短距离无线通信技术之ZigBee

短距离无线通信技术有我们熟知的Wi-Fi、ZigBee、蓝牙以及Z-Wave，之前的文章中小编介绍了Wi-Fi和蓝牙，今天我们一起来认识ZigBee技术。

短距离无线通信技术

第三期：ZigBee

ZigBee问世已将近20年，技术上已经很成熟，和蓝牙、Wi-Fi在短距离通信领域几乎三分天下。

年初，CSA连接标准联盟 (原ZigBee联盟)宣告其正在开发ZigBee标准新功能——ZigBee Direct，该功能结合了ZigBee和低功耗蓝牙 (BLE) 两种技术，可利用操作简单的BLE设备，简化ZigBee新设备的入网和对已有设备的控制，带给用户更便捷的体验。

ZigBee的特点优势

01Mesh组网应用

首先，ZigBee基于IEEE802.15.4技术标准，与Wi-Fi的IEEE802.11，蓝牙的802.15.1都有各自独有的特点，它们之间的关系只有互补，无法相互取代。

在以上的IEEE技术标准中，IEEE802.15.4和IEEE802.11的物理特性都比较相似，采用了基于CCA载波侦听的CSMA/CA通信方式，非常适合设备多对多通信，因此在多设备通信的Mesh网络中，有极高的通信效率。

而IEEE802.15.1采用HFSS跳频原理，不容易实现类似的信道检测功能，只能按照主从机模型的时隙进行工作，在BLE Mesh应用中是以广播的方式通信，而且在BLE Mesh应用中会尽量避免多个设备同时与同一个设备通信的情况出现。因此在Mesh网络的应用中，ZigBee的兼容性和可靠性远胜于BLE Mesh。

02互联互通性

ZigBee从诞生开始就制订了一套设备控制标准，叫ZCL（ZigBee Cluster Library）。在早期版本的ZigBee协议中，ZCL很不完善，被起步较早的智能家居厂商和其它应用方案商弃用。导致不同的设备厂商的产品互不兼容，甚至这些产品从一开始就要故意设计得互不兼容。

但是随着ZigBee 3.0的推出将ZCL作为必选项，而且芯片厂商也在芯片中强制使用ZCL，导致设备厂商需要额外花费研发成本将自己产品做得和其它厂商不兼容，这就导致很多设备厂商为了图方便被迫让自己的产品与别人的产品互联互通。

另外，ZCL还衍生出一种叫“物模型”的概念，这种概念被诸多智能云服务商借用，而且还在此基础上衍生了可用于IPv6（包括同样基于IEEE802.15.4的谷歌Thread）的Matter协议。物模型让通信协议中枯燥冰冷的一串串数据变成了更形象化的设备实体，如这个设备上有几个开关几个灯挂载了哪些传感器？温度多少亮度多少有没有报警？对设备端开发人员来说可以在设备增加某个功能或者增加某个功能的数量时，不用去考虑通信协议兼容性问题，对于远端开发人员来说新增设备也就是在原有设备功能上的复制粘贴。

对比其它主流的物联网协议，目前只有BLE Mesh推出了一个SIG Mesh标准，但是该标准为在BLE芯片中强制使用，很多厂商都可以选择不支持，导致BLE Mesh的设备是数据通得了，但是设备和设备之间是“鸡同鸭讲”。好在智能手机支持BLE Mesh接入，让智能手机来充当控制器，一个厂商一个APP，这种方式也加快了智能手机的报废淘汰速度。

03低功耗

和ZigBee一样，支持低功耗的物联网协议也不计其数。但任何物联网通信协议，低功耗的下限都逃不过两样东西的制约：芯片制程和射频功耗。因此一些新出来的物联网协议的芯片工艺比一些老旧的ZigBee芯片工艺有技术代差，看上去ZigBee的低功耗优势就不明显。但是ZigBee芯片的工艺也在进步，以TI的芯片为例，经典的CC2530的CPU工作电机就高达8mA，RX电流就高达20mA，而最新的CC2651的这两个电流分别就只有3mA和6.4mA。

射频功耗是物联网芯片的用电大户。而ZigBee的低功耗设备如果只发消息不收消息，功耗可以做到更低，因为ZigBee的物理连接更自由，不需要维持常连接，即使没有持续不断的握手信号也不会导致设备断开。因此在设计ZigBee低功耗设备时可以采取只在有需要的情况下才通信，把有限的电能资源全部花费在刀刃上。

04可维护性

ZigBee组网是一种静态常连接的方式。设备一旦组好网后不会轻易断开，即使设备关机了下次开机还在网络中，不需要重新设置。如果组好网的设备需要改变组网状态，要么需要进行退网操作，要么强制恢复出厂，而且前者的行为会被网关记录下来。

另外ZigBee是Mesh网络，设备和设备之间可以绕开网关直接通信，比如ZigBee遥控器直接控制窗帘，ZigBee开关直接控制灯，都不需要经过网关转发，而且这种连接关系也可以一直维持。因此ZigBee很适合一些无人值守或者禁止使用智能手机的场所，例如机房的温控系统，中小学的智慧教室系统，工厂流水线的智能管理设备。

ZigBee面临的挑战

ZigBee技术最大的劣势就是控制端无法集成在智能手机上，需要通过网关来进行控制。这也是它一直难以在个人消费品领域普及的重要原因。当然也有通过ZigBee Dongle或者ZigBee遥控器作为控制端，但也必须有网关授权，不像BLE Mesh这样“想来就来想走就走”式的接入，总之就是BLE Mesh接入更方便但ZigBee的接入更安全。

由于ZigBee网络的稳定性，也导致了ZigBee网关的设计复杂。理论上协调器可以检测到整个ZigBee网络内的任何风吹草动，因此网关在设计上需要考虑更广泛更全面，接收到的各种消息和检测到的各种异常要主动处理不能忽略。网关接收到的任何消息都是有用的，很多网关设计的不稳定的厂商都是因为没有处理网关收到的全部消息导致的。

目前，ZigBee解决方案的家族已经有ZigBee、ZigBee Direct、ZigBee Smart Energy和低能耗解决方案Green Power。就ZigBee Direct而言，已有包括亚马逊、华为、OPPO、三星、施耐德、宜家、罗格朗、Silicon Labs等50多家成员公司参与了该功能的开发。

随着ZigBee Direct新功能和认证计划的推出，用户体验提升，相信会在很大程度上推进ZigBee产品的市场应用。

审核编辑：汤梓红