ZigBee简介

ZigBee是一种开放的、全球通用的无线通信标准，适用于低功耗、低数据速率以及短距离通信的应用场景，比如家庭自动化、传感器控制等领域。该标准基于IEEE 802.15.4（LR-WPAN）标准，该标准定义了物理层与介质访问控制层。而ZigBee联盟则负责规范更高层的协议，从而实现安全、可靠且成本效益高的无线通信。

• ZigBee是一种基于数据包的协议，它提供了一种易于使用的架构，从而实现了安全、可靠且低功耗的无线网络。
• 诸如传感器、泵和阀门之类的设备可以自由地放置或移动。因为ZigBee网络支持与位置无关的通信方式。
• IEEE 802.15.4负责处理物理层与媒体访问控制层的协议，而ZigBee则负责处理协议栈中的上层协议。
• ZigBee被设计用于实现低功耗设备的低成本部署，这些设备能够以较低的数据传输速率在短距离内进行通信。
• IEEE 802.15.4支持星形拓扑和点对点拓扑结构，而ZigBee则支持星形、网状以及树形拓扑结构。
• 符合ZigBee标准的设备可以支持点对点以及点对多点的通信方式。

为什么还要再一种短距离通信标准呢？

• 现有的无线技术，如Wi-Fi和蓝牙，都是为了实现高数据传输速率而设计的。因此，这些技术的功耗通常较高。
• 许多应用，比如传感器网络、家庭自动化以及工业监控等领域，都要求数据传输速率非常低，同时电池续航时间则相当长。
• 在控制和传感系统中，各种设备通常会传输数量较少且频率较低的数据包。因此，那些需要高带宽的标准在实际应用中并不适用。
• ZigBee技术的出现，旨在为短距离无线通信提供一种低成本、低功耗且可靠的解决方案。
• 它支持可扩展的网络和网状拓扑结构，因此与传统的短距离标准相比，其覆盖范围和可靠性都得到了提升。

Zigbee标准：特点与功能

1. Zigbee技术的设计初衷就是实现极低功耗的运作方式，因此，使用电池供电的设备可以在不需要频繁充电或更换电池的情况下，持续运行很长时间。
2. 该标准支持的数据传输速率范围为20 kbps到250 kbps。这一速率足以满足传输传感器数据、控制命令以及其他少量数据的需求。
3. Zigbee设备通常可以在75到100米的距离内进行通信。不过，实际通信范围可能会因环境障碍和干扰而有所变化。
4. 这些设备可以迅速加入现有的Zigbee网络，通常只需大约30毫秒的时间即可完成连接。这样一来，设备的部署过程变得非常快速，同时还能实现动态的网络连接。
5. 理论上，Zigbee网络可以支持多达65,000个设备的连接。但在实际应用中，由于路由和内存的限制，通常只能支持大约240个设备的连接。
6. 作为开放标准，Zigbee使得硬件和软件的实现成本较低。因此，它非常适合在物联网应用中得到广泛应用。
7. 在Zigbee网络中，各个设备大部分时间都处于休眠状态，只有在必要时才会传输数据。这样一来，设备的能耗得到了显著降低。
8. Zigbee通信在三个频段上运行：欧洲的868 MHz频段下，每个网络只使用1个频道；美国的915 MHz频段下，每个网络使用10个频道；而全球范围内的2.4 GHz频段下，每个网络使用16个频道。不过，实际上每个网络在同一时间只会使用一个频道来进行通信。
9. Zigbee采用随机寻址方式，即每个设备都被分配一个随机的地址，同时也有机制可以用来解决任何地址冲突的问题。
10. 每个节点都通过链接管理来维护其与相邻节点的连接质量。在路由过程中，这种连接质量被用作链接成本来加以考虑。
11. 频率的灵活性使得各个节点能够向信道管理器报告干扰情况。这样，信道管理器就可以选择不同的信道来保持可靠的通信。
12. Zigbee支持非对称连接，这意味着每个节点的发射功率和灵敏度可以有所不同。这样一来，通信路径就呈现出非对称的特性。
13. 电源管理机制可以确保路由器和协调器能够使用主电源，而终端设备则依靠电池供电。这样，整个网络的能源消耗就能得到优化。

ZigBee设备的类型：

ZigBee协调器

• 它是ZigBee网络中最核心且最重要的设备。
• 它开始构建网络，并允许其他设备加入该网络。
• 它负责为各种设备分配网络地址，并管理整个通信过程。
• 它能够维护网络安全，包括身份验证和密钥管理等方面。
• 每个ZigBee网络中只存在一个协调器。

ZigBee路由器

• 它负责在网络中的各个设备之间传输数据包。
• 它作为中间节点，有助于扩大网络的覆盖范围。
• 它通过提供多条通信路径，支持网状网络结构。
• 路由器通常一直处于开机状态，不会进入休眠模式。
• 在ZigBee网络中，可以存在多个路由器。

ZigBee终端设备

• 它只与其父设备（协调器或路由器）进行通信。
• 它不会为其他设备路由或转发数据。
• 它通常由电池供电，且设计上注重低能耗。
• 终端设备可以进入休眠模式以节省电力。
• 例如，传感器、开关以及控制单元等。

优点/优势

• Zigbee技术的设计旨在实现低功耗，因此，使用电池供电的设备可以在不频繁充电的情况下持续运行很长时间。
• 该协议提供了网络安全和应用支持服务，其运作基于IEEE 802.15.4标准。
• Zigbee技术能够实现家庭中的完全互联网络，使得所有设备能够无缝地进行通信。
• 由于其能够高效地连接和控制多个设备，因此被广泛用于智能家居领域。
• Zigbee网络的实现相对简单，因此既适合开发者使用，也适合终端用户。
• Zigbee提供了足够的安全功能，能够保护网络数据免受未经授权的访问。
• Zigbee芯片和模块的成本相对较低，因此对于物联网应用来说，它是一种经济有效的解决方案。
• 该协议采用了一种……网状网络拓扑结构这样，各种设备就可以相互之间进行通信，而无需依赖中央枢纽或路由器来连接它们。
• Zigbee具有极高的可靠性，其机制能够确保在恶劣环境下也能保证数据的传输。

缺点/不利因素

• 与其他无线通信协议相比，Zigbee的传输距离相对较短，这限制了其在大型建筑物或户外环境中的应用。
• 该协议是为低数据速率的应用场景而设计的，因此不适合需要高速数据传输的场景。
• Zigbee的普及程度不如其他物联网协议，这会在连接不同制造商生产的设备时带来互操作性的挑战。
• 虽然Zigbee包含了一些安全功能，但这些功能并不如其他一些物联网协议那样强大。因此，Zigbee更容易受到黑客攻击或安全威胁的侵害。

Zigbee网络拓扑结构

Zigbee支持多种网络拓扑结构，从而能够实现设备之间的灵活通信。这种架构能够确保数据的可靠传输，同时根据具体的应用场景，还可以实现更广泛的网络覆盖范围。

1. 星形拓扑结构该网络由一台协调器以及若干终端设备组成。所有终端设备都只与协调器进行通信。这种拓扑结构常用于Zigbee智能能源应用中。
2. 网格拓扑结构该网络包含一个协调器、多个路由器以及终端设备。该网络具有自愈功能，也就是说，如果某个设备出现故障，数据可以通过其他设备重新传输，从而保持网络的连通性。
3. 树形拓扑结构该网络由一个中央协调器、多个路由器以及终端设备组成。这些路由器负责扩展网络的覆盖范围，使得那些距离中央协调器较远的设备也能通过路由器进行通信。

Zigbee的架构

Zigbee架构是一种分层式的通信框架，它定义了数据在设备之间如何传输和接收。该架构由六层组成，每一层都承担着确保通信高效、安全且可靠的重要职责。

1. 物理层（PHY）物理层是最低层，与硬件最为接近。它直接控制Zigbee无线电设备，负责数据的传输与接收工作。具体来说，物理层会将数据包转换为可在空中传输的二进制数据，反之亦然。
2. 媒体接入控制层（MAC）MAC层充当了物理层与网络层之间的接口。它负责管理网络的PAN ID，通过广播请求来实现网络发现，同时控制设备如何访问通信通道。
3. 网络层这一层充当了MAC层和应用层之间的桥梁。它负责在Zigbee网络中管理网格网络、路由以及地址分配等相关功能。
4. 安全层该安全层确保了设备之间的通信是安全的，包括对所传输数据的加密、身份验证以及完整性检查等机制。
5. 应用支持层作为应用层的一部分，这一子层提供了各种服务，以促进Zigbee设备对象与网络之间的通信。同时，它还支持由制造商定义的各种应用程序的运行。
6. 应用层它是Zigbee协议栈的最上层结构。其中包含了Zigbee设备对象（ZDO）以及各种应用程序对象。它负责定义设备的行为，同时管理应用程序与网络之间的交互方式。

通道访问方式

在Zigbee中，信道访问方式决定了设备如何共享通信介质，从而实现高效地传输数据，同时避免冲突的发生。Zigbee支持两种主要的信道访问方式：

1. 基于争议的方法该方法采用了载波侦测多路访问技术，同时具备碰撞避免功能。通过这种方式，多个设备可以共享通信通道，从而最大限度地减少数据冲突的发生。
2. 无冲突方法在这种方法中，协调器为每台设备分配一个特定的传输时间窗口，这个时间窗口被称为“保证时间窗口”（Guaranteed Time Slot，GTS）。通过这种方式，可以确保关键或时间敏感的数据在传输过程中不会发生冲突。

应用程序/软件

Zigbee被广泛应用于那些需要低功耗、可靠且短距离无线通信的应用场景。其多功能性使得它适用于家庭、工业、医疗和商业领域。

• 家庭自动化Zigbee技术使得诸如灯光、恒温器以及安全系统之类的智能家居设备能够进行远程通信和操控。
• 医疗数据收集Zigbee技术在医疗保健领域被广泛应用，它能够从各种医疗设备中收集患者的数据，从而实现远程监控以及高效的医疗管理。
• 工业控制系统Zigbee技术能够实现机器、传感器以及其他工业设备的无线控制与监控，从而提升设备的运行效率与安全性能。
• 抄表系统诸如电力、燃气和自来水计量设备等实用型仪表，都使用Zigbee技术来自动将使用数据传输到中央系统。
• 光控系统Zigbee技术能够实现家庭、办公室以及商业场所中照明设备的无线控制，从而提升能源利用效率并增强使用便利性。
• 商业应用Zigbee技术被广泛应用于零售、物流以及建筑管理领域，用于设备的自动化控制、监控以及设备之间的通信。
• 全球政府市场各种政府应用，比如智慧城市项目以及公共安全监控系统，都使用Zigbee技术来实现可靠的无线通信。
• 家庭网络Zigbee技术能够实现不同家庭设备之间的通信，从而构建出一个互联互通的网络，进而提升设备的协同性和自动化程度。