不断迭代的Zigbee技术，角逐智能家居市场的底气在哪里？

来源：贸泽电子

Zigbee是一种低功耗、低数据速率的协议，在包括2.4GHz在内的各种未经许可的无线频带中工作，并针对低功耗设备网络进行了优化，专注于低电池供电设备之间的简单、自组网状网络。

在实际应用中，Zigbee的数据速率高达250kbps，尤其适用于小数据包的周期性或间歇性传输。随着物联网技术的发展，Zigbee设备已经成为物联网应用的重要组成部分。从智慧城市到智能家居，Zigbee技术在实现设备之间的互联互通、为人们的生活和工作带来便利方面发挥着重要作用。

Zigbee技术的发展史

Zigbee协议已经经历了多次迭代。在介绍其近期技术进展和应用之前，我们不妨先了解一下它的进化路径。对于企业和开发人员来说，了解这一过程将非常有助于他们理解市场上各类Zigbee设备的兼容性问题。

Zigbee原名HomeRF Lite，是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，使用直接序列扩频调制在100米内提供可靠的数据传输。作为全球开放标准创建的无线技术之一，Zigbee旨在满足低功耗、低成本无线物联网网络连接的独特要求。

•   Zigbee 1.0

Zigbee于2004年被批准为基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议。紧接着Zigbee联盟又于2005年6月13日宣布了规范1.0的可用性，也称为Zigbee 2004规范。

•   Zigbee 1.1

Zigbee 1.0是Zigbee规范的第一个版本，在使用过程中它暴露出一些明显的缺陷。为了解决和修正这些问题，ZigBee联盟很快就推出了ZigBee1.1。在新的版本中，Zigbee Cluster Library（ZCL）取代了2004年堆栈中使用的值对结构，允许Zigbee设备向相关客户端异步报告属性更改，从而实现实时属性更新和通知。不过，新协议与ZigBee1.0不能兼容。

•   Zigbee Pro

尽管ZigBee1.1与ZigBee1.0相比发生了重大变化，但行业初始时的愿景仍未完全实现。因此，在2007年，Zigbee规范再次进行了修订，重要的一点是新版本可以与以前的版本兼容，允许ZigBee Pro设备连接到传统Zigbee网络并在其上运行，反之亦然。ZigBee Pro工作在2.4 GHz ISM频段，并增加了对sub-GHz频段的支持，在频率使用方面提供了更大的灵活性。在此次修订中，Zigbee联盟专注于扩展Zigbee在三种特定应用类型中的能力，即：Zigbee家庭自动化（ZHA）、Zigbee楼宇自动化（ZBA）和高级计量基础设施（AMI）。

•   Zigbee PRO 2023

2023年4月12日，由数百家公司组成并致力于开发物联网开放标准的国际组织连接标准联盟共同发布了Zigbee协议栈技术规范的新版本：Zigbee PRO 2023。Zigbee PRO 2023的关键内容之一是增加了一系列增强的安全功能和新添加的安全机制。Zigbee PRO 2023是向后兼容的，用户可使用Zigbee 3.0产品认证中的新堆栈。具体包括：

在Zigbee PRO 2023中添加的多项安全增强功能，让协议栈从技术架构设计上保证和拓展了安全性。

简化了用户使用体验，并将支持的频段延伸到2.4GHz以外。

增加了Zigbee Direct功能，利用在语音助手和移动设备中普遍使用的低功耗蓝牙技术来简化设备的入网和控制。

实现了“Works with All Hubs”第一阶段的目标，为以集线器为中心的网络推进标准化操作。具体来说，就是通过帮助设备识别网络中合适的父节点用以安全地入网或重新入网来提升此类网络的网络弹性。

增加了对欧洲 (800MHz) 和北美 (900MHZ) Sub-GHz的支持，提供更高的信号强度和更广的信号范围，为更多应用场景提供支持。

符合Zigbee PRO 2023技术规范的Zigbee设备可与Smart Energy设备共处同一网络，交换重要信息，提升了能源和设备的控制体验和使用效率。

•   Zigbee 3.0

随着低成本和低功率无线SoC硬件解决方案的不断发展，以及跨多个市场互连各种设备的日益增长的需求（比如在智能家居领域，智能家居设备制造商在各自的产品中添加了自己的内容，导致遵守Zigbee协议的Zigbee产品无法相互通信），Zigbee联盟推出了Zigbee 3.0。在Zigbee 3.0协议中统一了应用层协议，如ZHA、ZLL（Zigbee Light Link：专注于照明应用，为控制和管理灯泡、开关和调光器等照明设备提供标准化的命令和属性）、ZBA和ZHC（Zigbee Healthcare：满足医疗保健相关应用程序的特定需求，包括医疗设备监控、患者跟踪和远程医疗保健服务）。为了让来自不同制造商的设备协同工作，从加入网络到设备操作（如打开和关闭）都有明确的规范。Zigbee 3.0还为使用不同应用层协议的设备标准化了设备发现和联网步骤，使得Zigbee设备联网更容易，这样，用户通过Zigbee 3.0网关可轻松连接和控制来自不同制造商的智能开关和智能灯泡。

作为ZigBee联盟的发起人和ZigBee3.0标准工作组的积极贡献者，恩智浦（NXP）已经将其ZigBee的产品的研发和应用推进到ZigBee3.0阶段。目前，公司JN516x和JN517x系列中的所有微控制器都支持ZigBee 3.0，免费的NXP支持软件也可用于JN516x/7x上的ZigBee 3.0，包括ZigBee PRO堆栈和相关的API、广泛的ZCL cluster、ZigBee-Lighting and Occupancy（ZLO）设备类型以及可作为自定义应用程序开发基础的示例设备软件。


图1：支持ZigBee 3.0的恩智浦JN516x微控制器系统框图（图源：NXP）

归纳起来，Zigbee Pro与Zigbee 3.0的区别在于，在Zigbee Pro规范中，根据不同的市场定义了不同的协议，并保留了相当多的定制内容。因此，来自不同制造商的产品往往无法进行互操作。Zigbee 3.0协议则是对六大应用层协议进行了统一和标准化，并允许所有符合zigbee3.0的产品互连并协同工作。

智能家居：Zigbee设备应用主战场

在不断发展的物联网领域，Zigbee是一种成熟的无线网状网技术，它允许使用低功耗和低成本的解决方案对无线网络进行广泛的组网。智能电网、照明控制、AMR（自动抄表）、医疗设备、车队应用、暖通空调控制、储罐监控和楼宇自动化系统都是促进Zigbee协议市场拓展的应用领域。

Zigbee市场的增长潜力从市场预测中可见一斑。根据Mordor Intelligence的数据，ZigBee市场规模预计将从2023年的45.9亿美元增长到2028年的61.4亿美元，预测期内（2023-2028年）的复合年增长率为6.01%。这一预测突显了Zigbee技术在实现智能互连方面发挥的重要作用。


图2：2023-2028年期间，ZigBee市场预计将以6.01%的复合年增长率实现增长（图源：Mordor Intelligence）

连接标准联盟（CSA）的统计数据表明，截至目前已经有数以亿计的Zigbee产品部署在各地的智能家居和智能建筑中，3900多款Zigbee产品通过认证，超过10亿颗芯片组销往全球。

在当今数字化时代，智能家居技术正以前所未有的速度发展。作为重要力量之一，Zigbee技术正逐渐成为智能家居领域的中流砥柱。在智能家居市场，从智能灯泡、智能插座到智能门锁，几乎所有的智能家居设备都可以使用Zigbee技术实现互联，用户可以通过智能手机或语音助手控制这些设备，实现远程监控和智能管理。Zigbee可以说是非常流行的家庭自动化协议之一，相关的智能家居产品包括但不限于Zigbee网关、家庭自动化恒温器、PIR运动传感器、警报器、漏水传感器、电表、智能照明系统、烟雾传感器等。

芯片是智能家居等各种物联网应用的“大脑”，低功耗、高可靠性的半导体芯片几乎是物联网各个方面的重要组件。Silicon Labs公司的EM351和EM357 Ember ZigBee芯片是基于ARM Cortex-M3的ZigBee SoC系列，在紧凑的封装中提供了优异的性能、功耗和代码密度。EM351和EM357将2.4 GHz IEEE 802.15.4无线电收发器与32位微处理器、闪存和RAM相结合，并具有强大硬件支持的网络级调试功能。

该公司另一款支持Matter、OpenThread和Zigbee等多协议的无线SoC产品EFR32MG24非常适合使用智能家居、照明和楼宇自动化产品的无线连接。凭借高性能2.4 GHz射频、低电流消耗、AI/ML硬件加速器和Secure Vault等关键功能，设备制造商可以快速创建智能、强大和节能的产品。芯片中的Arm Cortex-M33可运行高达78 MHz、高达1.5 MB的闪存和256 kB的RAM，为要求苛刻的应用提供丰富的资源，同时为未来的增长留出空间。

EFR32xG24开发套件是一个紧凑、功能齐全的开发平台，有了它，研发人员可以很快的速度构建一个原型的智能家居产品。


图3：借助EFR32xG24开发套件，研发人员可快速开发基于多协议无线SoC的智能家居应用（图源：Mouser）

Zigbee的优势和应用前景

作为一种基于IEEE 802.15.4标准的小型低数据速率和低功率数字无线协议，Zigbee针对低功耗、低数据速率的监控系统进行了优化。ZigBee网络使用网状拓扑结构，所有设备/节点都可以相互通信，形成无线网状网络。该网络结构可帮助设备共享多条路径，并定期优化与其他设备的连接，使网状网络能够自动从无线干扰或断开的链路中恢复。正是这一功能，使得Zigbee常常被用于家庭自动化及其应用，比如连接智能灯、恒温器、智能门锁等需要本地通信而无需高带宽的设备。加之Zigbee的覆盖范围达到了100米，对于一个普通家庭来说已经足够了。

与蓝牙等其他WPAN相比，采用Zigbee的方案更便宜、更简单，尤其适用于那些需要长电池寿命、低数据速率和安全网络的射频应用。Zigbee协议还增强了开发人员和用户的灵活性和选择，并确保服务和产品通过各级标准化协同工作。因此，与Zigbee兼容的产品可与每个经Zigbee认证的联网企业或家庭平台配合使用，这样人们就可以按照自己的喜好在市场上寻找适合的智能家居产品，而不会被绑定到单个零售商的生态系统中。

对于简单的设备配对和短距离无线通信，蓝牙可能是极合适的协议。通过蓝牙低能耗（BLE），可以在可穿戴设备和智能手机等智能设备之间以非常低的功率无线交换少量数据，当然，BLE信标也可用于室内定位服务。然而，对于需要在没有高带宽的情况下本地传输数据的智能家居设备，Zigbee凭借网状网功能、低功耗特性以及较高的性价比，使其成为此类应用的首选。Zigbee PRO 2023添加的安全功能和安全机制利用行业标准的加密算法和双向身份验证来保护设备入网和后续操作期间的网络安全，让消费者更加安心，提升了智能家居的整体安全性，将会对行业的健康发展形成新一波助力。

通过无线网络技术我们正在向一个更互联、更智能的世界迈进，随着智能家居市场的不断扩大和物联网技术的不断成熟，Zigbee设备的应用前景愈发宽广。未来，随着技术的进一步发展和成本的不断降低，Zigbee设备的类型和数量将大幅增加，智能家居和物联网应用将变得更加普及和智能。同时，随着人们对能耗的日益关注，低功耗Zigbee技术将得到更广泛的应用，。在未来的发展中，我们可以期待更多创新的Zigbee设备的出现，为人们的生活和工作带来更多的便利和舒适。