台灣優奎士有限公司: Zigbee VS. Z-Wave 智慧型無線感測網路分析比較

為解救能源危機，因應節能、環保、安全、健康等趨勢，全球各地紛紛掀起綠建築風潮，透過智慧化、採用資通訊技術，打造優質居家空間。在眾多有線/無線通訊技術當中，以無線感測技術實用性最高，最能滿足綠建築的使用需求。而構建無線感測網路的技術又有許多種，如ZigBee、Z-Wave、INSTEON等，彼此之間競爭激烈，其中尤以ZigBee與Z-Wave較受矚目。兩種技術各有其優缺點，ZigBee應用範圍廣泛，Z-Wave則專注於家庭控制及數位家庭市場，兩者在家庭無線感測網路市場上短兵相接。

無線感測技術脫穎而出資訊與通訊技術高度發展，包括微電腦技術、數位通訊技術、自動控制技術、感測器元件微型化技術等，成為綠建築智慧化的重點，可結合智慧建築的有線/無線通訊技術包括紅外線、藍牙、超寬頻、無線區域網路、WiMAX、ZigBee、Z-Wave、INSTEON、X10、電力線通訊(Powerline Communication, PLC)等多種技術。相較有線通訊技術，無線通訊技術更受到矚目，且以無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)最受青睞。 ZigBee應用層出不窮目前無線感測網路可採用的通訊協定包括ZigBee、Zensys 的Z-Wave 及SmartLabs 的INSTEON，比較上述技術，以ZigBee的技術可行性最高，其特性包括高資料傳輸速度、高可靠度、低功耗、低成本、支援多樣性的網路架構、低功率長距離、可加密提高資料安全性及使用頻段為免費的2.4GHz/868MHz/915MHz等。ZigBee是開放性標準，由ZigBee聯盟制訂無線通訊協定標準，推動相容性測試(Compliance Test)，可確保不同廠商間的產品可以互通。此外，ZigBee的應用可擴展至住宅、辦公大樓、產業環境等領域。無線感測網路的感測器節點包含一個微型處理器(通常是低功耗的微控制器)、無線通訊晶片、各種感測器、足夠的記憶體和硬體能力等。ZigBee SWOT分析整理如下：

優勢(Strength) Ø IEEE標準化規範 Ø 用途廣 Ø 傳輸量高 Ø 可加密 Ø 節點多	劣勢(Weak) Ø 成本較高 Ø 市場定位不明確 Ø 穿透性弱 Ø 功耗較Z-Wave高
機會(Opportunities) Ø 廠商開發有明確的規範依循 Ø 開發具有彈性 Ø 許多國際大廠皆為ZigBee聯盟會員 Ø 完整的產業鏈 Ø 技術開放	風險(Threats) Ø 技術較為複雜、開發時間長 Ø 產品需進行互通測試 Ø 家庭自動化市占率低

表1. ZigBee之SWOT分析

Z-wave市場策略精準

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家庭自動化領域有現行產品的廠商。尤其是國際大廠思科(Cisco)與英特爾(Intel)的加入，也強化Z-wave在家庭自動化領域的地位。

Z-wave鎖定的技術平台就是家庭自動化，Z-wave的角色即為替代現行的X-10規格，目前已經有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並使用Z-wave。

在技術面上，Z-wave從原本的9.6Kbit/s提升到40Kbit/s，並宣稱提升後原本的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。

尤其PC與遙控器的使用者介面才是使用者直覺產生使用者經驗的媒介，加上產品造型的工業設計與質感，更是提升價值所在之處，而這些都是所有Z-wave 聯盟廠家願意投資的領域。而其餘的技術，都由平台提供商負責，使得Z-wave的客戶可以專心致力於提升並加強使用者經驗。

ZigBee VS Z-Wave

ZigBee與Z-Wave皆強調在家庭與建築物自動化與監控方面的應用潛力，除了上述無線通訊技術的不同外，此兩標準仍有許多其他的不同點。

	ZigBee	Z-Wave
使用頻段	2.4GHz, 915MHz, 868MHz	900M Hz
傳輸距離	10m~75m	30m
資料量	250k bps,40k bps,20k bps	40k bps
調變技術	BPSK, OQPSK	GFSK
節點數	65536	232
加密技術	128-AES對稱加密	None
耗電量	Idle: 500 uA Rx: 37 mA Tx: 30 mA	Idle: 5 mA Rx: 21 mA Tx: 23 mA

表2. ZigBee與Z-Wave通訊標準比較

ZigBee可使用16位元短定址或64位元擴充定址，因此在一無線感測器網路內，ZigBee號稱可支援65,536個節點(終端感測元件)的聯網互通。Z-Wave則使用8位元定址，因此在一無線感測器網路內僅可支持200多個感測元件的聯網。

在電能消耗方面，ZigBee的目標是在不換電池下，依應用需求，可使用半年以上；而Z-Wave號稱在類似情況下可使用十年。這主要是因為Z-Wave 的資料傳輸率較低，通訊協定堆疊較簡易，編碼較簡單所致。ZigBee與Z-Wave皆可運用如8051的8位元微控制器(MCU)來完成其MAC與基頻協議所需的控制動作。

並且因為ZigBee是以IEEE802架構做為通訊協定堆疊底層，因此比較能夠和其他IEEE802標準(如IEEE802.11)相連通，在IP聯網方面也較容易。日後在IPv6建置完整後，使用者或管理人員可透過IP網路，直接遙控ZigBee無線感測元件。

另外，ZigBee聯盟可採類似WiFi組織的方式運轉，與IEEE802.15.4工作小組搭配，做好認証工作，使廠商間的ZigBee產品能良好互通，擴大ZigBee的產品應用範圍，這是Z-Wave短期內不容易做到的。

因Z-Wave的通訊協定堆疊較簡單，且資料傳輸率較低，使得其耗電量較低，但也因此限制其應用範圍。Z-Wave較適合應用於低傳輸率、低責任週期(Duty Cycle)、低複雜度與低元件數的無線感測網路。

雖然目前ZigBee晶片價格大於Z-Wave，但Z-Wave現有能獲得的資料與技術協助多來自Zensys一家廠商，而ZigBee供應商較Z-Wave多出數倍，在日後ZigBee殺手級產品進入成熟期後，晶片價格勢必可大幅度降價。

ZigBee與Z-Wave最大的區隔在於實際應用面上，Z-Wave只專注於自動化家庭控制系統上，ZigBee則在使用定位上較無受限，通訊架構具有彈性且安全性高，在隱私方面能夠保障使用者不易受破解入侵。

台灣優奎士推出的ZigBee無線感測網路實驗系統，採用TI CC2530 ZigBee晶片，符合ZigBee 2007/Pro 協議。由於無線感測網路的相關通訊堆疊太過於複雜，牽涉的技術層面甚廣，相對的其學習門檻也甚高，因此將無線感測網路的相關設計與應用變成易學易用的技術，是本實驗系統設計的精神。ZigBee無線感測網路實驗系統備有專屬的教材，透過Visual Basic 開發應用程式，初學的使用者可以不用理會底層的相關協議，即可快速上手快開發相關的應用，教材並整合五個情境應用專題，可供實作如智慧型無線窗簾遙控系統、情境燈光控制系統、太陽光能監控系統、居家照護系統專題及數位家庭智慧型無線門禁系統。

圖1. 物聯網與ZigBee實驗系統

(產品介紹：http://www.tw-ubiquitous.com/prod_list.asp?prod_sub_id=12&prod_id=29)

此外，由於嵌入式系統的普及和物聯網的熱潮，亦有結合ZigBee和嵌入式系統 UBIKIT 6612的相關應用，UBIKIT 6612採用TI DM3730 ARM 核心，NAND 512 MB 及RAM 256MB，系統為Android 2.3 版本，Android 為目前智慧型手機市場最廣泛使用的系統。透過兩者的搭配，不僅可以學習無線感測網路相關的應用，並能夠學習Android 開發的相關技巧，有別於單純利用Android 手機開發，透過UBIKIT 6612其多樣化的輸出入埠，使用者可以去開發如物聯網、車聯網等在智慧型手機上無法開發的應用，並可以透過UBIKIT 6612多樣化的連網方式，如3.5G、WIFI、ETHERNET等，將採集到的資料透過雲端送出。當使用者具備相關的知識後，即可結合如智慧電錶等，去實作家庭智能網路端的相關應用。