智能家居主流无线技术对比与分析


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文/王麟琨 九把言

九把叉前言:

本周,我特地邀请了机械工业仪器仪表综合技术研究所的王麟琨博士,也是本次GB/T 20965标准修订工作组的组长,为大家详细介绍一下目前市场上几种无线标准协议的特点和区别。在此特别感谢王博士在百忙之中抽出时间,从专业技术角度,为我们答疑解惑。

以下是王博士的原文内容。

一、概述

智能家居解决方案需综合考虑技术、成本、施工方便、美观等多个因素。传统的智能家居网络布线方式是有线网络,施工不方便、影响美观,各制造商都在主推基于无线技术的智能家居解决方案。无线网络无需布线不会影响室内美观,节约了综合布线这方面的人力和物力,且具有方便、快速等特点,非常适合应用于智能家居。

当前市场上智能家居的无线解决方案较多,这一方面可为用户提供更多选择,但同时也给用户带来了困惑,不知选择哪种无线技术构建的智能家居系统。智能家居无线解决方案虽多,但主流的智能家居无线技术可总结为:Zigbee、Z-Wave、KNX RF、WiFi、蓝牙等。

二、几种主流智能家居无线技术对比

现从无线传输技术、功耗、节点数、安全性、开放性、标准化与互操作、行业适用性、可用软硬件资源等几个方面对上述几种主流智能家居无线技术进行比较。

1、无线传输技术

Zigbee:基于IEEE 802.15.4标准,工作频率为868MHz、915MHz或2.4GHz,在国内主要使用2.4GHz,250kbps(2.4GHz),调制方式:BPSK/OQPSK,支持星型、树型和网状(mesh)网络拓扑,支持16个通信信道(2.4GHz)。

Z-Wave:无线传输技术无标准,工作频率为908.42MHz(美国)、868.42MHz(欧洲),调制方式:FSK(BFSK/GFSK),数据传输速率为40kbps,支持网状(mesh)网络拓扑,支持单信道。

KNX RF:基于EN 50090-5-3,工作频率为868MHz,调制方式:FSK,数据传输速率为16kbps,支持对等网络拓扑,不支持网状拓扑,支持3个快速信道和2个慢速信道。

WiFi:基于IEEE 802.11标准,主要工作频率为2.4GHz,调制方式:MIMO-OFDM/DSSS/CCK,数据传输速率为11Mbps以上,支持自组网(Ad hoc)和基础结构拓扑,支持14个通信信道;

蓝牙:基于IEEE 802.15标准,主要工作频率为2.4GHz,调制方式GFSK,数据传输速率为1Mbps以上,支持点对点,以及对等网络(Ad hoc)拓扑,支持79个信道;

2、功耗

Zigbee/Z-Wave/KNXRF都为低功耗设计,典型1mW(0dBm),KNX RF甚至支持机电能源获取方式(类似EnOcean方式);WiFi功耗大,需外配电源,典型36mW(16dBm);蓝牙功耗介于低功耗与WiFi功耗之间,典型2.5 mW(4dBm)。

3、节点数

Zigbee:理论上可支持超过6万个节点。

Z-Wave:最多232个节点。

KNX RF:最多约4000个节点。

WiFi:理论上254个节点,但实际支持远低于理论值,一般不超过20个。

蓝牙:一般8个节点。

4、安全性

Zigbee:AES– 128等安全机制。

Z-Wave:具备安全层,提供密钥机制。

KNX RF:应用层之上提供认证、加密等安全机制。

WiFi:WPA/WPA2安全机制。

蓝牙:可提供认证、加密和密钥管理等安全机制。

5、开放性

Zigbee:Zigbee联盟,会员开放。

Z-Wave:Zensys公司主导Z-Wave联盟,会员开放。

KNX RF:KNX协会,会员完全开放。

WiFi:完全开放。

蓝牙:蓝牙技术联盟,完全开放。

6、标准化与互操作

Zigbee:未建立国际标准,已建立协会内部协议规范和不同领域规约,目前不同厂商产品存在互操作问题。

Z-Wave:未建立国际标准,已建立协会内部协议规范。

KNX RF:已成为ISO/IEC标准、EN标准、GB/T标准,不同厂商产品可实现互操作,且使用统一软件进行配置。

WiFi:已有国际标准,但面向智能家居领域没有建立规约,不同厂商产品无法实现互操作。

蓝牙:已有国际标准,但面向智能家居领域没有建立规约,不同厂商产品无法实现互操作。

7、行业适用性

Zigbee:可面向多个应用领域,适用于智能家居应用,但主要用于传感和控制等功能。

Z-Wave:专门针对智能家居应用,但主要用于传感和控制等功能。

KNX RF:专门针对智能家居应用,可与KNX TP(双绞线)配合使用,但主要用于传感和控制等功能。

WiFi:面向多应用领域,智能家居应用不仅可用于传感和控制,也可用于音视频等功能。

蓝牙:面向多应用领域,智能家居应用不仅可用于传感和控制,也可用于语音等功能。

8、可用软硬件资源

Zigbee:已有多个芯片制造商提供解决方案,如TI、FREESCALE 、ATMEL、Nordic 等,以及基于不同硬件平台的通信协议栈。

Z-Wave:Zensys公司提供专用芯片。

KNX RF:目前有2个硬件厂商和2个软件公司提供芯片和协议解决方案。

WiFi:众多厂商提供芯片和协议解决方案,应用层以外协议为开放协议。

蓝牙:较多厂商提供芯片和协议解决方案。

三、特点分析

1、Zigbee

无线通信技术先进,抗扰性和穿透性一般(主要工作在2.4GHz),软硬件开发资源较丰富,标准化和互操作性待改进,比较适合智能家居行业应用。

2、Z-Wave

无线通信技术较先进,抗扰性和穿透性较好,软硬件开发资源单一,第三方解决方案少,标准化待完善,互操作性较好。适合智能家居行业应用。

3、KNX RF

无线通信技术简单但实用,软硬件开发资源较少,抗扰性和穿透性较好,标准化和互操作性很优秀。无线和有线可构成完整解决方案,适合智能家居行业应用。

4、WiFi

无线通信技术先进,软硬件开发资源很丰富,抗扰性和穿透性一般(主要工作在2.4GHz)。智能家居行业的标准化和互操作性较差,由于功耗高和节点数限制,在智能家居行业应用受限,但其将智能家居应用整合到IT网络的能力最强。

5、蓝牙

无线通信技术先进,软硬件开发资源丰富,抗扰性和穿透性一般(主要工作在2.4GHz)。智能家居行业的标准化和互操作性较差,由于节点数和拓扑方式,其在智能家居行业应用受限,但方便集成到智能终端,如手机、Pad等。

四、观点

上述对几种主流用于智能家居无线技术进行了客观对比,但对于公司选择哪种技术,以及客户选择哪种产品,除了技术先进性的对比,还要考虑技术的成熟性、可靠性、工程实施等多个因素。

另提两个问题:

1)是否一定要支持Mesh网络的无线技术?无线技术支持Mesh拓扑结构表示其无线技术较复杂,可支持更多节点,覆盖更广区域。但鉴于Mesh拓扑的复杂性,会增加开发难度,且网络管理复杂,而且较多跳路由在实际应用中的意义并不大。

2)现在阶段是否应该采用纯无线解决方案?无线技术确实给智能家居带来了很多方便,但目前看完全靠无线技术并不能解决所有的应用问题,而且无线技术的可靠性、稳定性目前仍需改善,尤其对于公建应用。有线+无线的解决方案在目前阶段仍然是正确选择。

九把叉观点:

  如果把几种无线协议的对比总结成下面一张表的话,我们可以看出:

:black_medium_small_square:在应用性方面, WiFi是目前应用最广泛的无线技术,但是由于其功耗高和节点数受限的原因,目前在智能家居领域的应用受到了一些限制。

:black_medium_small_square:在稳定性方面,由于在2.4G这个频段堆积了太多的无线信号,比较容易产生干扰,稳定性的表现不如868M这个频段的无线协议好。

:black_medium_small_square:在兼容性方面,目前只有KNX协议做到了不同厂家产品之间能够实现互操作,在标准化和互操作性方面做的最好。

:black_medium_small_square:对于王博士提出的两个问题:第一个问题,由于在家居里面,系统需要覆盖的面积相对并不大,所以我个人认为简单的网络拓扑已经可以满足系统的需求;至于第二个问题,我也认为,无线+有线的组合可以互补短长,是现阶段的最佳解决方案。