12.Z-wave技术智能家居应用全解读

12.Z-wave技术智能家居应用全解读

来源:Z-wave点击次数:更新时间:2014-07-16


Z-Wave技术的起源
Z-Wave是丹麦一家名为Zen-Sys的公司推出的一项技术。在上世纪90年代末,两名丹麦工程师创立Zen-Sys。从开发家庭自动化解决方案,公司迅速发展成为通信技术供应商,为发展可互操作控制方案的公司提供技术支持。Z-Wave凭借其可靠性、可互操作性的特点,得到了全球范围厂商的认可,营造出最大的兼容性生态系统。

Zen-Sys找到的第一个大客户是在家庭自动化市场意识已经存在的美国,在X10早期的电力线载波家庭自动化协议的支持下,美国已经拥有了相关的市场需求,其中丹佛斯是第一个客户。

欧洲第一大Z-Wave设备制造商是德国的开关制造商莫顿(施耐德电气旗下品牌),在2007年底,莫顿公开推出的基于Z-Wave技术的照明系统CONNECT 。自2008年年初,美国和欧洲的市场有强劲增长态势,Z-Wave也开始受到亚洲人的认可。这也促进了美国更大的芯片制造商Sigma Designs公司对Zen-Sys的收购。在2008年12月,Sigma获得了原本由风险投资,包括英特尔创投资金所支持的Zen-Sys。

2005年Z-Wave联盟的成立是Z-Wave发展史上的另一个里程碑。这个产业联盟聚集了兼容Z-Wave产品的制造商。在2008年年底,该联盟就有100多家制造商。Z-Wave联盟不断为标准进行优化,和统一去进行的国际推广活动,如贸易展览等。Z-Wave联盟的另一个核心职责是维护各种基于Z-Wave协议设备的相互操作性问题。这是通过提供预先封装的功能源代码库和强制性认证制度来保证,即是贴上Z-Wave logo的设备必须符合Z-Wave联盟的三个要求:符合通信协议规范、良好的效能与一致的用户体验

虽然各个厂家的产品都运用Sigma Designs提供的模块,但是他们在实现应用设备功能方面有自由调整的空间。唯制造商不能修改预先封装的通信层和网络层的软件。 Z-Wave定义了所有应用程层的控制协议(例如当按钮B按下时如何通知开关A触发),设备制造商需要负责编译实现这些功能的应用层软件。大多数制造商会自行对应用层进行某些优化和功能提升。因此,在认证过程中的重点在于要确保设备的应用层功能符合通信协议规范标准以保证不同品牌不同产品之间功能的互操作性。

Z-Wave产品应用的市场现状
Z-Wave产品主要针对美国市场,用户量最大,预计可以达到70%左右,剩下的25%可能在欧洲。美国是一个相对发达国家,一种语言,一个标准,Z-Wave在美国应用以后发展的非常快。这是因为美国大部分城市的房屋都非常的大,要跑一遍屋子去关灯关空调是件费劲的事情,所以智能家居某程度上是刚需,与中国的住宅不同,美国没有成规模的小区,房屋就建设在马路旁边,安全性成为业主考虑的首要问题,因此在美国安防系统服务非常的成熟。对于安防企业来说,整个安防产业链的上下游无论是产品、施工还是售后服务都非常完善,在此基础上,导入智能家居系统,可以为安防企业增加更多的业绩,他们很乐意这样做,所以智能家居产品在美国是非常有市场的。

Z-Wave成功的原因除了美国有这个需求外,更重要的原因是Z-Wave的体制。目前市场的智能家居都被一些大品牌垄断,如AMX、ABB、施耐德、快思聪、Control4,大都是服务于大商业客户或者高端富裕阶层,为了利益最大化,不会把自己通信标准开放兼容,这样才能支撑高售价。而美国推动智能家居发展的主要是运营商。第一是安防运营商、第二是电信运营商。就他们而言,他们希望能够有多个供应商,并且可以执行一个跨品牌、跨产品的标准。良性的产品竞争,促使产品的价格便宜且不断改进升级。上述的两点都是Z-Wave在美国很快成功的原因。

相对而言欧洲是一个很分散的市场,有的国家只有几百万甚至几十万的人口,并且国与国之间的语言与电器插座也不一定相同,欧洲本土也有不少总线技术标准,因而Z-Wave发展没有美国那么快,但是因为欧洲能源费用很高、电费很贵,同时很注重环保,所以通过智能能源管理管控的产品,他们也很愿意花钱买单。美国人在能源管理也有关注,但是没有欧洲那么在意,美国最大的动力就在安防远程监控。因为除了美国几个大城市以外,其他部分的美国人居住的很分散。与此同时,美国的人工很贵,消费者往往选择安防监控科技来了解他们的家中情况,远程开门。

中国市场的难在两方面,一是中国的环境跟美国、欧洲不一样,多以小区群居,所以需要一个适合中国市场发展Z-Wave的整体方案 ,避免不了跟小区可视对讲整合,如果整合做的不好,功能就会受到局限。 二是国内市场民用住宅面积不是很大,消费层次也尚未达到,很多人不了解智能家居,没有亲身使用,缺乏购买和使用的欲望。

Z-Wave的技术特点
1.低成本

Z-Wave系统在一个家庭应用系统中能够实现232个节点、能够实现节点间的通信路由,虽然它的系统没能做到像ZigBee那样庞大(理论上能支持多达65536个节点),但是这个规模对于家庭控制来说已经足够了,而事实上在一个闭合无线网络不应该容纳太多设备,由于无线通信机制是通过大气交换信息,如果同时太多设备发出通信要求就会做成通信碰撞,好比太多车一起上公路就会塞车,Z-Wave本身有一个先进的通信机制去解决这个问题(类似公路上装了分流道与红绿灯),但通过实验证明一个Z-Wave网络如果加入超过120个设备之后,设备操作会出现人能感觉的迟滞,(一般家庭会有20-30个设备),所以Z-Wave把网络节点局限在232个以内是聪明的做法。Z-Wave聚焦于智能家居的狭窄应用领域的策略让其得以比较低的成本实现相对理想的效能。

2.低功耗
使用Z-Wave技术的家庭设施由于在控制及信息交换中的通信量较低,因此十几KB/s的通信速率已经足够能胜任这个通信负荷,因此完全可以采用电池供电,这就降低了家用设施的运行功耗,目前Z-Wave第五代芯片模组的休眠待命电流只有1微安(1μA)。

3. 高可靠性与覆盖性
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信息,相对的传统单向红外线遥控器就难以实现此种设计。同时Z-Wave 网络是一种俱备自动动态路由功能的点对点通信网络,通息可以通过多达4个中介设备转发,理论上最多能扩大4倍通信距离,它不会由于一个节点的故障而影响其他的节点的工作,因为如果第一个通信路径失效,它会自动使用第二路径甚至第三个路径,如果所有可用路径都失效,该设备或控制器会在适当的时候发出一个“Explorer frame”搜寻网络里面所有节点的相互通信关系,网络里面的其它设备收到这个Explorer frame就会把自己与其它能直接通信的邻居设备的列表加入这个Explorer frame再通过一个特定的机制相互转送,以确保这个Explorer frame 能被网络里面所有设备接收,最后回到发出Explorer frame的设备或控制器,同时已经携带着网络里面所有设备汇报给它的通信关系信息,凭这些信息就可以从新建立新的路由表,修复通信功能。Z-Wave技术采用双向应答式的传送机制、压缩帧格式、随机式的逆演算法减少失真和干扰。另外,现在Z-Wave的传输带宽从最初的9.6kbps提升至40kbps后,也提供AES128加密的功能。在安全可靠性方面,与目前银行所用的属于同一级别。

Z-Wave应用优势
1.技术优势

Z-Wave是一种低速率短距离的无线通信新技术,其传输方式是中继传输方式,此方式具有传输稳定性好、可靠性高、实时性好的特点,能随其网络调整而迅速调整,网络适应性较强,方便进行产品的安装。

相对于ZigBee无线通信技术标准而言,Z-Wave协议构架紧凑简单,而且只有一套标准,具体实现要求更加容易,协议构架包括应用层Application Layer、路由层Routing Layer、传输层Transfer Layer、媒体介质层MAC。应用层主要负责Z-Wave网络中的译码和指令的执行,路由层主要负责确保数据帧在不同节点间能够转发多次重复传输、扫描网络拓扑和维持路由表等,传输层主要用于提供节点之间的可靠的数据传输,媒体介质层采用了GFSK调制方式,是基于国际电信联盟的ITU G.9959标准,这部分并非Z-Wave的专利技术。

Z-Wave在中国定位在868MHz频带(1GHz以下,稍低于手机频带),具备两个优势:一是避免与WiFi冲突;二是信号穿透性比2.4GHz好得多。在美国大部分房屋是木质的,而在中国建筑以钢筋水泥为主,在电磁波穿过钢筋水泥要比穿过木质衰减得多,而衰减程度亦与所用射频频率成正比,频率越高,波长越短。因而更容易被墙体吸收做成更严重衰减,影响通信,Z-Wave技术相对于2.4GHz技术来讲衰减较弱则很好的避免了这些缺陷。

2.体制优势
Z-Wave对加入的公司有门槛要求,要成为Z-Wave的成员,生产的产品必须通过一些认证,才可以批量生产,保证Z-Wave产品之间的兼容性。在中国市场,Z-Wave产品生产厂家大约有30家,但真正活跃市场的不到20家,这是因为Z-Wave的体制要求,为产品生产商制造了一些门槛。

3.市场优势
Z-Wave行业的发展模式类似PC行业,适用兼容性标准。在PC行业,主板、硬盘、显示器、电源等分别由不同的制造商提供,但是很好的能够兼容,所以在过去的30年,PC行业发展迅速。同样,Z-Wave的发展,它的优势在于真正实现产品之间的兼容性。Z-Wave为产品制造商提供标准导向,起带头模范作用。

未来中国智能家居的主流客户群会是老百姓,也即是所谓的平民化后装市场,因而无线技术具有无可比拟的优势,目前在中国认识与懂得Z-Wave技术的人仍然很少,这是制约她发展的最大原因,在未来市场需求的推动之下,除了Z-Wave以外,中国应该会逐步形成具有本地化的一个事实标准(defacto standard),而最终的发展更有可能是多种技术的融合(例如一套系统里面同时整合了WiFi、蓝牙、Z-Wave甚至是总线系统)。

无线技术应用对比
随着面向家庭控制及自动化短距离无线技术的发展,家庭智能化所带来的机遇正成为现实。Z-Wave技术优势在易安装和易交互。在已出现的各种短距离无线通信技术中,EnOcean、ZigBee、Z-Wave以及Bluetooth(蓝牙)是当前连接智能家居产品的主要手段。