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

許多設(shè)計人員都聽說過zigbee 與 IEEE 802.15.4協(xié)議標準，但不清楚到底應該選擇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，下文將來詳細介紹zigbee 與 IEEE 802.15.4協(xié)議標準，并從中總結(jié)其關(guān)系對比與區(qū)別。

802.15.4 標準是由 IEEE 802.15第4任務組 （IEEE 802.15 Task Group 4） 開發(fā)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)標準。原始標準于 2003 年發(fā)布，后經(jīng)修改由 2006 年版取代。隨著越來越多的電子設(shè)計人員要求一種適用于低復雜性、低數(shù)據(jù)速率以及（大多數(shù)情況下）電池供電應用的實施方案，該標準應運而生。具休而言，開發(fā)該標準旨在面向家庭自動化、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)以及安全監(jiān)控等領(lǐng)域的應用。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 標準稱為 MAC，即媒體接入控制 （Medium Access Control） 標準，因為其可定義網(wǎng)絡(luò)中任意兩個對等設(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） 或簡約功能設(shè)備 （RFD） 的方式實施802.15.4 個人局域網(wǎng) （PAN） 中的設(shè)備。FFD 節(jié)點具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的能力，一般由主電源供電。不過由于每個星型配置的 PAN 只能有一個 FFD 節(jié)點，所以 FFD 一般不會始終用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。FFD 可用作通用節(jié)點。RFD 節(jié)點在設(shè)計上相對簡單，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)點通信。RFD 節(jié)點對于應用的實施要求很低，從而可降低 IC 的成本，有可能作為應用中啟用傳感器或制動器的節(jié)點，而且由于運行占空比極低，也比較有可能適合采用電池供電。如錯誤！未找到引用源。 所示，若 FFD 協(xié)調(diào)器向子節(jié)點之一（也必須為 FFD）分配新的 PAN 標識 （PAN ID） 后就能夠?qū)?802.15.4 網(wǎng)絡(luò)的星型拓樸進行擴展，從而創(chuàng)建僅有協(xié)調(diào)器節(jié)點才可以交換信息的 PAN 群集。注意該標準不直接支持路由。

通過定義兩個節(jié)點之間的通信，如網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)，802.15.4 標準可為開發(fā) ZigBee 等更高級別的網(wǎng)絡(luò)實施提供靈活的基礎(chǔ)。

雖然 802.15.4 標準是開發(fā)更高級別網(wǎng)絡(luò)的良好基礎(chǔ)，但其存在一定的復雜性，這在適當?shù)膽每紤]條件下，可以直接當作一種可靠的通信方式進行部署。一般來說，如果要滿足下列要求，設(shè)計人員應考慮采用802.15.4 標準：

要求采用業(yè)界標準化的物理層與較低層協(xié)議

可自由設(shè)計自己的較高層協(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

實現(xiàn)較低的設(shè)計與開發(fā)成本

由第三方廠商/供應商提供支持與維護

且愿意接受下列劣勢：

需要設(shè)計與開發(fā)較高層協(xié)議和應用

根據(jù)標準會存在無線電廣播通道限制

為便于理解這些應用級考慮事項符合 802.15.4 標準的原因，對協(xié)議本身的穩(wěn)健性、可靠性以及總體實施進行分析非常重要。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 標準作為其對等通信的基礎(chǔ)。該標準由 ZigBee 聯(lián)盟 （ZigBee Alliance） 開發(fā)并管理。ZigBee Alliance 是一家投資于該標準并在無線領(lǐng)域進行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過ZigBee 擁有自己獨特的應用功能，用戶應對此進行充分了解，而不是倉促地將其應用于所有的低功耗無線應用領(lǐng)域。

ZigBee 最常用作異步通信標準，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。針對相同市場領(lǐng)域的情況下，相比之下 ZigBee 可為尋求準擔保信息交付、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，同時還提供眾多 802.15.4 標準不能直接解決的較高級別網(wǎng)絡(luò)問題的解決方案。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的實施有三種拓撲，如下圖所示。與 802.15.4 類似，ZigBee 支持對等通信與星型配置。ZigBee 在 802.15.4 規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實現(xiàn)群集樹拓撲結(jié)構(gòu)（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲。

這些拓撲結(jié)構(gòu)均由可實現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 節(jié)點提供支持。必須為 FFD 的ZigBee 協(xié)調(diào)器將啟動網(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，負責轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的消息，并實現(xiàn) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時擴展網(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，因為它們應能夠在任何時間接收和傳輸消息。如果預計應用的數(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 方式實施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實現(xiàn)采用電池供電并長期工作的目的。

ZigBee 理想適用于具有下列要求的應用：

采用標準化的物理層與較低層協(xié)議 （IEEE 802.15.4）

標準化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，多跳等）

全面互操作性，甚至達到應用層級別（公共配置文件）

設(shè)計與開發(fā)要求低（僅限于應用）

技術(shù)支持與維護廠商/供應商之間競爭激烈

ZigBee 可接受下列劣勢：

ZigBee Alliance 成員費用

認證費用（如果不專門針對符合 ZigBee 或者 ZigBee 認證的產(chǎn)品則無需此費用）

代碼量（功能性的開銷可能大到難以使用）

無線電廣播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

上述所列各項表明需要對許多項目進一步澄清，因此首先對標準化的較高層協(xié)議進行描述。與 802.15.4 相比，下圖 所示，ZigBee 可向上實施至 OSI 無線應用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達到部分會話層。

802.15.4是鏈路層協(xié)議（OSI二層），定義的目的是適應低功耗的需要，用在物聯(lián)網(wǎng)中。實現(xiàn)點對點的通信。

ZigBee是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（OSI三層），目的是用來生成網(wǎng)絡(luò)拓撲實現(xiàn)多個設(shè)備的通信，同時提供認證、加密、路由協(xié)議和一些其他的服務。

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

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

首先，zigbee和802.15.4都是無線通信協(xié)議。ZigBee建立在802.15.4標準之上，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準，zigbee將其擴展到整個通信協(xié)議，比如上層的網(wǎng)路層、應用層等，zigbee都規(guī)定了相應的通信標準。它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。IEEE　802.15.4是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineer， 電子電機學會）確定的低速率，無線個域網(wǎng)（personal area network）標準。這個標準定義了“實體層”（physical layer）和“介質(zhì)訪問層”（medium access layer）。 實體層（PHY）規(guī)范確定了在2.4G赫茲以250kbps的基準傳輸率工作的低功耗展頻無線電。（另有一些以更低數(shù)據(jù)傳播率工作的915兆赫茲和868兆赫茲的實體層規(guī)范， 但它們不太流行）。

介質(zhì)訪問層（MAC）規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個802.15.4無線電信號如何共享空中通道。 介質(zhì)存取層支持幾種架構(gòu)，包括星狀拓撲結(jié)構(gòu)（一個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點，類似于802.11的接入點），樹狀拓撲結(jié)構(gòu)（一些節(jié)點依次經(jīng)過另一些節(jié)點才到達網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點），和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)（無須主協(xié)調(diào)點，各個節(jié)點之間分享路由職責）。

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

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