2.1.2　Z-Wave技术

1. Z-Wave技术简介

Z-Wave是由丹麦Zensys公司主导的无线组网技术，虽然Z-Wave联盟（Z-Wave Alliance）的规模没有ZigBee联盟大，但Z-Wave联盟的成员均是智能家居领域的制造商，该联盟已经具有160多个成员，基本覆盖了全球大多数国家或地区。

Z-Wave是一种新兴的基于射频、低成本、低功耗、高可靠性、适合网络的短距离无线通信技术，工作频段为868.42 MHz（欧洲）、908.42 MHz（美国），采用FSK（如BFSK、GFSK）调制方式，数据传输速率为9.6 kbit/s，室内的有效覆盖范围是30 m，室外的有效覆盖范围是100 m，适合窄/宽带应用场合。随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗和成本都在增加，相对于现有的各种短距离无线通信技术，Z-Wave技术的功耗和成本是最低的，有力地推动了低速无线个域网的发展。

Z-Wave技术在智能家居中的抄表、照明控制、家电控制、HVAC、接入控制、防盗和火灾监测等方面得到了广泛的应用，该技术可以将独立的设备转换为智能网络设备，从而实现无线控制和无线监测。在设计Z-Wave技术时，就将其定位于智能家居的无线控制领域，该技术采用小数据格式，40 kbit/s的数据传输速率足以应对实际的应用需求。与同类的其他短距离无线通信技术相比，其数据传输速率较低、传输距离较大和价格较低。针对窄带应用，Z-Wave技术采用创新的软件解决方案取代成本高的硬件，只需要其他类似技术的一小部分成本就可以搭建高质量的无线网络。

例如，针对三室一厅的住宅，采用Z-Wave技术搭建无线网络的方案是：由3个嵌入式照明控制器、3个墙壁开关、1个全功能红外遥控器、1个触摸控制屏构成主系统；嵌入式情景控制器、手持式情景控制器为功能扩展模块；全功能红外遥控器与触摸控制屏为控制器（Controller），嵌入式照明控制器、嵌入式情景控制器及手持式情景控制器均为节点（Slave）。由于在基于Z-Wave技术搭建的无线网络中，所有的设备均使用了路由技术，因此在安装设备时只需要保证两个设备之间的距离小于最大通信距离即可。安装完成后，通过全功能红外遥控器先将所有设备接入网络，再将触摸控制屏接入网络后，即可将所有的入网设备同步更新到触摸控制屏中。设备入网后，用户通过全功能红外遥控器和触摸控制屏即可直观地查看家中所有设备的开关状态，并且可以方便地对其进行控制。如果将触摸控制屏接入互联网，则可以利用PDA、PC等通过互联网来远程控制家电。

2. 智能家居系统为什么选择Z-Wave技术

由于Z-Wave技术具有以下优点，因此在智能家居系统中得到了广泛的应用。

（1）抗干扰、更省心。Z-Wave技术的工作频率是868.42 MHz，这个频段有别于蓝牙、无线路由器、Wi-Fi、无线鼠标等设备使用的频道，基本不会受到干扰，更适合家庭使用。

（2）兼容性强、更放心。Z-Wave技术具备强大的兼容性，只要产品通过Z-Wave联盟的认证，就可以方便地在智能家居系统中添加该产品。

（3）低功耗、低辐射、更健康。Z-Wave技术具有功耗低、辐射低的特点，适合用于智能家居系统。Z-Wave技术的定位很明确，即为改善人类的生活质量努力！

（4）安全系数高、更安心。Z-Wave技术的安全系数高，难以破解，很多小区或别墅的智能家居系统都采用了Z-Wave技术。

3. Z-Wave协议概述

Z-Wave协议是一个低带宽、半双工传输协议，是针对高可靠性、低功耗、网状网络的无线通信设计的，该协议主要用于在控制器和一个或多个节点之间实现可靠的、短距离的传输。

Z-Wave协议从下至上分为5层，分别是物理层、MAC层、传输层、路由层和应用层。

1）物理层

物理层的作用是提供数据传输的物理媒介，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的底层协议，其目的是在两个网络设备之间提供透明的二进制位传输。物理层上的传输可以是全双工或半双工的，可以采用同步方式或异步方式。物理层提供了为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性。

Z-Wave是一种低速率短距离无线通信技术，支持9.6 kbit/s和40 kbit/s两种数据传输速率，前者用来传输控制指令，后者可以提供更为高级的网络安全机制。Z-Wave技术的工作频段灵活，可工作在900 MHz（ISM频段）、868.42 MHz（欧洲）、908.42 MHz（美国），工作在这些频段上的其他设备相对较少，而ZigBee或蓝牙所使用的2.4 GHz频段正变得日益拥挤，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技术的功耗极低，采用频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）调制方式，适用于智能家居系统。采用电池供电的节点通常处于休眠状态，每隔一段时间被唤醒一次，以监听是否有需要接收的数据，两节普通的7号电池可以工作10年，免去了频繁更换电池的麻烦。

Z-Wave协议的复杂性比ZigBee协议和蓝牙协议小得多，要求的存储空间也较小。标准的Z-Wave协议只需要32 KB存储空间，而实现同样功能的ZigBee协议则至少需要128 KB的存储空间，蓝牙协议则需要更大的存储空间。从这个角度来看，Z-Wave协议的成本要低于ZigBee协议或蓝牙协议。

Z-Wave网络的容量为232个节点，远低于ZigBee网络的65535个节点。Z-Wave网络中节点的典型覆盖范围为室内30 m、室外100 m，最多支持4级路由。在应用的普适性方面差于ZigBee网络，因此不能使用单一技术建立大规模的Z-Wave网络。但对于智能家居应用来说，Z-Wave网络已经足以满足实际的需求了。通过使用虚拟节点技术，Z-Wave网络可以与其他类型的网络进行通信。

2）MAC层

MAC层主要负责网络设备之间无线数据链路的建立、维护和结束，同时控制信道的接入、进行帧校验，并预留时隙。为了提高数据传输的可靠性，当节点传输数据时，MAC层采用了带冲突检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）机制来防止其他节点传输数据。Z-Wave协议的MAC层用于控制无线媒介，数据流采用曼彻斯特编码，数据帧包含了前码、帧头、帧数据、帧尾，所有的数据都通过小端模式传输。MAC层独立于无线媒介、频率和调制方法，但要求接收到数据时能从曼彻斯特编码比特流或解码比特流中获得帧数据或整个二进制信号。数据通过8 bit的数据块传输，第一位是最高有效位（Most Significant Bit，MSB）。

MAC层采用CSMA/CD机制，让不传输数据的节点进入接收模式，如果MAC层正处于接收数据阶段则延时传输，CSMA/CD机制在所有节点上都被激活。当无线媒介正忙时，帧的传输延时是一个随机的毫秒数。MAC层采用的CSMA/CD机制包括载波监听、帧间间隔和随机退避。节点之间使用CSMA机制来争用信道，以获取发送权。CSMA/CA机制采用两次握手机制，即ACK（Acknowledgement）机制，当接收端正确接收到数据帧后，会立即发送确认帧ACK，发送端接收到确认帧ACK，就知道该数据帧已经成功发送。如果无线媒介空闲时间大于等于帧间隔，就传输数据，否则将延后传输数据。

3）传输层

传输层的主要作用是在节点之间提供可靠的数据传输，主要包括重新传输、帧校验、帧确认和流量控制等。传输层的数据帧共有三种类型：

（1）单播帧。单播帧是指向Z-Wave网络中一个指定节点发送的数据帧。如果目标节点成功收到该数据帧，将会回复一个应答帧ACK。如果单播帧或应答帧丢失或损坏，则传输层将重新发送单播帧。为了避免与其他系统的碰撞，重新发送数据帧时将会有一个随机延时。随机延时必须与传输最大帧长和接收应答帧所花费的时间一致。在不需要可靠传输的系统中，可以选择关闭单播帧的应答帧。应答帧是单播帧的一种类型，其数据域的长度是0。

（2）多播帧。多播帧是指向Z-Wave网络中的多个节点发送的数据帧。多播帧中的目标地址指定了目标节点，而不用向每个节点都发送一个独立的数据帧。多播帧没有应答帧，所以多播帧不适合需要可靠传输的系统。如果多播帧要求可靠性，则需要在多播帧之后发送单播帧。

（3）广播帧。广播帧是指向Z-Wave网络中所有节点发送的数据帧，任何节点都不对该帧进行应答。和多播帧一样，广播帧也不适合需要可靠传输的系统。如果广播帧要求可靠性，则需要在广播帧之后发送单播帧。

4）路由层

路由层的主要作用是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。

Z-Wave协议的路由层采用了动态源路由（Dynamic Source Routing，DSR）协议。DSR协议是一种按需路由协议，它允许节点动态发现到达目标节点的路由，每个数据帧的头部附加了到达目标节点之前所需经过的节点列表，即数据分组中包含了到达目标节点的完整路由。传统路由方法［如按需距离矢量（Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）协议］在数据分组中只包含下一跳节点和目标节点地址，DSR协议不需要周期性地广播网络拓扑信息，可避免网络的大规模更新，能有效减少网络带宽开销，降低能耗。

在发现路由时，源节点发送一个包含源路由列表的路由请求帧，此时源路由列表只有源节点，收到该路由请求帧的节点继续向前发送该帧，并在源路由列表中加入自己的节点地址，直至到达目标节点。每个节点都有一个用于保存最近接收到的路由请求帧的存储区，因此可以不重复转发已经接收到的路由请求帧。部分节点（如果它们有额外的外部存储空间）会将已经获得的源路由列表存储下来以减少路由开销。当接收到路由请求帧时，节点先查看存储的源路由列表中是否存在合适的路由，如果有就不再转发，直接返回源节点，如果路由请求帧被转发到了目标节点，那么目标节点将返回一个返回路由。

当源节点与目标节点通信时，源节点首先广播一个具有唯一ID的RREQ消息，在源节点覆盖范围内一个或多个具有到达目标节点路由信息的中间节点会接收到RREQ消息，并将路由信息返回到源节点。每个节点的缓冲区都会记录该节点侦听到的路由信息。当一个节点收到RREQ消息时，如果在该节点最近的路由请求帧中包含该请求，则丟弃该请求；如果路由记录中包含当前节点的地址，则不进行处理，防止形成环路；如果该节点就是目标节点，则发送返回路由给源节点；在其他情况下，该节点在RREQ消息中添加自己的地址，并将该路由请求帧广播出去。

当源路由列表上的一个节点移动或掉电时，网络拓扑会发生变化，路由可能会变得不可用。当上游节点通过MAC层协议发现路由不可用时，就会向上游所有的节点发送RERR消息。当源节点收到该RERR消息后，会从缓冲区中删除无效路由。如果需要继续发送数据，则源节点会重新发起路由发现过程来建立新的路由。

DSR协议不需要周期性地交换路由信息，可以减少网络开销，节点可以进入休眠模式，节省电池电量。数据帧中包含完整的路由信息，节点可以获取完整路由信息中有用的部分。例如，在节点A到节点B，再到节点C的路由中，包含了节点B到节点C的路由信息，节点B不需要发起对节点C的路由发现，从而节省了路由发现所需的开销。同时，采用DSR协议的网络规模受到了限制，因为数据分组中有很多路由信息，过长的路由表会大幅增加网络分组的开销，鉴于一个Z-Wave网络中最多有232个节点、最多支持4个路由，因此DSR协议的额外开销并不会十分严重，增强型节点通常有更大的外部存储空间，用于存储最近使用的路由信息，可以通过硬件开销来提高网络性能。

5）应用层

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NodeID，以及对发送帧和接收帧的有效荷载进行控制等。

Z-Wave技术关注设备的互操作性和厂商开发的方便性，在应用层中引入了相关机制以实现这一点。

为了实现智能家居系统中众多子系统的相互作用，加强不同厂商产品的相互操作性，Z-Wave协议在应用层中引入了相关机制来实现设备之间的相互作用。这样，各个厂商只需要集中精力开发其所擅长的产品即可，这些产品可以很好地在一个Z-Wave网络中工作，为厂商的开发提供了便捷。