ZigBee與Z－Wave通信技術(shù)比較研究

彭建華，王 新

(空軍第一航空學(xué)院，河南信陽464000)

在很多工業(yè)控制及家庭自動化控制場合，無線通信的傳輸內(nèi)容通常僅僅為幾個指令或幾個參數(shù)，對于數(shù)據(jù)的傳輸速率沒有太高要求，一般認(rèn)為傳輸速率上限在64 kbps就足夠了。此時設(shè)備的成本及功耗則成為設(shè)計時最需要考量的標(biāo)準(zhǔn)。Wi－Fi、Bluetooth等通信方式相對于家庭自動化控制場合顯得過于復(fù)雜和高成本，因此一系列低成本、低功耗、低傳輸速率的通信方式便應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹的Zigbee和ZWave通信方式就屬于此類新興通信方式的代表。

1 兩種通信方式發(fā)展概況

1.1 Zigbee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種低功耗、短距離的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是低復(fù)雜度、近距離、低功耗、自組織、低成本、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于工業(yè)自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以方便地嵌入各種設(shè)備當(dāng)中。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)［1］。

1.1.1ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)

(1)低功耗。在待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月，甚至更長時間。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙只能工作數(shù)周、而Wi－Fi僅可工作數(shù)小時。

(2)低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的低傳輸速率，分別提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

(3)低成本。通過簡化通信協(xié)議，降低了對通信控制器的要求。以8位的8051微控制器進(jìn)行測算，全功能的Zig-Bee主節(jié)點(diǎn)(FFD)需要32KB代碼，子功能 ZigBee節(jié)點(diǎn)(RFD)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。

(4)近距離。ZigBee傳輸范圍一般在10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，傳輸距離可增加到1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由或節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

(5)短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms。相比較，藍(lán)牙的啟動時間需要3～10 s、Wi－Fi的啟動時間需要3 s。

(6)高容量。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以是星狀、片狀或網(wǎng)狀，由一個主節(jié)點(diǎn)對所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)，同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，理論上最多可組成65000個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

(7)高安全。ZigBee提供了三種安全模式，包括:①無安全設(shè)定，②使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)，③采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼，確保其網(wǎng)絡(luò)的安全性。

1.1.2傳輸方式

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要采用基于Adhoe技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使其在具有通用的網(wǎng)絡(luò)層功能基礎(chǔ)上能盡量地減少成本、減小功耗，并具有高度動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自組織、自維護(hù)的功能。

為了降低系統(tǒng)成本和網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了兩種類型的設(shè)備:一種是全功能設(shè)備FFD(Full Function Device，F(xiàn)FD)稱為主設(shè)備，它可以與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備通信，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，也可以作為網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備;另一種是簡化功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device，RFD)稱為從設(shè)備，它不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，只能與主設(shè)備通信。ZigBee主要采用了3種組網(wǎng)方式［2］:星型網(wǎng)(Star)、網(wǎng)狀型網(wǎng)(Mesh)和簇狀型網(wǎng)(Cluster tree)，如圖1所示。

ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大多樣的組網(wǎng)能力，可以根據(jù)實際控制場合的需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 ZigBee的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 Z－Wave技術(shù)

Z－Wave是由丹麥Zensys公司主導(dǎo)創(chuàng)立的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)格，其核心微控制器采用Atmal 6倍速單片機(jī)8051架構(gòu)，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM，使用Source Routing路由協(xié)議，該通信網(wǎng)絡(luò)研發(fā)之初的主要目標(biāo)是鎖定家庭自動化應(yīng)用場合。

1.2.1Z －Wave技術(shù)的特點(diǎn)

(1)低成本。Z－Wave在一個控制系統(tǒng)中可以實現(xiàn)233個節(jié)點(diǎn)間的通信和路由，這個數(shù)量雖然不及ZigBee，但對于家庭控制場合來說已經(jīng)足夠使用了。另外，為了保證Z－Wave的低成本，Z－Wave技術(shù)使用的帶寬僅為9.6kbps。除此之外，Z－Wave還可以置于一個集成模塊里，例如第二代單芯片ZW02012－Wave，就是將多種器件集成在單個芯片上，這就大大地降低了Z－Wave的開發(fā)、使用成本。

(2)低功耗。使用Z－Wave通信技術(shù)的控制系統(tǒng)由于在控制及信息交換中的通信量較低，且對通信時間的要求不高，因此9.6kbps的通信速率足夠滿足這種通信負(fù)荷，所以，Z－Wave可以采用電池供電，這就降低了網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的運(yùn)行功耗。

(3)高可靠性。Z－Wave網(wǎng)絡(luò)是一種以點(diǎn)對點(diǎn)為主的通信網(wǎng)絡(luò)，它不會因為一個節(jié)點(diǎn)的故障而影響其它的節(jié)點(diǎn)的工作。另外該技術(shù)采用雙向應(yīng)答式的傳送機(jī)制，并對數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行壓縮，確保信息的有效、可靠傳輸，使用隨機(jī)式的逆演算法減少失真和干擾。隨著Z－Wave應(yīng)用的逐步廣泛，Z－Wave組織也將會進(jìn)一步開始考慮提供相應(yīng)的加密措施。

(4)覆蓋性。通信控制系統(tǒng)大都受距離和可靠性的限制，因此以往大部分控制系統(tǒng)需要使用有線連接來確保對整個控制區(qū)域的覆蓋。Z－Wave可支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其多點(diǎn)對多點(diǎn)的連接方式可提供更高的可靠性以及更大的覆蓋范圍。該技術(shù)中集成的動態(tài)路由機(jī)制實現(xiàn)了虛擬的無限制信號傳輸范圍，每個Z－Wave設(shè)備都可以將信號從一個設(shè)備重傳至另一個，從而保證高度可靠的傳輸覆蓋整個控制區(qū)域［3］。

1.2.2傳輸方式

Z－Wave是一種短距離、低速率的無線通信新技術(shù)，其傳輸方式采用中繼接力傳輸方式，此方式具有可靠性高、實時性好、傳輸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能隨系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整而迅速進(jìn)行自適應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性較強(qiáng)。每一個Z－Wave網(wǎng)絡(luò)都擁有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址(HomeID);網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的地址(NodeID)由控制節(jié)點(diǎn)(Controller)分配。每個網(wǎng)絡(luò)最多容納232個節(jié)點(diǎn)(Slave)。控制節(jié)點(diǎn)可以有多個，但只有一個主控制節(jié)點(diǎn)(Mster Controller)，即所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的分配，都由主控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，其他控制節(jié)點(diǎn)只是響應(yīng)或轉(zhuǎn)發(fā)主控制節(jié)點(diǎn)的指令。已入網(wǎng)的普通節(jié)點(diǎn)，所有控制節(jié)點(diǎn)都可以控制。超出通信距離的節(jié)點(diǎn)，可以通過控制器與受控節(jié)點(diǎn)之間的其他節(jié)點(diǎn)，以路由(Routing)的方式完成控制。圖2為Z－Wave的路由結(jié)構(gòu)圖。

圖2 Z－Wave的路由結(jié)構(gòu)圖

2 兩種通信方式的特點(diǎn)比較

2.1 工作頻段

目前，ZigBee所使用的2.4 GHz頻段正變得日益擁擠，Wi－Fi、手機(jī)、藍(lán)牙以及各種PDA設(shè)備都運(yùn)行在這個頻段上，不可避免地產(chǎn)生相互間的干擾。而運(yùn)行在Z－Wave所使用的900 MHz頻段上的設(shè)備相對較少。并且工作于各自頻段上的ZigBee與Z－Wave無線信號，后者的物理傳播有效距離大約是前者的2.5倍，在靈敏度方面也大約高出了6 dBm。

2.2 帶寬

ZigBee和Z－Wave同屬于低速率無線通信技術(shù)，只能傳輸控制指令、參數(shù)或文本信號，二者都著力于窄帶寬應(yīng)用。ZigBee在不同頻帶具有不同的帶寬，分別是2.4 GHz(全球流行)的250 kbps、868 MHz(歐洲)的20 kbps和915 MHz(美國)的40 kbps。而Z－Wave的帶寬只有9.6 kbps。

2.3 傳輸距離

ZigBee的在無外接功放的條件下傳輸距離約為10～300 m。其中2.4 GHz頻段的傳輸距離為10 m左右，915 MHz頻段的傳輸距離為30～75 m，868 MHz的傳輸距離為300 m。而Z－Wave在無外接功放的條件下的傳輸距離為30 m～100 m。但上述數(shù)據(jù)只是二者單段傳輸距離的理論值，實際的傳輸距離還必須要根據(jù)發(fā)射功率的大小、應(yīng)用模式以及中繼節(jié)點(diǎn)的使用情況而定。

2.4 網(wǎng)絡(luò)容量

一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納65536個設(shè)備，其中一個為主控設(shè)備，其他全部為從設(shè)備。在Z－Wave單一家庭區(qū)網(wǎng)(150～600 m2)中可以部署232個節(jié)點(diǎn)。Zensys公司認(rèn)為，Z－Wave目前專注家用市場，232個節(jié)點(diǎn)足以滿足一般家庭用戶(20～200個節(jié)點(diǎn))的需要，并且Z－Wave還可以通過區(qū)域內(nèi)組網(wǎng)以擴(kuò)充更多節(jié)點(diǎn)，但一般的家庭用戶并不需要。

Z－Wave、ZigBee與其他較為流行的短距離無線通信技術(shù)(如藍(lán)牙)的簡要比較如表1所示。

表1 3種通信技術(shù)的簡要比較

3 兩種通信方式的應(yīng)用前景

ZigBee和Z－Wave都是成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、低傳輸速率的無線通信技術(shù)，它們之間的競爭日益激烈，二者的市場前景如何?將從四個方面來分析。

3.1 能量消耗

Z－Wave使用的是頻率調(diào)變(FSK)無線通信方式，而ZigBee使用的是相對復(fù)雜的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)方式。另外，ZigBee定義了FFD和RFD兩種設(shè)備，這兩種設(shè)備都是使用了802.l5.4無線電協(xié)議并且所需的存儲空間也都大過等同功能的Z－Wave設(shè)備。所以在這一點(diǎn)上，Z－Wave更有優(yōu)勢。

3.2 互操作性

Zensys能夠保證Z－Wave的互操作性，因為Zensys與其合作公司已經(jīng)兼顧了無線電、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、設(shè)備類型和資格認(rèn)證等方面。而ZigBee同時支持2.4GHz和915MHz頻段，由于價格的原因用戶一般不愿意購買同時支持兩種頻帶的產(chǎn)品，所以ZigBee必須要首先確保不同供應(yīng)方的無線電波、軟件堆棧和信息設(shè)備之間的互操作性問題，這將給ZigBee的更新版本發(fā)布帶來困難。

3.3 開發(fā)進(jìn)度

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用了聯(lián)盟和IEEE搭配協(xié)同的方式來制訂，優(yōu)勢是獲得的支持較多，但也由于融入了過多業(yè)者的想法與意見而拖延了標(biāo)準(zhǔn)化時間，在2004年12月才完成了正式版規(guī)格的發(fā)布。而Z－Wave采取了聯(lián)盟自行修訂的辦法，因此執(zhí)行力與進(jìn)度似乎較ZigBee快速。

3.4 安全性

在安全性方面，二者都提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，Zensys公司推出的Z－Wave 100系列芯片采用了硬件支持的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生(random number generation)和3DES加密算法，而ZigBee采用的是AES－l28加密算法。就安全性而言，理論上ZigBee更為安全。

4 小結(jié)

從以上的分析中可以看出，ZigBee和Z－Wave在技術(shù)、應(yīng)用層面上都有其各自優(yōu)缺點(diǎn)。在家庭自動化場合，ZWave以其低成本和便于集成的優(yōu)點(diǎn)越來越多地得到了業(yè)界的認(rèn)可，廣泛地應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域。通過Z－Wave技術(shù)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)，不僅可以通過本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)對家用電器的智能控制，還可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)對Z－Wave網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制。在2011年美國ces展，wintop都已經(jīng)推出基于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的產(chǎn)品，如遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程照明控制等，且目前該技術(shù)已經(jīng)成熟，主要是一個市場開拓及消費(fèi)群體的培育還需要一段時間。

而在對于通信要求相對較高的工業(yè)控制場合，如城市燈光控制、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域，依然是保密性好、得到IEEE認(rèn)可的ZigBee技術(shù)更多地占據(jù)了市場份額。

這兩種技術(shù)都可以避開無線通信運(yùn)營商，從而極大地節(jié)約了成本，更加便于靈活運(yùn)用。另外多種技術(shù)的融合也將使近距離無線通信變得更完善，是將來近距離無線通信技術(shù)的必然趨勢。

［1］蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006:190－191.

［2］LAN/MAN Standards Committee.Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHL)specifications for Low－rate Wireless Personal Area Networks［EB/OL］.(2004 －08 －30).http://www.zigbee.0rg/.

［3］徐小濤，吳延林，高泳洪，等.基于Z－Wave的無線個域網(wǎng)運(yùn)用［J］.電信快報，2008(11):13－14.