基于Z-Wave技术的无线个域网分析

　　Z-Wave是一种基于射频的低成本、结构简单、低功耗、高可靠性、适用于网络的双向无线通信的组网技术，工作频带为908.42MHz（美国）和868.42MHz（欧洲），采用FSK调制方式，支持窄带宽应用，传输速率为9.6kbit/s，信号传输距离为室内30m以上，室外100m以上，单一区网可以容纳232个节点，并且可以通过区域内的组网扩展更多节点。

　　Z-Wave是国际Z-Wave联盟专门为低速率应用而推出的无线个域网技术，是智能家居的基础技术。

　　1 Z-Wave的技术特征

　　Z-Wave作为新兴的无线个域网技术，与其他无线个域网技术相比有着非常鲜明的技术特征。

　　1）功耗低

　　Z-Wave与许多其他控制系统不同，它采用轻权协议和压缩帧格式实现低功耗。此外，Zensys采用Z-Wave单个模块的方案以及自适应发射功率模式，有利于电池驱动的设备（如调温器、传感器等）采用先进的节能模式，也有利于家居控制系统降低功耗。

　　在通信连接状态下采用了休眠模式，Z-Wave设备一般仅靠2节7号电池就可以维持长达2年以上的寿命。

　　2）网络管理便捷

　　Z-Wave技术便于智能化网络在安装时实现地址分配，同时还可以实现节点间的互联。只需几分钟便可安装组网，操作简单、直接，符合标准的各种家庭设施能方便地“安装”到家庭网络中，也能方便地从家庭网络进行“卸载”。此外，每个Z-Wave网络都有其自身独有的网络标识符，可以防止由于邻近网络而引起的控制或干扰问题。所以对Z-Wave用户来说，对Z-Wave网络管理将会非常轻松。

　　3）抗干扰能力强

　　Z-Wave使用的是免授权通信频带，采用双向应答式的传送机制、压缩帧格式及随机式的逆演算法来减少干扰和失真，同时，每个Z-Wave网络都有其自身独特的网络标识符，可以防止由于邻近网络而引起的控制问题或干扰。

　　2 网络协议

　　Z-Wave协议栈主要包括射频层、媒介访问控制层（MAC）、传输层、路由层和应用层。

　　2.1 射频层

　　射频媒介是通信系统的“空中接口”，不同传感器要实现兼容或互操作的基本要求就是射频规范的统一，而且通信质量也由射频决定。Z-Wave应用模块规定了Z-Wave射频频段、调制方式、调频频率、发射功率、接收机灵敏度等参数。

　　2.2 MAC层

　　MAC层的设计主要考虑到尽可能做到低成本、易实现、数据传输可靠、短距离操作及低功耗。

　　MAC层主要用于控制射频媒介，数据流采用曼彻斯特编码模式，MAC层除了在接收帧数据或二进制曼彻斯特编码／解码比特流外，基本不受射频媒介、频率和调制方式的影响，数据以8位数据块结构进行传输。其中，从重要的比特起始，而主要数据以曼彻斯特码形式存在，以方便获得直流自由信号。

　　在传送时，只有数据帧传送给传输层，并且以低字节在前的格式（或称反字节格式）进行传送。另外，为了提高数据传输的可靠性，当有节点进行数据传送时，MAC层采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）机制，防止其他节点开始传送，CSMA/CA发送过程如图1所示。

　　2.3 传输层

　　传输层主要功能包括重新传输、帧校验和帧确认等，主要用于提供节点之间可靠的、透明的数据传输。例如，一个消息序列的每个分组可能通过不同的路由到达目的地，传输层通过排序过程重新给分组排序，这样接收端就可以接收到完整的消息。传输层还能恢复丢失的数据，实现流量控制。通过流量控制，可以调整数据的传输速率，以免过量的数据使网络缓冲器超负载。

　　2.4 路由层

　　路由层的主要功能包括控制节点间数据帧的路由，确保数据帧在不同节点间能多次重复传输，扫描网络拓扑和维持路由表等。

　　2.5 应用层

　　应用层主要包括厂家预置的应用软件（主要用户控制传感器）。同时，为了给用户提供更广泛的应用，该层还提供了面向仪器控制／信息电器／通信设备的嵌入式应用编程接口库，实现Z-Wave网络中的译码和指令的执行，从而可以更广泛地实现设备与用户的应用软件间的交互。应用层主要功能包括曼彻斯特译码、指令识别、分配家庭ID和网络节点ID、实现网络中控制器的复制以及对传送和接收帧的有效载荷进行控制等。Z-Wave应用层的帧格式如图2所示。

　　Z-Wave网络中的控制器需要控制各种不同类型的传感器节点，因此，它需要采用帧来描述节点的性能，其中的一些性能与协议相关，而还有一些性能则与具体的应用相关。所有的节点在收到发送指令时都可以自动发出节点信息，这样控制器就可以接收到传感器节点的信息，并回复接收反馈帧。

　　在节点的信息传送／接收过程中，控制器首先发出节点信息申请，传感器节点收到申请后给控制器发送接收反馈；节点1开始向控制器发送节点信息，控制器收到信息后给节点1发送接收反馈。

　　3 Z-Wave网络基本配置

　　Z-Wave网络配置简单易行，各种符合标准的家庭设备都能方便地“安装”到家庭网络中，也能方便地从家庭网络“卸载”。Z-Wave设备在安装过程中主要的问题是实现该设备的网络接入识别。Z-Wave在其家庭网络中定义了3种类型的设备：控制器（controller）、路由从设备（routingslave）和从设备（slave）。当需要安装新的节点设备时，首先激活网络中的控制器和其他所有节点，激活可以同步也可以不同步。控制器被次激活后，通过广播查询新节点的请求，如果收到新节点的回应，控制器会向这个节点分配一个ID，通过这个ID来规定自己的属主关系。新节点需要向控制器它周围的邻居表（即在射频范围内的所有节点），使控制器有全面的网络拓扑信息，从而建立了一个无缝的网状结构通信网络。

　　1）控制设备

　　控制设备也是Z-Wave网络中的节点，控制设备主要负责产生并发出控制命令给其他节点。从设备主要接收并执行控制节点发出的指令，在控制节点无法与目标节点直接联系的情况下，从设备还可以负责中继传输控制节点发出的指令。

　　Z-Wave网络中的控制设备存储了完整的路由表，因此，它可以与Z-Wave网络中的所有节点进行通信，只要控制设备进入Z-Wave网络的覆盖范围便可以发挥其控制功能。如果控制器被用于产生一个新的Z-Wave网络，它将自动成为新网络的主控制器。一个Z-Wave网络中只能有一个主控制器。只有主控制器可以实现在网络中管控节点的功能，并通过这个功能实时改变网络的拓扑结构。控制设备可分为动态控制设备、静态控制设备、配置控制器和桥控制器。

　　a）动态控制设备是Z-Wave网络中可以自由改变位置的控制设备，它可以采用一系列方法进行实时定位，并依据定位信息判定快的网络路由方式。

　　动态控制设备由于处于主动工作模式，因此耗电量比较大，需要定期更换电池。

　　静态控制设备的好处是可以实时接收路由节点的状态信息，根据这些信息判定各节点在网络中的位置。因此，静态控制设备通常作为Z-Wave网络中的从控制器。静态控制设备还可以作为因特网的网关，实现Z-Wave网络的远程实时监控。静态控制设备主要包括SUC（StaticUpdateController）和SIS（SUCIDServer）。SUC是Z-Wave网络可以选择性使用的静态控制设备，它的功能是实时更新网络的拓扑结构。SUC能不断接收来自网络主控制设备的网络变化信息，并将这些信息传输给其他控制设备。Z-Wave网络中只能配置一个SUC。SIS也是Z-Wave网络可以选择性使用的具有节点ID服务功能的SUC。SIS是网络中的主控制设备，它可以使其他的控制设备根据自身需要来调整网络节点。在SIS控制的Z-Wave网络中有新的控制设备加入时，这些控制设备都将成为网络的从控制设备，因为它们都需要根据SIS的指令来调整网络节点。

　　c）配置控制器是一种具备特殊功能的移动控制设备，它是用户安装Z-Wave网络的配置工具，具有比其他控制器更完善的网络管理功能，并可以对网络的服务质量进行测试。

　　d）桥控制器是Z-Wave网络选择性配置的静态控制器，它具有网络拓展的功能，可以实现Z-Wave网络与其他网络的连接。桥控制器可以存储Z-Wave网络的节点信息，并可以控制多达128个虚拟从设备（虚拟从设备是指处于其他类型网络中的节点）。

　　2）从设备

　　从设备基本不包含网络拓扑信息，也不具备Z-Wave网络节点的管理功能。从设备主要用来接收指令并完成指令赋予的任务。在没有获得指令的情况下，从设备不可以向其他节点发送路由信息。从设备在网状网中进行路由，它需要稳定的工作电源以保证时刻接收来自网络中其他节点的指令。

　　3）路由从设备

　　路由从设备具有从设备所有的功能，此外，它还可以主动向网络中的其他节点发送路由信息，当它主动向一部分节点发送信息时，便会存储这些静态的路由信息以供使用。路由从设备可以使用市电或电池作为电源，在获得稳定电源保障的情况下，路由从设备可以在Z-Wave网络中发挥路由器的功能。

　　路由从设备在使用电池作为电源时还可以处于一种特殊的工作模式FLiRS（FrequentlyListeningRoutingSlave），它在睡眠状态下也可以接收来自其他节点的信息，并能被其他节点激活。

　　4）增强型从设备

　　增强型从设备的功能与路由从设备基本一致，但是增强型从设备配置了一个EEPROM，用来存储应用数据。

　　5）家庭ID和节点ID

　　Z-Wave协议采用一种名为家庭ID的网络标识符，来区分不同的Z-Wave网络。家庭ID是一种的32位标识符，它被预先编程并存储在控制装置中，所有从设备的初始家庭ID都是零，因此，它们都需要由网络控制装置分配一个家庭ID来实现与其他Z-Wave网络的通信。节点ID是给网络中单个节点指配的网址，它在网络中也是的，由家庭ID来定义。节点ID只有8位，也由Z-Wave网络控制装置来分配。

　　4 网络拓扑结构

　　由于无线个域网工作环境的特殊性，尤其是在其处于运行状态时很有可能造成射频信号连接的失败，这就要求Z-Wave无线个域网应具有自修复能力。Z-Wave网络采用的是网状网拓扑结构，网状网络（也称“多跳”网络）是一种灵活的体系结构，用于在设备间高效传送数据。Z-Wave无线个域网采用网状网络拓扑结构具有很多优势。

　　1）稳定性

　　在“单跳”网络中，如果一个接入点瘫痪，那么整个网络将无法运行。但在网状网络结构中，如果近的接入点受到干扰或无法正常工作，网络仍可以继续运行，数据也将通过其他途径实现传递。另外，网状网络可通过多条路径传递数据，从而可提高网络带宽的有效性。

　　2）更高带宽

　　无线通信具有路程越短，带宽程度越高的物理特性，网状网络便于节点通过多次“短跳”实现数据传送，这样可以使数据传送距离短，从而不仅让数据丢失、干扰等问题的出现几率降低，而且可获得更高带宽。

　　3）空间再利用

　　“单跳”网络设备共享了同一个接入点，如果有几个设备同时接入网络，那么就会发生虚拟的、严重的传输堵塞，系统速度也会随之降低。使用网状网络结构可以让许多设备通过不同节点同时接入网络，实现在不同的空间同时数据传输，且不会降低系统性能。

　　在Z-Wave网状网络中，任何一种接入设备都能作为路由器或接入点。这样当网络中的两个传感器节点间不能直接进行通信时，可以选择这两个节点间的其他节点充当二者通信的路由节点。Z-Wave采用的网状网拓扑结构是一种灵活的体系结构，便于实现网络数据的高效传送。

　　5 结语

　　以Z-Wave应用模块为基础的无线个域网设计简单、功能扩展方便、抗环境干扰能力强、成本低廉，可以满足多种电磁环境下的无线个域网应用，具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]. 100m datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/100m_2509927.html.