在不斷發展的物聯網領域，Zigbee 是一種成熟的無線網狀網絡技術，廣泛應用于照明、智能家居、訪問控制、商業建筑和能源管理領域。它為企業提供了巨大的機遇，很多想要涉足Zigbee設備市場的企業朋友經常會提出什么是Zigbee？以及如何進行Zigbee產品開發？所有這些問題的答案都將在這篇文章中得到充分解釋。

什么是Zigbee？ 

Zigbee 可以說是最流行的家庭自動化協議之一。它廣泛應用于各種智能家居產品，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、煙霧傳感器等等。

Zigbee協議的歷史

鑒于Zigbee協議已經經歷了多次迭代，了解其演進路徑和不同版本非常重要。 Zigbee 的發展展示了該協議的不斷改進和適應性。對于企業和開發人員來說，熟悉這些版本可能有助于他們理解 Zigbee 兼容性問題。Zigbee 是一種基于 IEEE802.15.4 標準的低功耗 LAN 協議。根據國際標準，Zigbee 技術專為短距離和節能無線通信而設計。 Zigbee 這個名字源自蜜蜂的交流舞蹈，蜜蜂之間可以相互交流，蜜蜂通過之字形的翅膀振動和嗡嗡聲傳達花粉所在的信息。

Zigbee歷史

1.Zigbee1.0

Zigbee，以前稱為 HomeRF Lite，已于 2004 年被批準為基于 IEEE 802.15.4 標準，Zigbee聯盟于 2005 年 6 月 13 日宣布推出規范 1.0，也稱為 ZigBee 2004 規范。Zigbee  1.1

Zigbee 1.0 是 Zigbee 規范的第一個版本，它顯示出一些缺陷。為了解決和修正這些問題，ZigBee1.1應運而生。 Zigbee 集群庫已取代 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。集群名稱的示例包括 Zigbee Light Link、Home Automation 和 Smart Energy。請注意，這個新協議與 ZigBee1.0 不兼容。

2.Zigbee專業版

盡管ZigBee1.1相對于ZigBee1.0發生了重大變化，但我們意識到最初的愿景仍然沒有完全實現。因此，2007 年，Zigbee 規范進行了另一次修訂，使其與以前的版本兼容，并添加了 ZigBee Pro，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 在 2.4 GHz ISM 頻段運行，還增加了對 sub-GHz 頻段的支持，在頻率使用方面提供了更大的靈活性。

當然，還有更多Zigbee版本，包括Zigbee 3.0、Zigbee Pro、Zigbee Green Power、Zigbee Smart Energy等

在后續的升級中，Zigbee 聯盟重點擴展 Zigbee 在三種特定應用類型中的功能：Zigbee 家庭自動化 (ZHA)、Zigbee 樓宇自動化 (ZBA) 和高級計量基礎設施 (AMI)。

多種專用 Zigbee 協議

隨著越來越多的智能應用采用Zigbee協議，并受到CPU速度、內存容量等硬件限制，為了更好地適應不同場景的需求，Zigbee聯盟將應用層細分為各種協議，旨在提供優化的非常適合特定行業的解決方案。

這些協議包括但不限于：

• ZHA（Zigbee家庭自動化）：ZHA 是 2007 年發布的第一個專門的 Zigbee 應用配置文件。在此之后，其他應用程序配置文件也已發布。專為家庭自動化應用而設計，涵蓋住宅環境中的照明控制、HVAC、安全系統和能源管理等領域。 
• ZLL (ZigbeeLight Link)： 專注于照明應用，為照明應用提供標準化命令和屬性控制和管理燈泡、開關和調光器等照明設備。 
• ZBA (Zigbee樓宇自動化)： 針對商業和工業樓宇自動化應用，它可以集成和控制各種系統，包括照明商業建筑內的 HVAC、訪問控制和能源管理。 
• ZHC(Zigbee醫療保健)：滿足醫療保健相關應用的特定需求，包括醫療設備監控、患者跟蹤和遠程醫療保健服務。 

Zigbee3.0

隨著硬件解決方案的不斷發展，例如低成本和低功耗無線 SoC 選項，以及互連需求的不斷增長跨多個市場的各種設備。例如在智能家居領域，智能家居設備制造商擁有一定的自由度，可以在各自的產品中添加三種自己的東西，這導致遵循Zigbee協議的Zigbee產品之間無法相互通信，這增加了產品設計和開發的復雜性，也降低了用戶友好性。于是，Zigbee聯盟推出了Zigbee 3.0。

Zigbee 3.0統一了前面提到的ZHA、ZLL、ZBA、ZHC等應用層協議。為了使來自不同制造商的設備能夠協同工作，從加入網絡到設備操作（例如打開和關閉）的一切都需要精確指定。 Zigbee 3.0 還標準化了使用不同應用層協議的設備的設備發現和聯網程序，這使得 Zigbee 設備聯網更加容易，開發人員也可以更輕松地創建產品。例如，用戶可以通過Zigbee 3.0網關輕松連接和控制來自不同制造商的智能開關和智能燈泡。

物聯網中的Zigbee是什么？

Zigbee具有低功耗和低數據速率的特點，廣泛應用于物聯網和各種嵌入式應用，例如家庭自動化、無線傳感器網絡、煙霧和入侵者警報、樓宇自動化等。

例如，在智能家居應用中，Zigbee網關可以連接和管理大量的ZigBee節點，在本地處理數據并將其上傳到云平臺以進行遠程訪問和控制。

在工業場景中，如工業自動化、環境監測等，Zigbee傳感器可以采集溫度、濕度、壓力、流量等數據，然后Zigbee DTU（數據傳輸單元）將采集到的數據發送到數據中心或云平臺進行數據處理。進一步分析和處理。同時，Zigbee DTU還可以實現遠程控制和設備調節，包括溫度控制、閥門開關等。

使用 Zigbee 技術的優點

Zigbee 是一種全面的物聯網解決方案，提供完整的堆棧，包括網狀網絡和用于智能對象有效協作的通用語言。其在互操作性方面的關鍵優勢使得 Zigbee 設備能夠無縫地相互協作，而不受制造商的影響。這使得開發人員和制造商能夠以更少的開發工作來構建產品，加快上市時間，并使產品快速進入并集成到主要物聯網生態系統中，并確保最終用戶的易用性。

Zigbee技術的主要優點如下：

• 低功耗：Zigbee網絡上的節點工作周期短，發送/接收效率低，并且采用休眠模式來節省能源。
• 傳輸可靠，抗干擾能力強： Zigbee采用擴頻DSSS技術，增強無線傳輸的可靠性；同時，MAC層包含數據確認機制，進一步提高了可靠性。
• 簡化的協議： 與藍牙相比，Zigbee 顯著簡化了其協議 （不到藍牙的十分之一）  ，以降低對通信控制器的要求并使實施更容易。
• 高安全性： Zigbee 在加入網絡的過程中利用 AES-128/64/32 等加密算法以及安裝代碼機制，以增強安全性。
• 低數據速率：Zigbee 的運行數據速率范圍為 20 至 250 kbps。具體速率為 2.4 GHz 下 250 kbps、915 MHz 下 40 kbps 和 868 MHz 下 20 kbps。
• 長距離：Zigbee 提供 10 至 100 米的傳輸范圍。通過提高發射功率，可以實現1~3公里的通信距離。
• 靈活的工作頻率 Zigbee 在 2.4 GHz 頻段以及 868 MHz 頻段（歐洲）和 915 MHz 頻段（美洲）運行，所有這些頻段均已獲得許可-自由頻段。

什么是 Zigbee 堆棧？

協議是指通信雙方按照該標準進行數據傳輸和接收所需的一組通信標準。另一方面，協議棧是實現協議的特定方式。它可以被認為是開發人員用來根據協議實現無線數據傳輸的代碼和庫函數的集合。通常，商業協議棧僅提供接口（類似于互聯網環境中的 API）。

如圖所示，Zigbee 協議有兩個基本部分。 IEEE 802.15.4 定義了 PHY（物理層）和 MAC（媒體訪問層）規范。這部分涉及Zigbee的硬件支持，包括鏈路的建立、維護、終止以及0和1位傳輸的實現。

Zigbee聯盟定義了NWK（網絡層）、APS（應用支持層）和APL（應用層）規范。這部分涉及數據加密和路由、網絡內點對點數據傳輸。

1.物理層（PHY）

處理物理無線通信的細節，包括頻率選擇、功率控制和數據傳輸速率。它定義了如何通過空中傳輸和接收物理信號。

2.媒體訪問控制 (MAC)

負責設備尋址、幀結構定義、沖突避免等基本網絡控制功能。 MAC層確保設備能夠高效地訪問網絡并有效地共享可用帶寬。

3.網絡層（NWK）

負責設備路由和數據包轉發任務。它允許設備使用分層路由技術來實現靈活的網絡拓撲，例如星形、網狀和多跳網絡。 NWK 層確保數據包被傳送到 Zigbee 網絡中的預期目的地。

4.應用層（APL）

定義了設備之間命令、控制和數據交換的數據格式，以便為數據交換提供標準化格式，并實現不同設備之間的高效通信。應用層支持應用程序或用例所需的特定功能和特性。

Zigbee Pro 和 Zigbee 3.0 之間的區別

Zigbee Pro規范中根據不同的市場定義了不同的協議，并預留了相當多的定制內容。因此，不同制造商的產品通常無法互操作。

Zigbee 3.0協議統一和標準化了這六大應用層協議，并允許所有符合zigbee3.0的產品互連并協同工作。

其他 Zigbee 應用協議

1.RF4CE（消費電子產品射頻）

RF4CE是家電遠程控制的標準和協議。 “RF”代表“射頻”，“CE”代表“消費電子”。

RF4CE旨在利用射頻通信取代傳統的紅外遙控技術，提供更可靠、更靈活的遙控體驗。與紅外相比，RF4CE提供了更長的傳輸距離、穿透障礙物的能力，并且支持雙向通信。

2.Green Power

Zigbee Green Power 是一項能夠為 Zigbee 生態系統中的超低功耗設備進行能量收集的技術。它旨在為需要極低功耗的設備（例如無電池或長時間待機設備）提供節能解決方案。此類設備的示例包括照明開關和門窗傳感器。

• 超低功耗SoC： Zigbee Green Power 設備的運行功率水平要低幾個數量級，可實現長期運行最低的能源需求。
• 優化數據傳輸：針對可能長時間離線的設備，優化數據包長度、傳輸路徑、連接恢復和上網時間以節省能源。
• 專用應用層協議：為了使設備有效地傳輸重要數據，應用層協議可容納壓縮信息和有限的傳輸嘗試。
• 無電池和長時間待機設備： Zigbee Green Power 特別適合不依賴電池或需要長時間待機時間的設備。

Zigbee 設備網絡

三類 Zigbee 設備：

1.Zigbee 協調器 (ZC)

Zigbee 協調員負責建立和管理 Zigbee 網絡。它還可以通過各種硬件接口，例如 UART、以太網或其他無線模塊（例如 Wi-Fi 或 GSM））將 Zigbee 網絡橋接到其他網絡或互聯網。每個網絡都有一個 Zigbee 協調器，除了存儲網絡信息外，它還充當信任中心和安全密鑰存儲庫。

2.Zigbee 路由器 (ZR)

除了運行應用程序功能、控制燈、電機和收集物理數據等功能之外，Zigbee 路由器是另一種可以通過充當中間路由器將數據轉發到其他設備的設備。 Zigbee 路由器產品通常由主電源供電，確保其在網絡上的持續可用性。

3.Zigbee 終端設備 (ZED)

Zigbee 終端設備還可以控制燈、電機、收集物理量等。但是，與 Zigbee 路由器或協調器不同，ZED 可能會選擇進入睡眠模式，并且通常由電池供電，無法中繼數據。為了延長電池壽命，Zigbee 終端設備通常僅包含與其父節點（協調器或路由器）交互所需的通信功能，而其余時間則處于睡眠模式。同時，Zigbee 終端設備的制造成本較低，因為它需要的內存較少。

Zigbee組網原理

• Zigbee 終端設備只能與網絡內的父節點連接，該父節點可以是路由器或協調器。他們通過這種直接連接發送和接收數據。
• 父節點可以更改或重新分配。這允許網絡的靈活性和適應性，使節點能夠根據需要與不同的父節點建立新的連接。
• Zigbee 網絡可以有多個數據傳輸路徑。但是，優先考慮最低丟包率原則。
• 當節點退出網絡時，其子節點能夠通過替代父節點自主重新加入網絡。這也稱為自愈機制。

Zigbee 有何用途？

可以使用 Zigbee 完全控制您的環境。這是一種多功能技術，可用于創建適合特定需求的互聯智能環境。我們將概述一些實例以供參考。

1.Zigbee 應用示例

• 智能照明控制系統：Zigbee 可用于創建智能照明系統，實現無線控制燈光、調光選項和自動化功能。
• 環境監測和控制系統： 支持 Zigbee 的傳感器可用于監測和控制各種環境中的溫度、濕度、空氣質量和能源消耗等參數。
• 自動抄表系統：Zigbee可以實現公用事業儀表和數據采集器之間的無線通信，促進自動抄表和高效的能源管理。
• 窗簾控制系統： Zigbee 技術可用于無線控制電動窗簾或百葉窗，提供便捷的自動化控制選項。
• 煙霧傳感器警報系統：支持 Zigbee 的煙霧傳感器可以集成到家庭或建筑安全系統中，提供實時警報并增強安全措施。
• 醫療監控系統：Zigbee 可用于醫療保健應用中進行遠程監控，從而收集和傳輸生命體征和健康數據。
• 物聯網HVAC 系統：支持 Zigbee 的恒溫器和 HVAC 控制器可用于提高能源效率并可遠程控制供暖、通風和空調系統。
• 內置家庭自動化系統的家庭機頂盒和遙控器：Zigbee 技術可集成到機頂盒和遙控器中，實現對家庭自動化系統的無縫控制和自動化家庭娛樂系統和智能設備。
• 家庭安全系統：Zigbee 可用于家庭安全系統，連接傳感器、警報器和訪問控制設備，增強整體安全性并實現遠程監控。
• 樓宇自動化：Zigbee 技術可以部署在商業建筑中，用于各種系統的集中控制和自動化，包括照明、HVAC、安全、和能源管理。

2.Zigbee技術適用場景

• 當有很多點需要收集和監控數據時；
• 當傳輸的數據量較小且要求硬件成本便宜時；
• 當需要安全可靠的數據傳輸時；
• 當設備設計緊湊，不方便容納較大的充電電池或電源模塊時；
• 電池供電的設備
• 當地形復雜、監控點較多，但需要更廣泛的網絡覆蓋時；
• 當現有移動網絡存在盲點或覆蓋范圍有限時；
• 當遙測和遠程控制系統需要通過現有移動網絡傳輸少量數據時；
• ……

如何開發Zigbee產品？

由于 Zigbee 允許設備使用相同的物聯網語言相互連接和通信、低功耗運行、強大的網狀網絡功能等，目前數以百萬計的 Zigbee 項目安裝在住宅自動化、工業自動化和零售等各個行業領域。Zigbee 市場的增長潛力從市場預測中顯而易見。 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）復合年增長率為 6.01%。該預測強調了 Zigbee 技術在實現智能互聯環境中所發揮的重要作用。那么，您是否打算開發自己的Zigbee產品并合作共同擴大市場份額？

Zigbee產業鏈

Zigbee產業鏈通常包括四個主要部分：芯片提供商、解決方案提供商、平臺服務提供商和終端設備。

1.Zigbee IC

芯片是物聯網應用的“大腦”，低功耗、高可靠性的半導體芯片是物聯網幾乎各個方面的重要組件。 Silicon Labs 推出了多個具有 PSA Level 3 Secure Vault 保護功能的超低功耗 Zigbee SoC 系列，使其成為 Zigbee 芯片領域的領導者。他們的芯片非常適合智能家居、醫療和工業應用。 

2.Zigbee 解決方案

解決方案提供商利用上述 Zigbee 芯片開發各種基于 Zigbee 的解決方案，以滿足許多行業的需求。這個過程離不開專門的Zigbee設備的設計和制造。根據應用場景和具體要求，Zigbee設備包括但不限于Zigbee傳感器和Zigbee設備。控制器、Zigbee 模塊 和 Zigbee 控制面板。 Zigbee設備的開發需要一定水平的專業知識和嵌入式系統、電源管理、結構設計、外殼、連接技術等方面的專業知識。

3.Zigbee平臺

平臺服務提供商通過提供一系列平臺和服務，促進終端設備和解決方案之間的數據交換和通信。物聯網平臺作為設備聚合、應用服務和數據分析的重要組成部分，需要提供設備層面的設備管理和控制能力，以及應用開發、服務和系統集成的PaaS服務。這些類型的服務提供商包括但不限于亞馬遜、谷歌、涂鴉等。

4.Zigbee 產品

Zigbee終端產品是整個產業鏈的最終輸出。它們可以是智能家居設備、工業傳感器、智能照明模塊等。這些產品通過集成Zigbee技術，實現設備之間的互聯互通，提供智能便捷的服務。此外，Zigbee 產品充當用戶和 Zigbee 技術之間的直接接口，讓用戶享受其優勢和便利。只有Zigbee終端產品在市場上得到廣泛應用，Zigbee技術的價值才能得到充分體現。

Zigbee產品開發流程

• 設備類型：選擇您希望為其創建產品的設備類型（網關、墻壁開關等）。
• 芯片平臺：選擇芯片平臺供應商并確認其與 Zigbee 的兼容性。
• 設備屬性： 請參閱 Zigbee 集群庫和 Zigbee 設備庫以確定所選設備類型支持的屬性和命令。
• 設備行為：基于基本設備行為規范，定義要在設備上實現的基本 Zigbee 功能，例如網絡加入、設備識別以及與其他設備的連接.
• 認證：向 Zigbee 聯盟申請并獲得 Zigbee 認證。