王若晗，羅心烺，徐茂盛

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

1 Z-Wave 無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)特點

Z-Wave 技術(shù)最早是在2005 年出現(xiàn)的，是在拉斯維加斯成立的Z-Wave 聯(lián)盟最先推出的一種無線通信協(xié)議中出現(xiàn)的，協(xié)議中聯(lián)盟未來開發(fā)相關(guān)的自動化市場，推出了一種成本低、功耗低、結(jié)構(gòu)比較簡單的技術(shù)，這種技術(shù)就是Z-Wave 技術(shù)。當(dāng)前，技術(shù)聯(lián)盟的成員已經(jīng)多達80 家，核心理念為在無線家居領(lǐng)域?qū)@一技術(shù)加大應(yīng)用，并將所有成員聯(lián)系起來互相交流，為售出技術(shù)與產(chǎn)品提供更好的售后與服務(wù)，促進各大公司合作，促進技術(shù)開發(fā)與發(fā)展。Z-Wave 技術(shù)主要適應(yīng)于短距離的無線通信，在家居應(yīng)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(shè)備的愈來愈復(fù)雜，使得無線智能家居系統(tǒng)的安裝成本不斷升高，在這樣的環(huán)境下，Z-Wave 技術(shù)的適用性較高，推動著整個無線家居市場的發(fā)展。

Z-Wave 技術(shù)具有成本低、操作簡單等優(yōu)勢。第一，Z-Wave 技術(shù)簡單好操作，技術(shù)對于網(wǎng)絡(luò)管理的要求較低，通常在幾分鐘內(nèi)便可以安裝，在安裝的過程中不需要人工進行網(wǎng)絡(luò)地址分配與設(shè)備的連接，只需要簡單幾步便可以完全組網(wǎng)。第二，節(jié)約資源，安裝成本較低。隨著市場需求的不斷增大，技術(shù)不斷升級但是成本卻在不斷下降，在不久的未來，這一技術(shù)的成本還會進一步下降。第三，Z-Wave 技術(shù)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(yīng)頻率等方式降低功耗。通常情況下，Z-Wave 技術(shù)在十年內(nèi)的功耗往往達不到兩節(jié)7 號電池。

雖然Z-Wave 技術(shù)具有很好的發(fā)展前景，但是，它也面臨巨大的困難。由于協(xié)議的簡單，會使得在一些復(fù)雜環(huán)境下協(xié)議較難適應(yīng)以及擴展，造成網(wǎng)絡(luò)層面的崩潰。同時，從目前來看，這一技術(shù)的系統(tǒng)芯片開發(fā)商在市場上寥寥無幾，對于芯片量產(chǎn)較難，量產(chǎn)后對于造價成本的控制更是難上加難，也很難發(fā)揮其成本低的優(yōu)勢。

2 協(xié)議簡述

Z-Wave 技術(shù)的協(xié)議主要分為物理層、MAC 層、傳輸層、路由層以及應(yīng)用層。協(xié)議結(jié)構(gòu)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(shè)備間無線鏈路的建立、維護以及結(jié)束，承擔(dān)對無線鏈路的維護功能，同時還在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，避免信號沖突。傳輸層主要承擔(dān)傳播可靠的信息數(shù)據(jù)，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?qū)崿F(xiàn)有效控制。路由層主要承擔(dān)著復(fù)制控制器的功能。應(yīng)用層主要承擔(dān)著翻譯指令與執(zhí)行指令的功能。

3 Z-Wave 無線技術(shù)下的智能家居系統(tǒng)

智能家居是在住宅建筑的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)、家電等設(shè)備自動化設(shè)計并信息化，將服務(wù)、系統(tǒng)、管理結(jié)合在一起的一種自動、便捷、舒適、安全、環(huán)保的家居環(huán)境。智能家居不僅將普通家居的各種功能涵蓋在內(nèi)，提供舒服的居住環(huán)境，還將大多數(shù)家居以及用具從被動變?yōu)槟軇樱嵘揖尤の兜耐瑫r，將自我信息以及習(xí)慣與這些工具進行交換，使得這些工具變?yōu)橹悄艿幕锇?。每個家庭中的常用電器主要有電視、冰箱、電燈等，在傳統(tǒng)的家居模式下，這些電器基本是獨立的工作，沒有太大的聯(lián)系。人們在這樣的家居環(huán)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(tǒng)不僅在外界環(huán)境感知度方面具有優(yōu)勢，而且可以將自主感知內(nèi)容輸入對應(yīng)系統(tǒng)，自主改變居住環(huán)境；不僅具有相關(guān)的能動性，而且具有自我修復(fù)的功能，保持家居系統(tǒng)的相對穩(wěn)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(yīng)用前景很大。

3.1 智能家居系統(tǒng)的需求

家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、家庭外部網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)關(guān)設(shè)備是一個智能家居系統(tǒng)的整體需求。家庭外部網(wǎng)絡(luò)主要是與外部設(shè)備如手機、平板、電腦等進行連接，為智能家居網(wǎng)絡(luò)遠程的控制提供網(wǎng)絡(luò)。家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)則是與家庭內(nèi)部設(shè)備進行連接如家用電器等，為家庭內(nèi)部設(shè)備提供平臺。而網(wǎng)關(guān)設(shè)備則處在兩者的中間位置，既可以對外部網(wǎng)絡(luò)信息進行接收，也可以對內(nèi)部數(shù)據(jù)進行分析，可將外部信息轉(zhuǎn)換為內(nèi)部命令，起到兩者溝通橋梁的作用。因此，網(wǎng)關(guān)設(shè)備一般常年處于開機或者待機的狀態(tài)，它接收外部信息，轉(zhuǎn)達給家庭網(wǎng)絡(luò)，家庭網(wǎng)絡(luò)做出反應(yīng)后也會對網(wǎng)關(guān)進行反饋[1-3]。

3.2 智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計

智能家居整體設(shè)計有很多，較為常見的是在外部網(wǎng)絡(luò)采用互聯(lián)網(wǎng)的方式，搭建一個簡單的網(wǎng)頁或者創(chuàng)建一個簡單的APP 發(fā)出控制信息，或者通過網(wǎng)頁以及移動終端對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問。在網(wǎng)關(guān)設(shè)備處采用嵌入式的設(shè)計，安裝嵌入式處理器，處理器相當(dāng)于外部網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的一個交點，也叫做接口。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)則是通過Z-Wave 技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將控制器、路由子節(jié)點和普通子節(jié)點組合在一起。智能家居設(shè)計硬件設(shè)計主要是網(wǎng)關(guān)與檢測器的設(shè)計，其中包括Z-Wave 控制器和節(jié)點，這兩種設(shè)備大同小異，只是在功能上有些許不同。

3.3 智能家居系統(tǒng)的Z-Wave 控制器

智能家居系統(tǒng)的Z-Wave 控制器提出了統(tǒng)一標準，對應(yīng)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(fā)出的設(shè)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(shè)備。這為個性化智能家居做出了貢獻，對市場的發(fā)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(shè)備。

3.4 智能家居系統(tǒng)Z-Wave 控制器開發(fā)環(huán)境與開發(fā)框架

控制器開發(fā)環(huán)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(shè)計與安裝中，Z-Wave技術(shù)為家居設(shè)備提供著安全的函數(shù)庫，對不同的設(shè)備進行特殊定制，便于主人在使用過程中對設(shè)備進行調(diào)控。傳統(tǒng)的開發(fā)板與Z-Wave 芯片進行組合，建立在微處理器中的開發(fā)框架屏蔽一些使用者的細節(jié)，并不向開發(fā)者完全透露，也不需要開發(fā)者從主函數(shù)開始，讓開發(fā)變得更加的簡單便捷。一般Z-Wave 應(yīng)用基本框架都是從硬件初始化開始，相關(guān)設(shè)備通電后，初始化軟件然后獲取信息，實現(xiàn)對程序的訪問、測試，對程序內(nèi)命令進行接收處理并對外部環(huán)境進行監(jiān)聽。Z-Wave 開發(fā)模塊主要運用5 種函數(shù)，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(yù)的，在設(shè)備安裝前便已經(jīng)進行好設(shè)定，初始化便自定義進行。第二模塊主要是對應(yīng)用程序初始化，對于兩個變量進行初始賦值，包括應(yīng)用變量和狀態(tài)變量兩部分。第三模塊是在狀態(tài)機結(jié)構(gòu)下應(yīng)用程序的固件程序函數(shù)。第四模塊是調(diào)整傳輸節(jié)點信息幀的，對節(jié)點信息進行相關(guān)設(shè)置。第五模塊對信息進行處理，并對命令進行執(zhí)行。

4 結(jié)論

Z-Wave 技術(shù)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單及性能可靠的特點，通過Z-Wave 技術(shù)建設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對家電設(shè)備的控制。隨著Z-Wave 技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，該技術(shù)將不僅在智能家居領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且會出現(xiàn)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)自動化領(lǐng)域。