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        智能家居無線方案ZIGBEE、Z-Wave、WIFI、藍牙、紅外、GPRS以及NB-IOT之間優缺點比較

        2020-08-29 18:51:16 楊西華 188

        智能家居無線方案ZIGBEE、Z-Wave、WIFI、藍牙、紅外、GPRS以及NB-IOT之間優缺點比較

        無線取代有線已經成為一個不可逆轉的趨勢,在智能家居行業最流行的是四種無線技術,即WiFi、Z-Wave、ZigBee、SmartRoom。其中WiFi技術和ZigBee這兩種技術最值得競爭。那么WiFi和ZigBee到底哪個更有優勢呢?未來誰才會成為主流呢?

        藍牙
        藍牙,是一種基于2.4GHz頻段的、短距離通信技術,能在手機、平板、筆記本電腦等智能設備中進行無線信息交換。通過藍牙技術,可以將原本沒有連網能力的設備間接地連入互聯網。基于其低功耗的特點和智能手機的普及,藍牙是很多智能家居產品的首選,例如家庭門鎖、窗簾、燈光照明,甚至是智能開關等。
        在實際應用中,藍牙協議可以實現設備連接方案。產品通過藍牙協議與智能手機相連,進而通過互聯網與產品相連,實現遠程查看和控制。

        WiFi
        WiFi技術是目前傳輸速度最快的的技術,產品成本較低,在目前的生活中較為普及,最方便的是只需要購買元件連上WiFi網絡就能使用。所以目前基于WiFi技術的智能家居產品占的市場份額最大。缺點是安全性差,穩定性弱,功耗大,可連接的設備有限。WiFi網絡的實際規模一般不會超過16個,而在智能家居的發展中,開關、照明、家電的數量肯定會遠遠多于16個,所以WiFi有它的優勢,但局限性也很大,限制了發展。

        ZigBee
        ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術,ZigBee可以工作在2.4GH(全球)、868MHz(歐洲)、915MHz(美國)3個頻段上,最高250Kbit/s,最低20Kbit/s,傳輸距離在10-75M之間,ZigBee的安全性是公認的比較好的,采用AES-128加密方式,另外,ZigBee網絡的自組織網和自愈能力強。

        通信穩定性
         目前在國內ZigBee技術的主要采用ISM頻段的2.4GHz,衍射能力弱,穿墻能力弱,容易受到障礙物的影響,而且容易受到同頻段的WiFi和藍牙的干擾。但是ZigBee的優勢在于網絡結構,可以一跳一跳的向外衍生,每多一個節點,就相當于有了一個中繼器,可以把通信方位擴大1倍。而wifi和藍牙的通信距離看的是直接通信距離,也就是天線的好壞。
         
         自組網實用性
         自組網原本的優點能夠感知其他節點的存在,并確定連接關系,組成結構化的網絡,并且在某一個節點移動后能夠自動的重新感知,組成網絡。但是在家庭的實際應用中,開關、照明、窗簾、防盜器等在安裝完畢后基本不會移動。

        網絡容量
         ZigBee支持高達65000個節點,但是wifi能夠連接超過100個的的設備嗎?答案是不能。所以容量大還是有好處的。
          
        紅外
        在紅外通訊技術發展早期,存在好幾個紅外通訊標準,不同標準之間的紅外設備不能進行紅外通訊。為了使各種紅外設備能夠互聯互通,1993年,由二十多個大廠商發起成立了紅外數據協會(IrDA),統一了紅外通訊的標準,這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數據通訊協議及規范。
        紅外通信是以紅外線作為載體來傳送數據信息。它作為無線通信的一種,與無線電通信相比,由于其性能價格比高,實現簡單,具有抗電磁干擾、便于高速應用、空間接入靈活、經濟的特點,可用于室內外實現點對點、無線紅外LAN通信及軍用紅外引信,在移動計算和移動通訊的設備中獲得了廣泛的應用。
         在某些場合,需要數據交換但又不是很大,且實時性要求又不是很高的情況下,可以使用紅外通訊方式,這樣既可以得到無繩化通信帶來的便利,又可以避開采用無線電高頻電路可能引發的一些問題。譬如用于家用電器的遙控器,計算機的遙控鍵盤和遙控鼠標以及便攜式數據收集裝置(煤水電表的登錄器、報稅機)與主機的數據交換等。
          目前,利用紅外線進行無線數據通信,無論從小型化、輕量化,還是從安全性等方面考慮,其可行性都比較高,并且已經在無線多信道室內話音系統,無繩電話以及鍵盤和終端間的短距離無線連接中得到了應用。所有這些應用中的工作帶寬遠低于WLAN需要的帶寬。 
        在實際的通信領域,發出來的信號一般有較寬的頻譜,而且都是在比較低的頻率段分布大量的能量,所以稱之為基帶信號,這種信號是不適合直接在信道中傳輸的。為便于傳輸、提高抗干擾能力和有效的利用帶寬,通常需要將信號調制到適合信道和噪聲特性的頻率范圍內進行傳輸,這就叫做信號調制。在通信系統的接收端要對接收到的信號進行解調,恢復出原來的基帶信號。這部分通信原理的內容,大家了解一下即可。
          我們平時用到的紅外遙控器里的紅外通信,通常是使用38K左右的載波進行調制的,下面我把原理大概給大家介紹一下,了解一下,先看發送部分原理。

        GPRS
        GPRS技術(General Packet Radio Service)是GSM移動電話用戶可以使用的一種移動數據業務。GPRS是GSM的延續,與以往在頓道上采用電路交換的傳輸方式不同,GPRS是以數據包(Packet)的方式來傳輸的,使用者所負擔的費用是以其傳輸的數據流量計算的,并非使用其整個頻道,因此理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56kb/s甚至114kb/s。
        GPRS的最大優勢在于:它的數據傳輸速度不是WAP所能比擬的。目前的GSM移動通信網的傳輸速度為每秒9.6KB,GPRS手機在推出時已達到56kb/s的傳輸速度,到現在更是達到了114kb/s(此速度是常用56K Modem理想速率的兩倍)。除了速度上的優勢,GPRS還有“水遠在線的特點”,即用戶隨時與網絡保持聯系。舉個例子,用戶訪問互聯網時,單擊一個超級鏈接,手機就在無線信道上發送和接收數據,主頁下載到本地后,沒有數據傳送,手機就進入一種“準休眠”狀態,手機釋放所用的無線頻道給其他用戶使用,這時網絡與用戶之間還保持一種邏輯上的連接,當用戶再次單擊,手機立即向網絡請求無線頻道用來傳送數據,而不像普通撥號上網那樣斷線后還得重新撥號才能上網沖浪。
        GPRS是介于2G和3G之間的技術,也被稱為2.5G。它后面還有個弟弟EDGE,被稱為2.75G。它們為實現從GSM向3G的平滑過渡奠定了基礎。

        GPRS會發生包丟失現象
        由于分組交換連接比電路交換連接要差一些,因此,使用GPRS會發生一些包丟失現象。而且,由于話音和GPRS業務無法同時使用相同的網絡資源,因此,用于專門提供GPRS使用的時隙數量越多,能夠提供給話音通信的網絡資源就越少。對用戶來說其容量有限GPRS確實對網絡現有的小區容量產生影響,對于不同的用途而言只有有限的無線資源可供使用。例如,話音和GPRS呼叫都使用相同的網絡資源,這勢必會相互產生一些干擾。其對業務影響的程度主要取決于時隙的數量。當然,GPRS可以對信道采取動態管理,并且能夠通過在GPRS信道上發送短信息來減少高峰時的信令信道數。

        實際速率比理論值低
        GPRS數據傳輸速率要達到理論上的最大值172.2kbps,就必須只有一個用戶占用所有的8個時隙,并且沒有任何防錯保護。運營商將所有的8個時隙都給一個用戶使用顯然是不太可能的。另外,最初的GPRS終端預計可能僅支持1個、2個或3個時隙,一個GPRS用戶的帶寬因此將會受到嚴重的限制,所以,理論上的GPRS最大速率將會受到網絡和終端現實條件的制約。
        終端不支持無線終止功能

        Z-Wave
        Z-Wave是由丹麥公司Zensys所一手主導的無線組網規格,Z-wave聯盟(Z-wave Alliance)雖然沒有ZigBee聯盟強大,但是Z-wave聯盟的成員均是已經在智能家居領域有現行產品的廠商,該聯盟已經具有160多家國際知名公司,范圍基本覆蓋全球各個國家和地區。
        Z-Wave是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術。工作頻帶為908.42MHz(美國)~868.42MHz(歐洲),采用FSK(BFSK/GFSK)調制方式,數據傳輸速率為9.6 kbps,信號的有效覆蓋范圍在室內是30m,室外可超過100m,適合于窄帶寬應用場合。隨著通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加,相對于現有的各種無線通信技術,Z-Wave技術將是最低功耗和最低成本的技術,有力地推動著低速率無線個人區域網。

        網絡結構
          每一個Z-Wave網絡都擁有自己獨立的網絡地址(HomeID);網絡內每個節點的地址(NodeID),由控制節點(Controller)分配。每個網絡最多容納232個節點(Slave),包括控制節點在內。控制節點可以有多個,但只有一個主控制節點,即所有網絡內節點的分配,都由主控制節點負責,其他控制節點只是轉發主控制節點的命令。已入網的普通節點,所有控制節點都可以控制。超出通信距離的節點,可以通過控制器與受控節點之間的其他節點,以路由(Routing)的方式完成控制。
          Z-Wave采用了動態路由技術,每個Slave內部都存有一個路由表,該路由表由Controller寫入。存儲信息為該Slave入網時,周邊存在的其他Slave的NodeID。這樣每個Slave都知道周圍有哪些Slaves,而Controller存儲了所有Slaves的路由信息。當Controller與受控Slave的距離超出最大控制距離時,Controller會調用最后一次正確控制該Slave的路徑發送命令,如該路徑失敗,則從第一個Slave開始重新檢索新的路徑。
        眾所周知,丹麥的樂高玩具全球范圍內都受小朋友歡迎,在一次全球z-wave技術開發者大會上,其聯盟主席做了z-wave的市場遠景展望,z-wave將致力于打造成大人的玩具,z-wave的發展方向是集娛樂功能和實用功能于一體。Z-Wave鎖定的技術平臺就是家庭自動化,Z-Wave的角色即為替代現行的X-10規格,已經有X-10與Z-Wave共生的橋接器產品出現。而衍生出的產品琳瑯滿目,在國外許多喜歡自己動手做(DIY)的家庭自動化用戶也都開始注意并使用Z-Wave。
          在技術面上,Z-Wave從原本的9.6Kbit/s提升到40Kbit/s,并宣稱提升后原本的9.6Kbit/s能與40Kbit/s共存。在節點數方面,一個Z-Wave網路可支援兩百三十二個點。
          Z-Wave使用的路由協議是源路由(Source Routing),在源頭發出封包就可以直接在封包內指定詳細路由的路徑。這個做法大大省去每個節點花在路由上的資源。Z-Wave的第三代晶片ZW0301,其中微控制器核心使采用六倍速8051架構,搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM。耗電流方面,睡眠模式是2.5微安培,接收23毫安培,發射在0dBm輸出下是36毫安培。不過由于頻帶選定在868/908MHz,這樣的耗電仍稍嫌偏高。
          Z-Wave是一種結構簡單,成本低廉,性能可靠的無線通信技術,通過Z-Wave技術構建的無線網絡,不僅可以通過本網絡設備實現對家電的遙控,甚至可以通過Internet網絡對Z-Wave網絡中的設備進行控制。在2011年美國ces展,wintop都已經推出基于互聯網遠程控制的產品,如遠程監控,遠程照明控制等,且該技術已經成熟,主要是一個市場開拓及消費群體的培育還需要一段時間。隨著Z-Wave聯盟的不斷進擴大,該技術的應用也將不僅僅局限于智能家居方面,在酒店控制系統,工業自動化,農業自動化等多個領域,都將發現Z-Wave無線網絡的身影。

        NB-IOT
        窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡,只消耗大約180KHz的帶寬,可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡,以降低部署成本、實現平滑升級。
        NB-IoT是IoT領域一個新興的技術,支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接,也被叫作低功耗廣域網(LPWAN)。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。據說NB-IoT設備電池壽命可以提高至少10年,同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。

        在過去的一年多,NB-IoT真的可以說是大紅大紫。在通信圈里,除了說5G,就是說物聯網。如果說物聯網,八成就是在說NB-IoT。
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        NB-IoT除了速率之外,其它方面都表現優異。
        功耗方面,NB-IoT犧牲了速率,卻換回了更低的功耗。采用簡化的協議,更適合的設計,大幅提升了終端的待機時間,部分NB終端,待機時間號稱可以達到10年!
        信號覆蓋方面,NB-IoT有更好的覆蓋能力(20dB增益),就算你的水表埋在井蓋下面,也不影響信號收發。
        連接數量方面,每小區可以支持5萬個終端,相當彪悍了。即使這個小區擠了5萬頭豬,也能輕松監控每一頭。
        最最重要的,成本價格。你再牛,成本高的話,價格貴用不起,也是白搭。NB-IoT通信模塊成本很低,每模組有希望壓到5美元之內甚至更低,有利于大批量采購和使用。
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        下面針對智能家居無線通信協議作數據分析從表中可以看出,每種協議都有在特定情形下的優點。
        綜上所述,不同的協議,就像風格迥異的語言,共同豐富著智能設備的互聯技術。在選擇時,需要針對不同的產品需求,去選擇相應的通信協議,以充分發揮其技術特性,并達到產品性能的提升。


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