智能家居相关技术Z-Wave技术协议——物理层的应用

Z-Wave协议是一个低带宽半双工传输协议，它为高可靠性的低功耗网状网络的无线通信而设计。协议的主要目的是在控制单元和一个或多个节点单元之间可靠地传输较短的控制信息。

协议由下至上分为5层：物理层、MAC层、传输层、路由层和应用层。MAC层负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束。同时控制信道接入，进行帧校验，并预留时隙管理。为了提高数据传输的可靠性，当有节点进行数据传送时，媒体介质层还采用了载波侦听多址、冲突避免（CSMA/CA）机制以防止其他节点传送信号。传输层主要用于提供节点之间的可靠的数掘传输，主要功能包括重新传输、帧校验、帧确认以及实现流量控制等。路由层控制节点间数据帧的路由、确保数据帧在不同节点间能够多次重复传输、扫描网络拓扑和维持路由表等。应用层负责Z-Wave网络中的译码和指令的执行，主要功能包括曼彻斯特译码、指令识别、分配HomeID和Node ID、实现网络中控制器的复制以及对于传送和接收帧的有效荷载进行控制等。

1）物理层

Z-Wave是一种低速率无线技术，专注于低速率应用，有9.6Kbit/s和40Kbit/s两种传输速率，前者用来传输控制命令绰绰有余，而后者可以提供更为高级的网络安全机制。它的工作频段灵活，处于900MHz （ISM （Industrial Scientific Medical）频带）、868.42MHz（欧洲）、908.42MHz（美国），工作在这些频带上的设备相对较少，而ZigBee或蓝牙所使用的2.4GHz频带正变得日益拥挤，相互之间的干扰不可避免，因此Z-Wave技术更能保证通信的可靠性。

Z-Wave的功耗极低。它使用了频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）无线通方式，适合智能家居网络使用，电池供电节点通常保持在睡眠状态，每隔一段时间唤醒一次，监听是否有需要接收的数据，两节普通7号电池可以使用长达10年时间，免去了频繁充电和更换电池的麻烦，保证了应用的长久稳定。

Z-Wave的系统复杂性比ZigBee小， 比蓝牙设备要小得多，协议简单，所要求的存储空间很小。标准的Z-Wave模块中设计了32KB的闪存用于存放协议，而同等功能的ZigBee模块则至少需要128KB才能使用，蓝牙则需要更多。所以Z-Wave模块的成本要低于ZigBee或者蓝牙设备。

Z-Wave网络容量为单网络最多232个节点，远低于ZigBee的65535个。Z-Wave节点的典型覆盖范围为室内30m以及室外100m，最多支持4级路由。在应用的普适性方面差于ZigBee，不能使用单一技术建立大规模网络。但对于智能家居应用来说，已经足以覆盖到全部范围。通过使用虚拟节点技术，Z-Wave网络也可以与其他类型的网络进行通信。