短距離無線通信技術(shù)有我們熟知的Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙以及Z-Wave,之前的文章中小編介紹了Wi-Fi和藍(lán)牙,今天我們一起來認(rèn)識(shí)ZigBee技術(shù)。
短距離無線通信技術(shù)
第三期:ZigBee
ZigBee問世已將近20年,技術(shù)上已經(jīng)很成熟,和藍(lán)牙、Wi-Fi在短距離通信領(lǐng)域幾乎三分天下。
年初,CSA連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟 (原ZigBee聯(lián)盟)宣告其正在開發(fā)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)新功能——ZigBee Direct,該功能結(jié)合了ZigBee和低功耗藍(lán)牙 (BLE) 兩種技術(shù),可利用操作簡(jiǎn)單的BLE設(shè)備,簡(jiǎn)化ZigBee新設(shè)備的入網(wǎng)和對(duì)已有設(shè)備的控制,帶給用戶更便捷的體驗(yàn)。
ZigBee的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)
01
Mesh組網(wǎng)應(yīng)用
首先,ZigBee基于IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),與Wi-Fi的IEEE802.11,藍(lán)牙的802.15.1都有各自獨(dú)有的特點(diǎn),它們之間的關(guān)系只有互補(bǔ),無法相互取代。
在以上的IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中,IEEE802.15.4和IEEE802.11的物理特性都比較相似,采用了基于CCA載波偵聽的CSMA/CA通信方式,非常適合設(shè)備多對(duì)多通信,因此在多設(shè)備通信的Mesh網(wǎng)絡(luò)中,有極高的通信效率。
而IEEE802.15.1采用HFSS跳頻原理,不容易實(shí)現(xiàn)類似的信道檢測(cè)功能,只能按照主從機(jī)模型的時(shí)隙進(jìn)行工作,在BLE Mesh應(yīng)用中是以廣播的方式通信,而且在BLE Mesh應(yīng)用中會(huì)盡量避免多個(gè)設(shè)備同時(shí)與同一個(gè)設(shè)備通信的情況出現(xiàn)。因此在Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,ZigBee的兼容性和可靠性遠(yuǎn)勝于BLE Mesh。
02
互聯(lián)互通性
ZigBee從誕生開始就制訂了一套設(shè)備控制標(biāo)準(zhǔn),叫ZCL(ZigBee Cluster Library)。在早期版本的ZigBee協(xié)議中,ZCL很不完善,被起步較早的智能家居廠商和其它應(yīng)用方案商棄用。導(dǎo)致不同的設(shè)備廠商的產(chǎn)品互不兼容,甚至這些產(chǎn)品從一開始就要故意設(shè)計(jì)得互不兼容。
但是隨著ZigBee 3.0的推出將ZCL作為必選項(xiàng),而且芯片廠商也在芯片中強(qiáng)制使用ZCL,導(dǎo)致設(shè)備廠商需要額外花費(fèi)研發(fā)成本將自己產(chǎn)品做得和其它廠商不兼容,這就導(dǎo)致很多設(shè)備廠商為了圖方便被迫讓自己的產(chǎn)品與別人的產(chǎn)品互聯(lián)互通。
另外,ZCL還衍生出一種叫“物模型”的概念,這種概念被諸多智能云服務(wù)商借用,而且還在此基礎(chǔ)上衍生了可用于IPv6(包括同樣基于IEEE802.15.4的谷歌Thread)的Matter協(xié)議。物模型讓通信協(xié)議中枯燥冰冷的一串串?dāng)?shù)據(jù)變成了更形象化的設(shè)備實(shí)體,如這個(gè)設(shè)備上有幾個(gè)開關(guān)幾個(gè)燈掛載了哪些傳感器?溫度多少亮度多少有沒有報(bào)警?對(duì)設(shè)備端開發(fā)人員來說可以在設(shè)備增加某個(gè)功能或者增加某個(gè)功能的數(shù)量時(shí),不用去考慮通信協(xié)議兼容性問題,對(duì)于遠(yuǎn)端開發(fā)人員來說新增設(shè)備也就是在原有設(shè)備功能上的復(fù)制粘貼。
對(duì)比其它主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,目前只有BLE Mesh推出了一個(gè)SIG Mesh標(biāo)準(zhǔn),但是該標(biāo)準(zhǔn)為在BLE芯片中強(qiáng)制使用,很多廠商都可以選擇不支持,導(dǎo)致BLE Mesh的設(shè)備是數(shù)據(jù)通得了,但是設(shè)備和設(shè)備之間是“雞同鴨講”。好在智能手機(jī)支持BLE Mesh接入,讓智能手機(jī)來充當(dāng)控制器,一個(gè)廠商一個(gè)APP,這種方式也加快了智能手機(jī)的報(bào)廢淘汰速度。
03
低功耗
和ZigBee一樣,支持低功耗的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議也不計(jì)其數(shù)。但任何物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,低功耗的下限都逃不過兩樣?xùn)|西的制約:芯片制程和射頻功耗。因此一些新出來的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的芯片工藝比一些老舊的ZigBee芯片工藝有技術(shù)代差,看上去ZigBee的低功耗優(yōu)勢(shì)就不明顯。但是ZigBee芯片的工藝也在進(jìn)步,以TI的芯片為例,經(jīng)典的CC2530的CPU工作電機(jī)就高達(dá)8mA,RX電流就高達(dá)20mA,而最新的CC2651的這兩個(gè)電流分別就只有3mA和6.4mA。
射頻功耗是物聯(lián)網(wǎng)芯片的用電大戶。而ZigBee的低功耗設(shè)備如果只發(fā)消息不收消息,功耗可以做到更低,因?yàn)閆igBee的物理連接更自由,不需要維持常連接,即使沒有持續(xù)不斷的握手信號(hào)也不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷開。因此在設(shè)計(jì)ZigBee低功耗設(shè)備時(shí)可以采取只在有需要的情況下才通信,把有限的電能資源全部花費(fèi)在刀刃上。
04
可維護(hù)性
ZigBee組網(wǎng)是一種靜態(tài)常連接的方式。設(shè)備一旦組好網(wǎng)后不會(huì)輕易斷開,即使設(shè)備關(guān)機(jī)了下次開機(jī)還在網(wǎng)絡(luò)中,不需要重新設(shè)置。如果組好網(wǎng)的設(shè)備需要改變組網(wǎng)狀態(tài),要么需要進(jìn)行退網(wǎng)操作,要么強(qiáng)制恢復(fù)出廠,而且前者的行為會(huì)被網(wǎng)關(guān)記錄下來。
另外ZigBee是Mesh網(wǎng)絡(luò),設(shè)備和設(shè)備之間可以繞開網(wǎng)關(guān)直接通信,比如ZigBee遙控器直接控制窗簾,ZigBee開關(guān)直接控制燈,都不需要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā),而且這種連接關(guān)系也可以一直維持。因此ZigBee很適合一些無人值守或者禁止使用智能手機(jī)的場(chǎng)所,例如機(jī)房的溫控系統(tǒng),中小學(xué)的智慧教室系統(tǒng),工廠流水線的智能管理設(shè)備。
ZigBee面臨的挑戰(zhàn)
ZigBee技術(shù)最大的劣勢(shì)就是控制端無法集成在智能手機(jī)上,需要通過網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行控制。這也是它一直難以在個(gè)人消費(fèi)品領(lǐng)域普及的重要原因。當(dāng)然也有通過ZigBee Dongle或者ZigBee遙控器作為控制端,但也必須有網(wǎng)關(guān)授權(quán),不像BLE Mesh這樣“想來就來想走就走”式的接入,總之就是BLE Mesh接入更方便但ZigBee的接入更安全。
由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,也導(dǎo)致了ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)復(fù)雜。理論上協(xié)調(diào)器可以檢測(cè)到整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何風(fēng)吹草動(dòng),因此網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)上需要考慮更廣泛更全面,接收到的各種消息和檢測(cè)到的各種異常要主動(dòng)處理不能忽略。網(wǎng)關(guān)接收到的任何消息都是有用的,很多網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定的廠商都是因?yàn)闆]有處理網(wǎng)關(guān)收到的全部消息導(dǎo)致的。
目前,ZigBee解決方案的家族已經(jīng)有ZigBee、ZigBee Direct、ZigBee Smart Energy和低能耗解決方案Green Power。就ZigBee Direct而言,已有包括亞馬遜、華為、OPPO、三星、施耐德、宜家、羅格朗、Silicon Labs等50多家成員公司參與了該功能的開發(fā)。
隨著ZigBee Direct新功能和認(rèn)證計(jì)劃的推出,用戶體驗(yàn)提升,相信會(huì)在很大程度上推進(jìn)ZigBee產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用。
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