ZigBee与Z－Wave通信技术比较研究

彭建华，王 新

(空军第一航空学院，河南信阳464000)

在很多工业控制及家庭自动化控制场合，无线通信的传输内容通常仅仅为几个指令或几个参数，对于数据的传输速率没有太高要求，一般认为传输速率上限在64 kbps就足够了。此时设备的成本及功耗则成为设计时最需要考量的标准。Wi－Fi、Bluetooth等通信方式相对于家庭自动化控制场合显得过于复杂和高成本，因此一系列低成本、低功耗、低传输速率的通信方式便应运而生。本文介绍的Zigbee和ZWave通信方式就属于此类新兴通信方式的代表。

1 两种通信方式发展概况

1.1 Zigbee技术

ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术，它是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种低功耗、短距离的无线通信技术。其特点是低复杂度、近距离、低功耗、自组织、低成本、低数据速率。主要适合用于工业自动控制和远程控制领域，可以方便地嵌入各种设备当中。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术［1］。

1.1.1ZigBee 技术特点

(1)低功耗。在待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长时间。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙只能工作数周、而Wi－Fi仅可工作数小时。

(2)低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的低传输速率，分别提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

(3)低成本。通过简化通信协议，降低了对通信控制器的要求。以8位的8051微控制器进行测算，全功能的Zig-Bee主节点(FFD)需要32KB代码，子功能 ZigBee节点(RFD)少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。

(4)近距离。ZigBee传输范围一般在10～100 m之间，在增加RF发射功率后，传输距离可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由或节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

(5)短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从待机状态转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms。相比较，蓝牙的启动时间需要3～10 s、Wi－Fi的启动时间需要3 s。

(6)高容量。ZigBee的网络结构可以是星状、片状或网状，由一个主节点对所有子节点进行管理，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，理论上最多可组成65000个节点的大网。

(7)高安全。ZigBee提供了三种安全模式，包括:①无安全设定，②使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据，③采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，确保其网络的安全性。

1.1.2传输方式

ZigBee的网络层主要采用基于Adhoe技术的网络协议，使其在具有通用的网络层功能基础上能尽量地减少成本、减小功耗，并具有高度动态的拓扑结构和自组织、自维护的功能。

为了降低系统成本和网络的复杂度，ZigBee网络中定义了两种类型的设备:一种是全功能设备FFD(Full Function Device，FFD)称为主设备，它可以与网络中任何类型的设备通信，承担网络协调者的功能，也可以作为网络中的路由设备;另一种是简化功能设备RFD(Reduced Function Device，RFD)称为从设备，它不能作为网络协调者，只能与主设备通信。ZigBee主要采用了3种组网方式［2］:星型网(Star)、网状型网(Mesh)和簇状型网(Cluster tree)，如图1所示。

ZigBee技术具有强大多样的组网能力，可以根据实际控制场合的需要来选择合适的网络结构。

图1 ZigBee的三种网络拓扑结构

1.2 Z－Wave技术

Z－Wave是由丹麦Zensys公司主导创立的无线网络规格，其核心微控制器采用Atmal 6倍速单片机8051架构，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM，使用Source Routing路由协议，该通信网络研发之初的主要目标是锁定家庭自动化应用场合。

1.2.1Z －Wave技术的特点

(1)低成本。Z－Wave在一个控制系统中可以实现233个节点间的通信和路由，这个数量虽然不及ZigBee，但对于家庭控制场合来说已经足够使用了。另外，为了保证Z－Wave的低成本，Z－Wave技术使用的带宽仅为9.6kbps。除此之外，Z－Wave还可以置于一个集成模块里，例如第二代单芯片ZW02012－Wave，就是将多种器件集成在单个芯片上，这就大大地降低了Z－Wave的开发、使用成本。

(2)低功耗。使用Z－Wave通信技术的控制系统由于在控制及信息交换中的通信量较低，且对通信时间的要求不高，因此9.6kbps的通信速率足够满足这种通信负荷，所以，Z－Wave可以采用电池供电，这就降低了网络控制设备的运行功耗。

(3)高可靠性。Z－Wave网络是一种以点对点为主的通信网络，它不会因为一个节点的故障而影响其它的节点的工作。另外该技术采用双向应答式的传送机制，并对数据帧格式进行压缩，确保信息的有效、可靠传输，使用随机式的逆演算法减少失真和干扰。随着Z－Wave应用的逐步广泛，Z－Wave组织也将会进一步开始考虑提供相应的加密措施。

(4)覆盖性。通信控制系统大都受距离和可靠性的限制，因此以往大部分控制系统需要使用有线连接来确保对整个控制区域的覆盖。Z－Wave可支持网状网络拓扑，其多点对多点的连接方式可提供更高的可靠性以及更大的覆盖范围。该技术中集成的动态路由机制实现了虚拟的无限制信号传输范围，每个Z－Wave设备都可以将信号从一个设备重传至另一个，从而保证高度可靠的传输覆盖整个控制区域［3］。

1.2.2传输方式

Z－Wave是一种短距离、低速率的无线通信新技术，其传输方式采用中继接力传输方式，此方式具有可靠性高、实时性好、传输稳定性好的特点，能随系统网络调整而迅速进行自适应，网络适应性较强。每一个Z－Wave网络都拥有自己独立的网络地址(HomeID);网络内每个节点的地址(NodeID)由控制节点(Controller)分配。每个网络最多容纳232个节点(Slave)。控制节点可以有多个，但只有一个主控制节点(Mster Controller)，即所有网络内节点的分配，都由主控制节点负责，其他控制节点只是响应或转发主控制节点的指令。已入网的普通节点，所有控制节点都可以控制。超出通信距离的节点，可以通过控制器与受控节点之间的其他节点，以路由(Routing)的方式完成控制。图2为Z－Wave的路由结构图。

图2 Z－Wave的路由结构图

2 两种通信方式的特点比较

2.1 工作频段

目前，ZigBee所使用的2.4 GHz频段正变得日益拥挤，Wi－Fi、手机、蓝牙以及各种PDA设备都运行在这个频段上，不可避免地产生相互间的干扰。而运行在Z－Wave所使用的900 MHz频段上的设备相对较少。并且工作于各自频段上的ZigBee与Z－Wave无线信号，后者的物理传播有效距离大约是前者的2.5倍，在灵敏度方面也大约高出了6 dBm。

2.2 带宽

ZigBee和Z－Wave同属于低速率无线通信技术，只能传输控制指令、参数或文本信号，二者都着力于窄带宽应用。ZigBee在不同频带具有不同的带宽，分别是2.4 GHz(全球流行)的250 kbps、868 MHz(欧洲)的20 kbps和915 MHz(美国)的40 kbps。而Z－Wave的带宽只有9.6 kbps。

2.3 传输距离

ZigBee的在无外接功放的条件下传输距离约为10～300 m。其中2.4 GHz频段的传输距离为10 m左右，915 MHz频段的传输距离为30～75 m，868 MHz的传输距离为300 m。而Z－Wave在无外接功放的条件下的传输距离为30 m～100 m。但上述数据只是二者单段传输距离的理论值，实际的传输距离还必须要根据发射功率的大小、应用模式以及中继节点的使用情况而定。

2.4 网络容量

一个ZigBee网络最多可以容纳65536个设备，其中一个为主控设备，其他全部为从设备。在Z－Wave单一家庭区网(150～600 m2)中可以部署232个节点。Zensys公司认为，Z－Wave目前专注家用市场，232个节点足以满足一般家庭用户(20～200个节点)的需要，并且Z－Wave还可以通过区域内组网以扩充更多节点，但一般的家庭用户并不需要。

Z－Wave、ZigBee与其他较为流行的短距离无线通信技术(如蓝牙)的简要比较如表1所示。

表1 3种通信技术的简要比较

3 两种通信方式的应用前景

ZigBee和Z－Wave都是成本低廉、结构简单、低传输速率的无线通信技术，它们之间的竞争日益激烈，二者的市场前景如何?将从四个方面来分析。

3.1 能量消耗

Z－Wave使用的是频率调变(FSK)无线通信方式，而ZigBee使用的是相对复杂的IEEE 802.15.4标准的直接序列扩频(DSSS)方式。另外，ZigBee定义了FFD和RFD两种设备，这两种设备都是使用了802.l5.4无线电协议并且所需的存储空间也都大过等同功能的Z－Wave设备。所以在这一点上，Z－Wave更有优势。

3.2 互操作性

Zensys能够保证Z－Wave的互操作性，因为Zensys与其合作公司已经兼顾了无线电、网络协议、设备类型和资格认证等方面。而ZigBee同时支持2.4GHz和915MHz频段，由于价格的原因用户一般不愿意购买同时支持两种频带的产品，所以ZigBee必须要首先确保不同供应方的无线电波、软件堆栈和信息设备之间的互操作性问题，这将给ZigBee的更新版本发布带来困难。

3.3 开发进度

ZigBee标准采用了联盟和IEEE搭配协同的方式来制订，优势是获得的支持较多，但也由于融入了过多业者的想法与意见而拖延了标准化时间，在2004年12月才完成了正式版规格的发布。而Z－Wave采取了联盟自行修订的办法，因此执行力与进度似乎较ZigBee快速。

3.4 安全性

在安全性方面，二者都提供了数据完整性检查和鉴权功能，Zensys公司推出的Z－Wave 100系列芯片采用了硬件支持的随机数产生(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，理论上ZigBee更为安全。

4 小结

从以上的分析中可以看出，ZigBee和Z－Wave在技术、应用层面上都有其各自优缺点。在家庭自动化场合，ZWave以其低成本和便于集成的优点越来越多地得到了业界的认可，广泛地应用在智能家居领域。通过Z－Wave技术构建的无线网络，不仅可以通过本网络设备实现对家用电器的智能控制，还可以通过Internet网络对Z－Wave网络中的设备进行控制。在2011年美国ces展，wintop都已经推出基于互联网远程控制的产品，如远程监控，远程照明控制等，且目前该技术已经成熟，主要是一个市场开拓及消费群体的培育还需要一段时间。

而在对于通信要求相对较高的工业控制场合，如城市灯光控制、汽车自动化、农业自动化等领域，依然是保密性好、得到IEEE认可的ZigBee技术更多地占据了市场份额。

这两种技术都可以避开无线通信运营商，从而极大地节约了成本，更加便于灵活运用。另外多种技术的融合也将使近距离无线通信变得更完善，是将来近距离无线通信技术的必然趋势。

［1］蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，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］徐小涛，吴延林，高泳洪，等.基于Z－Wave的无线个域网运用［J］.电信快报，2008(11):13－14.