ZigBee技术详解：特性、设备类型与应用场景
ZigBee技术详解：特性、设备类型与应用场景
ZigBee是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，广泛应用于智能家居、工业自动化、农业物联网等领域。本文将详细介绍ZigBee的技术特点、设备类型及其与6Lowpan的对比，并探讨其应用场景。
一、ZigBee概述
Zigbee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，Zigbee过去又称为“HomeRF Lite”和“FireFly”技术, 统一称为Zigbee技术。 主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
二、ZigBee设备类型
在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成。
上图是一个简单的ZigBee网络示意图。其中黑色节点为Coordinator，红色节点为Router，白色节点为End-Device。
2.1 Coordinator(协调器)
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PAN ID，即Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。
注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失go away)。由于ZigBee网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。
2.2 Router(路由器)
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯。
通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树群这种网络模式时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。
2.3 End-Device(终端设备)
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。
三、Zigbee主要特性
3.1 低功耗低速率
Zigbee技术在低功耗模式下，两节5号电池可支持设备运行6至24个月，显著减少了充电和更
Zigbee的数据传输速率在20至250kbit/s之间，适合于对数据传输速度要求不高的应用场景。
3.2 短延迟短距离
Zigbee设备从休眠状态迅速激活至工作状态仅需15ms，节点访问网络的延迟也只有30ms，这大大提高了响应速度。
Zigbee的有效通信距离大约在10至100米之间，基本能够覆盖家庭和小型办公环境。
3.3 大网络容量
Zigbee支持星状、网状和片状网络拓扑结构，网络能够容纳多达65,000个节点。
3.4 无需许可的频段
Zigbee使用ISM频段，包括2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲），在这些频段上通信无需支付许可费用。
Zigbee技术以其低功耗、低成本、低速率、短延迟、短距离、大网络容量和高安全性等特点，在物联网、智能家居、工业自动化等领域得到广泛应用。
3.5 高可靠性
Zigbee采用AES-128加密算法，为数据传输提供安全保障，并确保身份验证。
Zigbee技术采用碰撞避免机制，确保数据在传输过程中不会发生冲突，从而提高了通信的可靠性。此外，Zigbee设备还具有自动修复和路由功能，当某个节点出现故障时，网络能够自动重新配置，确保数据仍然能够顺利传输。
3.6 自组织性多跳传输
Zigbee网络具有自组织性，能够自动发现和建立新的网络连接。当新设备加入网络时，它能够自动找到最佳路径与其他设备进行通信，无需人工干预。
Zigbee网络支持多种网络拓扑结构，如星型、树型和网状结构。这种灵活性使得Zigbee网络可以根据实际应用场景的需求进行扩展和调整。
Zigbee设备之间可以通过多跳方式进行数据传输，即使两个设备之间的距离超过了直接通信的范围，也可以通过其他设备作为中继节点进行数据传输。
Zigbee网络中的设备可以分为协调器、路由器和终端设备三种角色。协调器负责启动和建立网络；路由器负责数据转发和路由选择；终端设备则负责执行具体的任务和数据采集。这种多样化的设备角色使得Zigbee网络更加灵活和高效。
四、Zigbee与6Lowpan无线自组网标准对比
性能指标 | Zigbee | 6Lowpan |
|---|---|---|
物理层 | IEEE 802.15.4 | IEEE 802.15.4 或 802.15.4g |
工作频段 | 2.4GHz | 2.4GHz 或者 Sub-GHz |
组网协议 | AODV路由，适用于无线信号很稳定的场合 | RPL组网路由，灵活性高，适合各种应用场合，且链路冗余，稳定性好 |
功耗性能 | 路由节点不能休眠，可以电池供电 | 路由节点可以休眠，可以电池供电 |
网关需求 | 需要十分复杂的应用层专用网关 | 属于IPv6技术，无需网关 |
与HTTP集成 | 不支持，需要很复杂的转换 | 与HTTP无缝转换，集成方便 |
端到端通信 | 不支持，与不属于TCP/IP体系 | 支持，属于IPv6体系 |
地址标识 | Zigbee使用网内专用地址，地址为16位或者64位，地址有限，互联网主机无法访问 | 全球唯一的IPv6的地址，地址为128位，永远用不完，互联网主机可以直接访问 |
开放性 | 标准开放，协议栈不开源 | 标准开放，协议栈开源免费 |
可定制性 | 无法修改定制 | 可以任意修改定制，形成最适合应用需求的解决方案 |
产品认证 | 需要认证或者加入联盟，费用高 | 无需认证 |
开发接口 | Zigbee专用接口 | 类似于Socket的通用接口 |
网络仿真 | 无相关仿真软件 | Cooja等仿真软件，对协议验证及发表论文很有帮助 |
开源支持 | 涉及版权问题，与GPL协议冲突，开源组织不支持Zigbee | 开源组织强力推动，技术有保障 |
发展趋势 | Zigbee是孤立的协议，制定较早，逐渐走下坡路 | 6Lowpan已经被Zigbee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a等标准采纳，最可能成为事实标准 |
五、ZigBee的应用场景
- 智能家居：ZigBee在智能家居领域的应用非常广泛，可以用于控制灯光、窗帘、空调、安防等设备，实现智能化管理和远程控制。
- 工业自动化：在工业自动化领域，ZigBee可以用于设备之间的数据交换和监控，提高生产效率和管理水平。
- 农业物联网：ZigBee技术可以用于监测农作物的生长环境，如温度、湿度、光照等，帮助农民实现精准农业管理。
- 健康医疗：ZigBee可以用于医疗设备的无线连接和数据传输，如实时监测病人的生命体征，实现远程医疗护理等。
- 环境监测：ZigBee传感器可以用于空气质量、水质、土壤湿度等环境监测，为环境保护和治理提供数据支持。
- 智慧城市：ZigBee技术在智慧城市建设中发挥着重要作用，如智能交通、智能照明、智能安防等，提升城市的管理水平和居民的生活质量。
总之，ZigBee作为一种低功耗、低成本、高可靠性的无线通信技术，在多个领域都有着广泛的应用前景。随着物联网技术的不断发展，ZigBee的应用将会越来越广泛。