ZigBee和Z-Wave的区别与未来

　　ZigBee和Z-Wave短距离无线技术都用于远程监控和控制，但两种技术的规格和应用却不同。在美国应用越来越广泛的家庭局域网（home-area network, HAN）中，两种技术都是理想选择。本文将对比这两种广泛使用的无线技术（见表格）。 

　　ZigBee

　　ZigBee基于IEEE的802.15.4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设备运行于免费的工业、科学和医疗（ISM）频段。最受欢迎的配置都在2.4GHz频带，而ZigBee定义了16个5MHz的运行频段。最高数据率为250kbits/s，使用交错正交相移键控（OQPSK）。

　　ZigBee也支持其他的规格选择，如运行于915MHz（美国）上，以40kbits/s的速率传输，使用双相移相键控（BPSK）调制。欧洲版标准使用868MHz频率，速率20kbits/s。

　　ZigBee的典型功率在1mW或0dBm，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。

　　可用的16个信道允许无线传输能在最小的干扰下找到合适的频率。

　　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，这些软件也称为应用规范（profile）。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（RF4CE，或称消费电子射频）、建筑自动化和零售服务。

　　Ember推出的EM351和EM357单芯片ZigBee设备包括一个802.15.4无线收发器和一个嵌入式32位ARM cortex M3处理器。EM351有128kbytes闪存，EM357有192kbyites闪存。两个产品都有12kbytes的RAM，内置AES128加密。接口包括UART、串口（SPI）、两线口（TWI）和一个数模转换器（ADC）。另外还有24位通用I/O（GPIO）。Ember提供完整的开发套件，包括硬件模块和所有软件（图1）。 

　　图1：Ember的开发套件，包括芯片、ZigBee协议软件、相应的开发工具转为简化嵌入式软件、网络和射频集成的复杂度而设计，用于开发家庭、智能能源和其他远程监控和控制应用的低功耗无线产品。 

　　同时，iControl提供了ZigBee家庭监控和控制面板（图2）。Ember和iControl联手协助宽带服务提供商和家庭安全公司，在互动安全性、监控、家庭管理服务领域探索新趋势。iControl OpenHome软件平台与其开放、和技术本身无关的软件基础设施互相配合，全部集成并显示在一个触摸屏上，功能包含报警系统、通信网关、家庭自动化平台。Ember的ZigBee平台为整个系统提供双向无线网络基础设施。 

　　图2：全部集成在触摸屏中，iControl的家用“仪表盘”专为中央监控和控制接口设计，提供所有家庭能源和自动化功能。ZigBee和智能电表以及家庭设备无线连接并进行监控和控制。

　　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一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使用Part 15免费ISM频带，运行在美国和加拿大的908.42MHz频率上，在其他国家则根据各国规定使用其他不同频率。调制方式是高斯移频键控（FSK）。数据速率包括9600 bits/s和40kbits/s。输出功率为1mW和0 dBm。和其他无线技术类似，传输范围取决于环境。在开阔空间中，最大范围可达30米。穿墙的话范围会有一定减小。 

　　Sigma Designs的ZM3102模块专为和其它产品集成而设计，用于监控和控制。除了无线收发器外，还包括板载一块CPU，以及内置的23kbytes闪存和2kbytes的SRAM，另外还支持有四个模拟输入的12位ADC。接口包括GPIO、SPI、UART和脉冲宽带调制（PWM），也提供Triac控制器。模块电压范围为2.1V到3.6V直流，功耗非常低。典型的转发周期仅为0.1%，也就是说大多数时候设备处于休眠模式。

　　ZM4101和ZM4102更强大，运行的频率范围页更宽（图3）。8051 CPU有64kbytes的单次可编程（OTP）存储，16kytes的SRAM和64kbytes 的非易失性RAM（NVRAM）。接口包括USB、128-key的矩阵扫描器。模块包括一个四通道LED控制器，数据率达到100kbits/s，还支持AES128加密。 

　　图3：Sigma Designs的ZM4101是集成Z-Wave的模块，为集成式的家庭监控和控制功能设计。ZM4101支持100kbits/s的数据率，采用AES 128加密。

　　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。

　　总结

　　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、ODM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、Jennic、Lemos和RFM。 

　　在0 dBm的特定功率下，Z-Wave的范围比ZigBee更大，这是因为Z-Wave运行在更低的频率下（根据Friis公式）。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 ISM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。