VSU 为中国智造代言
我们知道,智能家居的总体目标是让家里的一切事物相互连接,特别是让所有联网的智能家居设备都可以共享信息。而不是单独连接来自不同品牌方的设备。因此,沟通需要共同的语言。这就是ZigBee等众多物联网协议诞生的初衷。
那么,什么是ZigBee?
简单说,ZigBee 是一种低功耗无线技术,与 Wi-Fi 配合使用,使家庭更智能、更安全、更舒适、更节能。借助ZigBee网关,我们管理众多的ZigBee节点,处理数据并向上连接云平台,从而使智能家居系统运行更加可靠。
接下来,我们将详细介绍什么是 ZigBee、其全球市场、工作原理(频率、范围、功率要求、架构、拓扑、通道访问、安全性、不同版本等)、与其他协议的比较、常见的用例、构建ZigBee 网络所需的设备以及安装指南等等。
Zigbee是一种全栈解决方案,通常遵循 IEEE 802.15.4 标准运行并采用无线网状网络技术。它是一种基于标准的无线技术,旨在实现低成本、低功耗无线机器对机器 (M2M) 和物联网 (IoT) 网络。
ZigBee标准由ZigBee联盟创建(现更名为:连接标准联盟,CSA),该联盟包括许多全球领先的科技公司,例如飞利浦、三菱电机、爱普生、德州仪器等。该联盟成立于 2002 年,是一个全球性的非营利组织。
ZigBee为物联网硬件和应用开发人员以及最终用户提供灵活性以及出色的兼容性。该协议由于其低成本、低功耗和更快的无线连接的显着特点而具有多种用途。例如,它是智能家居的首选技术,因为它在多个方面优于其他无线技术。
首先,ZigBee 设备值得信赖,因为通信是双向的。其次,它服务于所有行业,包括照明、安防、家电、家居门禁等。第三,也是最重要的一点,该技术由于其低延迟和低占空比而消耗很少的功率。此外,它采用网状网络,减少节点故障的可能性。
Zigbee 协议已经存在多年,是一项经过市场验证的技术。Zigbee 因其有前景的特性而已在全球不同行业和领域得到广泛采用。全球多家知名机构对Zigbee的全球趋势和市场份额进行了大量的市场调研。在这里,我分享一些令人信服的数字及其参考资料,以展示 Zigbee 技术的价值。
智能家居和互联设备的日益普及、智慧城市投资的增加以及对节能和低成本通信解决方案的需求推动了Zigbee市场的快速增长。
ZigBee 是一种用于家庭网络的个人区域网络技术,旨在监控和检测网络。ZigBee 标准由 Zigbee 联盟设计,基于标准IEEE 802.15.4。在标准 Zigbee 网络中,IEEE 802.15.4 定义了由 ZigBee 协议处理的多个网络层。
Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 的物理层和 MAC 层。它也在无需许可的 2.4 GHz ISM 频段上运行。尽管 2.4 GHz 在全球范围内广泛使用,但美国、欧洲和中国的设备分别使用 915 MHz、868 MHz 和 784 MHz 等频率。仅选择一个信道/频带用于网络中。
2.4 GHz 频段使用最广泛,因为它无需许可且在全球范围内可用。它还以250 kbps的速率传输数据。
Zigbee 无线通信的范围可能会有所不同,具体取决于设备的功率输出、设备运行环境以及所使用的特定 Zigbee 协议等因素。一般来说,Zigbee 设备的范围在室内可达约100 米,在室外露天可达400米,在理想条件下最大理论范围约为1600 米。然而,在室内环境中,大多数实际场景中的典型范围在 10-30 米之间。
Zigbee 设备通常在 2.1 至 3.6 伏的电压范围内运行,正常运行期间的典型电流消耗约为 20-50mA。Zigbee 设备的功耗也会根据所使用的特定 Zigbee 协议和频率以及设备之间的距离和数据速率而有所不同。例如,使用2.4GHz频段的Zigbee设备将比使用868/915 MHz频段的Zigbee设备消耗更多的功率。
Zigbee 设备设计为低功耗,使用小型电池或其他低功耗电源运行,额定功率通常在几毫瓦到几百毫瓦范围内。
ZigBee 网络协议遵循物理层和 MAC 层及其自身大型网络和应用层的 IEEE 802.15.4 标准。Zigbee 网络的架构由 4 层组合组成。顶部两层由 Zigbee 联盟定义,底部两层基于 IEEE 标准。连接到无线链路的最终用户应用仍然位于 4 个网络架构层的顶部。
物理层由IEEE 802.15.4规范定义,直接控制硬件并负责与Zigbee收发器进行通信。该层通过无线通信介质解释并传输数据包。它还在发送和接收信号的同时执行调制和解调操作。物理层的设计和实现定义了频带、数据速率、范围和其他关键参数。
该层也是由 IEEE 802.15.4 规范标准定义的。它制定了物理层和网络层之间的接口。MAC 层提供 PAN ID 以及通过信标请求进行网络发现。
该层充当MAC层和应用层之间的通信接口。这里我们将网络拓扑定义为网状网络。
Zigbee 网络协议的最顶层是应用层。它由作为子层的应用支持层和 Zigbee 设备组成。它还包含由不同制造商设计的应用程序。
Zigbee 连接协议采用标准 802.15.4 物理无线设计,该设计于 2003 年获得电气和电子工程师协会 (IEEE) 的委员会批准。该规范标准是基于数据包的无线协议,旨在用于电池供电的低成本创新电池寿命长达数年的产品。Zigbee 协议与设备进行通信,以在不同类型的网络拓扑中传输数据。可以使用 Zigbee 协议设备在多种网络中连接您的智能家居设备,如图所示。
星形拓扑也称为Zigbee Smart Energy ,由 Zigbee 协调器和多个最终用户设备组成。设备仅与协调器通信。
网状拓扑也称为Self-Healing Process(自我修复),由 Zigbee 协调器、多个路由器和最终用户设备组成。每个节点通过专用电缆链路分别连接到每个其他节点,从而在网络中形成网状结构。对于 n 个节点,必须有 n (n-1)/2 个链接。由于如此大量的链路需求,网状拓扑被认为非常昂贵,因为其布线成本非常高。
在树形拓扑中,节点以树的形式构建。Zigbee 网络由一个作为协调器的中心节点、多个路由器和终端设备组成。这种拓扑的主要目的是增强网络的覆盖范围。树形拓扑由一个基节点和多个分支节点组成。
分支电缆从基本节点开始,以顺序或分层方式将基本设备节点与智能家居网络的其他设备连接起来。与网状拓扑相比,该拓扑更为经济。
正如前面所定义的,Zigbee 协议由多个通道组成,因此必须有某种机制来访问这些通道。有两种通道访问方法,如下所述。
该方法包含具有冲突避免机制的载波侦听多路访问。此方法速度很快,因为设备不必等待轮到它,但多个访问请求之间可能会发生冲突。
在此方法中,Zigbee 协调器为每个设备分配一个特定的时隙。它的优点是保证时隙,但可能会很慢。
无线技术主要有四种类型:蓝牙、WiFi、Zwave和ZigBee。理论上没有一种技术能够完全免受攻击,而ZigBee 在小范围无线技术中相对安全。所有 Zigbee 设备都使用内置加密来防止黑客攻击。
连接标准联盟是一个为 Zigbee 技术制定标准的组织,它使用认证计划来确保制造商遵守这些安全标准。
一般来说,Zigbee有两种变体,包括Zigbee 3.0(最新)和 Zigbee Pro。然而,还有一些专为特定领域/应用而设计的其他变体,包括 Zigbee Green Power、Zigbee Smart Energy、Zigbee Light Link 和 Zigbee Home Automation。每个版本都有其独特的特性和功能,但所有版本都设计为在 Zigbee 网络中协同工作。
Zigbee 3.0是最新的版本,旨在为不同制造商的设备无缝协作提供通用标准,使消费者更轻松地创建和控制智能家居网络。
Zigbee 3.0是 Zigbee 的最新版本,Zigbee 是物联网设备的无线通信标准。与以前版本的 Zigbee 相比,它旨在提供增强的特性和功能。Zigbee 3.0 的一些主要特性如下:
Zigbee Pro 专为商业和工业应用而设计。它具有更大的网络容量、更长的电池寿命、增强的安全性、先进的网络和轻松的设备调试等功能。 它旨在为楼宇自动化、工业控制系统和智能能源管理等商业和工业应用提供强大、可扩展且安全的无线通信解决方案。
Zigbee Green Power (ZGP) 是 Zigbee 的专门版本,针对低功耗和电池供电设备进行了优化,并具有允许设备网络中节能通信和安全的功能。
下面是它的一些主要功能:
Zigbee Smart Energy (ZSE) 是 Zigbee 的专门版本,具有以下独特功能。
Zigbee Light Link (ZLL) 是 Zigbee 的专用版本,针对照明应用进行了优化。它具有以下特点:
Zigbee Home Automation (ZHA) 是 Zigbee 的更通用版本,专为广泛的家庭自动化应用而设计,具有允许更复杂的网络拓扑和更广泛的设备集成到单个设备中的功能。ZHA 的主要特点是:
为了更好地理解和清晰地了解情况,下表展示了上述所有技术细节的摘要:
特征 | 描述 |
频率 | 2.4GHz、868/915 MHz 以及其他频率(取决于区域) |
数据速率 | 20 kbps 至 250 kbps |
范围 | 10至100米 |
网络拓扑结构 | 网状网络,其中每个设备都可以充当路由器来扩展网络范围 |
安全 | 用于安全通信的 AES-128 加密 |
能量消耗 | 低功耗,设计用于使用小型电池或其他低功耗电源运行 |
互操作性 | 可与其他 Zigbee 设备互操作,无论制造商如何 |
标准 | 开放标准,不依赖于任何特定供应商或产品。 |
Zigbee 和其他无线协议(例如 Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave 和 LoRaWAN)有一些相似之处和一些关键区别。如下表:
特征 | Zigbee | WiFi | 蓝牙 | Z-Wave | LoRaWAN |
频带 | 2.4GHz | 2.4GHz 和 5GHz | 2.4GHz | 908.42兆赫 | 868 MHz(欧洲)/915 MHz(北美) |
范围 | 30-100米 | 30-100米 | 10-30米 | 30-100米 | 5-15公里(乡村)/1-2公里(城市) |
最大设备数 | 65,000 | 254 | 7-8 | 232 | 数千(取决于网络设计) |
功耗 | 低 | 高 | 低 | 低 | 低 |
安全 | AES-128 | WPA2-AES | AES-128 | AES-128 | AES-128 / AES-256 |
应用 | 物联网设备 | 互联网和多媒体 | 个人设备连接 | 家庭自动化 | IoT 设备、资产跟踪和机器对机器通信 |
网络拓扑结构 | 网状 | 星型 | 微微网 | 网 | 星型(带网关) |
数据速率 | 40-250kbps | 600 Mbps 至 3 Gbps | 1Mbps | 100kbps |
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