家庭自动化的Z-WAVE无线通信技术(一)
来源:    发布时间: 2013-05-19 00:23   1388 次浏览   大小:  16px  14px  12px
无线通信技术在家庭自动化系统中扮演着越来越重要的角色,如WI-FI、红外、蓝牙、ZIGBEE等。本文介绍一种基于低速率、低成本、低功耗、组网灵活的短距离无线通信技术Z-WAVE,并且通过其与ZigBee以及蓝牙技术等无线通信技术的对比,分析Z-WAVE的特点和优势所在。
一.应用背景

1.1 家庭自动化

通常,Z-Wave无线通信技术主要应用市场为家庭自动化。家庭自动化系指综合利用微处理电子技术,来集成或控制家中的电子电器产品或系统(如照明灯、咖啡炉、电脑设备、保全系统、暖气及冷气系统、照明系统、视讯及音响系统等)。 家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机(Central Processor Unit, CPU),接收来自相关电子电器产品(或外界环境因素之变化,如太阳上升或西下等所造成的光线变化)的信息后,再以既定之程序发送适当之信息给其他电子电器产品。中央微处理机必须透过许多介面(Interface)来控制家中的电子电器产品,这些介面可以是键盘,亦可以是触摸式荧幕、按钮、电视荧幕、电脑、电话机、手动遥控器等;消费者经由介面来发送信息至中央微处理机,或接收来自中央微处理机的信息。
家庭自动化的运用极广,例如箱和厨房自动设备的起停、运行模式和电源的通断;三表抄送子系统实现水表、电表和气表的自动抄送,住户通过计算机与物业管理中心联络,可查询、交付费用;计算机子系统通过与Internet相连接,能够享受网上丰富的信息资源,并能远程监控家庭网络。为了实现对设备的控制和管理,必须通过某种形式的网络实现设备间的信息交流。网络可以是无线的,如利用红外线或无线电波;但使用更多的是有线连接的形式,有线网络有很多种实现方式。家庭自动化网络是计算机、信息网络、控制技术的一个融合体,既能实现信息的网络化,也能完成对各种家用电器设备的控制和管理。又如当一个人在冬天时由外面归来,在进入家中的前廊时,感应器因为侦测到人体移动而发出信息,自动打开前廊的照明,并自动启动家中的暖气系统;或是在早上起床时,由家中的电子时钟发出信息,让咖啡炉自动煮咖啡,卧室的窗帘自动打开,雷射音响自动演奏优美的旋律等。

1.2 家庭自动化中的无线技术

如果在家庭自动化系统中的各种信息传递控制功能都通过有线的手段,对于用户来说是十分不方便的。一方面,在家庭用户中,许多地方是不适合用有线的方式去控制的,如各种电器的控制器等;另一方面,均采用有线布线会大大增加设计的难度以及成本。在这样的背景之下,无线通信技术就应运而生了。在家庭用户中,主要的无线通信技术包括WIFI、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee技术,以及本文介绍的Z-WAVE技术。

1.2.1 Wi-Fi技术

Wi-Fi是现在使用较多的无线技术,是WLAN的一种,它的传输速率可达54Mbps(802.11g,),室内可达100m,传输距离室外达300m,主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入。最新的Wi-Fi技术即802.11n, 可以提供300 Mbps-600 Mbps的速度,Wi-Fi的缺点是射频和基带协议较为复杂、实现成本高、功率消耗大(平均功耗为1 W),硬件实现需要较大的空间,一般不能实现嵌入式应用。Wi-Fi除了作为网络接入技术以外,在其他对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还不多,比如移动电话和PDA。该技术主要用于家庭无线以太网的组网。

1.2.2蓝牙技术(Bluetooth

蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范 ,它的最初目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初就向全球公开发布,其工作频段为全球统一开放的2.4GHz频段。从目前的应用来看,由于蓝牙体积小、功耗低,其应用已不局限于计算机外设,几乎可以被集成到任何数字设备之中,特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。

1.2.3 ZigBee 无线通信技术

    ZigBee技术是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准。ZigBee技术并不是完全独立、全新的标准,它的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4协议标准。这一标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速率连接,可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等应用领域。IEEE802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段,定义了两个物理层,即2.4 GHz频段物理层和868 MHz(欧洲)/915 MHz(北美)频段物理层。在802.15.4标准中,总共分配了27个具有三种速率的信道:在2.4 GHz频段有16个速率为250 kbps的信道,在915 MHz频段有10个40 kbps的信道,在868 MHz频段有1个20 kbps的信道。

二.Z-WAVE技术

2.1 Z-WAVE的产生背景

为了开发家庭自动化应用市场,2005年1月,美国芯片和软件开发商Zensys公司与其他60多家厂商在拉斯维加斯举办的CES(Consumer Electronics Show)上宣布成立个新的联盟——Z-WAVE联盟,该联盟推出了一款低成本、低功耗、结构简单、适用于网络的高可靠性的双向无线通信协议,即Z-WAVE技术。目前,Z-WAVE联盟已有70多家公司组成,其宗旨是:促进消费者认可、且在无线家居控制领域应用Z-WAVE技术,确保所有成员的系统和设备之间的互通性,给产品提供售后合作和服务。
Z-WAVE是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲),采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,数据传输速率为9.6 kbps,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄带宽应用场合。随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加,相对于现有的各种无线通信技术,Z-WAVE技术将是最低功耗和最低成本的技术。Z-WAVE有力地推动着低速率无线个人区域网。

2.2 Z-WAVE的协议简述

2.2.1 Z-WAVE协议栈描述

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相对于其他常见的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。Z-Wave协议构架包括有应用层(Application Layer)、路由层(RoutingLayer)、传输层(Transfer Layer)、媒体介质层(MAC)。应用层负责Z-WAVE网络中的译码和指令的执行,主要功能包括:曼彻斯特译码、指令识别、分配家庭ID和网络节点ID、实现网络中控制器的复制以及对于传送和接收帧的有效荷载进行控制等。路由层的主要功能包括:控制节点间数据帧的路由、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(Routing table)等。传输层主要用于提供接点之间的可靠的数据传输,主要功能包括重新传输、帧校验、帧确认以及实现流量控制等。媒体介质层主要提供的功能包括:负责设备问无线数据链路的建立、维护和结束;同时控制信道接入,进行帧校验,并预留时隙管理。另外,为了提高数据传输的可靠性,当有节点进行数据传送时,媒体介质层还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[1]。

2.2.2 Z-WAVE模块

Zensys公司供应的一系列Z Wave模块,都有完全集成的电台.其工作频段为美国的908.42MHz频带以及欧洲的868.42MHz频带,这两个频带都是免授权频带。ZM2102模块结构图如图2所示。
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   ZM2102模块采用Zensys公司专有的Z-WAVE协议,具有帧确认、重新传输、冲突避免、帧校验以及数据包路由确保全网覆盖等功能。ZM2102模块采用屏蔽封装,内含ZW0201 Z-WAVE IC、系统晶振 RF前端电路、RF收发器、8051芯核、SRAM、用作Z-WAVE协议及用户固件存储器的闪存、三端双向可控硅控制器和各种硬件接FI。ZM2102不是用安装连线 而是用城堡型凹口将外部件(如天线和滤波器)附着在OEM 设备的PCB上