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智能家居也PK:ZigBee與Z-Wave標準之爭

2013-05-10

 

標準化是產業發展,規模擴張的前提。在智能家居領域同樣面臨抉擇,目前主要有2個標準,ZigBee與Z-Wave。目前多數人看好的是ZigBee,畢竟ZigBee有國際標準IEEE 802.15.4為其技術根基,且目標市場較廣、潛在需求用量較大。相對的,丹麥Zensys公司所提出的Z-Wave技術不僅沒有國際標準為其依靠,應用上也僅止于家庭自動化

智能家居也PK:ZigBee與Z-Wave標準之爭

就技術標準而言Z-Wave已矮于ZigBee一截,而推廣上,Z-Wave也一樣居于弱勢。Zensys極力避免他人認定Z-Wave是該公司專屬自用的技術,一旦如此認定,勢對Z-Wave的普及推廣產生阻力,所以Zensys發起、成立了Z-Wave Alliance的聯盟機構,期望以機構主導此標準的推廣,讓Z-Wave技術獲得更廣泛的采用。

Z-Wave這幾年有風云突變趨勢,首先是通訊大廠#思科#(Cisco)宣布投資Zensys公司,并加入Z-Wave Alliance機構,之后Intel的創投單位Intel Capital宣布投資Zensys,且一樣加入Z-Wave Alliance,頓時Zensys、Z-Wave獲得IT、通訊兩大領域的重量級業者的力挺,氣勢大增。到了2007年1月,軟件巨頭Microsoft也呼應Z-Wave技術,在其.NET Micro Framework(簡稱:.NET MF)上加入對Z-Wave的支持,并宣布與Z-Wave Alliance中的會員業者Leviton、ControlThink等共同研發Z-Wave應用,再加上PC外圍大廠Logitech(羅技)也推出使用Z-Wave技術的家庭遙控器,從這種種跡象來看,Z-Wave的發展并沒有想象中的悲觀,并且從單純的家庭自動化應用,擴展延伸到數字家庭的領域中。

Z-Wave技術更新

Z-Wave的傳輸率僅有9.6kbps,雖然智能家居本就不強調數據的傳輸速度、傳輸量,但也不至于過低,以ZigBee來相對比較,即便不去談論2.4GHz頻段的250kbps傳輸率,在915MHz頻段上也至少有40kbps,或在868MHz頻段上也還有20kbps,ZigBee的三種速率模式都沒有低至9.6kbps。

Z-Wave陣營了解此一弱處,之后進行持續強化改進,當前Z-Wave除了原有的9.6kbps速率外,也另增一個可達40kbps速率的模式,以此拉近與ZigBee之間的差距,縮小速率上的兩者差異;另外Z-Wave提出的新速率能與原有9.6kbps速率的節點裝置完全兼容互通,即是在同一個Z-Wave網絡內能并存運用9.6kbps的節點與40kbps的節點,如此在布建的規劃設計與延伸上可更便利;在使用頻段方面,Z-Wave也與ZigBee差距不大,Z-Wave雖不像ZigBee能在2.4GHz頻段使用,但也能在868MHz及908MHz(具體而言是868.42MHz及908.42MHz)的頻段工作,且與ZigBee相同的,868MHz頻段在歐洲地區運用,908MHz(ZigBee位于相近的915MHz)頻段則是在美國地區運用;至于無線發送的調制,Z-Wave依舊是使用原有的GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)方式。相對的,ZigBee在868MHz與915MHz頻段是使用BPSK(Binary Phase-Shift Keying)調制,而在2.5GHz頻段是使用正交式QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)調制。

二者間技術上的差異

談及發送距離,那么也必須比較Z-Wave與ZigBee間的發射差異,Z-Wave的發送距離為100英呎(約30公尺),且要達到如此距離必須在電波的傳送路徑上沒有任何阻擋,然而這并不表示Z-Wave無法進行穿透性傳輸,Z-Wave的無線發送依舊可以穿墻收發,不過穿越阻隔物的代價是減損傳輸距離,目前Z-Wave陣營尚未公布穿透性傳輸表現的相關信息,只以不同的穿透材質而有不同的距離折損來說明。

同樣的,ZigBee方面也并未有完整具體的傳輸距離信息,僅有32英呎?246英呎(10公尺?75公尺)的概略描述,且一樣表示必須依據實際發送的環境而定。

Z-Wave與ZigBee之間除了傳輸速度、傳輸距離有別之外,在節點數目、拓樸型態、安全加密上也都各有不同。

首先是節點數目,此方面Z-Wave并未有所改變,依舊是每個網絡內最多232個節點,若想與更多節點聯系,就必須使用跨網的橋接(Bridge)技術才行。

至于ZigBee方面,ZigBee的節點尋址達16-bit,理論上可以達65,536個節點,此遠遠勝過Z-Wave,此外ZigBee還能選用更大范疇的64-bit尋址,如此節點數就不可限量。更進一步的,IETF已擬定讓ZigBee與IPv6接軌整合的6loWPAN(全稱為:IPv6 over Low power WPAN),ZigBee節點將可以廣大Internet結合,這些方面Z-Wave都無法比擬。

另外連接拓樸方面,Z-Wave只有一種拓樸型態,即是網狀(Mesh),而ZigBee除了也有網狀拓樸外,也支持星狀(Star)、叢集狀(Cluster)等拓樸。值得注意的是,各節點除了自身所需的信號收發外,也會代為中繼傳遞其它節點的信號,無論是自身需求的收發或轉傳其它節點的信號,該節點都會脫離休眠狀態而進入運行狀態,而經常扮演中繼工作的節點將比其它節點更為忙碌,功耗也會較多,所以在實際布建時的設計規劃上,也會盡量以非使用電池運行的裝置來擔任忙碌型中繼的角色。

至于安全加密方面,ZigBee使用128-bit的AES對稱加密,而Z-Wave則是尚未有任何加密的設計,這其實不難想象,在Z-Wave最初只有9.6kbps的傳輸帶寬下,若再進行加密性傳輸,則實質數據的傳遞量將會更少,因此不太可能在9.6kbps中再行加密,不過Z-Wave將速率提升至40kbps后,也應該開始考慮提供加密的措施。

二者間在應用領域的差異

平心而論,Z-Wave在訂立之初就以家庭自動化應用為目標,而ZigBee則是追求更廣泛應用為目標,兩者各在最初指導思想就有不同的考慮,自然在規格上也有諸多落差,此實不能單就規格數據表現來論斷。

特別是Z-Wave獲得Cisco、Intel、Microsoft等資通訊大廠的支持后,Z-Wave已從單純的家庭自動化應用,開始擴展延伸到數字家庭領域,甚至是家庭自動化與數字家庭的接軌整合等,加上Z-Wave的各項技術仍在持續提升,從9.6kbps增進到40kbps可說是該陣營的一大鼓舞,同時也是給ZigBee更大的競爭壓力。

ZigBee原先期望也用于PC外圍或消費性電子的游戲玩具中,但就目前來看,無論是PC所用的無線鼠標、無線鍵盤,還是Nintendo Wii的無線游戲控制器、Sony PlayStation 3的無線游戲控制器,都是使用藍牙而非ZigBee,加上藍牙芯片已多年大量量產,組件的量價均攤已達高度成熟,ZigBee當初設定以更低價格取代藍牙在控制領域應用,此一構想的實現難度也日益增高。

由此來看,現在最需要擔心的反而不是規格表現偏弱的Z-Wave,反而是追求應用領域最大化的ZigBee,很有可能落入“樣樣通、樣樣松”的結果。 Z-Wave占據家庭(家庭自動化、數字家庭;Bluetooth擁有信息(無線鍵盤/鼠標)、通訊(無線耳機/話筒)、消費性電子(電玩控制器),或許最后最適合ZigBee的將會落在工控、醫療等領域。

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