家庭自动化的Z-WAVE无线通信技术(二)
来源:    发布时间: 2013-05-19 00:26   1589 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。

2.2.3 Z-WAVE网络拓扑结构

在家庭应用环境中,两个节点之间进行信号传输时很容易受到像开门关门、家具阻挡、用户不停走动等因素的影响而不能直接通信,因此家居控制网络必须建成网状网结构,从而可以在两个节点之问使用其他节点作为路由节点。
Z-Wave在家庭网络中定义了三种类型的设备:控制器、路由从设备和从设备。控制器可分为便携式控制器(如控制器)和静态控制器。控制器的主要功能是为了建立和启动网络这一过程设置参数,包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参数。路由从设备同时具有发起通信的能力,而且还可以作为远程设备之间的中继器来通信,能够用来拓展网络的范围。从设备可以参与路由的选择,并可对其他设备发来的通信请求作出反应。Z-Wave在其网络中建立的就是网状网通信结构,如图3所示。图3中如果a、b节点间最近接入点的信号被阻断(或比较拥挤),那么a、b两节点就可以将数据路由到c、d节点(黑色粗线),从而实现a、b节点间的通信。Z-Wave采用的这种网状网络通信方式是一种灵活的体系结构,便于实现设备高效[2]。

2.3  Z-WAVE的特点

(1) 简单易行:只需几分钟便可安装组网。操作简单、直接;网络在安装时自动实现地址分配和节点设备间的连接,网络管理非常轻松;
(2) 成本低,集成Z-Wave技术的产品成本增加不大,相信随着市场需求的扩大,各个供应商纷纷推出自己的Z-WAVE芯片和模块,Z-WAVE产品的价格还会进一步下降;
(3) 低功耗:Z-WAVE采用轻权协议和压缩帧格式实现低功耗。除此之外,Zensys采用了自适应发射功率模式,在通信连接(Connection)状态下采用了休眠模式,一般Z-WAVE设备仅靠两节7号电池就可以维持长达1 0年以上的寿命;
(4)  Z-WAVE模块体积很小,可以方便地集成到各种设备中;
(5) 具有很好的抗干扰能力:Z-WAVE使用的是免授权通信频带,采用双向应答式的传送机制、压缩帧格式、随机式的逆演算法来减少干扰和失真,同时每个Z-WAVE网络都有其自身的独特的网络标识符,这样可以防止由于邻近网络而引起的控制问题或干扰;
(6) 通用性和可升级性:Z-WAVE技术采用了通用指令类和可变帧结构,同时为OEM的某些特殊应用提供了应用编程接口,从而保证了通用性、向后兼容性和更广泛的应用。Z-WAVE是一种可升级的协议。在它的通用性方面还会得到进一步的完善[4]。

三.Z-WAVE,ZigBee, 蓝牙技术比较

Z-WAVE、ZigBee、Bluetooth是如今较流行的三种家庭自动化中的短距离无线通信技术,表1列出了三者在各个方面的比较。
表1   Z-WAVE, ZigBee, Bluetooth性能比较表
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通过表1数据,可以比较出三种无线通信技术的各自特点。
(1) 在可靠性方面,当信号在无线环境中传输时,必然存在大幅度衰落以及干扰问题等。目前运行在Z-WAVE所使用的900MHz ISM频带上的设备相对较少,在2.4GHz频段上已经有了ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等无线技术,导致该频段受到的干扰十分多。
(2) 在系统复杂度上,由于Z-WAVE的应用目标十分明确,即家庭自动化,所以其协议设计的十分轻凑,而ZigBee无线技术是基于IEEE802.15.4协议,由于其产品不光应用在家庭自动化中,也会用在生产现场,所以协议较Z-WAVE更为复杂。图4示意了Z-WAVE、 ZigBee、 Bluetooth协议之比较。
由于Z-WAVE协议简单,所以Z-WAVE所占的存储空间十分小。ZigBee和Bluetooth所占用的协议栈比Z-WAVE要大。由于Z-WAVE协议简单,使Z-WAVE的响应时间以及功耗都低于其他两者。
(3) 在成本方面,Z-WAVE也占有了十分明显的优势,比ZigBee成本降低了一半,比蓝牙成本降低了进80%。
通过以上对比,任们不难发现,Z-WAVE无线技术在诸如复杂度,成本等方面都表现了其一定的优势。这将是Z-WAVE与ZigBee和Bluetooth技术抢夺短距离无线通信市场的重要砝码[3]。
200810694438621.gif 四.Z-WAVE的应用前景及面临的挑战

4.1 Z-WAVE的应用前景

Z-WAVE技术目前主要专注于家庭自动化领域,力求为用户提供一个更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。Z-WAVE网络的安装简单易行,各种符合标准的家庭设备都能方便地“安装”到家庭网络中,也能方便地从家庭网络“卸载”。Z-WAVE在家庭中的应用包括照明控制、读取仪表(水、电、气)、家用电器功能控制、身份识别、通路管制、能量管理系统、预警火灾等。图5是用Z-WAVE实现家居的无线控制的解决方案。
另外,Z-WAVE还可以和传感器网络结合在一起使用,通过在家电和家居中部署基于Z-WAVE的传感器节点,并使用它们与Internet连接,用户就可以采用远程监控系统实现对家电的远程控制。例如在回家之前半小时打开空调,这样回家就可以直接享受适合的室温,也可以遥控电饭煲、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电,按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等操作,也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。

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图5  基于Z-WAVE实现家居的无线控制解决方案

4.2 Z-WAVE无线技术面临的挑战

由于Z-WAVE协议定义了工作于908MHz频段的双向射频系统。在连接层顶端,Zensys开发了一套路由协议,允许设计人员使用Z-WAVE技术设置网状网络。问题在于,该协议简单,但无法适当扩展,如果发生网络泛滥,协议就会崩溃。
存在的另一个问题在于Z-WAVE系统的芯片开发商目前仍然只有Zensys一家,而其对手ZigBee阵营已经有多家芯片供应商。当ZigBee芯片量产时,Zensys能否将Z-WAVE芯片的成本降到与之旗鼓相当。这些均会成为OEM面临选择供应商的处境。
Z-WAVE今后的发展方向将是进一步提高Z-WAVE网络的安全性以及数据传输的安全性。诸如Intel、Cisco、Microsoft、Logitech等这些大公司的加入,可以预见,通过今后几年的发展,Z-WAVE技术会在家庭自动化领域以及数字电器领域有所作为。