【分享】與手機(jī)直接通信，ZigBee翻身了？

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。