ZigBee这个词做物联网的朋友肯定不陌生，智能家居、工业控制、农业监测里经常能看到它的身影。跟WiFi和蓝牙比起来，ZigBee没那么出名，但在低功耗、大规模组网的场景里，它几乎是首选。今天把ZigBee的组网原理、协议栈结构、实际应用场景从头到尾讲一遍，顺便说说智能家居里是怎么用ZigBee的。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的一套无线通信协议，工作在2.4GHz、868MHz和915MHz三个频段。它的特点是低功耗、低速率、大容量、支持自组网。传输速率只有20到250kbps，跟WiFi完全没法比，但传个温度、湿度、开关状态这些小数据完全够用了。功耗方面，ZigBee终端节点用两节五号电池能跑好几年，这是WiFi和蓝牙做不到的。一个ZigBee网络最多能支持6万多个节点，虽然实际应用中没这么多，但几百个节点同时在线是很常见的。

ZigBee网络里有三种设备角色：协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端设备（End Device）。协调器是整个网络的老大，负责组建网络、分配网络地址、管理节点加入退出。一个网络只有一个协调器。路由器既能收发数据，又能帮其他节点转发数据，相当于中继站，需要持续供电，不能休眠。终端设备只能收发自己的数据，不能帮别人转发，功耗最低，可以用电池供电，大部分时间都在休眠，定时唤醒上报数据。

ZigBee的组网过程很有意思。协调器上电后先扫描周围信道，选一个最干净的信道，然后广播一个信标帧，宣布网络建立。其他设备上电后进入加入网络状态，扫描周围有没有可用的ZigBee网络，发现协调器或者路由器后发送加入请求，父节点分配一个16位的网络地址给它，这样新节点就算正式入网了。这个过程完全是自动的，不需要人工配置IP地址或者配对密码，这就是ZigBee的自组网能力。

组网拓扑结构有三种：星型、树状、网状。星型最简单，所有终端设备直接跟协调器通信，距离远一点就没信号了。树状结构是多层的，协调器下面是路由器，路由器下面再挂终端设备或者其他路由器，层层级联，覆盖范围大，但数据转发路径是固定的，某一级断了下面的全掉线。网状结构最灵活，任何两个路由器之间只要有信号就能直接通信，自动选择最优路径转发，某条路径断了会自动绕路，可靠性最高，也是实际应用中最常用的。

在智能家居里，ZigBee的应用非常典型。以米家、飞利浦Hue、宜家Tradfri这些生态为例，网关就是ZigBee协调器，灯泡、插座、温湿度传感器、人体传感器、门窗传感器这些是终端设备或者路由器。你用手机App控制灯泡开关，指令是先发给网关，网关通过ZigBee网络发给灯泡，整个过程都在本地完成，不需要走互联网，响应速度快，断网了也能用。多个传感器同时触发场景联动，比如人体传感器检测到有人、且光线传感器检测到天黑了，就自动开灯，这种本地自动化也是ZigBee的优势。

ZigBee跟蓝牙Mesh、WiFi比各有什么优劣？蓝牙Mesh也是近几年才火起来的，跟ZigBee一样支持自组网和多跳转发，但蓝牙Mesh的节点数量上限没有ZigBee高，而且蓝牙设备普及率更高，手机直接就能连。WiFi适合传输视频、音频这些大数据，但功耗高、节点数少，家里路由器一般也就带二三十个设备就到头了。所以ZigBee在传感器密集、低功耗、需要本地联动的场景里还是不可替代的。

实际做ZigBee开发的话，硬件上常用TI的CC2530、CC2652R，或者Silicon Labs的EFR32系列，这些芯片都有现成的ZigBee协议栈可以用，不需要从零写。软件上TI用Z-Stack，Silabs用EmberZNet，都是免费的SDK，提供Sample Application，改改就能用。如果不想碰代码，也可以直接用现成的ZigBee模块，串口AT指令配置一下就能工作。总的来说ZigBee技术已经相当成熟，生态也在慢慢统一，Thread和Matter协议的兴起可能会跟ZigBee融合，但低功耗自组网的核心需求是不会变的。