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Zigbee vs. 蓝牙。为您的物联网应用选择正确的协议

Zigbee®和Bluetooth®无线协议都被广泛用于物联网(IoT)应用中的本地通信,在为你的应用选择合适的协议时,有一些权衡需要审查。每种协议都有独特的优势,指导在设计新网络时实施哪种解决方案。

在某些情况下,一种协议将比另一种协议更适合,尽管有时正确的解决方案是同时实施两种协议,以利用它们的综合优势,正如我们将在本文讨论的那样。

为了更好地理解这些物联网协议选项,让我们看看Zigbee的优势和局限性,然后再看看三种不同 "口味 "的蓝牙。经典、BLE和BT Mesh。这将有助于解释其中的利弊,并展示每种协议的一些使用案例,这样你就可以为你的物联网应用选择最佳协议--无论是智能城市、工业物联网、数字标牌还是其他互联技术使用案例。

 

物联网应用中的Zigbee技术

Zigbee是一个开放的全球标准,用于低成本、低带宽的无线网状网络,由Zigbee联盟中的一个公司联盟开发。Zigbee协议允许通过中间节点的网状网络将信息传递给远方的节点,从而实现长距离的数据传输。信息在到达目的地的途中通过中间的无线电节点 "跳跃"。Zigbee的2.4GHz频率范围可以在全球范围内实施,无需许可证。目前,大约有3亿个Zigbee节点被部署。

Zigbee协议的优势

可以用Zigbee创建大量的网状网络,其规模远远大于任何一个无线电的覆盖范围。Zigbee网状网络会自动配置(自我形成),如果节点被禁用或移除(自我修复),会动态地重新配置以修复自己。作为一个可互操作的标准,来自许多不同制造商的设备可以无缝通信,这有助于创造Zigbee在家庭自动化和工业物联网中的广泛接受度。成本不高,公开市场上有很多OEM设备选择。

文档是广泛可用的,涵盖了许多不同的使用案例。路由表、地址解析、安全、重试和确认都是直接建立在协议中的,节省了大量的工程时间。Zigbee支持多种网络拓扑结构,如点对点、点对多点、星形和网状网络,每个网络允许超过65,000个节点,理想的户外视线范围可达2英里(3.2公里)。

Zigbee协议的局限性

像大多数网状网络一样,路由或 "跳转 "信息的Zigbee节点必须一直处于通电状态。可以通过睡眠来延长电池寿命的终端设备可以参与网状网络,但不能延长它。

注意:对于需要整个网状网络休眠的应用,请参见DigiMesh®,Digi的专有网状网络技术。DigiMesh为Zigbee网状网络提供了一种替代方案,它的一些功能支持全网睡眠等应用要求。Digi同时提供Zigbee和DigiMesh解决方案,以支持全方位的网状应用需求。

Zigbee不使用IP寻址。因此,必须安装网关来与互联网和云服务进行通信。因为大多数手机、平板电脑和计算机不包括Zigbee,所以也需要网关来与它们通信。必须刻意进行配置,以确保节点加入正确的网络并与适当的网关通信。网状网络的延迟比更简单的点对点协议要大,尽管这必须考虑到网状网络的有效范围和可靠性要大得多。

Zigbee在智能城市、农业等领域的应用案例

家庭自动化是Zigbee的发源地,但商业和工业用例已变得同样突出,包括智能能源、照明、医疗设备系统、工厂自动化、市政道路照明和零售监控系统。

智能城市街道照明是一个很好的例子,说明Zigbee很适合网状网络的增长趋势,因为它可以实现远程管理大型设备网络等关键功能。请参阅Digi.com上的CIMCON客户故事,了解这一使用案例的例子。

农业应用也在利用网状网络技术,例如,管理连接智能浇灌系统的设备

物联网应用中的蓝牙技术

蓝牙是一种个人区域无线网络协议,旨在进行短距离通信。它最初是为了取代连接电脑和手机等设备与周边设备(如耳机、键盘和鼠标)所需的线路。与Wi-Fi和Zigbee一样,它在2.4GHz的频率范围内运行,在全球范围内是免许可的。

蓝牙标准是由蓝牙特别兴趣小组(SIG)开发和管理的,该小组负责协调设备制造商之间的互操作性。蓝牙品牌涵盖几个相当不同的协议。虽然这些协议之间有一些互操作性,但最简单的是把它们分开考虑,所以我们将介绍蓝牙。因此,我们将在各自的章节中介绍蓝牙:经典、蓝牙低能量和蓝牙网状。每年约有40亿台蓝牙设备出货。

蓝牙 "经典"

蓝牙经典的设计是为了在短距离内以高达2.1 Mbps的速度传输高吞吐量的数据,而长的电池寿命并不是一个主要的问题。对于需要高带宽并且可以每天充电的音频和视频设备,它是一个很好的解决方案。经典设备包括移动耳机、耳机、键盘、鼠标、打印机和其他通常连接到计算机、车载娱乐系统或移动电话的外围设备。蓝牙使用一个主/客户架构。在一个小型的个人区域网络中,一个主站可以与多达七个客户端设备进行通信。

经典蓝牙的优势

如果你的项目需要发送或接收大量的数据,蓝牙经典的高吞吐量将为其提供良好的服务。有许多设备可以实现Classic。对于音频和视频传输,很容易与手机、平板电脑或笔记本电脑配对,开始接收信息,而且也可以支持串行流。Classic是一个高度成熟的协议,在书籍、网上和官方标准文件中都有大量的文档。

经典蓝牙的局限性

蓝牙经典的实现可能很复杂,需要配对以及管理该过程的用户界面。它的高带宽也意味着它是相对耗电的。该协议是为那些每天或每周都容易充电的设备设计的,这使得它不适合许多物联网应用。网络的规模相当有限,因为该协议是为短距离的外围电缆更换而设计的,而不是为容纳数百个设备的可扩展传感器网络而设计的。

蓝牙经典使用案例

蓝牙的经典版本在音频耳机、智能手机-汽车配对和家庭娱乐中大受欢迎。它的高带宽和行业标准的接受度将在未来一段时间内继续推动其在这些类型应用中的使用。对于大多数物联网应用,接下来的两个蓝牙版本可能会更适合。

蓝牙低能量(BLE

蓝牙低能量支持短距离的低带宽连接,并具有出色的电源管理。它被用于个人区域网络不需要处理大型数据流的情况,以及电池需要持续几个月甚至几年的情况。BLE设备包括定位信标、数字秤、温度监测器、照明控制器、智能手表、锅和成千上万其他低带宽电池操作的用例。

BLE实现了一个客户/服务器架构,允许硬件只实现所需的通信功能,从而节省资金、电池和带宽。BLE网络理论上可以包含大量的设备,尽管带宽、物理空间和最重要的是范围限制了单个BLE个人区域网络的规模,使其节点数量少至数百个。

BLE的优势

它的名字就在那里,蓝牙低能量不使用大量的电力。设备可以通过纽扣电池长时间运行,使其成为需要连续几个月无人看管的数据瘦身设备的首选蓝牙协议。其更简单的协议还具有其他优势。较不复杂的硬件意味着BLE芯片和设备的成本可以相当低。

客户端-服务器模式使通信更容易实现,降低了工程和开发时间。这也意味着设备不需要配对来进行通信,而是可以在需要的时候异步和即时地读取和发送数据。该协议被广泛接受,并在全球数十亿的设备中实施,有大量的文件、OEM设备和训练有素的开发人员随时准备就绪。

BLE的局限性

BLE是一个点对点的协议。因此,收音机不能在其各自的范围内进行通信。这将网络的物理规模限制在BLE典型的10米范围内,对于家庭办公室来说很好,但对于农业监测应用或市政街道照明控制来说就不是那么好了。IP地址没有实现,因此必须使用网关将信息传递到互联网和云解决方案。

许多BLE应用被设计为使用智能手机作为其网关;然而,这只在有智能手机的情况下有效。对于像智能手表或健身手环这样的可穿戴设备来说,这很好,然而商业和工业应用中使用的传感器通常是无人值守的,这使得智能手机网关不切实际或无法实现。BLE的带宽比蓝牙经典低得多,不能有效地用于媒体流。

Bluetooh低能耗使用案例

个人区域网络是BLE的一个主要用例,包括家用电器、健身监测器和车辆网络。BLE中的信标是为了支持室内定位系统,可以确定你在零售店或工厂内的位置。

家庭自动化是一个关键市场,但也有任何小型商业系统可以利用蓝牙低能耗在家庭大小的空间内进行通信。因此,虽然BLE可能不适合大规模的农业,但它完全适合监测小型商业温室。它还可以为正在配置物联网设备的安装人员提供本地通信,这些设备通常会通过更远距离的协议进行通话,如Zigbee网状物或蜂窝移动数据。

蓝牙网

蓝牙网(BT Mesh)是一个非常新的协议。它使用额外的路由和网络形成标准扩展了简单的点对点BLE,以创建网状网络,其中的节点可以作为中继,将网络扩展到任何一个设备的范围之外。BT Mesh在整体功能和架构上与Zigbee大致相似,但有几个非常重要的区别。一个BT Mesh网络理论上可以支持超过3.2万个节点,但是像其他协议一样,带宽和物理空间的实际限制通常使单个网络保持在数百个设备的水平。

蓝牙网的优势

作为网状结构的网络不受任何单独的无线电节点的覆盖范围的限制。相反,每个节点都可以将信息转发到远远超出其额定范围的目的地,形成非常大的物理网络。由于蓝牙网是基于BLE的,它继承了该协议的许多优点,包括低能量使用、良好的安全性、信标支持和普遍的基础文件。BT网状网络是自我形成和自我修复的,在类似于Zigbee的存储和转发的父/子关系中,对终端设备的睡眠支持。

蓝牙网的局限性

蓝牙网仍然是一个新的协议,它仍然在进行增强和修订。它还没有得到广泛支持,这意味着OEM设备、网关和手持设备还不可能完全兼容。这可能会随着该协议的普及而得到改善;但是,对于今天正在设计的应用来说,这肯定是一个问题。

管理性洪水 "协议使网络设计更简单,但与Zigbee等完全路由的网状协议相比,在效率和电力使用方面是一种折衷。任何进行路由的设备都必须由电源供电,而不是靠电池运行,因为像Zigbee节点一样,BT Mesh路由器是不允许睡眠的。它们不使用IP地址,因此与互联网和云服务器的互动必须通过固定网关或边界路由器,在BLE和互联网的常规协议之间进行转换。网状网络总是有较高的延迟,因为信息在到达目的地的途中需要 "跳 "过多个节点,所以应用程序必须能够容忍较慢的响应时间,以换取更大的网状网络规模。

蓝牙网状网络使用案例

蓝牙网的设计最初是考虑到了照明市场。因为路由器节点需要持续供电,照明是一个很好的应用,因为大多数设备都有充足的全时主电源。蓝牙Mesh还实现了一个应用层,专门用于照明领域的跨厂商互操作性,因此一个厂商的开关可以控制其他厂商制造的照明设备。BT Mesh可以很容易地支持传感器网络,尽管由于网络中的路由节点不能用电池供电,传感器本身最好在有主电源网络的情况下实现,例如在已经有BT Mesh照明的建筑中。

组合式Zigbee BLE

Digi XBee3 Zigbee射频模块还支持蓝牙低能量,作为一个单一的硬件解决方案。BLE可以与Zigbee一起使用,以支持使用Digi XBee 移动应用程序轻松进行基于智能手机的模块配置。信标应用可以通过Digi XBee Mobile SDK(软件开发工具包)来开发。

该SDK包括一套库、代码示例和文档,旨在简化创建iOS和Android移动应用程序的过程,以便与Digi XBee3模块进行交互。该SDK可以支持信标应用,在未来结合蓝牙和Zigbee设备形成大型和完全可互操作的多厂商网络的应用中,也将有助于与本地BLE传感器进行通信。

Zigbee和蓝牙在不同类型的物联网解决方案中都很有用。最重要的是,它们可以一起工作,创造出非常灵活的应用,结合每个成熟的、可互操作的协议的优势。了解每一种协议(包括蓝牙的许多版本)的优点和缺点,应该有助于开发者创建最有效的通信系统--一个能够平衡电力使用、带宽和设备成本的系统,以创建强大的无线物联网网络。

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