Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、短距离无线通信技术，主要用于自动控制和远程控制领域。它具有低功耗、低成本、低速率、高可靠性和自组织网络的特点，适用于智能家居、工业自动化、医疗监控、传感器网络等多种应用场景。
Zigbee技术的特点包括：
- 低功耗：在低功耗待机模式下，Zigbee设备可以在两节AA电池的支持下运行数月甚至两年。
- 低成本：通过简化协议，Zigbee的成本远低于蓝牙，不足蓝牙的十分之一。
- 低速率：工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的需求。
- 近距离：传输范围一般介于10～100米之间，可通过增加RF发射功率扩展到1-3公里。
- 高容量：支持多达65.000个节点的大网，并支持星型、树型和网状网络拓扑结构。
- 高安全性：提供三级安全模式，包括无安全设定、使用ACL防止非法获取数据以及采用AES128加密标准。
Zigbee是一种什么技术？Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、短距离无线通信技术，广泛应用于智能家居、工业控制、自动抄表、医疗监护和传感器网络等领域。例如，在智能家居中，Zigbee可以连接各种电子电器设备，实现远程监控;在工业控制中，Zigbee可以将传感器和控制器连接成网络，加强作业管理;在医疗监护中，Zigbee可以组成监测网络，方便对人的身体状况进行监测。
一、 Zigbee技术的最新发展
Zigbee技术的最新发展和未来趋势主要集中在以下几个方面：
- 多协议支持与集成：Zigbee 3.0(EmberZNet)路线图概述了未来的发展方向，包括动态多协议Zigbee和蓝牙的开发，能够同时支持BLE和Zigbee的设备，以及全面集成的GATT配置器。这种多协议支持将使Zigbee设备更容易集成到现有的生态系统中，例如亚马逊和Philips Hue生态系统。
- 能源效率提升：Zigbee Green Power(GPD、Sink、GPPB)将被引入，以提高Zigbee Pro的能源节省能力5倍。这将显著延长设备的电池寿命，使其在低功耗应用中更具吸引力。
- 网络性能优化：尽管Zigbee技术在智能家居、工业自动化等领域已有广泛应用，但仍存在一些挑战，如信号衰减、Wi-Fi干扰、同步问题和延迟等。研究人员正在通过混合拓扑结构来改善这些问题，以提高延迟、吞吐量和数据包传输比率。
- 应用领域的扩展：Zigbee技术不仅在智能家居和智能酒店等个人消费领域得到应用，还在工业、交通和农业等领域展现出高适用性。例如，在农业领域，Zigbee可以用于搭建农业数据测量网络，实现多种传感器的数据联通，提升农业生产效率。
- 物联网（IoT）的融合：随着物联网的发展，Zigbee技术有望在全球范围内被广泛应用于消费、商业、工业和政府市场，实现智能家居等场景的互联互通。Zigbee联盟和相关厂商也在不断推动其应用领域的扩展，提高消费者对Zigbee技术的认知度和应用意愿。
- 安全性和可靠性：Zigbee联盟在其基础上对IEEE802.15.4标准进行了改进，形成了包含安全层的Zigbee协议栈。这种改进提高了网络的安全性和可靠性，使其在需要高安全性的应用场景中更具竞争力。
Zigbee技术的最新发展集中在多协议支持、能源效率提升、网络性能优化、应用领域的扩展以及物联网融合等方面。
二、 Zigbee与其他无线通信技术相比有哪些优点缺点
Zigbee与其他无线通信技术(如Wi-Fi、蓝牙)相比具有显著的独特优势和局限性。
1. 优点
- 低功耗：Zigbee在低功耗模式下表现突出，两节5号干电池可以支持一个节点工作6至24个月，甚至更长。相比之下，蓝牙仅能工作数周，而Wi-Fi仅能工作数小时。
- 低成本：Zigbee通过简化协议降低了对通信控制器的要求，每块芯片价格约为2美元，并且免协议专利费。
- 高容量：Zigbee支持大规模组网，每个网络可支持多达65000个节点，而蓝牙网络通常只能支持7个从属设备。
- 短时延：Zigbee响应速度快，从睡眠转入工作状态仅需15毫秒，节点连接进入网络只需30毫秒，远低于蓝牙和Wi-Fi。
- 高安全性：Zigbee提供三级安全模式，包括无安全设定、使用ACL防止非法获取数据以及采用AES128加密标准，确保灵活的安全属性。
- 免执照频段：Zigbee采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，如2.4GHz、915MHz和868MHz，无需特殊许可即可使用。
- 自组网能力：Zigbee支持星状、片状和网状网络结构，可以管理多个子节点，适合构建复杂的无线传感网络。
2. 缺点
- 传输距离较短：虽然Zigbee的传输距离比蓝牙更远，但相比Wi-Fi，其传输距离仍然有限。一般情况下，相邻节点间的距离为10至100米，增加RF发射功率后可扩展至1至3公里。
- 数据速率较低：Zigbee的工作速率较低，通常在20至250kbps之间，适用于低速率传输需求。
- 应用场景受限：由于其低速率和短距离特性，Zigbee更适合于家庭自动化、工业控制等需要低功耗、低成本和高可靠性的场景，而不适合需要高速数据传输的应用。
- 复杂性较低：虽然简化了协议，但这也意味着Zigbee在某些高级功能上不如Wi-Fi和蓝牙灵活。
三、 Zigbee在智能家居领域的具体应用
Zigbee在智能家居领域的具体应用案例非常广泛，涵盖了照明控制、安防监控、环境监测等多个方面。以下是几个具体的案例：
1. 照明控制系统：
Zigbee模块可以安装在灯泡中，通过遥控器实现远程控制，例如开灯或关灯，无需走到墙壁开关处。
Neuhaus Lighting Group使用Zigbee作为其Q灯系列产品的无线标准，确保与其他智能家居系统供应商的兼容性，并可以通过Amazon Alexa、Google Home等语音助手进行控制。
2. 安防与电源管理设备：
Z207B是一款基于Zigbee技术的云智能控制盒，作为智能家居系统的核心，支持自动加网和配置，用户可以通过云端访问来监控家中的一切变化，实现真正的远程控制。
在家庭安全领域，Zigbee被用于远程监控门窗、烟雾、气体泄漏和水灾等安全问题，并集成了自动门开闭、温度监测、气体检测和灯光控制等功能。
3. 环境监测系统：
TC-U9XF-B/Z/LH/03 Zigbee智能新风控制面板通过Zigbee无线组网通讯，支持多种物理接口，用于新风系统的控制。
TC-U9KQJC空气检测仪具备LCD液晶显示实时测量数据，可以检测PM2.5、温度和湿度，并通过Zigbee网络传输数据。
4. 综合智能家居系统：
基于Cubieboard和Zigbee的智能家居系统设计，通过无线传感网络和控制网络实现模块之间的无线通信，使用平板电脑、笔记本和智能手机作为监控终端，实现对家用电器信息的集中管理和监控。
另一个基于Zigbee的家庭网关系统，通过CPLD和单片机组合模块实现自动组网、数据采集上传和配置互锁等功能，传感器提供数据，执行器执行控制策略。
四、 如何解决Zigbee网络的安全问题?
要解决Zigbee网络的安全问题，特别是关于AES128加密标准的实际应用情况，可以从以下几个方面入手：
Zigbee网络使用128位AES加密算法，设备间需预先共享密钥以确保安全通信。为了进一步增强安全性，可以采用更复杂的密钥管理策略，例如定期更换密钥、使用密钥更新协议等。此外，引入多级密钥管理机制，如全局链接密钥和唯一链接密钥，可以在不同层面上提供额外的安全保障。
Zigbee使用网络安全帧计数器来防止重放攻击。每个设备都有自己的出站帧计数器，并维护其邻居和子设备的帧计数器列表。每次设备发送数据包时，都会增加其出站帧计数器。接收设备验证发送设备的帧计数器是否从上次看到的值增加，如果没有增加，则数据包将被静默丢弃。这种机制可以有效防止重放攻击。
Zigbee协议栈中使用AES加密和CCM模式提供数据传输的真实性和机密性。然而，NIST研究人员预测，由于计算技术的快速发展，AES 128位加密算法可能在2036年变得脆弱。因此，可以考虑采用增强的CCM*模式，该模式提供了更强的安全特性，包括防御重放攻击的能力。
在Zigbee网络中，信任中心(TC)负责管理网络密钥和授权设备加入网络。可以引入分布式信任中心网络，允许任何路由器授权并身份验证新加入的设备，从而提高网络的安全性和灵活性。
Zigbee协议支持多种安全控制措施，包括密钥建立和传输方法、设备管理和帧保护。可以通过结合这些机制来提高整体安全性。例如，在网络层使用网络密钥进行加密，在应用层使用全局链接密钥和唯一链接密钥进行加密和认证。
在Zigbee网络中，只有经过信任中心认证的设备才能加入网络，从而防止未经授权的网络访问导致的潜在攻击。可以通过加强身份验证机制和访问控制策略来进一步提高安全性。
定期对Zigbee网络进行安全审计和漏洞评估，及时发现并修补潜在的安全漏洞。例如，针对IEEE 802.15.4标准的安全问题，如IV管理、密钥管理和完整性保护的漏洞，需要进行详细的安全评估和改进。
五、 Zigbee技术在工业自动化领域的应用
Zigbee技术在工业自动化领域的应用现状和挑战可以从多个方面进行分析。
1. 应用现状
- 低功耗和低成本：Zigbee技术以其低功耗、低成本的特点，在工业自动化中得到了广泛应用。例如，Zigbee无线电通常比传感器和信号调节器便宜约30美元，这使得即使是最简单的传感器也能被自动化，从而扩展无线网络在工厂地板上的覆盖范围。此外，Zigbee设备安装和调试简单，能耗低、电池寿命长，这些特点使其在工业控制领域中展现了巨大的发展潜力和广阔的市场前景。
- 高可靠性和灵活性：Zigbee技术支持多种网络结构，满足实时性和同步性的要求，并具有很强的可扩展性和共存性。它能够实现设备之间的远程控制和监控，无需直接接触即可进行操作。Zigbee技术还支持多种通信介质，包括蓝牙和Wi-Fi，这使得设备能够与各种网络环境兼容。
- 广泛应用：Zigbee技术在工业机器人、车间自动化和生产线自动化等方面都有着广泛的应用前景。例如，在智能工厂中，Zigbee可以用于连接各种设备，如机器人、传感器和执行器，实现自动化生产线的控制和监控。此外，Zigbee还被用于区域定位、照明控制、环境控制、自动读表系统等应用。
- 与现有系统的集成：Zigbee技术可以与Modbus现场总线控制系统集成，提高控制系统的可扩展性，降低设备维护成本，优化整个控制系统。Zigbee网关提供接口以将Zigbee数据传输到有线网络上，并支持人机界面应用程序和其他利用Zigbee数据的应用程序。
2. 挑战
- 安全性问题：尽管Zigbee技术支持多项安全保障机制，确保数据传输的可靠性，但在实际应用中仍需进一步加强安全性措施，以应对潜在的安全威胁。
- 标准化和兼容性：虽然Zigbee作为开放标准允许客户根据需要选择供应商，但不同厂商之间的兼容性问题仍需解决。Zigbee联盟工作组定义了互操作性配置文件，确保由类组织的Zigbee认证设备之间的兼容性，但实际应用中仍需克服一些兼容性障碍。
- 部署和维护：尽管Zigbee设备安装和调试相对简单，但在大规模工业应用中，如何有效管理和维护这些设备仍是一个挑战。需要进一步优化设备管理工具和维护流程，以确保系统的稳定运行。
- 技术更新和升级：随着技术的不断进步，Zigbee技术也在不断发展。如何在现有系统中逐步引入新技术并进行升级，同时保持系统的兼容性和稳定性，是一个需要解决的问题。
总之，Zigbee技术在工业自动化领域具有显著的优势和广阔的应用前景，但也面临一些挑战。
