Z-Wave 無線通信技術在智能家居中的應用探究

王若晗，羅心烺，徐茂盛

（重慶郵電大學，重慶 400065）

1 Z-Wave 無線通信技術的發展現狀與技術特點

Z-Wave 技術最早是在2005 年出現的，是在拉斯維加斯成立的Z-Wave 聯盟最先推出的一種無線通信協議中出現的，協議中聯盟未來開發相關的自動化市場，推出了一種成本低、功耗低、結構比較簡單的技術，這種技術就是Z-Wave 技術。當前，技術聯盟的成員已經多達80 家，核心理念為在無線家居領域對這一技術加大應用，并將所有成員聯系起來互相交流，為售出技術與產品提供更好的售后與服務，促進各大公司合作，促進技術開發與發展。Z-Wave 技術主要適應于短距離的無線通信，在家居應用上為窄帶寬。隨著人們生活水平的逐漸提高，人們對于控制距離不斷增大的要求以及如今家居設備的愈來愈復雜，使得無線智能家居系統的安裝成本不斷升高，在這樣的環境下，Z-Wave 技術的適用性較高，推動著整個無線家居市場的發展。

Z-Wave 技術具有成本低、操作簡單等優勢。第一，Z-Wave 技術簡單好操作，技術對于網絡管理的要求較低，通常在幾分鐘內便可以安裝，在安裝的過程中不需要人工進行網絡地址分配與設備的連接，只需要簡單幾步便可以完全組網。第二，節約資源，安裝成本較低。隨著市場需求的不斷增大，技術不斷升級但是成本卻在不斷下降，在不久的未來，這一技術的成本還會進一步下降。第三，Z-Wave 技術消耗的功率很小。它在運行的過程中具有不同的模式，分為運行以及休眠模式，并且通過壓縮格式以及適應頻率等方式降低功耗。通常情況下，Z-Wave 技術在十年內的功耗往往達不到兩節7 號電池。

雖然Z-Wave 技術具有很好的發展前景，但是，它也面臨巨大的困難。由于協議的簡單，會使得在一些復雜環境下協議較難適應以及擴展，造成網絡層面的崩潰。同時，從目前來看，這一技術的系統芯片開發商在市場上寥寥無幾，對于芯片量產較難，量產后對于造價成本的控制更是難上加難，也很難發揮其成本低的優勢。

2 協議簡述

Z-Wave 技術的協議主要分為物理層、MAC 層、傳輸層、路由層以及應用層。協議結構簡單，主要呈垂直型，緊湊有序，控制有效。其中，MAC 層主要控制設備間無線鏈路的建立、維護以及結束，承擔對無線鏈路的維護功能，同時還在一定程度上提高數據傳輸的安全性，避免信號沖突。傳輸層主要承擔傳播可靠的信息數據，建立重新傳輸、幀校驗以及幀確認的點，確保在不同的幀之間能夠實現有效控制。路由層主要承擔著復制控制器的功能。應用層主要承擔著翻譯指令與執行指令的功能。

3 Z-Wave 無線技術下的智能家居系統

智能家居是在住宅建筑的基礎上，將網絡、家電等設備自動化設計并信息化，將服務、系統、管理結合在一起的一種自動、便捷、舒適、安全、環保的家居環境。智能家居不僅將普通家居的各種功能涵蓋在內，提供舒服的居住環境，還將大多數家居以及用具從被動變為能動，提升家居趣味的同時，將自我信息以及習慣與這些工具進行交換，使得這些工具變為智能的伙伴。每個家庭中的常用電器主要有電視、冰箱、電燈等，在傳統的家居模式下，這些電器基本是獨立的工作，沒有太大的聯系。人們在這樣的家居環境下生活，最主要的缺陷是管理成本、實踐成本及控制成本較高。無線智能家居系統不僅在外界環境感知度方面具有優勢，而且可以將自主感知內容輸入對應系統，自主改變居住環境；不僅具有相關的能動性，而且具有自我修復的功能，保持家居系統的相對穩定，很少需要人類的控制與維修，符合綠色生活理念，在未來應用前景很大。

3.1 智能家居系統的需求

家庭內部網絡、家庭外部網絡以及網關設備是一個智能家居系統的整體需求。家庭外部網絡主要是與外部設備如手機、平板、電腦等進行連接，為智能家居網絡遠程的控制提供網絡。家庭內部網絡則是與家庭內部設備進行連接如家用電器等，為家庭內部設備提供平臺。而網關設備則處在兩者的中間位置，既可以對外部網絡信息進行接收，也可以對內部數據進行分析，可將外部信息轉換為內部命令，起到兩者溝通橋梁的作用。因此，網關設備一般常年處于開機或者待機的狀態，它接收外部信息，轉達給家庭網絡，家庭網絡做出反應后也會對網關進行反饋[1-3]。

3.2 智能家居系統的整體設計

智能家居整體設計有很多，較為常見的是在外部網絡采用互聯網的方式，搭建一個簡單的網頁或者創建一個簡單的APP 發出控制信息，或者通過網頁以及移動終端對家庭內部網絡訪問。在網關設備處采用嵌入式的設計，安裝嵌入式處理器，處理器相當于外部網絡與內部網絡的一個交點，也叫做接口。內部網絡則是通過Z-Wave 技術在無線網絡的基礎上，將控制器、路由子節點和普通子節點組合在一起。智能家居設計硬件設計主要是網關與檢測器的設計，其中包括Z-Wave 控制器和節點，這兩種設備大同小異，只是在功能上有些許不同。

3.3 智能家居系統的Z-Wave 控制器

智能家居系統的Z-Wave 控制器提出了統一標準，對應用層的命令以及控制器模塊在路由層、物理層、傳輸層都進行了隱藏。在這樣的條件下，不同廠商開發出的設備便可以進行互相通信。因此，在家庭中可以自由選擇安裝各個廠商的智能家庭設備。這為個性化智能家居做出了貢獻，對市場的發展也起到了積極的促進作用，人們可以定制更適合自己需求的多功能家庭設備。

3.4 智能家居系統Z-Wave 控制器開發環境與開發框架

控制器開發環境主要為KV2，控制器使用的語言通常為C 語言。在智能家居設計與安裝中，Z-Wave技術為家居設備提供著安全的函數庫，對不同的設備進行特殊定制，便于主人在使用過程中對設備進行調控。傳統的開發板與Z-Wave 芯片進行組合，建立在微處理器中的開發框架屏蔽一些使用者的細節，并不向開發者完全透露，也不需要開發者從主函數開始，讓開發變得更加的簡單便捷。一般Z-Wave 應用基本框架都是從硬件初始化開始，相關設備通電后，初始化軟件然后獲取信息，實現對程序的訪問、測試，對程序內命令進行接收處理并對外部環境進行監聽。Z-Wave 開發模塊主要運用5 種函數，也分為這5個模塊：ApplicationInitHW、ApplicationInitSW、ApplicationPoll、ApplicationNodeInformation 以 及ApplicationCommandHandler。第一模塊主要是進行硬件初始化，固有硬件通常情況下是不需要人工進行干預的，在設備安裝前便已經進行好設定，初始化便自定義進行。第二模塊主要是對應用程序初始化，對于兩個變量進行初始賦值，包括應用變量和狀態變量兩部分。第三模塊是在狀態機結構下應用程序的固件程序函數。第四模塊是調整傳輸節點信息幀的，對節點信息進行相關設置。第五模塊對信息進行處理，并對命令進行執行。

4 結論

Z-Wave 技術具有成本低、結構簡單及性能可靠的特點，通過Z-Wave 技術建設的無線網絡，可以實現對家電設備的控制。隨著Z-Wave 技術的不斷發展與完善，該技術將不僅在智能家居領域應用廣泛，而且會出現在工業、農業等產業自動化領域。