對(duì)比分析Zigbee協(xié)議與802.15.4協(xié)議的聯(lián)系與區(qū)別

許多設(shè)計(jì)人員都聽說(shuō)過(guò)zigbee 與 IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但不清楚到底應(yīng)該選擇zigbee，還是 802.15.4，抑或是開發(fā)自己的專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。甚至還有出現(xiàn)將兩者混為一談，分不清楚的狀況，下文將來(lái)詳細(xì)介紹zigbee 與 IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并從中總結(jié)其關(guān)系對(duì)比與區(qū)別。

802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是由 IEEE 802.15第4任務(wù)組 （IEEE 802.15 Task Group 4） 開發(fā)的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。原始標(biāo)準(zhǔn)于 2003 年發(fā)布，后經(jīng)修改由 2006 年版取代。隨著越來(lái)越多的電子設(shè)計(jì)人員要求一種適用于低復(fù)雜性、低數(shù)據(jù)速率以及（大多數(shù)情況下）電池供電應(yīng)用的實(shí)施方案，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。具休而言，開發(fā)該標(biāo)準(zhǔn)旨在面向家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)以及安全監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用。包括 ZigBee和 ZigBee Pro 等在內(nèi)的若干種其它協(xié)議也采用 802.15.4 作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

也有人將 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)稱為 MAC，即媒體接入控制 （Medium Access Control） 標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠淇啥x網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)對(duì)等設(shè)備的通信協(xié)議。從概念上講，我們能夠以全功能設(shè)備 （FFD） 或簡(jiǎn)約功能設(shè)備 （RFD） 的方式實(shí)施802.15.4 個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 中的設(shè)備。FFD 節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的能力，一般由主電源供電。不過(guò)由于每個(gè)星型配置的 PAN 只能有一個(gè) FFD 節(jié)點(diǎn)，所以 FFD 一般不會(huì)始終用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。FFD 可用作通用節(jié)點(diǎn)。RFD 節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單，因而不能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的全部功能，只能與 FFD 節(jié)點(diǎn)通信。RFD 節(jié)點(diǎn)對(duì)于應(yīng)用的實(shí)施要求很低，從而可降低 IC 的成本，有可能作為應(yīng)用中啟用傳感器或制動(dòng)器的節(jié)點(diǎn)，而且由于運(yùn)行占空比極低，也比較有可能適合采用電池供電。如錯(cuò)誤！未找到引用源。 所示，若 FFD 協(xié)調(diào)器向子節(jié)點(diǎn)之一（也必須為 FFD）分配新的 PAN 標(biāo)識(shí) （PAN ID） 后就能夠?qū)?802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的星型拓樸進(jìn)行擴(kuò)展，從而創(chuàng)建僅有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)才可以交換信息的 PAN 群集。注意該標(biāo)準(zhǔn)不直接支持路由。

通過(guò)定義兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，如網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)，802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)可為開發(fā) ZigBee 等更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)實(shí)施提供靈活的基礎(chǔ)。

雖然 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是開發(fā)更高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)的良好基礎(chǔ)，但其存在一定的復(fù)雜性，這在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用考慮條件下，可以直接當(dāng)作一種可靠的通信方式進(jìn)行部署。一般來(lái)說(shuō)，如果要滿足下列要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)：

要求采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議

可自由設(shè)計(jì)自己的較高層協(xié)議

能夠靈活選擇各種硬件與較低層軟件廠商

具備物理層與較低協(xié)議層的互操作性

實(shí)現(xiàn)較低的設(shè)計(jì)與開發(fā)成本

由第三方廠商/供應(yīng)商提供支持與維護(hù)

且愿意接受下列劣勢(shì)：

需要設(shè)計(jì)與開發(fā)較高層協(xié)議和應(yīng)用

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)存在無(wú)線電廣播通道限制

為便于理解這些應(yīng)用級(jí)考慮事項(xiàng)符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的原因，對(duì)協(xié)議本身的穩(wěn)健性、可靠性以及總體實(shí)施進(jìn)行分析非常重要。下圖是該協(xié)議層的概念組織結(jié)構(gòu)與先前討論的 OSI 模型的比較。

ZigBee 采用 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)作為其對(duì)等通信的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由 ZigBee 聯(lián)盟 （ZigBee Alliance） 開發(fā)并管理。ZigBee Alliance 是一家投資于該標(biāo)準(zhǔn)并在無(wú)線領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過(guò)ZigBee 擁有自己獨(dú)特的應(yīng)用功能，用戶應(yīng)對(duì)此進(jìn)行充分了解，而不是倉(cāng)促地將其應(yīng)用于所有的低功耗無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。

ZigBee 最常用作異步通信標(biāo)準(zhǔn)，其具備 CSMA/CA 通道接入能力，并擁有 802.15.4 章節(jié)所述的所有功能。針對(duì)相同市場(chǎng)領(lǐng)域的情況下，相比之下 ZigBee 可為尋求準(zhǔn)擔(dān)保信息交付、大規(guī)模輕松網(wǎng)絡(luò)集成以及設(shè)備間互操作性的開發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供眾多 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)不能直接解決的較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的解決方案。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施有三種拓?fù)?，如下圖所示。與 802.15.4 類似，ZigBee 支持對(duì)等通信與星型配置。ZigBee 在 802.15.4 規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級(jí)網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實(shí)現(xiàn)群集樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由可實(shí)現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 節(jié)點(diǎn)提供支持。必須為 FFD 的ZigBee 協(xié)調(diào)器將啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)連接與安全密鑰等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee 路由器也必須為 FFD，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息，并實(shí)現(xiàn) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時(shí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍。ZigBee 協(xié)調(diào)器與路由器一般由主電源供電，因?yàn)樗鼈儜?yīng)能夠在任何時(shí)間接收和傳輸消息。如果預(yù)計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸是周期性的，則 ZigBee 也可以采用 802.15.4 同步網(wǎng)絡(luò)的TDMA 消息傳輸協(xié)議。ZigBee 終端設(shè)備以 RFD 方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現(xiàn)采用電池供電并長(zhǎng)期工作的目的。

ZigBee 理想適用于具有下列要求的應(yīng)用：

采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議 （IEEE 802.15.4）

標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?，多跳等?/p>

全面互操作性，甚至達(dá)到應(yīng)用層級(jí)別（公共配置文件）

設(shè)計(jì)與開發(fā)要求低（僅限于應(yīng)用）

技術(shù)支持與維護(hù)廠商/供應(yīng)商之間競(jìng)爭(zhēng)激烈

ZigBee 可接受下列劣勢(shì)：

ZigBee Alliance 成員費(fèi)用

認(rèn)證費(fèi)用（如果不專門針對(duì)符合 ZigBee 或者 ZigBee 認(rèn)證的產(chǎn)品則無(wú)需此費(fèi)用）

代碼量（功能性的開銷可能大到難以使用）

無(wú)線電廣播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

上述所列各項(xiàng)表明需要對(duì)許多項(xiàng)目進(jìn)一步澄清，因此首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與 802.15.4 相比，下圖 所示，ZigBee 可向上實(shí)施至 OSI 無(wú)線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達(dá)到部分會(huì)話層。

802.15.4是鏈路層協(xié)議（OSI二層），定義的目的是適應(yīng)低功耗的需要，用在物聯(lián)網(wǎng)中。實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。

ZigBee是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（OSI三層），目的是用來(lái)生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的通信，同時(shí)提供認(rèn)證、加密、路由協(xié)議和一些其他的服務(wù)。

ZigBee 僅僅在802.15.4上層的一種協(xié)議而已，其實(shí)還有好幾個(gè)協(xié)議都使用它

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中僅僅是端點(diǎn)設(shè)備具有休眠功能。

首先，zigbee和802.15.4都是無(wú)線通信協(xié)議。ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，zigbee是以802.15.4為基礎(chǔ)的，802.15.4只規(guī)定了通信協(xié)議棧的物理層和鏈路層的通信標(biāo)準(zhǔn)，zigbee將其擴(kuò)展到整個(gè)通信協(xié)議，比如上層的網(wǎng)路層、應(yīng)用層等，zigbee都規(guī)定了相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)。它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。IEEE　802.15.4是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineer， 電子電機(jī)學(xué)會(huì)）確定的低速率，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（personal area network）標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了“實(shí)體層”（physical layer）和“介質(zhì)訪問(wèn)層”（medium access layer）。 實(shí)體層（PHY）規(guī)范確定了在2.4G赫茲以250kbps的基準(zhǔn)傳輸率工作的低功耗展頻無(wú)線電。（另有一些以更低數(shù)據(jù)傳播率工作的915兆赫茲和868兆赫茲的實(shí)體層規(guī)范， 但它們不太流行）。

介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個(gè)802.15.4無(wú)線電信號(hào)如何共享空中通道。 介質(zhì)存取層支持幾種架構(gòu)，包括星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)，類似于802.11的接入點(diǎn)），樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一些節(jié)點(diǎn)依次經(jīng)過(guò)另一些節(jié)點(diǎn)才到達(dá)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)），和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（無(wú)須主協(xié)調(diào)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間分享路由職責(zé)）。

但是僅僅定義實(shí)體層和介質(zhì)訪問(wèn)層并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對(duì)話。于是便有了ZigBee聯(lián)盟。ZigBee從802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開始著手，目前正在定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互對(duì)話的應(yīng)用綱要。 例如：ZigBee“燈綱要”會(huì)確定相關(guān)的所有協(xié)議，因此你從A公司買的ZigBee燈開關(guān)會(huì)和B公司的燈正常工作。

籠統(tǒng)的說(shuō)，兩者基本可以認(rèn)為是一樣的。Zigbee協(xié)議采用的就是802.15.4協(xié)議，這兩個(gè)是一個(gè)東西，是無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，用無(wú)線傳輸方式代替網(wǎng)線，分層分級(jí)組網(wǎng)。