选择无线协议：802.15.4、ZigBee 以及专有网络之间的对比(3) 无线网络, 电池, 电子, 工业, 监控

yuyang911220

802.15.4
802.15.4 标准是由 IEEE 802.15第4任务组 (IEEE 802.15 Task Group 4) 开发的低功耗无线网络标准。原始标准于 2003 年发布，后经修改由 2006 年版取代。随着越来越多的电子设计人员要求一种适用于低复杂性、低数据速率以及（大多数情况下）电池供电应用的实施方案，该标准应运而生。具休而言，开发该标准旨在面向家庭自动化、工业控制、农业以及安全监控等领域的应用。包括 ZigBee和 ZigBee Pro 等在内的若干种其它协议也采用 802.15.4 作为物理层和数据链路层。
也有人将 802.15.4 标准称为 MAC，即媒体接入控制 (Medium Access Control) 标准，因为其可定义网络中任意两个对等设备的通信协议。从概念上讲，我们能够以全功能设备 (FFD) 或简约功能设备 (RFD) 的方式实施802.15.4 个人局域网 (PAN) 中的设备。FFD 节点具备网络协调器的能力，一般由主电源供电。不过由于每个星型配置的 PAN 只能有一个 FFD 节点，所以 FFD 一般不会始终用作网络协调器。FFD 可用作通用节点。RFD 节点在设计上相对简单，因而不能充分发挥网络协调器的全部功能，只能与 FFD 节点通信。RFD 节点对于应用的实施要求很低，从而可降低 IC 的成本，有可能作为应用中启用传感器或制动器的节点，而且由于运行占空比极低，也比较有可能适合采用电池供电。如错误！未找到引用源。 所示，若 FFD 协调器向子节点之一（也必须为 FFD）分配新的 PAN 标识 (PAN ID) 后就能够对 802.15.4 网络的星型拓朴进行扩展，从而创建仅有协调器节点才可以交换信息的 PAN 群集。注意该标准不直接支持路由。

图7：802.15.4的网络配置
通过定义两个节点之间的通信，如网络管理基础，802.15.4 标准可为开发 ZigBee 等更高级别的网络实施提供灵活的基础。
虽然  802.15.4 标准是开发更高级别网络的良好基础，但其存在一定的复杂性，这在适当的应用考虑条件下，可以直接当作一种可靠的通信方式进行部署。一般来说，如果要满足下列要求，设计人员应考虑采用802.15.4 标准：

• 要求采用业界标准化的物理层与较低层协议
• 可自由设计自己的较高层协议
• 能够灵活选择各种硬件与较低层软件厂商
• 具备物理层与较低协议层的互操作性
• 实现较低的设计与开发成本
• 由第三方厂商/供应商提供支持与维护

且愿意接受下列劣势：

• 需要设计与开发较高层协议和应用
• 根据标准会存在无线电广播通道限制

为便于理解这些应用级考虑事项符合 802.15.4 标准的原因，对协议本身的稳健性、可靠性以及总体实施进行分析非常重要。图 8 是该协议层的概念组织结构与先前讨论的 OSI 模型的比较。

图8 -- 802.15.4 的 OSI 网络模型。IEEE 的该标准包含物理层与数据链路层的规范。
实际上，“媒体接入控制”仅指 802.15.4 标准的数据链路层。物理层，也称为 PHY 层，能够定义无线电广播设备间在欧洲（868 MHz）、美国（915 MHz）以及世界范围（2.4 GHz）工业、科学以及医疗（ISM）频带上工作的物理链接。PHY 层可通过 DSSS RF 调制方案最终提供节点之间的数据传输服务，并设定 868/915MHz 通道的数据速率为 20 kbps 或 40kbps，2.4 GHz 通道的工作数据速率为 250kbps。此外，PHY 层还可规定网络节点的特性要求，如接收机功率检测、链接质量指示、无干扰通道评估以及寻址方案（包含 64 位 IEEE 寻址和 16 位网络地址，可在网络中设定 64,000 个节点）。
协议的 MAC 层提供的特性能够实现可靠的对等通信，如数据包帧管理、节点关联、对等确认等。802.15.4网络可实现同步或异步通信。同步通信由 16 个时隙构成的超帧定义，可以选择其中的 7 个时隙提供担保，或者所有时隙都可以使用 CSMA/CA 协议。完全按照 CSMA/CA 协议处理异步通信，如果通道繁忙会引起对传送节点的随机的指数时长的退避，直到下一次尝试传输数据包。在任一情况下，在发送与接收节点之间都可实施确认方案，以最大限度地降低数据包事务交易的丢包可能性。如果发送方接收到 NACK，就意味着该数据包未被成功接收。在这种情况下，基于超时的重发方案与用户定义的重试次数将最有可能确保数据包的成功交付。为实现异步通信，802.15.4 网络中的 FFD 节点也会实施存储并转发功能。
802.15.4 没有指定加密方式。不过，符合标准的软件平台可以实施某些功能，以使用户能够轻松地在较高层实施中添加对称加密方法。这样，用户就可对其应用采用的安全方式进行优化。
802.15.4 协议的相对易用性与功能性的平衡使得现有的软件实施具有良好的易用性。由于协议提供的高可靠性，一般来说如果结合采用某种低级别任务调度程序，则工程设计小组从上手到充分利用现有解决方案只需要很少时间。参见图 6，协议对内存占用、资源要求以及协议开销等也没有限制性要求。
第三部分
本文第一部分和第二部分讨论了网络的基本知识，其中包括开放系统互连 (OSI) 网络模式、低功耗网络和802.15.4的特点与选用标准（如应用层问题、稳健性/可靠性）以及如何根据这些选择标准进行比较判断。第三部分将讨论 ZigBee 和 SimpliciTI，并将提供如何选择协议的相应例子。
ZigBee
ZigBee 采用 802.15.4 标准作为其对等通信的基础。该标准由 ZigBee 联盟 (ZigBee Alliance) 开发并管理。ZigBee Alliance 是一家投资于该标准并在无线领域进行推广的联合组织，并且日益为业界所关注。不过ZigBee 拥有自己独特的应用功能，用户应对此进行充分了解，而不是仓促地将其应用于所有的低功耗无线应用领域。
ZigBee 最常用作异步通信标准，其具备 CSMA/CA 通道接入能力，并拥有 802.15.4 章节所述的所有功能。针对相同市场领域的情况下，相比之下 ZigBee 可为寻求准担保信息交付、大规模轻松网络集成以及设备间互操作性的开发人员提供众多优势，同时还提供众多 802.15.4 标准不能直接解决的较高级别网络问题的解决方案。
ZigBee 网络的实施有三种拓扑，如图 9 所示。与 802.15.4 类似，ZigBee 支持对等通信与星型配置。ZigBee 在 802.15.4 规范之上添加了路由协议与层级网络寻址方案，可实现群集树拓扑结构（具有相同PAN ID）以及多跳网状网络拓扑。

图9 —— ZigBee的网络配置
这些拓扑结构均由可实现三种逻辑抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 节点提供支持。必须为 FFD 的ZigBee 协调器将启动网络和管理网络连接与安全密钥等大多数网络参数，是路由消息不可分割的组成部分。ZigBee 路由器也必须为 FFD，负责转发往返于其他网络节点的消息，并实现 ZigBee 网络的网状网特性，同时扩展网络的总体覆盖范围。ZigBee 协调器与路由器一般由主电源供电，因为它们应能够在任何时间接收和传输消息。如果预计应用的数据传输是周期性的，则 ZigBee 也可以采用 802.15.4 同步网络的TDMA 消息传输协议。ZigBee 终端设备以 RFD 方式实施，可以最大限度地减少其占空比和资源要求，从而实现采用电池供电并长期工作的目的。
ZigBee 理想适用于具有下列要求的应用：

• 采用标准化的物理层与较低层协议 (IEEE 802.15.4)
• 标准化的较高层协议（比如网状网拓扑，多跳等）
• 全面互操作性，甚至达到应用层级别（公共配置文件）
• 设计与开发要求低（仅限于应用）
• 技术支持与维护厂商/供应商之间竞争激烈

ZigBee 可接受下列劣势：

• ZigBee Alliance 成员费用
• 认证费用（如果不专门针对符合 ZigBee 或者 ZigBee 认证的产品则无需此费用）
• 代码量（功能性的开销可能大到难以使用）
• 无线电广播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

上述所列各项表明需要对许多项目进一步澄清，因此首先对标准化的较高层协议进行描述。与 802.15.4 相比，如图 10 所示，ZigBee  可向上实施至 OSI 无线应用网络模型的传输层，甚至能够达到部分会话层。

图10 —— ZigBee 的 OSI 网络模型