Z-Wave技术时代的来临

刘敏陈金鹰

（成都理工大学信息工程学院，成都610059）

摘要：针对Z-Wave无线通信技术的产生、发展和应用，通过与ZigBee技术的比较，分析了Z-Wave技术在网络拓扑结构和使用成本等方面的优势，并对z-Wave技术的应用前景进行了探讨，指出了Z-Wave技术成功的关键所在。
关键词：Z-Wave ZigBee 无线通信协议栈中继传输方式
1 前言
随着无线通信技术、网络技术和人工智能技术的发展，人们对家居环境的自动化提出了更高的要求，对智能家居的功能方面有了更高的要求，对无线设施的需求也不断增加。而Z-Wave就是随着这种需求产生的，这种技术不仅成本低廉、安全性能高，而且设计针对性强，非常适合在智能家居中应用。
近年来，随着无线技术的快速发展， DanfossZ-Wave、Intermatic、Levition、Wayne Dalton、UEI等170多家公司加入了由Zensys牵头组建的Z-Wave联盟，将矛头直接指向了ZigBee，两者之间开始进行一场没有硝烟的战争，后来随着国际大厂Cisco和Intel在2006年宣布投资Zensys公司，并加入Z-Wave 联盟机构，更坚定了Z-Wave在家庭自动化领域的地位，现在多款采用Z-Wave协议的产品已经走向市场。BuLogics公司称它已开发出市场上第一个兼容智能网络的Z-Wave无线控制器。该装置被命名为智能家庭网络控制器，目的是为基于Z-Wave协议的家域网和基于ZigBee协议智能能源配置的高级计量框架之间提供桥接。
2 z-Wave技术的简介
Z-Wave是由丹麦公司Zensys所一手主导的无线组网规格，其核心微控制器采用六倍速8051架构，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM，使用的路由协议是Source Routing，锁定家庭自动化平台的一种无线技术。
2、1 Z-Wave技术的特点
（1）低成本 Z-Wave 系统在一个家庭应用系统中能够实现233个节点、能够实现节点间的通信路由，虽然它的系统没能做到像ZigBee那样庞大，但是这个系统对于家庭控制来说已经足够了，这就保证了Z-Wave的低成本，另外Z-Wave技术使用的带宽仅有9.6kb/s,这也是低成本的一个重要因素，除此之外Z-Wave置于一个集成的模块里，例如第二代单芯片ZW02012-Wave，就是多种器件集成在单个芯片上，这就大大的降低了开发成本。
（2）低功耗使用Z-Wave技术的家庭设施由于在控制及信息交换中的通信量较低，因此十几KB/s的通信速率已经足够能胜任这个通信负荷，因此完全可以采用电池供电，这就降低了家用设施的运行功耗。
（3）高可靠性 Z-Wave为双向传输的无线通信技术，运用此技术可以实现在摇控器上显示操控信息与状态信息，相对的传统单向红外线遥控器就难以实现此种设计。同时Z-Wave 网络是一种以点对点为主的通信网络，它不会由于一个节点的故障而影响其他的节点的工作。另外该技术不像其它的射频技术一样，使用公共频带进行传输，而是采用双向应答式的传送机制、压缩帧格式、随机式的逆演算法减少失真和干扰，另外，现在Z-Wave的传输带宽从最初的9.6kbps提升至40kbps后，也将会进一步开始考虑提供加密的措施。此举一旦成功，在安全可靠性方面，Z-Wave将会进一步加强。
(4) 覆盖性控制系统大都受距离和可靠性的限制，因此以往大部分控制系统需要有线连接来确保对整幢建筑的覆盖。Z-Wave可支持网状网络拓扑，其多点对多点的连接方式可提供更高的可靠性以及更大的覆盖范围。该技术中集成的动态路由机制实现了虚拟的无限制信号传输范围，每个Z-Wave设备都可以将信号从一个设备重传至另一个，从而保证高度可靠的传输覆盖整个家庭范围[1]。
2、2 传输方式
Z-Wave是一种低速率短距离的无线通信新技术，其传输方式是中继传输方式，此方式具有传输稳定性好、可靠性高、实时性好的特点，能随其网络调整而迅速调整，网络适应性较强，方便进行产品的安装。图1为Z-Wave通过中继传输方式来通信，图中为Z-Wave跨房间转传联系的示意图。

2、3 协议栈
相对于ZigBee无线通信技术标准而言，Z-Wave协议构架紧凑简单，具体实现要求更加容易，协议构架包括应用层Application Layer、路由层RoutingLayer、传输层Transfer Layer、媒体介质层MAC。应用层主要负责Z-Wave网络中的译码和指令的执行，路由层主要负责确保数据帧在不同节点间能够多次重复传输、扫描网络拓扑和维持路由表等，传输层主要用于提供接点之间的可靠的数据传输，媒体介质层采用了载波侦听多址、冲突避免(CSMA/CA)机制以防止其他节点传送信号【2】。
3 Z-Wave技术较ZigBee技术的优势
与同是低成本、低速率、低功耗的ZigBee技术相比，Z-wave在成本方面、灵活性方面、互操作性方面更具有优势。两者的主要特性如表1所示。

表1 Z-Wave与ZigBee主要特性对照表

	Z-Wave	ZigBee
工作频段	900MHz ISM频段 868.42MHz+/-12KHz（欧洲） 908.42MHz+/-12KHz（美国）	2.4MHz/915MHz/868MHz
覆盖范围	室内30米，室外>100米	10-75米
功耗	极低（比Zibgee低）	极低
设备激活时间	5ms	15ms
数据传输速率	9.6kb/s	2.4MHz:250kb/s 915MHz:40kb/s 868MHz:20kb/s

3、1 成本方面
家用市场看重的是低成本、组网安全性和易用性，Z-Wave始终专注于家庭控制应用市场，应用领域明确，结构简单，成本较低，而ZigBee技术不仅要满足家用市场，同时要满足建筑自动化及工业控制应用等多种应用，这就意味着包含更多的协议，需要占用更多的内存，所以成本要更高一些。Zensys业务开发副总裁Raoul Wijgergangs称：“成本是家用市场的核心因素，Z-Wave的设计成本仅相当于ZigBee的一半左右。”
3、2 灵活性方面
采用Z-wave技术的家庭设施有望在将来都会被分配给本局域网内唯一的IP地址，人们就会像对现在计算机局域网进行操作那样对家里的一切设施进行操作了，而对于现在的第二代单芯片ZW02012-Wave，此芯片包括一个8051微控制器、一个数模转换器ADC、一个串行外设接口SPI等多种器件，但这些器件都集成在单颗芯片上，这样就使得体积非常小，因此极易集成到尺寸要求严格的产品中，非常适合电池的应用，比ZW02012功能更加强大的第三代芯片业已经产生。而且，Z-Wave最近提出的40kbps速率能与原有9.6kbps速率的节点装置完全兼容互通，即是在同一个Z-Wave网络内能并存运用9.6kbps的节点与40kbps的节点，如此在布建的规划设计与延伸上可更便利,而Zigbee在使用和安装方面就没有如此的灵活。
3、3 互操作性方面
Zensys和他的合作公司已经兼顾了以下各个方面：无线电、子系统和资格认证，Z-Wave是一个标准的规范，并且工作于稳定的FSK无线电方式，到目前为止还没有发现什么可以影响他的互操作性【3】。
相对于Z-Wave技术而言， ZigBee技术支持的频段比较多，包括2.4HZ、868MHZ、915MHZ,所以ZigBee产品运行在不同的频段时，就面临互操作性的问题。而对于一般的用户而言，更愿意购买价格便宜并且互操作性高的产品。随着WLAN的快速发展，例如无线电视，无线安全技术，无线安全防护，无线上网等的快速兴起，导致2.4GHZ频段被频繁的利用，这就造成了在很多场合会和ZigBee技术产生冲突，在通信时，WLAN就是干扰ZigBee，使通信的质量下降，Danfoss曾对数家供应商的芯片组进行了测试，发现除一次例外的其它所有情况下，ZigBee无线信号均受到了无线局域网(WLAN)信号的阻隔【4】，而Z-Wave技术和WLAN使用完全不同的频段，就不会出现这样的干扰问题。
除了上述的优点之外，Z-Wave技术依然面临着重大的挑战，比如ZigBee有国际标准IEEE 802.15.4为其技术根基，这无疑将使自身所倡导的ZigBee技术在以后的发展和推广中具有他人无法比拟的潜在优势。相对的，丹麦Zensys公司所提出的Z-Wave技术不仅没有国际标准为其依靠，应用上也仅止于家庭自动化，不像ZigBee能同时适用在工控、医疗、安全等多种领域。
Z-Wave面临的一个最重要的问题就是芯片的供应商的短缺，目前只有Zensys一家，这样在芯片成本问题上，将是Z-Wave强抢占市场的绊脚石。Zensys公司针对这些方面正积极地做出调整，积极地加入国际标准化组织，一旦成功，将会对ZigBee造成巨大的威胁。
4 结束语
在无线通信技术飞速发展的时代，同样追求低速率、低消耗、低成本、结构简单的无线通信技术Z-wave与Zigbee势必会在抢占市场方面产生竞争。
Z-wave凭借在低成本、组网的安全性和灵活性（地址分配）等方面的优势，加快了产品的商业化，抢占家用市场。随着该技术的进一步发展，有望打造出具备无线家庭网络及相关应用所需的覆盖范围、数据率和信号强度的完整解决方案，相信在不远的将来，越来越多的Z-wave产品不仅将进入人们的生活，也会进军工业、医疗、等其它领域，相信在那时，人们的生活会变得更加的便利和舒适。
参考文献
[1] 徐小涛,吴延林,高泳洪,田铖. 基于Z-Wave的无线个域网运用[J]. 电信快报, 2008,(11) .
[2] 陈兴,凌志浩. 适用于家庭自动化的Z-WAVE无线通信技术(二)[D].北京：中国仪器仪表协会，2008.
[3]丁飞, 张西良. 一种新的无线通信技术Z-Wave[J]. 数字通信世界,2005,(09).
[4]付华,胡雅馨. 一种改进的无线传感器网络信息融合技术[J]. 计算机系统应用, 2010,(07) .

了解更多资讯请关注优蚁智慧

启天智慧集成