ZigBee标准及其进展
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【摘 要】zigbee技术是物联网和无线传感网的关键技术。介绍了ZigBee技术及其特点、ZigBee技术规范和ZigBee应用标准目前的进展情况，以及在物联网快速发展的大背景下，ZigBee技术的巨大市场潜力和广泛应用前景。
【关键词】ZigBee 物联网 ZigBee 2012 ZigBee Gateway
1 引言
物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网还与云计算、大数据、移动互联网等密切相关，产业链长、应用范围广且拥有非常广阔的市场前景和巨大的经济发展推动力。中国、美国、日本、欧盟等世界各主要科技发达国家和地区在物联网发展方面都做出了积极的规划和部署，推动着物联网的快速发展。
成立于2002年的ZigBee联盟，是物联网领域重要的国际标准化组织，目前已有包括世界著名跨国公司、大学和企业等在内的400多家成员。ZigBee联盟主席及首席执行官表示，ZigBee联盟是世界上唯一专注于物联网产业发展的组织，只专注于制定物联网全球标准。
2 ZigBee技术
2.1 ZigBee技术概述
ZigBee技术是一种近距离、低速率、低功耗、低成本、支持大量网络节点、组网功能强、安全可靠的双向无线通讯技术。它主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种设备之间的数据传输，特别是有间歇性数据传输和周期性数据传输的应用。ZigBee的传输距离在10～100m的范围内。
ZigBee技术基于IEEE 802.15.4标准，使用了该标准规定的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）。ZigBee联盟对网络层及以上部分进行了标准化、扩展和完善，ZigBee和ZigBee IP增加了网络层、安全层以及应用框架，ZigBee RF4CE提供简单的网络层和标准的应用层，使IEEE 802.15.4标准更加完善。
ZigBee技术有几种频段，包括全球通用的2.4GHz频段、日本的950MHz、美国和澳大利亚的915MHz、欧洲的868MHz以及中国的780MHz等。
2.2 ZigBee技术特点
（1）低功耗：工作模式下，ZigBee节点所承载的应用数据传输速率低，传输数据量很小，发射功率仅为1mW；在不需要通信时采用休眠模式，此时功耗只有正常工作状态的千分之一。一般情况下，处于休眠模式的时间占总运行时间的大部分，而且ZigBee节点能够方便地在休眠状态和正常运行状态之间灵活切换。休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，设备搜索时延一般为30ms。因此ZigBee设备非常省电。
（2）低成本：ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上，有利于整合更多功能于一身。ZigBee节点管理模式大大简化了通信协议，降低了对通信控制器的要求；ZigBee免协议专利费，因此控制芯片的成本很低。这些使得ZigBee网络的成本远远低于其它的无线网络。
（3）强大的组网功能：ZigBee技术在组网方面非常出色。整个网络由独立的工作节点通过无线通信组成网状网络，每个节点都有一个无线收发器和一个控制器。节点有三种基本类型：控制器节点、全功能节点和精简功能节点。控制器节点和全功能节点可管理254个子节点。该节点还可由上一层网络节点管理，每个网络可多达6万多个节点。
（4）数据传输安全可靠：ZigBee采用碰撞避免机制，提供数据完整性检查，支持鉴权和认证，可以采用高级加密标准AES128加密。
3 ZigBee技术规范
3.1 ZigBee规范
最新的ZigBee规范是ZigBee 2012。ZigBee 2012提供全无线网状网解决方案，可在单一网络上支持超过64 000台设备。ZigBee规范支持大部分互操作性应用标准，包括：
ZigBee Building Automation（楼宇自动化）；
ZigBee Health Care（医疗保健）；
ZigBee Home Automation（住宅自动化）；
ZigBee Light Link（照明控制）；
ZigBee Smart Energy（智能能源）；
ZigBee Telecommunication Services（电信服务）；
即将推出的ZigBee Retail Services（零售服务）。
ZigBee 2012规范定义了两套功能集：ZigBee功能集和ZigBee PRO功能集。ZigBee功能集可支持数百个设备的较小型网络，ZigBee PRO可支持成千上万个设备的大型网络。
ZigBee 2012规范的功能如表1所示：
表1 ZigBee 2012规范的功能
功能 ZigBee ZigBee PRO
网络的可扩展性 支持数百个设备的网络 支持成千上万个设备的网络
数据分割 O X
跳频 O X
Green Power - O
信道选择 X X
自动设备地址管理 X X+
组寻址 X X+
无线调试 X X+
集中式数据采集 X X+
设备维护和网络恢复 X X
组播 X X
兼容性 设备可用于ZigBee和ZigBee PRO网络 设备可用于ZigBee和ZigBee PRO网络
AES128加密/认证/信用中心 X X
IEEE 802.15.4 X X
全球频段2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz X X
单跳扩展范围可达数百米 X X
可靠的自修复Mesh
网络 X X
低功耗、电池寿命长 X X
低成本 X X
网络流量负载 平均 增加
注：X表示默认支持，+表示优化，O表示支持且可选。
表1中的Green Power功能，是2012年12月19日ZigBee联盟宣布推出的，成为ZigBee产品供电最环保的方法。传感器、开关和调光器等多种产品现在可以很容易地使用能量收集（energy harvesting）技术来供电，而不是用电池或交流电源，这是一种免维护的环保解决方案。采用ZigBee PRO Green Power产品，消费者和企业可以将ZigBee设备安装到更多的区域，包括无法使用电力供应、出于安全考虑或保护文物等目的而禁止使用电源的地方。
Green Power是ZigBee PRO功能集中的一项可选功能，该功能大大扩展了ZigBee PRO的能力，进一步巩固了其作为无线传感器和控制网络以及物联网全球标准的领导地位。
3.2 ZigBee RF4CE
2009年3月，RF4CE联盟与ZigBee联盟合作开发基于ZigBee/IEEE 802.15.4，并用于多种消费电子设备遥控的射频标准。
射频遥控取代传统红外技术，可以为消费者提供很多创新的功能：
使用方便，信号传递不受障碍物影响；
实现双向通信；
不同设备的互操作，不需要多个遥控器；
遥控器电池寿命可显著延长；
ZigBee RF4CE规范支持ZigBee Remote Control（遥控装置）和ZigBee Input Device（输入设备）两个应用标准。
3.3 ZigBee IP
2013年3月28日，ZigBee联盟宣布推出第三套规范ZigBee IP。ZigBee IP是第一个基于IPv6的全无线网状网解决方案的开放标准，提供无缝互联网连接控制低功耗、低成本设备。ZigBee IP是专门为支持即将推出的应用标准ZigBee Smart Energy（智能能源）2.0而设计的。
ZigBee IP提供了一个具有端到端IPv6组网能力的可扩展架构，无需使用中间网关，从而为物联网的发展奠定了基础。
4 ZigBee应用标准
ZigBee联盟目前已建立了下述10个公共应用标准，这些公共应用标准的兼容性可以通过一组标识来识别，用户可以根据设备上的标识获悉设备所支持的应用标准。任何被允许使用ZigBee标识的产品，首先必须通过ZigBee应用标准验证，保证最终用户应用层的兼容性。
4.1 ZigBee Building Automation
2011年9月28日，ZigBee联盟批准了ZigBee Building Automation标准。
ZigBee Building Automation，是能够对商业楼宇系统实现安全可靠监控与控制的互操作性产品的全球标准，是BACnet?（楼宇自动化与控制网络）唯一认可的商业楼宇的无线网状网标准。
采用该标准，业主、经营者和租户可以获得更多的收益：
对更多类型的建筑物和区域实现监控；
取消监控和管理一个区域的有线网络；
实现快速的系统重新配置，降低安装和重新配置成本；
从增加节能和降低成本消耗中获益。
4.2 ZigBee Remote Control
2009年12月17日，ZigBee联盟宣布推出全新的射频遥控装置的全球标准ZigBee Remote Control。这是首个专门针对ZigBee RF4CE规范的公共应用标准。
ZigBee Remote Control，用射频（RF）控制技术代替已有30年历史的红外（IR）技术，不受视距限制，能够实现双向通信、具有更大的使用范围和更长的电池寿命，为消费者提供更加灵活控制各种设备的服务。它设计用于高清电视、家庭影院系统、机顶盒及其他音频设备等各种消费电子产品。
采用该标准的遥控装置与传统遥控装置相比，具有的新功能包括：
能够对摆放在几乎任何位置（包括在其他房间）的设备进行操控；
无需使用多个遥控装置；
新的互动式功能，增强的用户界面和先进的显示功能；
能够定位找不到的遥控装置；
无线升级和可编程能力；
更节能、电池寿命更长。
4.3 ZigBee Smart Energy
2011年7月21日，ZigBee联盟宣布推出ZigBee Smart Energy 1.0的更新标准ZigBee Smart Energy 1.1。
ZigBee Smart Energy标准，是能够对能源和水的使用实现监控、控制、通知、自动化配送和使用的互操作性产品的全球领先标准。它为消费者提供信息和自动化管理服务，轻松降低资源消耗、节约资金，创建更绿色的家庭。
ZigBee Smart Energy 1.0是首个也是唯一一个广泛推出的先进计量基础设施（Advanced Metering Infrastructure）标准。ZigBee Smart Energy 1.1新增了几项重要功能，包括：增强型动态计价、其它协议隧道、预付费功能、空中更新，以及与已获认证的ZigBee Smart Energy 1.0产品之间的向后兼容。ZigBee Smart Energy 2.0目前正处于开发阶段。
此标准可支持公用事业公司、产品制造商和政府部门等的多种不同要求，以满足未来对能源和水的管理需求。
据Pike Research预测，到2019年，全球智能能源设备和应用市场的规模将达到261亿美元，ZigBee将在智能设备无线连接方面处于领先地位。此外，ON World也预测，ZigBee Smart Energy将占全球家庭能源管理设备和服务（有线和无线系统）营收的一半，到2014年将达到33亿美元。
4.4 ZigBee Health Care
2010年4月5日，ZigBee联盟宣布推出ZigBee Health Care标准。
ZigBee Health Care标准，是指能够对慢性病、老年人护理等非重大、低危险病症实现安全可靠的监控和管理的互操作性产品的全球标准。
ZigBee Health Care产品是家庭、健身中心、退休小区、养老院及其他医疗机构的理想选择，可以满足消费者、服务提供商、医护人员、付款人、产品制造商和政策制定者等的多样化需求，提供安全和标准的方式，监控、控制和自动化地发送并使用医疗与保健数据，供家庭和专业人员使用。
由各大医疗保健公司与科技公司所组成的重要非营利联盟康体佳健康联盟（Continua Health Alliance）于2009年6月认可ZigBee Health Care作为其低功耗局域网标准。
4.5 ZigBee Home Automation
2009年8月，ZigBee联盟推出加强型ZigBee Home Automation应用标准。
ZigBee Home Automation标准，是用于智能住宅，控制家电、照明、环境、能源管理和安全，以及与其它ZigBee网络互连的互操作性产品的全球标准。该标准能够控制空调系统、电源插座、机动设备、门铃和安全装置等。
智能住宅可使消费者对环境更敏感，维护更容易，并且可以降低成本，让生活更方便。采用该标准的产品是新型建筑市场的理想产品，非常易于安装、使用和维护。
4.6 ZigBee Input Device
2010年12月22日，ZigBee联盟宣布完成ZigBee Input Device标准，这是用于消费电子产品和计算机配件（鼠标、键盘、触摸板和其它输入设备）的人机交互设备的新的全球标准。
用射频（RF）解决方案取代已使用30年的红外（IR）技术，不受视距限制，可以让消费者在更远距离甚至另一个房间使用设备，更节能、电池寿命更长。
该标准还为这些设备提供了创新功能，包括：
可实现双向通信；
支持多点触摸和手势命令；
能够定义超越鼠标、键盘或类似输入设备标准功能的特殊功能和增强性能；
无线更新和可编程选项允许添加新功能。
4.7 ZigBee Light Link
2012年4月18日，ZigBee联盟宣布完成ZigBee Light Link标准的制定和认证。
ZigBee Light Link标准，为照明行业的消费照明和控制装置的互操作性产品提供全球标准。该标准是由众多企业提供支持的开放性全球标准，为LED照明解决方案提供高效灵活的无线控制。
采用ZigBee Light Link标准的节能灯泡、LED灯具、传感器、遥控器和开关等可以方便地接入同一个网络，消费者能够轻松安装产品，在照明系统中增加其他装置，并能够体验到无线照明控制的诸多优势，使住宅更方便、更节能和更环保。
4.8 ZigBee Retail Services
正在制定中的ZigBee Retail Services标准，将为监督、控制和自动化管理采购与物流过程的互操作性产品提供全球标准。
ZigBee Retail Services将是一个易于使用的标准，可以为零售商提供一个全面的解决方案，大大减少零售商进入，并在零售市场上减少成功所需的时间和成本。
4.9 ZigBee Telecommunication Services
2010年3月25日，ZigBee联盟宣布完成ZigBee Telecommunication Services标准的制定工作。
ZigBee Telecommunication Services标准，是能提供各种增值业务（包括信息投递、移动游戏、基于位置的服务、手机安全支付、移动广告等）的互操作性产品的全球标准。
ZigBee Telecommunication Services不仅可以为移动运营商、零售商、商业用户和政府部门等提供各种增值业务，还能够以便宜且易于使用的方式给手机和其它便携电子产品的用户提供创新服务。
该标准为移动运营商提供一种简单经济的方法来提供基于低数据速率且几乎可以覆盖每一位手机用户的创新服务，可将更多3G/4G基础设施留给更为高端的服务。
4.10 ZigBee Network Devices
2011年7月28日，ZigBee联盟宣布推出第十个标准ZigBee Gateway（ZigBee网关），ZigBee Gateway是ZigBee Network Devices这一新类别的首个标准。ZigBee Network Devices是能够协助和扩展基于ZigBee PRO网络的设备标准。
ZigBee Gateway提供一种简单的、性价比高的、基于互联网协议的网络之间的连接方式，使服务提供商、企业和个人消费者可以使用这些设备将各种类型的ZigBee网络连接至互联网，还可提供面向消费者设计的各种云和智能电话服务。
目前，上述标准中除ZigBee Remote Control、ZigBee Input Device、ZigBee Light Link外，ZigBee Gateway可支持其余各标准。
5 市场应用展望
根据思科的研究报告，未来10年，物联网将带来一个价值14.4万亿美元的巨大市场商机。到2020年，将有超过500亿台设备连入互联网，从智能手机、个人电脑和ATM机，到工厂中的生产设备和运输集装箱中的货物，物联网的各种应用将随之爆发。
调研机构Forrester预测，到2020年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30：1，下一个万亿级信息产业将是物物互联。
据工信部预测，中国物联网市场到2015年时将逾5 000亿元，2020年成熟时将启动万亿元级别的市场规模，未来五年年均复合增长率将达到30%。
权威研究公司ABIresearch研究表明，2010年ZigBee大约占有IEEE 802.15.4芯片组出货量的40%，预测2016年这一数据将增长到近55%。
可以预见，随着物联网产业的快速发展，智能家庭、智能楼宇、智能电网（智能能源）、智能医疗、智能教育、智能交通、智能安防、智能工业自动化、RFID、智慧城市等涵盖各行各业的应用和市场需求将有大规模增长，未来ZigBee技术将有巨大的发展空间和市场潜力。
参考文献：
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