驅動智能家居未來的核心引擎——Zigbee無線協議

隨著物聯網（IoT）技術的飛速發展，Zigbee作為一種成熟的無線網狀網絡技術，已經在照明、智能家居、訪問控制、商業建筑和能源管理等領域得到了廣泛應用。Zigbee模組在智能家居領域中扮演著核心引擎的角色，為各種智能設備提供無線通信能力，實現設備間的互聯互通。對于那些想要涉足Zigbee設備市場的企業來說，了解Zigbee是什么以及如何進行Zigbee產品開發是至關重要的。

首先，我們來了解一下什么是Zigbee 。Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4標準的低功耗、低傳輸速率的無線通信技術。它具有近距離的特點，相鄰節點之間的有效傳輸范圍一般在10米左右。此外，Zigbee協議還具有強大的可靠性和穩定性，采用了無線Mesh網絡結構，可以自動進行路由和跳頻，避免了無線信道上的干擾和沖突。同時，Zigbee 協議還提供了完善的網絡安全機制，確保數據的安全性和隱私性。

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

Zigbee協議經歷了多次迭代，其演進路徑和不同版本的更新，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。

Zigbee1.0是Zigbee規范的第一個版本，由Zigbee聯盟于2005年6月13日推出，但它顯示出一些缺陷。為了解決和修正這些問題，Zigbee 1.1應運而生。不過值得注意的是，這個新協議與Zigbee 1.0不兼容。

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

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 (Zigbee Light 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。

隨著硬件解決方案的不斷發展，不同設備品類不同設備制作商之間互聯互通的需求日益凸顯。為此，Zigbee聯盟推出了Zigbee3.0。Zigbee3.0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Zigbee3.0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。

Zigbee技術的優點

Zigbee是一種全面的物聯網解決方案，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技術的數據傳輸速率較低，通常只有20-250kbps。這使得Zigbee設備在傳輸數據時不會占用太多的帶寬資源。

強大的網絡能力：Zigbee技術具有強大的網絡能力，可以支持大量的設備同時連接。此外，Zigbee設備可以通過多跳通信方式擴展通信距離，提高網絡覆蓋范圍。

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。

如何開發Zigbee 產品？

接下來，我們將探討如何進行Zigbee 產品開發。

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。

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。海外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。國內Telink、PHYPLUS等芯片廠商也先后布局推出了國產Zigbee芯片。

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?？刂破?、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。例如瑞瀛物聯，就是專注于Zigbee 技術的解決方案提供商等。

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。

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

需求分析：明確產品的功能需求和非功能需求，如數據傳輸速率、功耗、通信距離等。

硬件選擇：選擇適合的Zigbee芯片和開發板，并連接所需的外圍設備。

協議棧選擇：選擇適合項目需求的Zigbee協議棧，如Z-Stack、EmberZNet等。

芯片配置：通過編程方式配置Zigbee芯片的參數，如信道、功率、網絡設置等。

應用開發：基于選擇的Zigbee協議棧開發應用層代碼，實現Zigbee功能和應用邏輯。

調試和測試：對開發的代碼進行調試和測試，確保Zigbee功能正常運行。

優化和迭代：根據測試結果對代碼進行優化和迭代，以提高產品的性能和穩定性。

文檔編寫：編寫產品開發文檔，記錄開發過程、配置參數和應用實例等信息。

發布和維護：發布產品并保持對產品的維護和更新，解決可能出現的問題。

需要注意的是，以上步驟僅為Zigbee產品開發的一般流程，具體實現過程可能因項目需求和團隊情況而有所不同。在開發過程中，建議參考Zigbee相關標準和文獻，以確保產品的兼容性和穩定性。

審核編輯 黃宇