和不同版本的更新，展示了该协议的不断改进和适应性。对于企业和开发人员来说，熟悉这些版本可能有助于他们理解Zigbee兼容性问题。

Zigbee1.0是Zigbee规范的第一个版本，由Zigbee联盟于2005年6月13日推出，但它显示出一些缺陷。为了解决和修正这些问题，Zigbee 1.1应运而生。不过值得注意的是，这个新协议与Zigbee 1.0不兼容。

因此，2007年，Zigbee规范进行了另一次修订，使其与以前的版本兼容，并添加了Zigbee Pro，允许Zigbee Pro设备连接到传统Zigbee网络并在其上运行，反之亦然。Zigbee Pro在2.4 GHz ISM频段运行，还增加了对sub-GHz频段的支持，在频率使用方面提供了更大的灵活性。

当然，除此之外还有更多Zigbee版本，包括Zigbee3.0、Zigbee Pro、Zigbee Green Power、Zigbee Smart Energy等。

随着越来越多的智能应用采用Zigbee协议，并受到CPU速度、内存容量等硬件限制，为了更好地适应不同场景的需求，Zigbee 联盟将应用层细分为各种协议，旨在提供优化的非常适合特定行业的解决方案。这些协议包括但不限于：

ZHA（Zigbee家庭自动化）：ZHA是2007年发布的第一个专门的Zigbee应用配置文件。在此之后，其他应用程序配置文件也已发布。专为家庭自动化应用而设计，涵盖住宅环境中的照明控制、HVAC、安全系统和能源管理等领域。

ZLL (Zigbee Light Link)：专注于照明应用，为照明应用提供标准化命令和属性控制和管理灯泡、开关和调光器等照明设备。

ZBA (Zigbee楼宇自动化)：针对商业和工业楼宇自动化应用，它可以集成和控制各种系统，包括照明商业建筑内的HVAC、访问控制和能源管理。

ZHC(Zigbee医疗保健)：满足医疗保健相关应用的特定需求，包括医疗设备监控、患者跟踪和远程医疗保健服务。

随着硬件解决方案的不断发展，不同设备品类不同设备制作商之间互联互通的需求日益凸显。为此，Zigbee联盟推出了Zigbee3.0。Zigbee3.0统一了前面提到的ZHA、ZLL、ZBA、ZHC等应用层协议。为了使来自不同制造商的设备能够协同工作，从加入网络到设备操作（例如打开和关闭）的一切都需要精确指定。Zigbee 3.0还标准化了使用不同应用层协议的设备的设备发现和联网程序，这使得Zigbee设备联网更加容易，开发人员也可以更轻松地创建产品。例如，用户可以通过Zigbee3.0网关轻松连接和控制来自不同制造商的智能开关和智能灯泡。

Zigbee技术的优点

Zigbee是一种全面的物联网解决方案，其在互操作性方面的关键优势使得Zigbee设备能够无缝地相互协作，而不受制造商的影响。这使得开发人员和制造商能够以更少的开发工作来构建产品，加快上市时间，并使产品快速进入并集成到主要物联网生态系统中，并确保最终用户的易用性。Zigbee技术的主要优点如下：

低功耗：Zigbee网络上的节点工作周期短，发送/接收效率低，并且采用休眠模式来节省能源。

传输可靠，抗干扰能力强：Zigbee采用扩频DSSS技术，增强无线传输的可靠性；同时，MAC层包含数据确认机制，进一步提高了可靠性。

简化的协议：与蓝牙相比，Zigbee显着简化了其协议（不到蓝牙的十分之一），以降低对通信控制器的要求并使实施更容易。

高安全性：Zigbee在加入网络的过程中利用AES-128/64/32等加密算法以及安装代码机制，以增强安全性。

低数据速率：Zigbee技术的数据传输速率较低，通常只有20-250kbps。这使得Zigbee设备在传输数据时不会占用太多的带宽资源。

强大的网络能力：Zigbee技术具有强大的网络能力，可以支持大量的设备同时连接。此外，Zigbee设备可以通过多跳通信方式扩展通信距离，提高网络覆盖范围。

Zigbee应用示例

智能照明控制系统：Zigbee可用于创建智能照明系统，实现无线控制灯光、调光选项和自动化功能。

环境监测和控制系统：支持Zigbee的传感器可用于监测和控制各种环境中的温度、湿度、空气质量和能源消耗等参数。

自动抄表系统：Zigbee可以实现公用事业仪表和数据采集器之间的无线通信，促进自动抄表和高效的能源管理。

窗帘控制系统：Zigbee技术可用于无线控制电动窗帘或百叶窗，提供便捷的自动化控制选项。

烟雾传感器警报系统：支持Zigbee的烟雾传感器可以集成到家庭或建筑安全系统中，提供实时警报并增强安全措施。

医疗监控系统：Zigbee可用于医疗保健应用中进行远程监控，从而收集和传输生命体征和健康数据。

物联网HVAC系统：支持Zigbee的恒温器和HVAC控制器可用于提高能源效率并可远程控制供暖、通风和空调系统。

内置家庭自动化系统的家庭机顶盒和遥控器：Zigbee技术可集成到机顶盒和遥控器中，实现对家庭自动化系统的无缝控制和自动化家庭娱乐系统和智能设备。

家庭安全系统：Zigbee可用于家庭安全系统，连接传感器、警报器和访问控制设备，增强整体安全性并实现远程监控。

楼宇自动化：Zigbee技术可以部署在商业建筑中，用于各种系统的集中控制和自动化，包括照明、HVAC、安全和能源管理。

如何开发Zigbee 产品？

接下来，我们将探讨如何进行Zigbee 产品开发。

由于 Zigbee允许设备使用相同的物联网语言相互连接和通信、低功耗运行、强大的网状网络功能等，目前数以百万计的Zigbee项目安装在住宅自动化、工业自动化和零售等各个行业领域。

Zigbee市场的增长潜力从市场预测中显而易见。根据 Mordor Intelligence的数据，Zigbee 市场规模预计将从2023年的45.9亿美元增长到2028年的61.4亿美元，预测期内（2023-2028年）复合年增长率为6.01%。该预测强调了Zigbee技术在实现智能互联环境中所发挥的重要作用。那么，您是否打算开发自己的Zigbee产品并合作共同扩大市场份额？

Zigbee 产业链

Zigbee 产业链通常包括四个主要部分：芯片提供商、解决方案提供商、平台服务提供商和终端设备。

Zigbee IC：芯片是物联网应用的“大脑”，低功耗、高可靠性的半导体芯片是物联网几乎各个方面的重要组件。海外Silicon Labs推出了多个具有PSA Level 3 Secure Vault保护功能的超低功耗Zigbee SoC 系列，使其成为Zigbee芯片领域的领导者。国内Telink、PHYPLUS等芯片厂商也先后布局推出了国产Zigbee芯片。

Zigbee解决方案：解决方案提供商利用上述 Zigbee芯片开发各种基于Zigbee的解决方案，以满足许多行业的需求。这个过程离不开专门的Zigbee设备的设计和制造。根据应用场景和具体要求，Zigbee设备包括但不限于Zigbee传感器和Zigbee设备。控制器、Zigbee模块和Zigbee控制面板。Zigbee设备的开发需要一定水平的专业知识和嵌入式系统、电源管理、结构设计、外壳、连接技术等方面的专业知识。例如瑞瀛物联，就是专注于Zigbee 技术的解决方案提供商等。

Zigbee平台：平台服务提供商通过提供一系列平台和服务，促进终端设备和解决方案之间的数据交换和通信。物联网平台作为设备聚合、应用服务和数据分析的重要组成部分，需要提供设备层面的设备管理和控制能力，以及应用开发、服务和系统集成的PaaS服务。这些类型的服务提供商包括但不限于亚马逊、谷歌、涂鸦等。

Zigbee产品：Zigbee终端产品是整个产业链的最终输出。它们可以是智能家居设备、工业传感器、智能照明模块等。这些产品通过集成Zigbee技术，实现设备之间的互联互通，提供智能便捷的服务。此外，Zigbee产品充当用户和Zigbee技术之间的直接接口，让用户享受其优势和便利。只有Zigbee终端产品在市场上得到广泛应用，Zigbee技术的价值才能得到充分体现。

Zigbee 产品开发流程

需求分析：明确产品的功能需求和非功能需求，如数据传输速率、功耗、通信距离等。

硬件选择：选择适合的Zigbee芯片和开发板，并连接所需的外围设备。

协议栈选择：选择适合项目需求的Zigbee协议栈，如Z-Stack、EmberZNet等。

芯片配置：通过编程方式配置Zigbee芯片的参数，如信道、功率、网络设置等。

应用开发：基于选择的Zigbee协议栈开发应用层代码，实现Zigbee功能和应用逻辑。

调试和测试：对开发的代码进行调试和测试，确保Zigbee功能正常运行。

优化和迭代：根据测试结果对代码进行优化和迭代，以提高产品的性能和稳定性。

文档编写：编写产品开发文档，记录开发过程、配置参数和应用实例等信息。

发布和维护：发布产品并保持对产品的维护和更新，解决可能出现的问题。

需要注意的是，以上步骤仅为Zigbee产品开发的一般流程，具体实现过程可能因项目需求和团队情况而有所不同。在开发过程中，建议参考Zigbee相关标准和文献，以确保产品的兼容性和稳定性。

审核编辑黄宇

打开APP阅读更多精彩内容