一、ZigBee技術概述
ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別為(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、(NWK)、(APL)等。其中和訪問控制層遵循標準的規定。
ZigBee網絡主要特點是低功耗、、低速率、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網絡中的設備可分為協調器(Coordinator)、匯聚節點(Router)、傳感器節點(EndDevice)等三種角色。
ZigBee技術的發展
ZigBee譯為""，它與相類似。是一種新興的短距離無線通信技術，用於傳感控制應用(Sensor and Control)。由工作組中提出，並由其TG4工作組制定規範。
2001年8月，ZigBee Alliance成立。
2004年，ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規範的第一個版本。由於推出倉促，存在一些錯誤。
2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。
2007年底，ZigBee PRO推出。
2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具備更強的靈活性和遠程控制能力。
2009年開始，Zigbee採用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智能電網Smart Energy(SEP 2.0)的標準，致力於形成全球統一的易於與互聯網集成的網絡，實現端到端的網絡通信。隨著美國及全球智能電網的建設，Zigbee將逐漸被/6Lowpan標準所取代。
ZigBee的底層技術基於IEEE 802.15.4，即其和媒體訪問控制層直接使用了的定義。
在技術的使用過程中，人們發現藍牙技術儘管有許多優點，但仍存在許多缺陷。對工業，家庭和工業遙測遙控領域而言，藍牙技術太複雜，功耗大，距離近，組網規模太小等。而工業自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈，而且，對於工業現場，這種無線傳輸必須是高可靠的，並能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此，經過人們長期努力，ZigBee在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向的Home RF Lite。
長期以來，低價位、低速率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。藍牙的出現，曾讓工業控制、家用自動控制、玩具製造商等業者雀躍不已，但是藍牙的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意願。如今，這些業者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定ZigBee的物理層和媒體介質訪問層。IEEE802.15.4規範是一種經濟、高效、低數據速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術，用於個人區域網和對等網絡。它是ZigBee和網絡層協議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用於近距離無線連接。它依據802.15.4標準，在數千個微小的之間相互協調實現通信。這些只需要很少的能量，以接力的方式通過波將數據從一個傳到另一個節點，所以它們的通信效率非常高。
互聯網標準化組織IETF也看到了無線傳感器網絡（或者物聯網）的廣泛應用前景，也加入到相應的標準化制定中。以前許多標準化組織和研究者認為IP技術過於複雜，不適合低功耗、資源受限的無線傳感器網絡，因此都是採用非IP技術。在實際應用中，如ZigBee需要接入互聯網時需要複雜的應用層網關，也不能實現端到端的數據傳輸和控制。與此同時，與ZigBee類似的標準還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利於產業化的發展。IETF和許多研究者發現了存在的這些問題，尤其是Cisco的工程師基於開源的uIP協議實現了輕量級的IPv6協議，證明了IPv6不僅可以運行在低功耗資源受限的設備上，而且，比ZigBee更加簡單，徹底改變了大家的偏見，之後基於IPv6的無線傳感器網絡技術得到了迅速發展。 IETF已經完成了核心的標準規範，包括IPv6數據報文和幀頭壓縮規範 6Lowpan[2]、 面向低功耗、低速率、鏈路動態變化的無線網絡路由協議 RPL[3]、以及面向無線傳感器網絡應用的應用層標準CoAP[4]，相關的標準規範已經發布[5]。IETF組織成立了IPSO聯盟，推動該標準的應用，併發布了一系列白皮書[6]。 IPv6/6Lowpan已經成為許多其它標準的核心，包括智能電網ZigBee SEP2.0、工業控制標準ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等。IPv6/6Lowpan具有諸多優勢： 可以運行在多種介質上，如低功耗無線、電力線載波、WiFi和以太網，有利於實現統一通信；IPv6可以實現端到端的通信，無需網關，降低成本；6Lowpan中採用RPL路由協議，路由器可以休眠，也可以採用電池供電，應用範圍廣，而ZigBee技術路由器不能休眠，應用領域受到限制。標準已經得到大量開源軟件實現，最著名的是Contiki[7]、TinyOS系統，已經實現完整的協議棧，全部開源，完全免費，已經在許多產品中得到應用。IPv6/6Lowpan協議將隨著無線傳感器網絡以及物聯網的廣泛應用，很可能成為該領域的事實標準。
ZigBee技術的特點
（1）低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號乾電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比較，藍牙能工作數週、WiFi可工作數小時。
TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節點。該節點採用Micropelt公司的熱電發電機給TI公司的ZigBee提供電源。
（2）低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且ZigBee免協議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。
（3）低速率。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。
（4）近距離。傳輸範圍一般介於10～100m之間，在增加發射功率後，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
（5）短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
（6）高容量。ZigBee可採用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點的大網。
（7）高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數據以及採用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
（8）免執照。使用工業科學醫療(ISM)頻段，915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球) 。
頻帶由於此三個物理層並不相同，其各自信道帶寬也不同，分別為0.6MHz, 2MHz和5MHz。分別有1個, 10個和16個信道。
這三個頻帶的和亦有區別。擴頻都使用(DSSS)，但從比特到碼片的變換差別較大。調製方式都用了調相技術，但868MHz和915MHz頻段採用的是BPSK，而2.4GHz頻段採用的是OQPSK。
在發射功率為0dBm的情況下，藍牙通常能有10米的作用範圍。而ZigBee在室內通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米(TI CC2530不加功率放大)。
所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術。
ZigBee聯盟
ZigBee聯盟是一個高速成長的非盈利業界組織，成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、技術集成商以及最終使用者。聯盟制定了基於IEEE802.15.4，具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。
ZigBee聯盟的主要目標是以通過加入無線網絡功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產品。ZigBee技術能融入各類電子產品，應用範圍橫跨全球的民用、商用、公共事業以及工業等市場。使得聯盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網絡平臺，設計出簡單、可靠、便宜又節省電力的各種產品來。
ZigBee聯盟所鎖定的焦點為制定網絡、安全和應用軟件層；提供不同產品的協調性及互通性測試規格；在世界各地推廣ZigBee品牌並爭取市場的關注；管理技術的發展。
ZigBee聯盟對ZigBee標準的制定：IEEE802.15.4的物理層、MAC層及，標準已在2003年5月發佈。ZigBee網絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經發布。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續發佈。由於ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用於一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外洩漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。
ZigBee技術應用
上面介紹了ZigBee的一些技術優勢，也談到了不足之處，目前有些說法把它跟其它他的無線技術，如Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等等進行類比，說某種技術不如另一種，甚至說某種技術要取代另一種，這樣的說法是片面的。作為一種低速率的短距離無線通信技術，ZigBee有其自身的特點，因此應該有為它量身定做的應用，儘管在某些應用方面可能和其他技術重疊。下面就來簡單看看ZigBee可能的一些應用，包括智能家庭、工業控制、自動抄表、醫療監護、傳感器網絡應用和電信應用。
智能家居：家裡可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以前我們最多可能就做到點對點的控制，但如果使用了ZigBee技術，可以把這些電子電器設備都聯繫起來，組成一個網絡，甚至可以通過網關連接到Internet，這樣用戶就可以方便的在任何地方監控自己家裡的情況，並且省卻了在家裡佈線的煩惱。
工業控制：工廠環境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網絡進行監控，加強作業管理，降低成本。
自動抄表：抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電錶、水錶等等，每個月或每個季度可能都要統計一下讀數，報給煤氣、電力或者供水公司，然後根據讀數來收費。現在在大多數地方還是使用人工的方式來進行抄表，逐家逐戶的敲門，很不方便。而ZigBee可以用於這個領域，利用傳感器把表的讀數轉化為數字信號，通過ZigBee網絡把讀數直接發送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發送給用戶，或者和節能相結合，當發現能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。
傳感器網絡應用：傳感器網絡也是最近的一個研究熱點，像貨物跟蹤、建築物監測、環境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網絡要求節點低成本、低功耗，並且能夠自動組網、易於維護、可靠性高。ZigBee在組網和低功耗方面的優勢使得它成為傳感器網絡應用的一個很好的技術選擇。
電信應用：在2006年初的時候，意大利電信就宣佈她研發了一種集成了ZigBee技術的SIM卡，並命名為"ZSIM"[5]。其實這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯盟也在2007年4月發佈新聞，說聯盟的成員在開發電信相關的應用[6]。如果ZigBee技術真得可以在電信領域開展起來，那麼將來用戶就可以利用手機來進行移動支付，並且在熱點地區可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶也可以通過定位服務獲知自己的位置。雖然現在的GPS定位服務已經做得很好，但卻很難支持室內的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補這一缺陷。
結語：
ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，是無線個人網絡不可缺少的組成部分，其成功的關鍵在於大量豐富而便捷的應
用，而不是技術本身。
ZigBee正式版本協議即將公佈，業界更多的研發力量正在轉到應用設計和實現、互聯互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信，在不遠的將來，本文所提到的很多應用以及更多的"殺手鐧"應用將出現在我們的生活中，並將極大地改善我們的生活和工作。
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