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无线传感器网络标准—ZigBee与Z-Wave比较分析 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2023-07-18

关键词：传感器网络标准 ZigBee Z-Wave

一、ZigBee与Z-Wave发展状况 P~)ndaQ

在无线传感器网络（WSN）领域中，多数人看好的是ZigBee，毕竟ZigBee有国际标准IEEE 802.15.4为其技术根基，且目标市场较广、潜在需求用量较大。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，不似ZigBee能同时适用在工控、医疗、安全等多种领域。
就技术标准而言Z-Wave已矮于ZigBee一截，而推广上，Z-Wave也一样居于弱势。Zensys极力避免他人认定Z-Wave是该公司专属自用的技术，一旦如此认定，势对Z-Wave的普及推广产生阻力，所以Zensys发起、成立了Z-Wave Alliance的联盟机构，期望以机构主导此标准的推广，让Z-Wave技术获得更广泛的采用。
虽然Z-Wave Alliance已有100多家业者加入成会员，但仔细观察会员名单，却相当缺乏IT、通讯、消费性电子等3C领域的重量级业者来支持，相对的国际级的半导体业者几乎都支持及参与ZigBee，因此Z-Wave连业者阵容、机构气势等方面也一样不如ZigBee。
不过，Z-Wave的气势低落是2006年1月以前的事，在此之后就风云突变，首先是通讯设备大厂思科（Cisco）宣布投资Zensys公司（Cisco虽投资与支持Z-Wave，但主要也是将Z-Wave技术用在家庭性的无线应用产品上，此方面属于Cisco旗下Linksys的业务范畴），并加入Z-Wave Alliance机构，之后在同年6月与 Intel的创投单位Intel Capital宣布投资Zensys，且一样加入Z-Wave Alliance，顿时Zensys、Z-Wave获得IT、通讯两大领域的重量级业者的力挺，气势大增。

图一：图中为Zensys公司的第二代Z-Wave单芯片－ZM0201，ZM0201的封装尺寸小于第一代的ZM0102，图中为ZM0201与一枚25美分硬币的尺寸比较。

到了2007年1月，软件巨头Microsoft也呼应Z-Wave技术，在其.NET Micro Framework（简称：.NET MF）上加入对Z-Wave的支持，并宣布与Z-Wave Alliance中的会员业者Leviton、ControlThink等共同研发Z-Wave应用，再加上PC外围大厂Logitech（罗技）也推出使用Z-Wave技术的家庭遥控器，从这种种迹象来看，Z-Wave的发展并没有想象中的悲观，并且从单纯的家庭自动化应用，扩展延伸到数字家庭的领域中。
此外，Z-Wave标准与Z-Wave功效技术等在近年来也持续进步中，许多技术细节与支持芯片也都有所强化、提升。

二、Z-Wave技术更新 ]Au78Yom

过去，若对Z-Wave有所了解的读者，必然对Z-Wave的传输率表现感到印象深刻，不过这并非是强悍的深刻，反而是低落的深刻，Z-Wave的传输率仅有9.6kbps，虽然WSN本就不强调数据的传输速度、传输量，但也不至于过低，以ZigBee来相对比较，即便不去谈论2.4GHz频段的250kbps传输率，在915MHz频段上也至少有40kbps，或在868MHz频段上也还有20kbps，ZigBee的三种速率模式都没有低至9.6kbps。
也许Z-Wave阵营已了解到此一弱处，并在之后进行强化改进，新的资料显示，Z-Wave除了原有的9.6kbps速率外，也另增一个可达40kbps速率的模式，以此拉近与ZigBee之间的差距，如此ZigBee除了在2.4GHz的250kbps速率胜过Z-Wave外，另两种模式与Z-Wave无太大差异。
而且，Z-Wave提出的新速率能与原有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。

图二：第二代Z-Wave单芯片－ZM0201的内部功能方块图，其中包括8051微控制器核心、Z-Wave的软件API、可存放Z-Wave应用程序的内存空间、Z-Wave的无线射频收发器（RF Transceiver）等。

在使用频段方面，Z-Wave也与ZigBee差距不大，Z-Wave虽不像ZigBee能在2.4GHz频段使用，但也能在868MHz及908MHz（具体而言是868.42MHz及908.42MHz）的频段工作，且与ZigBee相同的，868MHz频段在欧洲地区运用，908MHz（ZigBee位于相近的915MHz）频段则是在美国地区运用。

至于无线发送的调制，Z-Wave依旧是使用原有的GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying）方式。相对的，ZigBee在868MHz与915MHz频段是使用BPSK（Binary Phase-Shift Keying）调制，而在2.5GHz频段是使用正交式QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying）调制。

三、欧洲与美国地区的差异 W'rft@J$

若更进一步了解，可以发现Z-Wave技术与今日其它新推行的无线技术一样，经常遭遇到各地区电信法规的不同限制，而必须做出各种的因应与妥协。
举例而言，Z-Wave在欧洲所使用的868MHz频段，在法规上有占空比不得大于百分之一的限制，也就是说：Z-Wave真正在进行无线信号发送的时间与没有在发送无线信号的时间，比例是1：99，若将时间刻度放大来解释，即是发送1秒钟的无线信号后，必须停止、闲置99秒，之后才能进行第二次发送，且发送时间一样只能持续一秒，接下来又是长达99秒的等待。很明显的，此项法规的限制也使Z-Wave不易提升其传输率。
当然，在长达99秒的等待过程中，Z-Wave节点（或称：装置）可以进入休眠的省电状态，藉此来降低功耗、节省用电，此方面Z-Wave已能达0.1%的占空比，同样以时间刻度放大的角度来说明，若一样以100秒为一个周期单位，Z-Wave可以只工作0.1秒，其余99.9秒的时间都在休眠。
图三：Zensys公司已推出第三代的Z-Wave单芯片：ZM0301，新世代单芯片使用0.18um制程，价格比第二代低廉15%∼30%（视需求用量的报价而定），且整合更多硬件资源，包括更大的内建内存，如此应用程序可直接撰写、烧录在单芯片内，不用再行外接内存来撰写、存放应用程序。
虽然Z-Wave在欧洲的868MHz频段上有占空比的限制，但相对的在美国908MHz频段上就没有这项限制，所以理论上Z-Wave日后可以在908MHz频段上有更高的速率提升空间。
不过，美国的908MHz频段却也有另一项缺点，即是对发送功率进行限制，其发送功率不得高于1毫瓦，相对的欧洲在这方面的规范反而较宽松，只要在25mW内都属合法使用，发送功率限制的结果也会连带限制Z-Wave的发送距离、无线覆盖率。至于ZigBee方面目前的最大发送功率也是在1mW（0dBm）内。

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四、二者间技术上的差异 Z@>hN%{d+g

既然谈及发送距离，那么也必须比较Z-Wave与ZigBee间的发射差异，Z-Wave的发送距离为100英呎（约30公尺），且要达到如此距离必须在电波的传送路径上没有任何阻挡，然而这并不表示Z-Wave无法进行穿透性传输，Z-Wave的无线发送依旧可以穿墙收发，不过穿越阻隔物的代价是减损传输距离，目前Z-Wave阵营尚未公布穿透性传输表现的相关信息，只以不同的穿透材质而有不同的距离折损来说明。
同样的，ZigBee方面也并未有完整具体的传输距离信息，仅有32英呎∼246英呎（10公尺∼75公尺）的概略描述，且一样表示必须依据实际发送的环境而定。
图四：图上为Z-Wave技术的标志，图下则为Z-Wave联盟的标章。
Z-Wave与ZigBee之间除了传输速度、传输距离有别之外，在节点数目、拓朴型态、安全加密上也都各有不同。
首先是节点数目，此方面Z-Wave并未有所改变，依旧是每个网络内最多232个节点，若想与更多节点联系，就必须使用跨网的桥接（Bridge）技术才行。
至于ZigBee方面，ZigBee的节点寻址达16-bit，理论上可以达65,536个节点，此远远胜过Z-Wave，此外ZigBee还能选用更大范畴的64-bit寻址，如此节点数就不可限量。更进一步的，IETF已拟定让ZigBee与IPv6接轨整合的6loWPAN（全称为：IPv6 over Low power WPAN），ZigBee节点将可以广大Internet结合，这些方面Z-Wave都无法比拟。
另外在连接拓朴方面，Z-Wave只有一种拓朴型态，即是网状（Mesh），而ZigBee除了也有网状拓朴外，也支持星状（Star）、丛集状（Cluster）等拓朴。值得注意的是，各节点除了自身所需的信号收发外，也会代为中继传递其它节点的信号，无论是自身需求的收发或转传其它节点的信号，该节点都会脱离休眠状态而进入运行状态，而经常扮演中继工作的节点将比其它节点更为忙碌，功耗也会较多，所以在实际布建时的设计规划上，也会尽量以非使用电池运行的装置来担任忙碌型中继的角色。

图五：Logitech公司推出使用Z-Wave技术的遥控器：Harmony 890 Advanced Universal Remote，遥控距离100英呎，可遥控15项家庭装置（包括家用照明），然目前售价仍高，2007年3月的网站价格为399.99美元
至于安全加密方面，ZigBee使用128-bit的AES对称加密，而Z-Wave则是尚未有任何加密的设计，这其实不难想象，在Z-Wave最初只有9.6kbps的传输带宽下，若再进行加密性传输，则实质数据的传递量将会更少，因此不太可能在9.6kbps中再行加密，不过Z-Wave将速率提升至40kbps后，也应该开始考虑提供加密的措施。

五、二者间在应用领域的差异 qn) VKx=

平心而论，Z-Wave在订立之初就以家庭自动化应用为目标，而ZigBee则是追求更广泛应用为目标，两者各在最初指导思想就有不同的考虑，自然在规格上也有诸多落差，此实不能单就规格数据表现来论断。
特别是Z-Wave获得Cisco、Intel、Microsoft等资通讯大厂的支持后，Z-Wave已从单纯的家庭自动化应用，开始扩展延伸到数字家庭领域，甚至是家庭自动化与数字家庭的接轨整合等，加上Z-Wave的各项技术仍在持续提升，从9.6kbps增进到40kbps可说是该阵营的一大鼓舞，同时也是给ZigBee更大的竞争压力。

图六：Z-Wave通过中继传输的方式来通讯，图中为Z-Wave跨房间转传联系的示意图。

此外，ZigBee原先期望也用于PC外围或消费性电子的游戏玩具中，但就目前来看，无论是PC所用的无线鼠标、无线键盘，还是Nintendo Wii的无线游戏控制器、Sony PlayStation 3的无线游戏控制器，都是使用蓝牙而非ZigBee，加上蓝牙芯片已多年大量量产，组件的量价均摊已达高度成熟，ZigBee当初设定以更低价格取代蓝牙在控制领域应用，此一构想的实现难度也日益增高。
由此来看，现在最需要担心的反而不是规格表现偏弱的Z-Wave，反而是追求应用领域最大化的ZigBee，很有可能落入“样样通、样样松”的结果。 Z-Wave占据家庭（家庭自动化、数字家庭；Bluetooth拥有信息（无线键盘／鼠标）、通讯（无线耳机／话筒）、消费性电子（电玩控制器），或许最后最适合ZigBee的将会落在工控、医疗等领域。

图七：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讯息，相对的传统单向红外线遥控器就难以实现此种设计。

文章出自: 世科网

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