智能家居无线方案ZIGBEE、Z-Wave、WIFI、蓝牙、红外、GPRS以及NB-IOT对比
无线取代有线已经成为一个不可逆转的趋势，在智能家居行业最流行的是四种无线技术，即WiFi、Z-Wave、ZigBee、SmartRoom。其中WiFi技术和ZigBee这两种技术最值得竞争。那么WiFi和ZigBee到底哪个更有优势呢?未来谁才会成为主流呢?
蓝牙
蓝牙，是一种基于2.4GHz频段的、短距离通信技术，能在手机、平板、笔记本电脑等智能设备中进行无线信息交换。通过蓝牙技术，可以将原本没有连网能力的设备间接地连入互联网。基于其低功耗的特点和智能手机的普及，蓝牙是很多智能家居产品的首选，例如家庭门锁、窗帘、灯光照明，甚至是智能开关等。
在实际应用中，蓝牙协议可以实现设备连接方案。产品通过蓝牙协议与智能手机相连，进而通过互联网与产品相连，实现远程查看和控制。
WiFi
WiFi技术是目前传输速度最快的的技术，产品成本较低，在目前的生活中较为普及，最方便的是只需要购买元件连上WiFi网络就能使用。所以目前基于WiFi技术的智能家居产品占的市场份额最大。缺点是安全性差，稳定性弱，功耗大，可连接的设备有限。WiFi网络的实际规模一般不会超过16个，而在智能家居的发展中，开关、照明、家电的数量肯定会远远多于16个，所以WiFi有它的优势，但局限性也很大，限制了发展。
ZigBee
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，ZigBee可以工作在2.4GH(全球)、868MHz(欧洲)、915MHz(美国)3个频段上，最高250Kbit/s，最低20Kbit/s，传输距离在10-75M之间，ZigBee的安全性是公认的比较好的，采用AES-128加密方式，另外，ZigBee网络的自组织网和自愈能力强。
通信稳定性
目前在国内ZigBee技术的主要采用ISM频段的2.4GHz，衍射能力弱，穿墙能力弱，容易受到障碍物的影响，而且容易受到同频段的WiFi和蓝牙的干扰。但是ZigBee的优势在于网络结构，可以一跳一跳的向外衍生，每多一个节点，就相当于有了一个中继器，可以把通信方位扩大1倍。而wifi和蓝牙的通信距离看的是直接通信距离，也就是天线的好坏。
自组网实用性
自组网原本的优点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络，并且在某一个节点移动后能够自动的重新感知，组成网络。但是在家庭的实际应用中，开关、照明、窗帘、防盗器等在安装完毕后基本不会移动。
网络容量
ZigBee支持高达65000个节点，但是wifi能够连接超过100个的的设备吗?答案是不能。所以容量大还是有好处的。
红外
在红外通讯技术发展早期，存在好几个红外通讯标准，不同标准之间的红外设备不能进行红外通讯。为了使各种红外设备能够互联互通，1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA），统一了红外通讯的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通讯协议及规范。
红外通信是以红外线作为载体来传送数据信息。它作为无线通信的一种，与无线电通信相比，由于其性能价格比高，实现简单，具有抗电磁干扰、便于高速应用、空间接入灵活、经济的特点，可用于室内外实现点对点、无线红外LAN通信及军用红外引信，在移动计算和移动通讯的设备中获得了广泛的应用。
在某些场合，需要数据交换但又不是很大，且实时性要求又不是很高的情况下，可以使用红外通讯方式，这样既可以得到无绳化通信带来的便利，又可以避开采用无线电高频电路可能引发的一些问题。譬如用于家用电器的遥控器，计算机的遥控键盘和遥控鼠标以及便携式数据收集装置（煤水电表的登录器、报税机）与主机的数据交换等。
目前，利用红外线进行无线数据通信，无论从小型化、轻量化，还是从安全性等方面考虑，其可行性都比较高，并且已经在无线多信道室内话音系统，无绳电话以及键盘和终端间的短距离无线连接中得到了应用。所有这些应用中的工作带宽远低于WLAN需要的带宽。
在实际的通信领域，发出来的信号一般有较宽的频谱，而且都是在比较低的频率段分布大量的能量，所以称之为基带信号，这种信号是不适合直接在信道中传输的。为便于传输、提高抗干扰能力和有效的利用带宽，通常需要将信号调制到适合信道和噪声特性的频率范围内进行传输，这就叫做信号调制。在通信系统的接收端要对接收到的信号进行解调，恢复出原来的基带信号。这部分通信原理的内容，大家了解一下即可。
我们平时用到的红外遥控器里的红外通信，通常是使用38K左右的载波进行调制的，下面我把原理大概给大家介绍一下，了解一下，先看发送部分原理。
GPRS
GPRS技术（General Packet Radio Service)是GSM移动电话用户可以使用的一种移动数据业务。GPRS是GSM的延续，与以往在顿道上采用电路交换的传输方式不同，GPRS是以数据包（Packet)的方式来传输的，使用者所负担的费用是以其传输的数据流量计算的，并非使用其整个频道，因此理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56kb/s甚至114kb/s。
GPRS的最大优势在于：它的数据传输速度不是WAP所能比拟的。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6KB，GPRS手机在推出时已达到56kb/s的传输速度，到现在更是达到了114kb/s(此速度是常用56K Modem理想速率的两倍)。除了速度上的优势，GPRS还有“水远在线的特点”，即用户随时与网络保持联系。举个例子，用户访问互联网时，单击一个超级链接，手机就在无线信道上发送和接收数据，主页下载到本地后，没有数据传送，手机就进入一种“准休眠”状态，手机释放所用的无线频道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次单击，手机立即向网络请求无线频道用来传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。
GPRS是介于2G和3G之间的技术，也被称为2.5G。它后面还有个弟弟EDGE，被称为2.75G。它们为实现从GSM向3G的平滑过渡奠定了基础。
GPRS会发生包丢失现象
由于分组交换连接比电路交换连接要差一些，因此，使用GPRS会发生一些包丢失现象。而且，由于话音和GPRS业务无法同时使用相同的网络资源，因此，用于专门提供GPRS使用的时隙数量越多，能够提供给话音通信的网络资源就越少。对用户来说其容量有限GPRS确实对网络现有的小区容量产生影响，对于不同的用途而言只有有限的无线资源可供使用。例如，话音和GPRS呼叫都使用相同的网络资源，这势必会相互产生一些干扰。其对业务影响的程度主要取决于时隙的数量。当然，GPRS可以对信道采取动态管理，并且能够通过在GPRS信道上发送短信息来减少高峰时的信令信道数。
实际速率比理论值低
GPRS数据传输速率要达到理论上的最大值172.2kbps，就必须只有一个用户占用所有的8个时隙，并且没有任何防错保护。运营商将所有的8个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的GPRS终端预计可能仅支持1个、2个或3个时隙，一个GPRS用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论上的GPRS最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。
终端不支持无线终止功能
Z-Wave
Z-Wave是由丹麦公司Zensys所一手主导的无线组网规格，Z-wave联盟(Z-wave Alliance)虽然没有ZigBee联盟强大，但是Z-wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商，该联盟已经具有160多家国际知名公司，范围基本覆盖全球各个国家和地区。
Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加，相对于现有的各种无线通信技术，Z-Wave技术将是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网。
网络结构
每一个Z-Wave网络都拥有自己独立的网络地址(HomeID);网络内每个节点的地址(NodeID)，由控制节点(Controller)分配。每个网络最多容纳232个节点(Slave)，包括控制节点在内。控制节点可以有多个，但只有一个主控制节点，即所有网络内节点的分配，都由主控制节点负责，其他控制节点只是转发主控制节点的命令。已入网的普通节点，所有控制节点都可以控制。超出通信距离的节点，可以通过控制器与受控节点之间的其他节点，以路由(Routing)的方式完成控制。
Z-Wave采用了动态路由技术，每个Slave内部都存有一个路由表，该路由表由Controller写入。存储信息为该Slave入网时，周边存在的其他Slave的NodeID。这样每个Slave都知道周围有哪些Slaves，而Controller存储了所有Slaves的路由信息。当Controller与受控Slave的距离超出最大控制距离时，Controller会调用最后一次正确控制该Slave的路径发送命令，如该路径失败，则从第一个Slave开始重新检索新的路径。
众所周知，丹麦的乐高玩具全球范围内都受小朋友欢迎，在一次全球z-wave技术开发者大会上，其联盟主席做了z-wave的市场远景展望，z-wave将致力于打造成大人的玩具，z-wave的发展方向是集娱乐功能和实用功能于一体。Z-Wave锁定的技术平台就是家庭自动化，Z-Wave的角色即为替代现行的X-10规格，已经有X-10与Z-Wave共生的桥接器产品出现。而衍生出的产品琳琅满目，在国外许多喜欢自己动手做(DIY)的家庭自动化用户也都开始注意并使用Z-Wave。
在技术面上，Z-Wave从原本的9.6Kbit/s提升到40Kbit/s，并宣称提升后原本的9.6Kbit/s能与40Kbit/s共存。在节点数方面，一个Z-Wave网路可支援两百三十二个点。
Z-Wave使用的路由协议是源路由(Source Routing)，在源头发出封包就可以直接在封包内指定详细路由的路径。这个做法大大省去每个节点花在路由上的资源。Z-Wave的第三代晶片ZW0301，其中微控制器核心使采用六倍速8051架构，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM。耗电流方面，睡眠模式是2.5微安培，接收23毫安培，发射在0dBm输出下是36毫安培。不过由于频带选定在868/908MHz，这样的耗电仍稍嫌偏高。
Z-Wave是一种结构简单，成本低廉，性能可靠的无线通信技术，通过Z-Wave技术构建的无线网络，不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控，甚至可以通过Internet网络对Z-Wave网络中的设备进行控制。在2011年美国ces展，wintop都已经推出基于互联网远程控制的产品，如远程监控，远程照明控制等，且该技术已经成熟，主要是一个市场开拓及消费群体的培育还需要一段时间。随着Z-Wave联盟的不断进扩大，该技术的应用也将不仅仅局限于智能家居方面，在酒店控制系统，工业自动化，农业自动化等多个领域，都将发现Z-Wave无线网络的身影。
NB-IOT
窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
在过去的一年多，NB-IoT真的可以说是大红大紫。在通信圈里，除了说5G，就是说物联网。如果说物联网，八成就是在说NB-IoT。
NB-IoT除了速率之外，其它方面都表现优异。
功耗方面，NB-IoT牺牲了速率，却换回了更低的功耗。采用简化的协议，更适合的设计，大幅提升了终端的待机时间，部分NB终端，待机时间号称可以达到10年！
信号覆盖方面，NB-IoT有更好的覆盖能力（20dB增益），就算你的水表埋在井盖下面，也不影响信号收发。
连接数量方面，每小区可以支持5万个终端，相当彪悍了。即使这个小区挤了5万头猪，也能轻松监控每一头。
最最重要的，成本价格。你再牛，成本高的话，价格贵用不起，也是白搭。NB-IoT通信模块成本很低，每模组有希望压到5美元之内甚至更低，有利于大批量采购和使用。
下面针对智能家居无线通信协议作数据分析从表中可以看出，每种协议都有在特定情形下的优点。
综上所述，不同的协议，就像风格迥异的语言，共同丰富着智能设备的互联技术。在选择时，需要针对不同的产品需求，去选择相应的通信协议，以充分发挥其技术特性，并达到产品性能的提升。
ZigBee、Wi-Fi、蓝牙和几种无线技术的对比如下表所示：
Wi-Fi目前已经批量使用，主要在家庭和办公室环境用于PC等设备的局域网络。很多的嵌入式Wi-Fi设备也会随网络方便会更普及，比如Wi-Fi的POS机和超市中Wi-Fi衡器等。现在工业环境应用也较多，主要表现在串口设备的Wi-Fi接入，用于工业无线数据采集系统。
ZigBee和IEEE802.15.4的设备主要集中在：工业中的无线传感器检测、低等级控制；个人监护仪器、低功耗无线医疗设备；高端玩具；电器组网和控制；无线消费设备；HVAC 和灯光控制等。目前批量的应用主要在资产跟踪、物流管理、智能照明、远程控制、医疗看护和远程抄表系统。
2.4G无线技术是如何解决频段拥挤的问题呢？
802.15.4使用DSSS，802.11使用DSSS和OFDM。实际使用中，我们测试过办公楼，工厂等环境。通信更多受到阻挡和距离的问题，拥挤没有造成太大影响。
802.15.4、Zigbee技术是WSN网络的最理想选择，具有低功耗的特性，但具体如何实现低功耗，需要考虑什么因素？
IEEE802.15.4定义了一种可选的MAC层超帧结构，超帧包括活跃(Active)和非活跃(Inactive)两部分在非活跃部分，设备可以进入低功耗模式(休眠状态)；在活跃部分又分为竞争期和非竞争期，竞争期提供给以CSMA-CA方式接人的设备使用，非竞争期由若干保障时隙组成，提供给某些需要保留一定数据带宽的设备这种超帧结构体现了IEEE 802.15.4低功耗的一大特点，非活跃期的引入限制了设备之间收发 信机的开通时间，在无数据传输时使它们处于休眠状态，从而大大节省了功率开支。
Zigbee设备分为全功能设备和精简功能设备，精简功能设备相对全功能设备协议栈简单并且内存更小，只能和某个全功能设备进行交互而全功能设备具有完备的IEEE 802.15.4协议功能，能与其传输范围内的任何节点进行交互两种设备相互组合，可以组成网状网络、星型网络和树型网络。
低功耗系统除了在传输上对于功耗的考虑外，在CPU和系统的其他部分也有功率关系。例如，JN5139 SoC本身可以关闭 RF，单独运行CPU部分。也可以关闭SoC的片上ADC、串口等外设。对于休眠也可以提供为了快速启动保留RAM内容的休眠，使用中断/比较器/Timer唤醒的休眠和只能Reset唤醒的深度休眠等模式。这样整个系统才能合理的实现功能和功耗的平衡。
Zigbee信号的带宽是多少？
ZigBee的底层使用IEEE802.15.4，也就是说物理带宽是IEEE802.15.4的带宽，也就是250kbps。但是，物理带宽和有效数据速率还有区别。对于 ZigBee而言，数据速率还要考虑网络的拓扑结构、数据路由关系、网络中数据量等问题。实际的应用中一定要充分考虑这些因素。因为涉及的因素很多，所以这里不能给出实际计算。经验而言，路由对数据速率的影响最大。每增加一级路由增加100ms～200ms的时间。所以说ZigBee不是一个实时的网络。其次是网络并发的数据对速率也有较大的影响。总之，ZigBee适合低速传感应用，实际带宽要考虑网络实际情况。
WiFi：WiFi技术是目前传输速度最快的的技术，产品成本较低，在目前的生活中较为普及，最方便的是只需要购买元件连上WiFi网络就能使用。所以目前基于WiFi技术的智能家居产品占的市场份额最大。缺点是安全性差，稳定性弱，功耗大，可连接的设备有限。WiFi网络的实际规模一般不会超过16个，而在智能家居的发展中，开关、照明、家电的数量肯定会远远多于16个，所以WiFi有它的优势，但局限性也很大，限制了发展。
ZigBee：关于ZigBee这项技术目前网上的争议比较大，大家撕的比较厉害，作为一个看客看的也比较爽，但是现在的能力有限，也看不出来谁说的比较有道理，这里就把正方和反方的观点都贴出来，大家自己判断
先介绍一下ZigBee技术的概述，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，ZigBee可以工作在2.4GH（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国）3个频段上，最高250Kbit/s，最低20Kbit/s，传输距离在10-75M之间，ZigBee的安全性是公认的比较好的，采用AES-128加密方式，另外，ZigBee网络的自组织网和自愈能力强。
上面对ZigBee技术做了一个简单的介绍，下面开始介绍反方的观点：关于成本的问题反方的观点是ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司的CC2430，CC2530以及Freescale的MC1319X，MC1322X系列，其成本均在2~3美金左右，再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件，BOM成本难以低于10美金。在淘宝查了一下确实ZigBee的芯片价格在RMB20元以上，其他的外围器件加起来估计要超过RMB50元，这样的成本在价格上在智能家居上确实略高。
另外一个是通信的稳定性，目前在国内ZigBee技术的主要采用ISM频段的2.4GHz，衍射能力弱，穿墙能力弱，容易受到障碍物的影响，而且容易受到同频段的WiFi和蓝牙的干扰。
另一个是自组网的实用性，自组网原本的优点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络，并且在某一个节点移动后能够自动的重新感知，组成网络。但是在家庭的实际应用中，开关、照明、窗帘、防盗器等在安装完毕后基本不会移动，所以反方的观点认为自组网的有点没有作用。
最后一个吐槽的点是ZigBee的网络容量，ZigBee支持高达65000个节点，但是在家庭的使用中可能不会超过100个，所以这个也没有实用的价值。（个人认为这条观点站不住脚，有备无患总是好的）
后面的是正方公正的反驳反方的观点：
关于成本，说ZigBee的成不高，但是跟wifi比起来成本已经很低了，常见的wifi芯片都只是射频前端加上基带，所有的协议栈都是在主机MCU/CPU完成的，并且绝大多数这些MCU/CPU都是需要跑linux的，所以都是2颗芯片的方案，所以必须加一起算成本。而单芯片的wifi解决方案现在也有，但是成本高到吓人，单卖7~10美金，批量的也要5美金左右，并且其也不支持大数据量。（虽然不知道正方为啥只和wifi去比，可能wifi的成不最高，但是这样也不能体现ZigBee的成不优势啊）
关于通信，反方的观点的是2.4GHz的频段穿墙都弱，wifi、蓝牙都是一样的（居然这么红果果的承认了），墙体会大大降低信号强度，但是ZigBee的优势在于网络结构，可以一跳一跳的向外衍生，每多一个节点，就相当于有了一个中继器，可以把通信方位扩大1倍。而wifi和蓝牙的通信距离看的是直接通信距离，也就是天线的好坏。
自组网的功能除了上面讲的扩展通信的范围外，正方的观点还认为未来的智能家居不可能只用于开关、插座、冰箱这些静物上面，还会有传感器、遥控、扫地机器人之类的移动物体。
关于容量的问题还是跟wifi进行的比较，反方认为容量过大，但是wifi能够连接超过100个的的设备吗？答案是不能。所以容量大还是有好处的。
Z-wave：Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。
Z-Wave的优势Z-Wave采用了动态路由技术，每个Slave内部都存有一个路由表，该路由表由Controller写入。存储信息为该Slave入网时，周边存在的其他Slave的NodeID。这样每个Slave都知道周围有哪些Slaves，而Controller存储了所有Slaves的路由信息。这样包在发送的时候已经规定好了通过的路径。
但是缺点也很明显，一是能容纳的节点较少，理论值为256个，实际上很多厂商只能做到容纳20-30个。二是树状组网结构，一旦树枝上端断掉，下端的所有设备将无法与网关通信。三是没有加密方式，安全性较差。还有一个需要关注的点是Z-Wave所用的频段在我国是非民用的，所以Z-Wave的智能家居更多的还是用在海外。
另外，Z-Wave的标准是独立开发的私有无线标准，不像其他无线标准那样开放。
作者：ch3rry
