Z-Wave 无线通信技术在智能家居中的应用探究

2020-01-08王若晗罗心烺徐茂盛

通信电源技术 2020年6期

王若晗，罗心烺，徐茂盛

（重庆邮电大学，重庆 400065）

1 Z-Wave 无线通信技术的发展现状与技术特点

Z-Wave 技术最早是在2005 年出现的，是在拉斯维加斯成立的Z-Wave 联盟最先推出的一种无线通信协议中出现的，协议中联盟未来开发相关的自动化市场，推出了一种成本低、功耗低、结构比较简单的技术，这种技术就是Z-Wave 技术。当前，技术联盟的成员已经多达80 家，核心理念为在无线家居领域对这一技术加大应用，并将所有成员联系起来互相交流，为售出技术与产品提供更好的售后与服务，促进各大公司合作，促进技术开发与发展。Z-Wave 技术主要适应于短距离的无线通信，在家居应用上为窄带宽。随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于控制距离不断增大的要求以及如今家居设备的愈来愈复杂，使得无线智能家居系统的安装成本不断升高，在这样的环境下，Z-Wave 技术的适用性较高，推动着整个无线家居市场的发展。

Z-Wave 技术具有成本低、操作简单等优势。第一，Z-Wave 技术简单好操作，技术对于网络管理的要求较低，通常在几分钟内便可以安装，在安装的过程中不需要人工进行网络地址分配与设备的连接，只需要简单几步便可以完全组网。第二，节约资源，安装成本较低。随着市场需求的不断增大，技术不断升级但是成本却在不断下降，在不久的未来，这一技术的成本还会进一步下降。第三，Z-Wave 技术消耗的功率很小。它在运行的过程中具有不同的模式，分为运行以及休眠模式，并且通过压缩格式以及适应频率等方式降低功耗。通常情况下，Z-Wave 技术在十年内的功耗往往达不到两节7 号电池。

虽然Z-Wave 技术具有很好的发展前景，但是，它也面临巨大的困难。由于协议的简单，会使得在一些复杂环境下协议较难适应以及扩展，造成网络层面的崩溃。同时，从目前来看，这一技术的系统芯片开发商在市场上寥寥无几，对于芯片量产较难，量产后对于造价成本的控制更是难上加难，也很难发挥其成本低的优势。

2 协议简述

Z-Wave 技术的协议主要分为物理层、MAC 层、传输层、路由层以及应用层。协议结构简单，主要呈垂直型，紧凑有序，控制有效。其中，MAC 层主要控制设备间无线链路的建立、维护以及结束，承担对无线链路的维护功能，同时还在一定程度上提高数据传输的安全性，避免信号冲突。传输层主要承担传播可靠的信息数据，建立重新传输、帧校验以及帧确认的点，确保在不同的帧之间能够实现有效控制。路由层主要承担着复制控制器的功能。应用层主要承担着翻译指令与执行指令的功能。

3 Z-Wave 无线技术下的智能家居系统

智能家居是在住宅建筑的基础上，将网络、家电等设备自动化设计并信息化，将服务、系统、管理结合在一起的一种自动、便捷、舒适、安全、环保的家居环境。智能家居不仅将普通家居的各种功能涵盖在内，提供舒服的居住环境，还将大多数家居以及用具从被动变为能动，提升家居趣味的同时，将自我信息以及习惯与这些工具进行交换，使得这些工具变为智能的伙伴。每个家庭中的常用电器主要有电视、冰箱、电灯等，在传统的家居模式下，这些电器基本是独立的工作，没有太大的联系。人们在这样的家居环境下生活，最主要的缺陷是管理成本、实践成本及控制成本较高。无线智能家居系统不仅在外界环境感知度方面具有优势，而且可以将自主感知内容输入对应系统，自主改变居住环境；不仅具有相关的能动性，而且具有自我修复的功能，保持家居系统的相对稳定，很少需要人类的控制与维修，符合绿色生活理念，在未来应用前景很大。

3.1 智能家居系统的需求

家庭内部网络、家庭外部网络以及网关设备是一个智能家居系统的整体需求。家庭外部网络主要是与外部设备如手机、平板、电脑等进行连接，为智能家居网络远程的控制提供网络。家庭内部网络则是与家庭内部设备进行连接如家用电器等，为家庭内部设备提供平台。而网关设备则处在两者的中间位置，既可以对外部网络信息进行接收，也可以对内部数据进行分析，可将外部信息转换为内部命令，起到两者沟通桥梁的作用。因此，网关设备一般常年处于开机或者待机的状态，它接收外部信息，转达给家庭网络，家庭网络做出反应后也会对网关进行反馈[1-3]。

3.2 智能家居系统的整体设计

智能家居整体设计有很多，较为常见的是在外部网络采用互联网的方式，搭建一个简单的网页或者创建一个简单的APP 发出控制信息，或者通过网页以及移动终端对家庭内部网络访问。在网关设备处采用嵌入式的设计，安装嵌入式处理器，处理器相当于外部网络与内部网络的一个交点，也叫做接口。内部网络则是通过Z-Wave 技术在无线网络的基础上，将控制器、路由子节点和普通子节点组合在一起。智能家居设计硬件设计主要是网关与检测器的设计，其中包括Z-Wave 控制器和节点，这两种设备大同小异，只是在功能上有些许不同。

3.3 智能家居系统的Z-Wave 控制器

智能家居系统的Z-Wave 控制器提出了统一标准，对应用层的命令以及控制器模块在路由层、物理层、传输层都进行了隐藏。在这样的条件下，不同厂商开发出的设备便可以进行互相通信。因此，在家庭中可以自由选择安装各个厂商的智能家庭设备。这为个性化智能家居做出了贡献，对市场的发展也起到了积极的促进作用，人们可以定制更适合自己需求的多功能家庭设备。

3.4 智能家居系统Z-Wave 控制器开发环境与开发框架

控制器开发环境主要为KV2，控制器使用的语言通常为C 语言。在智能家居设计与安装中，Z-Wave技术为家居设备提供着安全的函数库，对不同的设备进行特殊定制，便于主人在使用过程中对设备进行调控。传统的开发板与Z-Wave 芯片进行组合，建立在微处理器中的开发框架屏蔽一些使用者的细节，并不向开发者完全透露，也不需要开发者从主函数开始，让开发变得更加的简单便捷。一般Z-Wave 应用基本框架都是从硬件初始化开始，相关设备通电后，初始化软件然后获取信息，实现对程序的访问、测试，对程序内命令进行接收处理并对外部环境进行监听。Z-Wave 开发模块主要运用5 种函数，也分为这5个模块：ApplicationInitHW、ApplicationInitSW、ApplicationPoll、ApplicationNodeInformation 以及ApplicationCommandHandler。第一模块主要是进行硬件初始化，固有硬件通常情况下是不需要人工进行干预的，在设备安装前便已经进行好设定，初始化便自定义进行。第二模块主要是对应用程序初始化，对于两个变量进行初始赋值，包括应用变量和状态变量两部分。第三模块是在状态机结构下应用程序的固件程序函数。第四模块是调整传输节点信息帧的，对节点信息进行相关设置。第五模块对信息进行处理，并对命令进行执行。