ZigBee、WiFi、藍牙 哪種模式更適合智慧家居?

(本文作者:廈門大學物理與機電工程學院物理系 郭捷、王亞軍)

智慧家居無疑是這幾年來熱門的研究對象之一,而今年隨著藍牙4.0技術的推出,其低功耗,低成本,傳輸速率快的特點讓更多的人選擇了藍牙方案開發智慧家居,讓智慧家居這個市場形成了藍牙,WiFi,ZigBee三足鼎立的一個局面。本文主要針對三種方案的原理,技術特點及優缺點作出了一個對比並以此展望了智慧家居市場的未來。


♦ ZigBee

ZigBee簡介

Zigbee是IEEE 802.15.4協議的簡稱,它來源於蜜蜂的八字舞,蜜蜂(bee)是通過飛翔和「嗡嗡」(zig)抖動翅膀的「舞蹈」來與同伴傳遞花粉所在方位訊息,而ZigBee協議的方式特點與其類似便更名為ZigBee。ZigBee主要適合用於自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備,其特點是傳播距離近、低功耗、低成本、低數據速率、可自組網、協議簡單。

ZigBee的主要優點:    

  • 功耗低

    對比Bluetooth與WiFi,在相同的電量下(兩節五號電池)可支持設備使用六個月至兩年左右的時間,而Bluetooth只能工作幾週,WiFi僅能工作幾小時。    
     
  • 成本低

    ZigBee專利費免收,傳輸速率較小且協議簡單,大大降低了ZigBee設備的成本。   
     
  • 掉線率低

    由於ZigBee的避免碰撞機制,且同時為通信業務的固定帶寬預留了專用的時間空隙,使得在數據傳輸時不會發生競爭和衝突;可自組網的功能讓其每個節點模塊之間都能建立起聯繫,接收到的訊息可通過每個節點模塊間的線路進行傳輸,使得ZigBee傳輸訊息的可靠性大大提高了,幾乎可以認為是不會掉線的。  
     
  • 組網能力強

    ZigBee的組網能力超群,建立的網絡每個有60,000個節點。    
     
  • 安全保密

    ZigBee提供了一套基於128位AES算法的安全類和軟件,並集成了IEEE 802.15.4的安全元素。        
     
  • 靈活的工作頻段

    2.4 GHz,868 MHz及915 MHz的使用頻段均為免執照頻段。    

  
ZigBee的缺點: 
 

  • 傳播距離近

    若在不適用功率放大器的情況下,一般ZigBee的有效傳播距離一般在10m——75m,主要還是適用於一些小型的區域,例如家庭和辦公場所。但若在犧牲掉其低掉線率的優點的前提下,以節點模塊作為接收端也作為發射端,便可實現較長距離的訊息傳輸。    
      
  • 數據訊息傳輸速率低

    處於2.4 GHz的頻段時,ZigBee也只有250 Kb/s的傳播速度,而且這單單是鏈路上的速率且不包含幀頭開銷、信道競爭、應答和重傳,去除掉這些後實際可應用的速率會低於100 Kb/s,在多個節點運行多個應用時速率還要被他們分享掉。  
      
  • 會有延時性

    ZigBee在隨機接入MAC層的同時不支持時分復用的信道接入方式,因此在支持一些實時的應用時會因為發送多跳和衝突會產生延時。


ZigBee的具體應用

ZigBee的問世已經有很長一段時間,但是由於傳輸速率且目前電子設備中配置其模塊的比例幾乎為零,在2010年前幾乎沒有什麼出名的具體應用。在LED火熱的這幾年,人們發現ZigBee適用於燈光照明系統,智慧家居系統這種不需要傳輸速率很快的系統。最近還有應用在無線定位系統中並在具體的項目上得到了實施。



♦ Bluetooth(藍牙協議) 

藍牙簡介

藍牙協議是由愛立信公司創造並於1999年5月20日與其他業界領先開發商一同制定了藍牙技術標準,最終將此種無線通信技術命名為藍牙。藍牙技術是一種可使電子設備在10~100 m的空間範圍內建立網絡連接並進行數據傳輸或者語音通話的無線通信技術。

藍牙發展趨勢
 
藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group,SIG)日前宣佈藍牙4.0版本正式問世,且制定了技術標準並開始了認證計劃。藍牙4.0在保持3.0+HS高速傳輸技術的基礎上又加入了某開發商力推的Wibree低功耗傳輸技術。    
  
藍牙4.0是IEEE 802.15.1傳統藍牙,IEEE 802.11物理層和MAC層以及Wibree三者的結合體,已和大家傳統認識中只適用於WPAN的藍牙有著天壤之別,在未來幾年藍牙會持續這幾年的發展趨勢進入一個應用狂潮。
  
藍牙4.0最大的突破和技術特點便是沿用Wibree的低功耗傳輸,它採用簡單的GFSK調製因而有著極低的運行和待機功耗,即使只是一顆紐扣電池也可支持設備工作幾年以上。    
  
藍牙4.0的網絡拓撲與ZigBee的星形拓撲相比來得簡單且傳輸速率是ZigBee的幾倍以上,在傳輸距離上相對NFC又有較大優勢,加之其在手機與音頻領域的廣泛應用,作為一個問世不久的新技術,它對ZigBee和NFC的威脅力度卻不容忽視,未來發展不可限量。

藍牙的優點:

  • 功耗低且傳輸速率快

    藍牙的短數據封包特性是其低功耗技術特點的根本,傳輸速率可達到1Mb/s,且所有連接均採用先進的嗅探性次額定功能模式以實現超低的負載循環。     
     
  • 建立連接的時間短

    藍牙用應用程序打開到建立連接只需要短短的3ms,同時能以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞後並立即關閉連接。    
      
  • 穩定性好

    藍牙低功耗技術使用24位的循環重複檢環(CRC),能確保所有封包在受干擾時的最大穩定度。       
     
  • 安全度高

    CCM的AES-128完全加密技術為數據封包提供高度加密性及認證度。    

  
藍牙的缺點:

  • 數據傳輸的大小受限

    高速跳頻使得藍牙傳輸訊息時有極高的安全性但同時也限制了藍牙傳輸過程中數據包不可能太大。即使在所謂的高保真藍牙耳機中高低頻部分也是會被嚴重壓縮的。
     
  • 設備連接數量少

    相對於Wifi與ZigBee,藍牙連接設備能力確實較差,理論上可連接8台設備,實際上也就只能做到6——7個設備連接。
     
  • 藍牙設備的單一連接性

    假設我用A手機連接了一個藍牙設備,那麼B手機是連接不上它的,一定要我與此藍牙設備之間的握手協議斷開B手機才能連接上它。


藍牙應用

從最初的藍牙傳輸數據使得藍牙技術在手機上廣泛運用,再到後來藍牙耳機和藍牙無線鼠標的風靡,再到時下最流行的藍牙智慧家居系統,藍牙對人們生活產生的便利不言而喻。憑藉著其在電子產品中的高配置比,人們對藍牙新產品的接受程度會高於ZigBee,NFC等產品。電子窗簾,吸塵器機器人,抽油煙機,智慧穿戴產品,低功耗的藍牙4.0將有更大的應用市場。   

 

♦ WiFi

WiFi技術簡介
 
WiFi(Wireless Fidelity,無線保真技術)是IEEE 802.11的簡稱,是一種可支持數據,圖像,語音和多媒體且輸出速率高達54Mb/s的短程無線傳輸技術,在幾百米的範圍內可讓互聯網接入者接收到無線電信號。WiFi的首版於1997年問世,當時其中定義了物理層和介質訪問接入控制層(MAC層)並在規定了無線局域網的基本傳輸介質和網絡結構的同時規範了介質訪問層(MAC)的特性和物理層(PHY),其中物理層採用的是FSSS(調頻擴頻)技術、紅外技術和DSSS(直接序列擴頻)技術。在1999年又新增了IEEE 802.11g和IEEE 802.11a標準進行完善。 

WiFi技術特點

  • 傳輸範圍廣

    WiFi的電波覆蓋範圍半徑高達100 m,甚至連整棟大樓都可以覆蓋,相對於半徑只有15m藍牙,優勢相當明顯。    
      
  • 傳輸速度快

    高達54Mb/s的傳輸速率使得WiFi的用戶可以隨時隨地接收網絡,並可快速地享受到類似於網絡遊戲、視頻點播(VOD)、遠程教育、網上證券、遠程醫療、視頻會議等一系列寬帶訊息增值服務。在這飛速發展的訊息時代,速度還在不斷提升的WiFi必能滿足社會與個人訊息化發展的需求。
     
  • 健康安全

    WiFi設備在IEEE 802.11的規定下發射功率不能超過100 mW,而實際的發射功率可能也就在60~70 mW。與類似的通信設備相比,手機發射功率約在200 mW~1 W,而手持式對講機更是高達5 W。相對於這兩者WiFi產品的輻射更小。    
      
  • 普及應用度高

    現今配置WiFi的電子設備越來越多,手機、筆記本電腦、平板電腦、MP4幾乎都將WiFi列入了他們的主流標準配置。


WiFi發展趨勢

前段時間WiFi技術聯盟推出了WiFi Direct標準,這也表示著WiFi在上網本、智慧手機、電視機、機頂盒和其他設備中的採用率不斷上升的同時也開始要涉及藍牙傳統的WPAN領域。據市場調查公司In-Stat的調查數據,預計到2013年全球將新增2.16億個配置WiFi模塊的電子設備。       
傳統標配中較熱門的藍牙與紅外目前只剩下藍牙,新增的配置包括重力感應,GPS及WiFi,當中已WiFi配置比例最高。WiFi已經幾乎已成為目前手機及其他類似電子設備中的標配。目前市面上的平板,筆記本電腦及智慧手機幾乎全部配置有WiFi模塊。         
  
近日,博通無線連接集團GPS業務組市場總監David Murray表示,與競爭對手相比,博通的解決方案有更多的優勢——除了利用衛星信號,還通過WiFi和基站來進行輔助定位。值得一提的是,WiFi的加入讓難以接收衛星信號的室內得以實現精確定位。

♦ Bluetooth,WiFi,ZigBee特性對比


♦ 結論

目前市面上普及率較高的電子設備(手機,平板)中基本配備了藍牙4.0模塊和WiFi模塊,就此而言這兩者在客戶端能被接受的程度要遠遠大於ZigBee。其實早在幾年前日本曾經有推廣過帶ZigBee模塊的手機,但ZigBee協議的繁瑣及傳輸速率的低下有點似乎趕不上時代發展的一個感覺,所以一直沒有普及開來,但其自組網的特點是其他兩種方案都無法替代的。未來的智慧家居市場,藍牙憑藉著其體積小功耗低的特點,可能會向小型化,例如可穿戴電子設備的產品方向去發展。WiFi憑藉著無線網絡幾乎到處都有的特點,一定會成為未來接受度最高且應用最廣的方案。而如今ZigBee要想打破僵局以不被淘汰,可能真的需要一次像藍牙3.0跨入藍牙4.0的大改造。



參考文獻:

       [1]韋奮. 藍牙無線通信模塊設計[D] . 西安,西安電子科技大學,2008:1-10
       [2]李明洋,劉敏,楊放. HFSS天線設計[M] . 北京:電子工業出版社,2011:228-280.

【作者簡介:郭捷(1987-),男,福建漳州人,碩士研究生,主要從事半導體照明方面的研究。】
 
【導師簡介:王亞軍(1969-),男,浙江慈溪人,副教授,碩士生導師,主要從事新能源、半導體照明方面的研究。】
 



來源:中國半導體照明網


 

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