Z-Wave协议使家庭、社区和城市自动化

EE World 与 Z-Wave 联盟主席 Avi Rosenthal 讨论了物联网无线协议的进步及其使用地点。

Z-Wave 是工程师可以设计到物联网设备中的众多无线协议之一。Z-Wave 的工作频率范围为 865 MHz 至 921 MHz，具体取决于国家或地区，它同时使用网状和星形拓扑，设备通过集线器进行通信。标准范围为每跳 100 m，Z-Wave Long Range 可达 1.6 km。随着信号强度的降低，数据速率可以达到 100 Mb/秒，速度会降低。

Z-Wave 协议主要用于家庭自动化，与其他协议竞争并与其他协议（包括 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 和 LoRaWAN）配合使用。其三层协议栈由物理层、网络层和应用层组成。Z-Wave 联盟定义了协议栈和

EE：Avi，感谢您抽出宝贵时间与 EE World 聊天。请向 EE World 读者概述 Z-Wave 和 Z-Wave 联盟，以及它与物联网设备中使用的其他无线协议的比较。

罗森塔尔： 在 Z-Wave，我们的目标是与为物联网提出伟大创意的工程师进行交流。我们希望他们了解 Z-Wave 协议的强大功能并将其设计到他们的产品中。我们有一些公司来找我们说：“我构建了这个非常酷的新小部件，但我使用 Wi-Fi，它确实没有兑现它的承诺，因为 Wi-Fi 有特定的优点和缺点，而我的产品无法利用它们。当我们描述 Z-Wave 的功能时，他们会问：“我该如何转换？

我们有工程合作伙伴帮助工程师将他们的设计转换为 Z-Wave，因为很多时候 Z-Wave 是正确的方法。不幸的是，在想法层面上，橡胶与道路的交汇点并没有得到足够的讨论，因为当你开发一个互联设备时，就是在为它制定标准的时候。依靠蓝牙和 Wi-Fi 非常容易，因为每个人都带着装有它们的蜂窝设备四处走动。他们认为这就是要走的路。

还有很多其他标准：LoRa、Matter、ZigBee、Z-wave 等。有数十种射频协议，根据您正在开发的产品，您的产品需要符合或使用其中一种协议。长期没有使用这些射频协议进行设计的人不一定接触过其中一些协议。当他们发现这些协议存在时，他们已经花时间解决了问题。现在他们必须重新开始。我很高兴有机会与工程师进行这些对话，研究想法的人，因为这才是 Z-Wave 的真正意义所在。

EE世界： 什么是 Z-Wave？如果我们拥有所有这些其他东西，为什么还需要 Z-Wave？它做了什么其他人没有做的？

Z-Wave 协议栈涵盖了从物理层到应用层。（图片来源：Z-Wave联盟）

罗森塔尔： 与其他射频协议一样，Z-Wave 以特定方式执行特定任务以满足特定需求。例如，Wi-Fi 试图为所有人提供一切。它是一根大而巨大的管道，射程合理，它是事实上的标准。如果您需要从 A 点到 B 点获取信息，除非您需要电池，否则您将使用 Wi-Fi。如果你需要电池，那么你真的应该使用蓝牙。如果您需要非常好的加密，并且想要长距离并且想要电池寿命，那么您就不能使用 Wi-Fi 或蓝牙。所以现在你需要别的东西。我有解决方案：Z-Wave 和 Z-Wave Long Range。

Z-Wave 有两种风格，经典和远程。它们是完全加密的。它们完全兼容，因为每个产品都经过认证，确保每个 Z-Wave 产品都能与其类别中的所有其他 Z-Wave 产品交互。Z-Wave Long Range 在电池供电的设备上可以行驶一英里半。我不是在谈论汽车电池。我说的是硬币大小的小锂电池。Z-Wave Classic 是一个巨大的网状网络。它有中继器。它的性能就像一个大型基础设施。这些协议为希望以开放标准开发连接设备的公司提供了巨大的机会，但使他们能够与整个产品生态系统互作的远程、完全加密、电池供电和电源供电设备。很难找到像 Z-Wave 这样具有如此广泛和深度的对比协议。

EE世界：在芯片、模块和 IP 支持方面有哪些可用？生态系统是什么样的？

罗森塔尔： 这是一个开放平台。您唯一需要做的就是加入 Z-Wave 联盟。加入联盟后，您几乎可以访问所有内容，一直到源代码。你可以做你自己的事情。现在有一些芯片供应商正在他们的 FPGA 上加载我们的软件。

Semtech 正在将 Z-Wave 协议栈移植到其 LoRa 芯片上。他们希望使用 Z-wave 作为其无线电芯片的命令和控制软件。TI 已经研究过它。我们有多家供应商，例如 Si-Labs 和 Trident IoT，他们生产标准 Z-Wave 设备：芯片、模块、控制器平台、软件开发工具和测试设备。设计和开发所需的一切都可以通过联盟或我们的芯片供应商之一获得。

EE世界： 联盟是否有有限且免费的注册，足以让您看看那里有什么？

罗森塔尔： 有一个 GitHub，几乎任何人都可以使用。你不能做的是许可软件。你不能看源头;您必须签署文件以保护知识产权。一旦你进去了，你就进去了。如果您有 .edu 电子邮件，我们每年 100 美元的学术会员资格。

EE世界：公司如何获得 Z-Wave 认证？

罗森塔尔： Z-Wave 世界的认证意味着互作性。如果你想和其他人一起在沙盒中玩，你必须留在主干道上并认证你的产品。但是，没有要求这样做。我们确实有公司决定不使用 Z-Wave 徽标。他们不称其为 Z-Wave，但他们利用 Z-Wave 协议、Z-Wave 堆栈和源代码，因为我们会定期进行修改和安全更新。他们得到了所有这些，但他们只是没有给它打上 Z-Wave 的标签。我希望每个人都能为他们的产品打上 Z-Wave 的烙印吗？是的，但我们成为 SDO（标准制定组织）的一部分是，世界上将有人接受它并使用它。

EE世界： 就认证测试和测试软件而言，您有哪些措施？你举办插电节吗？

罗森塔尔： 我们称之为不插电的音乐节，因为当然，我们是一种无线技术。

安全面板在智能家居中使用 Z-Wave。（图片来源：Z-Wave联盟）

我们有用于测试的软件工具。我们拥有自我诊断工具和开发环境，因此您可以在自己的环境中运行自己的测试工具，并在前往我们的三个认证实验室之一之前调整所有内容。我们在欧洲、美洲和亚洲设有实验室，负责对文书工作进行官方盖章和官方测试。

绝大多数公司使用自己的工具，因为这些工具是免费提供的。因此，他们使用内部工具，这样他们就知道自己会通过，这样当他们到达认证机构时，一劳永逸。嗯，嗯，对吧？他们经历这个过程，你知道，如果有一点异常，他们就会修复它，然后他们就失去了认证。因此，认证通常需要四到六周的时间。这相当快。他们非常有效地运行实验室，所以他们可以转动和燃烧，对吧？所以我们不想要，我们不想要联盟。我们不想成为发展的障碍，对吧？我们不想成为创新的阻碍。因此，我们让人们尽可能轻松地完成测试过程，以便他们做到，因为如果你让它变得太困难。他们只会忽略它，他们不会这样做。B，我们希望它非常高效。

EE世界： 认证和互作性之间存在差异。您可以通过每项认证测试，但仍然拥有与其他人的产品不对话的产品。你们如何处理互作性测试？

罗森塔尔： 我们举办一周名为“不插电节”，但是，是的，我们举办插电节，每个大陆每年至少举办一次。美国峰会，10月底，第一天是不插电节。通常，我们会收到几百家公司推出他们的产品。

Z-Wave 联盟将于 2025 年 10 月举办“拔掉插头节”

我们还在建立一个互作性实验室。我们的一位董事会成员提出利用他们的空间，因为他们做了很多 Z-Wave 工作，因此我们将在费城以外的实验室全年提供互作性。就在我们说话的时候，它正在建设中。一年前，我们被一家制造商所有，然后我们成为标准制定组织 （SDO）。当然，制造商不再想托管这个，因为现在联盟是一个 SDO。我们现在有足够的成员来支持组建另一个互作性实验室，并且那里将有每种类型设备的示例。

我们还在 GitHub 上，那里有论坛供人们讨论他们如何实施软件，这样当他们通过认证时，他们不仅按照联盟希望的方式实施，而且遵循最佳实践。这些最佳实践来自成员，它们可能是提示和技巧，但它们位于 GitHub 上，而不仅仅是由联盟决定

EE世界： 有许多公司制造的射频模块包括多个射频芯片组和微控制器。工程师是否将 Z-Wave 与其他协议（例如 Wi-Fi 和蓝牙）一起设计到他们的产品中？

罗森塔尔： 所有对这些网络起主作用的设备通常都是我们所说的无线电盒。他们有 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 和 Z-Wave，原因是用户。我们希望为他们提供尽可能多的选择，让他们购买同类最佳产品来解决他们想要解决的问题。在模块层面，我们看到硅供应商推出了一些非常令人兴奋的东西，因为现在他们开始在单个模块上桥接各种协议和各种无线电芯片。使他们能够做到这一点的是当今可用的软件定义天线。

Ignion 虚拟天线覆盖多个频段。（图片来源：Ignion）

看看 Ignion 等公司;他们有一个非常酷的虚拟天线。你把它放在背板上，你可以在一个背板上完成 2.4 GHz、900 MHz、5.8 GHz 和蜂窝网络。例如，Trident IoT 正在与 Ignion 合作开发多协议模块。这将产生 Z-Wave 蓝牙模块、Z-Wave Wi Fi 模块或 ZigBee 蓝牙模块。现在在 ZigBee 世界中，它变得容易一些。有 2.4 GHz 蓝牙和 Wi-Fi，因此每个人都使用 2.4 GHz。这使得构建模块变得容易，但不会使管理信道冲突变得更加困难，因为每个人都使用相同的频率。Z-Wave 的美妙之处在于我们在较低的 900 MHz 范围内处于一个受保护的频段。在美国和世界其他地方，我们处于各种其他受保护的频率，例如 868 MHz 和 941 MHz，具体取决于位置。在美国，它基本上运行在 908 MHz 到 920 MHz 之间。

EE世界： 这些低频提供了长距离。

罗森塔尔： 这就是我们获得卓越范围的地方。然后我们使用一些频率调制来扩展该范围以启用全带宽。因此，我们的一些协议会走得更远，但不是在全带宽下。我们保证在给定范围内，您将获得无线电堆栈中的全部带宽可用性。

EE世界： 该带宽是多少，您可以从该带宽中获得多少数据速率？

罗森塔尔：每秒 100 兆比特，

EE世界： 连续还是突发？

罗森塔尔： 连续但爆发。Z-Wave 不是为视频或流媒体而设计的。

EE世界： 您提到了物联网设备。Z-Wave 用于哪些行业？

Rosenthal：我们所做的绝大多数工作是住宅指挥和控制，但现在有了 Z-Wave 远程，我们正在突破企业和园区应用，例如智慧城市和智能社区，因为我们可以做更远的范围。我们现在可以将网络桥接在一起，这样我们就可以拥有两个经典网络。您可以拥有一座充满经典网络的建筑，它是网状的，非常坚固。我们可以使用 Z-Wave 远程链接它们。现在，您可以在校园周围建立集群。我们正在进入企业。他们在农业中使用我们进行土壤测试和监测等工作。长距离电池供电设备不需要像其他一些传感器那样多的电力。

我们开始在工业应用、限位开关和其他通常使用 ZigBee 的应用中看到 Z-Wave，但它的 2.4 GHz 频率给一些工业应用带来了问题，因为它们到处都有 Wi-Fi 和蓝牙。我们能够进来提供帮助。

我们还推出了我们的电池列表技术。这应该在 2025 年底到来。我们将能够通过一个小型设备进行全栈 Z-Wave，该设备根据运动产生压电电，无需电池。我们正在与一家领先的公司合作来做到这一点。WePower 开发了一种非常小的磁中磁，可以在非常小的封装中非常有效地发电，因此我们可以做限位开关之类的事情，而这些开关今天必须接线。即使限位开关使用 ZigBee，它们也必须接线供电。这真的很难。Z-Wave 将启用无需电池的限位开关。您实际上将拥有一盒限位开关，只需将它们放置在工厂周围需要的任何地方即可。

EE世界： 动议从何而来？

罗森塔尔： 运动可能来自许多不同的地方，例如车内轮胎压力监测系统 （TPMS） 的车轮振动。轮子旋转和弹跳，产生运动。运动可能来自门把手的投掷。当您转动门把手时，90 度的运动足以产生发送、接收和确认 Z-Wave 信号的电力。你可以从位于地面上的水传感器获得足够的运动，一小块纸带放在那里，它可以在那里放置 10 年。当水流过时，它会降解胶带，并使弹簧爆裂。弹簧大约有 5 毫米，它会产生足够的磁脉冲来产生能量，将信号发送到集线器并通知某人我们的漏水。您永远不必记住更换该设备的电池 10 年。

然后是电灯开关。你按下一个电灯开关。我相信你已经看到了你推动它的概念。但人们不喜欢一个概念的是，你必须把它推对？你真的必须依靠它，第一和第二，它是一种专有的射频技术。你必须使用他们的技术。现在，当然，我将高度谈论 Z-Wave，因为我们将利用这种电池列表技术进行 Z-Wave。但事实证明，这种电池列表技术将产生足够的能量来进行蓝牙、ZigBee、某些 LoRa 应用以及 Z-Wave。我喜欢这样一个事实，即当我们首先实现堆栈时，它会执行 Z-Wave，但这一切都在电池列表中，都在您创建的小脉冲中，以产生高效的火花，使这些射频技术能够以全功率进行通信。