Zig Bee与Z-Wave在智能家居 领域应用优势分析

Zig Bee与Z-Wave在智能家居 领域应用优势分析
   近几年，随着面向家庭控制及自动化的短距离无线技术的发展，家庭控制智能化所带来的机遇正开始成为现实。在 已出现的各种短距离无线通信技术中，Z i gBee凭借领先的技术和性能水平成为这一新兴市场上的佼佼者。
不过，目前该市场出现了Z-Wave这一个强有力的竞争者。尽管ZigBee技术的传输速率更快，可容纳的节点数更 多，开放性更强；但Z-Wave似乎结构更简单、成本更低、接收灵敏度更高，其竞争实力不容小觑。在一致的应用目标 下，二者在智能家居领域又将如何体现各自优势？
ZigBee与Z-Wave技术全扫描
1 .ZigBee
    ZigBee基于丨EEE的802.1 5.4个人 局域网（PAN )无线标准，是 ZigBee联盟发起的开放式无线标准。 IEEE802.15.4标准提供网络的第一层 (物理层，PHY)和第二层（媒体接入 控制器，MAC ),网络层和应用层由 ZigBee堆栈软件提供。
ZigBee标准创建于九十年代，当 时作为Wi-Fi和蓝牙之外的另一个选择 用于某些场合。IEEE802.15.4标准在 2003年完成并在2006年得到升级。 ZigBee联盟成立于2004年，目的是维 护该标准，同时继续开发并提供互操 作性测试。
作为无线网状网络技术，ZigBee可 以用于直接通信，但大多数应用基于星 形或树状拓扑网状网络。主节点控制其 他的连接点，如果某个节点不能和另一 节点通信，这两个节点就会作为中继器 与通信范围内的其他的节点相连。 ZigBee可支持6.5万个节点。
ZigBee的典型功率在1mW或OdBm,开阔空间的通信范围为10米。 不过根据情况，有时候也能达到更远 的距离。ZigBee和Wi-Fi以及蓝牙使用 同个频段，因此共存是个大问题。大 多数收发器都有共存机制，将干扰最 小化。
ZigBee联盟是由公司和其他组织 构成的联合体，支持标准的开发和应 用推广，目前有超过220个成员。联盟 为所有应用ZigBee标准的产品提供测试认证。ZigBee的一大优势是灵活性。 ZigBee的设计可用于支持特定应用软 件的开发和部署，这些软件也称为应ZigBee的通用性远超Z-Wavc，可 用的应用规范包括家庭自动化、智能能 源、通信、医疗、远程控制、消费电子 射频、建筑自动化和零售服务 用规范。应用规范和ZigBee的堆栈相 连，让制造商更快、更容易地推出特 别针对某些应用的无线产品。可用的 应用规范包括家庭自动化、智能能 源、通信、医疗、远程控制、消费电 子射频、建筑自动化和零售服务。
2.Z-Wave
     Zensys在 2008年被 Sigma Designs 收 购之前开发了 Z-Wave私有无线标准。 Sigma Designs的产品是IC和电力线通信 (PLC)和无线相关设备。Z-Wave标准 不像很多无线标准那样开放，但Zensys、 Sigma Design的客户都可以使用。最近， 国际电信联盟（ITU >把Z-Wave PHY和 MAC层作为其新标准G.9959的选择，该 标准为1GHz下的窄带无线设备提供了一 套指南。
    Z-Wave无线网状网络技术让任何 节点都能直接或间接地和通信范围内 的其它临近节点通信。如果两个不在 通信范围内的节点想要通信，则可以 通过连接另外一个节点获取或交换信 息。Z-Wave网络最多支持232个节 点，还支持设置多个控制器，以区分
开所需的各种功能。
     Z - Wave主要针对家庭和小型商用 建筑的监控和控制，广泛适用于照明控 制、安全和气候控制。其它应用包括烟 雾探测器、门锁、安全传感器、家电和 远程控制。Z-Wave还可以用于智能电 表，为家用暖通空调监控和控制提供消 耗数据。Z-Wave还可以用于智能电表， 为家用暖通空调监控和控制提供消耗数据。Z-Wave联盟由160家公司组成， 专业设计和销售基于Z_ Wave标准的无 线家庭控制产品，在Z-Wave系统中扮 演主要角色，在22个国家有超过575款 可互操作的产品。
ZigBee与Z-Wave技术特点对比
1. 工作频率与传输速率比较 作为一种基于IEEE 802.15.4标准 的无线传输技术，ZigBee可满足远程 监视、控制和传感器网络应用等需求。 它具有低速率、低功耗、低成本的特 点，工作频率为868MHz、915MHz或
2.4GHz •其中2.4GHz是一个全球通用 的SM频率。随方技术的成熟和多家相 关设备厂商的加盟，ZigBee在家庭自 动化域的应用已经起步。Z_ Wave的主要工作频段有两个， 一个是868.42MHz(欧洲)，另一个则是 908.42MHz(美国>。作ZigBee的有力 竞争者，该技术近年来在家庭自动化领 域发展迅速，商用化程度较高，目前已 在该市场占据主要份额。Z-Wave技术的开发商Zensys于2005年推出了面向 Z-Wave通信的ZW0201芯片，到目前 为止共有上百种基于Z-Wave技术的产 品面市，主要用于照明控制、传感器、HVAC控制、家电控制、安防等领域。对传输速率进行比较，ZigBee工作 在20在250kbps的较低速率，分别提供 250kbps(2.4GHzk 40kbps(915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率， 可满足低速率传输数据的应用需求。而 Z-Wave的传输速率更低，只有 40kbps。实际上监控和控制应用等并不 需要太高的传输率，所以Z-Wave已 足以应对家庭市场的需要。不过，有专 业人士认为，ZigBee的更高数据速率有 助于进一步改善用，特别是电池供电 方案中的功耗问题。
2. 设计成本与功耗对比
Z-Wave始终专注于家庭控制应用
市场，在这一点上，它比ZigBee的应 用领域更加明确，结构也更简单。 ZigBee技术初是定位于建筑自动化 及工业控制应用，近年来才开始进军家 用市场。由于ZigBee面向的是多种应 用，这意味若包含更多的协议，需要占 用更多的内存，所以成本可能要更高
   据了解，Z_Wave的设计成本仅相 当于ZigBee的一半左右。但Z-Wave并 不适合带宽密集应用，例如音频/视频 传输。其带宽可以根据设计的具体应用 进行定制，因此每节点成本也取决于具 体应用。该技术采用创新的协议处理技 术替代昂贵的硬件实现，以提供合适的 价位点。与此同时，ZigBee阵营也开 始对低端市场发力，据悉德州仪器即将 会有一款低成本产品上市。
   这两种技术在功耗方面均有不俗 表现，低耗电待机模式下，ZigBee系 统用两节普通5号干电池可支持1个节点 工作6至24个月，免去了充电或者频繁 更换电池的麻烦。而Z-Wave的轻量级 协议和简单结构有助于保持更低的功 耗，其单芯片解决方案可以为电池驱动 设备，如：温度调节器和传感器提供先 进的省电模式
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. 互操作性创造互动商机
家用设备种类繁多，并且很可能由
不同的厂商制造，因而互操作性成为两
种技术着重强调的性能之一。ZigBee联 盟宣布将开始为ZigBee产品提供 "ZigBee认证"标签，以保证产品完全 互用，并易用于ZigBee网络。产品的互操作性不仅使其使用方 便，而且在商用的过程中能创造互动商 机。同样，凭借Z-Wave协议，各种不 同类型的Z-Wave产品也可实现良好的 兼容性。Z-Wave芯片的开发商 Zensys公司亚太区总監Andy Wang指 出，“任何厂商生产的Z-Wave产品， 都可以与其它厂商采用Z-Wave技术生 产的产品兼容”。也就是说，所有基于 Z - Wave技术的产品均可以互通互用， 从而便于实现产品的市场化和多元化。
4. 传输结构与安全性分析
   无线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 线连接来确保对整帻建筑的覆盖。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 窩度可靠的传输覆盖整个家庭范围。
而ZigBee更可支持网状、星型和 簇状网络拓扑。ZigBee的传输范围一 般在10~ 100m之间，具体依据实际发 射功率的大小和各种不同的应用模式而 定。当然，这一数字指的是相邻节点间 的距离，如果通过路由和节点间通信的 接力，传输距离还可以更远。并且，如 果某个节点传送失败，信息仍能够通过 网络中的其它路径被传送出去，提高了 通信的可靠性。
无线通信还有一个困扰所有用户 的问题，这就是数据安全性。 ZigBee提供了三级安全模式，包括无 安全设定、使用接入控制清单(ACL)防 止非法获取数据以及采用高级加密标准 (AES128)的对称密码，以灵活确定其 安全属性。目前的Z-Wave产品尚未提 供此类功能。

5. ZigBee技术开放性和互通性优势明显

   在通信领域，技术开放性和互通 性无疑是一个非常重要的衡m指标。 ZigBee技术凭借与IEEE 802.15.4小组 的成功合作，将极有可能在今后的发 展和推广中占据有利地位。这样，在 商用化的过程中，不同厂商生产的 ZigBee产品可以依据同一个标准方便 地实现互联互通，从而缩短产品的上 市时间。
反观Z-Wave阵营在这方面却有较 大差距。虽然Z-Wave也在积极加入国 际标准化组织，并于2005年组建了Z- Wave联盟，到现在共有超过125家业 界领先公司加入，包括Leviton、 Wayne Dalton、Logitech、Cisco等公 司。但从全球范围来看，Z-Wave的市 场号召力仍远不如ZigBee。
   另一方面，ZigBee背后有像 Freescale、Tl、Atmel、Ember等众多 优秀芯片供应商的支持，从而有可能 在未来很短的时间内大幅降低产品成 本；而目前可提供Z-Wave芯片的开发 商只有Zensys-家公司，这使得 OEM面临着单一供应商的局面，产品 ■产后的供货情况和成本都让人有些 心存疑虑。对此，Zensys公司充满信 心的认为基于Z-Wave的产品是经过市 场验证的成熟产品。随着Z-Wave技术 的不断成熟，我们可以预期，Z- Wave和ZigBee将在家庭无线控制领域 展开一场激烈的角逐。
ZigBee和Z-Wave各具应用优势
ZigBee和Z-Wave的目标应用一 致。其中ZigBee的通用性远超Z- Wave,几乎可以配置并实现任何短距 离无线功能，应用规范也可以大大缩 短普通应用的开发时间。另一方面， ZigBee的协议更复杂，开发时间也更 长。Z-Wave采用更简单的协议，开发 更快也更简单。Z-Wave芯片只能通过Sigma Designs这一唯一来源获取。Sigma Designs只卖给OEM、〇DM和其它主 要客户。在Home Depot和Lowes这样 的商店里，可以买到500多种家庭控制 产品，但很多并没有说明使用了Z- Wave。
  ZigBee芯片厂商包括Ember、飞 思卡尔、Microchip和德州仪器。完善 且立即可用的ZigBee模块也可以通过 多个来源获得，包括Atmel、CEL、 Digi、Jennie、Lemos和RFM。在OdBm的特定功率下，Z-Wave的 范囤比ZigBee更大，这是因为Z- Wave运行在更低的频率下。这也意味着
Z-Wave在某些应用中连接也更稳定。
  ZigBee使用应用广泛的2.4GHz丨SM频段，因此必须与Wi-Fi、蓝牙和 其它无线标准共享频段，会产生干扰。 大多数ZigBee设备都有有助于缓解干扰 的共存功能，但潜在的2.4GHz干扰比 Z-Wave所处的908.42MHz通道更大。
面向家庭自动化市场的芯片 解决方案比较
1. Z-Wave单芯片无线解决方案面 向家庭自动化
ZW0201是芯片开发商Zensys公 司在继首款Z-Wave芯片ZW0102后推 出的第二款产品。这是一个面向家庭 自动化市场的单芯片无线解决方案， 由一个成的RF收发器，一个8051微 控制器，Z-Wave SW应用编程接口 (API)以及用于用户应用SW的闪存组 成。此外，ZW0201还包含一个8/12位 模数转换器(ADC)、多个通用I/O引脚、 一个上电重置电路/欠压检测器、一个 三端控制器、一个串行外设接口 (SPI)、一个中断控制器，以及用于接 入外围设备的UART。
Z-Wave标准及应用
技术 频段 调制放  范围
ZigBee 2.4to 2.483GHz OQPSK 250Kbits/s 10米 家庭自动化、智能电网、远程控制ZWave 908.42MHz GFSK 9.6/50Kbits/s 30米 家庭自动化、安全这款芯片采用32引脚QFN封装， 封装尺寸仅为5x5x 0.9mm,因此易 于集成到对尺寸有严格要求的产品中。 ZW0201特别针对电池供电产品而优 化，适合低功率和低电压应用，可以在 较低的成本下满足更高性能要求。在传 输时电流损耗为23mA，在接收模式下 为21mA，而在睡眠模式下为2.5uA。 Zensys公司下一步的目标是推出可用 于门禁和安防设施的加密产品。
2. ZigBee打造高集成度解决方案
    已被德州仪器收购的Chipcon公 司，拥有高集成度的ZigBee解决方案 CC2430。CC2430在单个芯片上整合 了 ZigBee射频前端、内存和微控制 器，封装尺寸为7mm x 7mm。它采用 1个8位MCU(8051)，具有128KB可编 程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数 幸铐拇袈（Ann. n.个宙时恶. AES128协处理器、看门狗定时器、 32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复 位电路、掉电检测电路，以及21个可 编程丨/〇引脚。CC2430芯片采用0.18微 米CMOS工艺生产，工作时的电流损耗 为27mA;在接收和发射模式下，电流 损耗分别低于27mA或25mA。其休眠 模式和转换到主动模式的超短时间的 特性，特别适合那些要求电池寿命非 常长的应用。
      该ZigBee SoC解决方案面向家庭 和楼宇自动化、供暖、通风和空调系 统、自动抄表、医疗设施、家庭娱乐 和其它终端市场，它有助于制造商开 发出紧凑、高性能和可靠的无线网络 产品，并缩短上市时间以及将生产和 测试成本降到鉍低。