Zigbee、BLE与蓝牙Mesh，如何选择最佳方案？

在物联网世界中，无线通信技术使越来越多的物联网设备能够相互交互，形成一个庞大的网络。如今，有许多种协议正在争夺市场主导地位。其中，Zigbee 和低功耗蓝牙 (BLE) 是为低功耗物联网应用打造的两个标准，因为它们成本低廉且开发简单。

然而，它们之间也有一些区别。在特定情况下，一种协议可能比另一种更适合。而在一些情况下，将两者结合起来可能是利用其互补优势的最佳行动方案。接下来，我们将比较和讨论物联网中常见的BLE 和 ZigBee，以及它们的优势、用例和局限性。

Zigbee和低功耗蓝牙（BLE）之间的差异

BLE是一种基于蓝牙的协议，可实现设备之间的短距离通信，并且可以提供比 Zigbee 更快的数据速率。因此，对于需要传输相对大量数据的物联网应用来说，BLE 可能是更好的选择。

Zigbee则是基于IEEE 802.15.4标准的协议，更关注网络的稳定性和可靠性。Zigbee支持更多节点，可以构建更大的网络，这对于需要连接大量设备的物联网应用至关重要，尤其是对稳定性有更高要求的项目。

BLE 和 Zigbee 的生态系统也不同。由于蓝牙在智能手机、平板电脑等消费电子产品中的广泛使用，因此消费电子设备对BLE的支持也更加成熟。另一方面，Zigbee 在家庭自动化中应用更为广泛，它可以与更多的传感器和执行器配合使用。

物联网中的 Zigbee

Zigbee 是基于 IEEE 802.15.4 规范的低功耗无线网状网络标准。在世界上大多数国家，Zigbee 使用工业、科学和医疗 (ISM) 无线电信道，包括 2.4 GHz。Zigbee 适用于中距离无线控制和监控应用中的电池供电设备。

• 网状网络： Zigbee在网状拓扑网络上运行。消息通过中间节点到达远处的节点，这意味着来自单个传感器节点的数据会跨一组模式传输，直到传输到达通用Zigbee网关。这样做的优点是网络覆盖范围更大（理论上单个网络最多可容纳 65000 个节点）和距离远，但也有多个节点尝试通过单个节点到达网关时由于瓶颈而导致延迟较高的缺点。
• LAN 局域网： Zigbee 设计用于在中短距离内传输数据。它能够使用网状架构网络在多个设备之间同时共享信息。
• 低带宽： Zigbee 无线电对功率和带宽有非常严格的限制，适合以小数据包传输数据。
• 成本效益： Zigbee是Zigbee联盟制定的免许可、开放的全球标准，无需任何许可即可实施。因此，Zigbee的成本并不高。
• 合适的应用： 对于节点密度较高的小型项目来说，Zigbee 是一个不错的选择。它非常适合物联网智能照明系统和家庭自动化。不过，Zigbee并未在大型项目中广泛采用，因为大量节点可能同时采用相同的路径并产生瓶颈。因此，Zigbee 在工业物联网应用（例如高度仪表化的安装）中仍然相当有限。

Zigbee的优点

• 可靠性： Zigbee网状网络的一大优势是其“自形成”和“自愈”的特性。如果添加任何节点，Zigbee 网状网络可以自动形成和配置，并修复或替换网络中任何损坏或禁用的节点。
• 互操作性：来自不同制造商的 Zigbee设备可以无缝通信，有助于Zigbee在物联网领域的广泛接受并降低成本。
• 易于开发：  Zigbee联盟于2004年底发布了官方IEEE 802.15.4-2003 Zigbee规范，并且该规范已经经历了多次修订。因此，用于开发 Zigbee 的文档广泛可用，并且涵盖了许多不同的用例。路由表、地址解析、安全性、重试和确认均内置于协议中，从而节省了大量的工程时间。

Zigbee 的局限性

• 非 IP： Zigbee 不使用 IP 寻址。因此，必须安装Zigbee 网关来帮助与互联网和云服务进行通信。
• 始终通电：大多数网状网络都有这样的限制，即所有连接的节点路由或跳跃消息必须始终保持通电，这可能会有点耗电。
• 延迟： 由于采用网状拓扑网络，Zigbee 网络的延迟可能比简单的点对点通信更高。

物联网用例中的 Zigbee

对于低成本、低功耗的基于物联网的家庭自动化网络，Zigbee 因其互操作性而毫无疑问是最佳选择。毕竟，Zigbee 的起源是家庭自动化。此外，它还适用于商业和工业应用，包括家庭能源监控、物联网照明、老年家庭监控系统等。

智能城市街道照明很好地说明了Zigbee网状网络的发展趋势，因为它允许借助室外工业Zigbee传感器到云网关来远程控制相当大的设备网络。

物联网中的低功耗蓝牙

低功耗蓝牙（BLE）是当今物联网各个领域中使用最广泛的通信技术之一。BLE 由蓝牙特别兴趣小组 (Bluetooth SIG) 创建并推广。  

• 短距离通信：  BLE 主要用于在个域网 (PAN) 上的两个不同设备之间建立点对点连接。
• 高速传输： 蓝牙的整体覆盖范围小于Zigbee，但BLE的数据速率要高得多。蓝牙 5 可以发送和接收高达 2 Mbps 的数据，传输速率是上一代标准的三倍。
• 互操作性：蓝牙 SIG 通过为成员公司留出相当大一部分 UUID 价值空间来协调设备制造商之间的互操作性，以创建独特的蓝牙应用服务并将分配的 UUID 号码公开以避免通信冲突，
• 低功耗：  BLE代表蓝牙低功耗，具有出色的电源管理能力。BLE设备支持低带宽连接并处理小数据流，从而使电池可持续使用数月甚至数年。典型的BLE设备包括电池供电的蓝牙信标、数字秤、物联网温湿度传感器、照明控制器、智能手表等。
• 合适的应用： BLE非常适合在需要在短距离内以较高速率进行持续数据传输的物联网解决方案中实施。但BLE网络受到带宽和物理覆盖范围的限制，因此，BLE并不是高密度节点应用的最佳选择。 

使用BLE的优点

• 硬件不太复杂：低功耗蓝牙实现了客户端-服务器架构，通常可以自定义硬件以仅实现所需的通信功能。
• 开发成本低： BLE是一种简单的协议，在全球数十亿设备中被广泛接受和实施，其更大的生态系统导致BLE SoC的大规模生产，并且与Zigbee相比进一步降低了IC成本。同时，它支持许多流行的物联网操作系统，包括Android、Windows、iOS等，使得开发BLE嵌入式应用程序和验证其功能变得更加容易，这将大大降低工程成本和开发时间。  
• 出色的电源管理： 顾名思义，低功耗蓝牙是一种经过充分优化的协议，不会消耗大量电量。它可以在数据匮乏的物联网设备中实现，这些设备可以使用纽扣电池长时间运行，一次几个月都不需要有人值守。

使用BLE的限制

• 点对点通信：  BLE是一种点对点协议。一个BLE设备作为主设备，另一个作为从设备，这可能会导致可扩展性有限和部署成本较高。在典型的BLE连接中，中央设备（例如BLE 网关）和一个或多个外围设备（例如传感器或执行器）之间通常存在通信。
• 缺乏IP寻址：低功耗蓝牙 (BLE) 是与互联网协议 (IP) 不同的协议，并且 BLE 设备没有 IP 地址。要将数据从仅支持 BLE 的设备传输到互联网，需要另一个具有 IP 连接的 BLE 设备来接收此数据，然后将其转发到另一个 IP 设备（或互联网）和云解决方案。
• 范围有限：网络覆盖范围相当有限，这是BLE的核心缺点之一。通常，BLE 无线电无法在最大范围之外进行通信。对于家庭和办公室使用场景来说还可以，但对于工业和农业监控应用来说就不太好了。因此，蓝牙远距离(Bluetooth Long Range, BLR)  的发明是为了以信号传输速率的代价显着增加信号传输距离。

物联网用例中的BLE

家庭自动化已被证明是低功耗蓝牙在特定区域中链接对象集合的最佳用例之一。使用BLE功能的流行智能产品包括可穿戴家庭健康监测设备、老年家庭监测设备和家庭娱乐设备。

BLE 还可以完美地用于室内定位和导航，因为BLE信标可用于确定人员在工厂或停车场内的位置。

另一个重要市场是楼宇自动化或小型商业环境中基于 BLE 的照明控制，BLE 非常适合自动化小型基于物联网的温室监控系统，但可能不是大型物联网系统的最佳选择。改变温室中的环境温度或照明强度有助于促进植物生长。

物联网中的蓝牙网状网络（Bluetooth Mesh）

Zigbee 是当今最流行的网状网络协议，蓝牙 SIG 于 2017 年发布了类似的蓝牙网状网络标准，旨在巩固其在无线技术中的主导地位。 

BLE Mesh超越了常规 BLE 协议的限制，可以在大量设备之间建立稳定且灵活的网络。它允许多对多设备通过多跳连接，实现更广覆盖范围的通信。尽管 BT Mesh 可以容纳超过32000个节点，但由于实际带宽和物理空间的限制，单个网络通常仅限于几百个设备。

BLE Mesh的优点

蓝牙Mesh用于智能家居中控制照明、窗帘和其他智能设备，也可用于物联网远程监控和传感器网络，甚至可用于智能楼宇自动化的大型工业自动化系统和物联网照明。

• 大型物理网络： 由于蓝牙网状网络设备可以通过多跳相互连接，因此信息可以通过中间节点传递，从而使网络变得更强大、更广泛，并且不受任何一个无线电节点的范围的限制。
• 信标广播通信：蓝牙Mesh以BLE为基础，承载了协议的能力，例如支持信标，可以广播信标信息，但只有目标设备处理信息，增强隐私性和安全性。
• 低能耗：基于BLE协议的蓝牙Mesh设备通常能耗较低，适合电池供电的设备。此外，网状网络节点的传输范围较短，从而减少了功耗。
• 可靠性：设备可以自动加入网络、建立连接和传输数据，而无需中央控制器，因为蓝牙 LE Mesh 网络具有自我形成和自我修复的能力。

使用BLE Mesh的限制

• 延迟： MTU 大小（链路层最大传输单元）是评估性能的重要标准。BLE 具有较小的 MTU 大小，如果较高层协议或应用打算使用较大的数据包，这将增加更多延迟并导致性能下降。
• 高度拥塞和大型网络的网状路由限制：  BLE使用托管泛洪方法来路由网状数据包，只有主电源上的节点才会中继数据包。当网络较小且节点移动时，这种路由器机制非常有效。但由于我们之前提到的 MTU 大小限制，它可能会面临更高延迟的一些挑战。在这种情况下，Zigbee 由于其成熟的路由方法而往往表现更好。
• IP寻址缺失： 为了实现成熟的物联网连接和对互联网（或云）的控制，需要一个BLE 网状网关来将 BLE 数据包转换为 IP 网络数据包，反之亦然。

物联网用例中的BLE网格

值得一提的是，蓝牙网状网络技术目前正处于发展的早期阶段，可能会得到增强和修订。由于大多数照明设备都可以轻松获得连续的主电源，并且路由器节点需要电源，因此蓝牙网状网络非常适合控制建筑物中的照明。当由市电供电的蓝牙网状照明控制网络已经可用时，建立基于 BLE 网状网络的传感器网络就很简单。

在物联网中结合BLE和Zigbee

Zigbee 和 BLE 都是创建物联网设备和应用的绝佳选择，尽管它们的相似之处多于差异。了解各自的优缺点至关重要，但如果 Zigbee 和 BLE 能够合并以创建更先进、更强大的无线物联网网络，才是我们追求的目标。

因此，选择蓝牙或Zigbee取决于具体的物联网应用要求。如果需要高数据速率和改进的用户体验，BLE可能是更好的选择。如果需要更大的网络和更高的可靠性，Zigbee 显然是一个更好的选择。在某些情况下，这两种协议也可以结合使用以获得更好的性能和功能。

关于Zigbee 与 BLE 的常见问题

1、可以使用智能手机作为蓝牙网关吗？

可以，许多 BLE 应用都是为了使用手机作为网关而构建的。然而，这仅在智能手机在附近时才起作用，并且仅适用于智能手表或健身手环等可穿戴设备。由于商业和工业应用中使用的传感器经常无人值守，因此智能手机作为网关的实施既困难又昂贵。

2、为什么在物联网部署中使用网状拓扑网络？

物联网设备和用例正在所有部门和企业中快速扩展。随着这一切的发生，有必要创建分散的节点网络来解决传统点对点、星形或集线器网络拓扑带来的一些问题，其中物联网设备必须通过 Wi-Fi 路由器进行交互尽管物理距离很近。

在网状拓扑中，每个节点或其中的几个节点都转变为路由器，除了消耗数据之外，还负责与邻居共享数据。这创建了一个由路由器和终端节点组成的网络，从而提高了网络的去中心化性、可扩展性和可靠性。

只要没有一个节点距离另一个节点太远，每个节点都会收到指向它的数据包，并且从网络中添加或删除节点很简单。同时，网络中不存在单点故障。单个Mesh网关可以将多个节点的数据汇聚到互联网上，提高节点之间的数据传输效率，降低成本。

3、蓝牙网状网络与 Zigbee 网状网络硬件有什么区别？

由于蓝牙网状网络非常新，因此可能会存在需要一些时间才能解决的问题。另一方面，技术文档变得更加全面以及兼容设备进入市场还需要一些时间。随着技术的成熟，Zigbee的硬件兼容性也得到了提高。Zigbee 专用微控制器和 SoC 已广泛使用。