【導讀】WiFi的應(yīng)用可以說是無處不在，但是我們今天所要談?wù)摰氖荶igBee技術(shù)。在智能建筑、智能家庭以及無線感測網(wǎng)路等方面大多采用ZigBee技術(shù)。那么ZigBee技術(shù)有何優(yōu)勢能夠款速打入市場呢？短距離、低功耗、低成本。下面我們就來深入解析ZigBee技術(shù)的原理及應(yīng)用。
無線網(wǎng)路的規(guī)格種類繁多，像是最常見的Wi-Fi，則屬于高速的傳輸標準，以無線區(qū)域網(wǎng)路（WLAN）讓行動裝置無線化的連接，得以實現(xiàn)。至于在智慧家庭、智慧建筑、無線感測網(wǎng)路等領(lǐng)域，則大多不是采用Wi-Fi，而是采用ZigBee的技術(shù)來做傳輸。ZigBee以短距離、低功耗、低成本等特色，打入家庭控制與自動化市場，亦獲得不少廠商的采用與導入。接著讓我們深入了解ZigBee的技術(shù)與應(yīng)用……
實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 ZigBee應(yīng)用廣泛
ZigBee是一種短距低功耗的無線通訊協(xié)定標準，最早系由美國Honeywell公司所提出，于1998年開始構(gòu)思與發(fā)展，推出一種能夠自我組網(wǎng)（Self Organization）的無線點對點（ad-hoc）網(wǎng)路標準，其所成立的ZigBee Alliance商業(yè)組織，于2001年向電機電子工程師學會（IEEE）提案納入IEEE 802.15.4標準規(guī)范之中，并于2005年正式發(fā)布ZigBee 1.0（又稱ZigBee 2004）的工業(yè)規(guī)范，自此ZigBee漸漸成為各業(yè)界共通的低速短距無線通訊技術(shù)之一。
圖1 ZigBee感測網(wǎng)路的3種網(wǎng)路拓撲組合方式。
圖2 ZigBee的各種應(yīng)用標準與對應(yīng)的網(wǎng)路層。
ZigBee發(fā)展到1.2版，將應(yīng)用標準向外擴及，延伸到家庭娛樂與控制、無線感測網(wǎng)路（WSN）、工業(yè)控制、嵌入式感測、醫(yī)療數(shù)據(jù)搜集、煙幕與擅闖警示，與建筑自動化等領(lǐng)域，并有各式各樣的應(yīng)用層標準（Profile Class），當物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時代來臨，ZigBee聯(lián)盟推出2.0版，主打智慧能源規(guī)范。更將于2015年正式推出3.0版，將過去各裝置的不同ZigBee標準統(tǒng)一，讓應(yīng)用之間具備高度互通性、傳輸安全，同時維持其低功耗的優(yōu)勢，為物聯(lián)網(wǎng)提供最到位的產(chǎn)業(yè)標準。
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ZigBee技術(shù)簡述 低耗短距低成本、有多種網(wǎng)路拓樸
ZigBee基于WPAN（Wireless Personal Area Network；無線個人區(qū)域網(wǎng)路）的應(yīng)用，其底層采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體存取控制層（Media Access Control Layer；MAC）與實體層（Physical Layer；PHY）。
主要特色有短距離（50公尺內(nèi)）、低速率（250Kbps）、低耗電、低成本、低復雜度、安裝快速、可靠、安全，可支援大量網(wǎng)路節(jié)點（高達65，000個），以及支援多種網(wǎng)路拓撲（如Star星狀、Cluster Tree 簇樹狀、Mesh網(wǎng)狀）。
由于ZigBee的網(wǎng)路拓樸跟網(wǎng)際網(wǎng)路那樣，具有多種傳輸途徑，每個ZigBee節(jié)點本身可以擷取資料，或傳遞來自其他節(jié)點的資料。
因此當一個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點被移除或是斷訊，其周遭的ZigBee裝置能夠透過ZigZag（蜿蜒曲折）的傳輸方式、如同大黃蜂那樣的連接到其目的地（Zigzag like a Bee），這也就是ZigBee的名稱由來。更是被業(yè)界視為智慧建筑（Smart Building）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）最廣泛的協(xié)定之一。
當今的家電控制、物件辨識、醫(yī)療照護、建筑自動化、WSN等IoT應(yīng)用，很多都不需要用到高耗電的Wi-Fi傳輸協(xié)定，而藍牙的成本又較高，因此業(yè)界大都選擇低耗電、使用一個鈕扣電池即可運作長達1年的ZigBee無線通訊標準，來建構(gòu)該領(lǐng)域?qū)俚腤PAN網(wǎng)路。ZigBee的節(jié)點角色，可分為FFD（Full Function Device；全功能裝置）與RFD（Reduced Function Device；縮減功能裝置）兩種。
FFD可在星狀或網(wǎng)狀的網(wǎng)路拓樸中，與任何一個節(jié)點溝通，可擔任整個ZigBee網(wǎng)路的控制中心（即Coordinator），或者負責擔任延展整個網(wǎng)路的中繼路由器（即Router），因此必須擁有IEEE 802.15.4 MAC層的全部功能。至于RFD則是屬于整個ZigBee網(wǎng)路中的末端裝置（即End Device），只能點對點溝通，其可省略IEEE 802.15.4 的MAC層功能，因此耗費的記憶體與電源更小。
ZigBee使用的頻段有3個：ISM的2.4GHz（全世界共通頻段標準，資料傳輸率250Kbps，16組頻道）、915MHz頻段（歐洲采用，資料傳輸率20Kbps，1組頻道）、868MHz頻段（美國采用，資料傳輸率40Kbps，10組頻道）。雖然不同頻段有不同的傳輸速率和距離，尤其后兩者都是Sub-GHz（低于1GHz）的頻寬，但藉由提升ZigBee的射頻功率，還是能將傳輸速率提高。
以ISM的2.4GHz頻段來說，被切割成16 個頻道，其采用DSSP（Direct Sequence Spread Spectrum；直接序列展頻）的展頻方式，將要發(fā)送的基頻（Base Band）訊號，轉(zhuǎn)換成低能量、高頻寬的展頻訊號（Spreading Signal）之后，再傳送出去，因此可以提高抗環(huán)境干擾的能力。
ZigBee的各種通訊協(xié)定與應(yīng)用標準
ZigBee在2005年公布的1.0版（ZigBee 2004），主要制定了其Network、MAC、PHY等Layer標準，到2007年發(fā)布的1.1版（ZigBee 2006）做了一些修正，到了2008年發(fā)布的1.2版（ZigBee 2007），則加入了ZigBee PRO與RF4CE （Radio Frequency for Consumer Electronics）這兩個應(yīng)用協(xié)定層（Profile Class）。
ZigBee PRO主要涵蓋了各式家用或商用領(lǐng)域的協(xié)定，包括ZBA（建筑自動化）、HC（醫(yī)療照護）、HA（家庭自動化）、RS（零售服務(wù)）、TS（電信服務(wù)），以及 SEP（Smart Energy 1.x Protocol，SEP 1.x，智慧能源管理協(xié)定1.x）；而ZigBee RF4CE則是針對消費性應(yīng)用，包括ZRC（ZigBee Remote Control，遙控）、ZID（ZigBee Input Device，輸入裝置）。
而ZigBee IP則涵蓋Smart Energy Protocol（SEP）2.0的智慧能源管理之設(shè)計規(guī)范，亦可稱之為ZigBee 2.0規(guī)范，該規(guī)范定義了智能電網(wǎng)（Smart Grid）應(yīng)用中的各種節(jié)能規(guī)范，也包括了LL（Light Link）的智慧照明規(guī)范，讓產(chǎn)業(yè)遵循該規(guī)范來設(shè)計出最符合能源效益的產(chǎn)品。
ZigBee規(guī)格再進化 更貼近物聯(lián)網(wǎng)需求
有鑒于ZigBee 2.0與先前版本在各種領(lǐng)域，必須使用該專屬的應(yīng)用協(xié)定，造成其跨領(lǐng)域應(yīng)用的共通性受阻，加上廠商在推廣使用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品，大多會將ZigBee這個名詞淡化（例如XBee模組），使得推廣了10年的ZigBee標準，似乎不若藍牙、Wi-Fi那樣的聲名大噪。
此外，其他物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)盟的興起，如Qualcomm（高通）主導的AllSeen Alliance與Intel（英特爾）主導的Open Interconnect Consortium（OIC）聯(lián)盟，再加上Zensys領(lǐng)軍之Z-Wave聯(lián)盟的進逼，都讓ZigBee聯(lián)盟備感壓力…
因此ZigBee聯(lián)盟正加緊制訂全新的ZigBee 3.0標準，目的是要將上述的各種應(yīng)用標準，變成能夠互通，不需要因為不同的場域應(yīng)用，就必須運用不同版本的標準，使用統(tǒng)一標準，便可讓智慧連結(jié)一次到位。ZigBee的目標也更明確，簡化成四大領(lǐng)域：Smart Homes（智慧家庭）、Connected Lighting（互連照明）、Utility Industry（公共建設(shè)）、Retail Services（零售服務(wù)）。
ZigBee 3.0定義了超過130個設(shè)備和最廣泛的設(shè)備類型，包括家庭自動化、照明、能源管理、智慧家電、安全、感測器和醫(yī)療保健監(jiān)控產(chǎn)品。將專業(yè)人士的應(yīng)用等級推向消費者使用等級，達到輕易透過DIY來安裝；而ZigBee 3.0規(guī)格可以向下相容，支援ZigBee PRO所定義的種類、指令、功能，讓所有ZigBee裝置都能互通。
由于有先前ZigBee 2.0在業(yè)界的基礎(chǔ)，因此ZigBee 3.0的出現(xiàn)，可看出ZigBee聯(lián)盟成員亟欲力捧該標準，成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準的決心。ZigBee 3.0將于2015年CES展首度展示，其標準也將于2015年第4季正式公布。
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