Zrozumienie z

Wraz ze wzrostem liczby aplikacji opartych na sieciach bezprzewodowych czujników, automatyzacji domu i IoT, potrzeba alternatywnego protokołu komunikacyjnego oprócz zwykłych protokołów Bluetooth, Wi-Fi i GSM stała się oczywista. Kilka technologii, takich jak Zigbee i Bluetooth Low Energy (BLE), zostało opracowanych jako alternatywy, ale jedną wyróżniającą się technologią, opracowaną specjalnie do obsługi aplikacji automatyki domowej, był Z-Wave. W dzisiejszym artykule przyjrzymy się technicznym aspektom Z-wave, jego cechom różnicującym, standardowi i wielu innym.

Co to jest Z-Wave

Z-Wave to protokół komunikacji bezprzewodowej opracowany głównie do użytku w aplikacjach automatyki domowej. Został opracowany w 1999 roku przez firmę Zensys z Kopenhagi jako ulepszenie stworzonego przez siebie konsumenckiego systemu kontroli światła. Został zaprojektowany, aby zapewnić niezawodną transmisję małych pakietów danych z małymi opóźnieniami przy użyciu fal radiowych o niskiej energii z szybkością transmisji danych do 100 kbit / s z przepustowością do 40 kbit / s (9,6 kbit / s przy użyciu starych chipów) i jest nadaje się do zastosowań kontrolnych i czujnikowych.

Oparte na topologii sieci kratowej i działające w nielicencjonowanym paśmie częstotliwości ISM 800-900 MHz (rzeczywiste wahania), urządzenia oparte na Z-Wave są w stanie osiągnąć odległość komunikacyjną do 40 metrów, z dodatkową możliwością przeskakiwania wiadomości między maksymalnie 4 węzłami. Wszystkie te cechy sprawiają, że jest to odpowiedni protokół komunikacyjny do zastosowań automatyki domowej, takich jak sterowanie oświetleniem, termostaty, sterowanie oknami, zamki, otwieracze do drzwi garażowych i wiele innych, jednocześnie unikając problematycznych zatorów związanych z Wi-Fi i Bluetooth ze względu na ich użycie. Pasma 2,4GHz i 5GHz.

Jak działa protokół Z-Wave?

Aby zrozumieć działanie protokołu Z-Wave, przeanalizujmy temat w trzech głównych sekcjach, a mianowicie: Architektura systemu Z-Wave, Transmisja / odbiór danych oraz Routing i łączenie z Internetem

Architektura systemu Z-Wave:

Każda sieć Z-wave składa się z dwóch szerokich kategorii urządzeń;

Kontroler / Mistrz (y)
Niewolnicy

Master zwykle służy jako host sieci Z-Wave, do której można podłączyć inne urządzenia (Slave). Zwykle ma wstępnie zaprogramowany identyfikator sieciowy (czasami nazywany HomeID), który jest przypisywany do każdego urządzenia podrzędnego (który nie ma wstępnie zaprogramowanego identyfikatora), gdy są one dodawane do sieci w procesie zwanym „włączeniem ”. Oprócz HomeID, do każdego urządzenia dodanego do sieci Z-Wave, kontroler zwykle przypisuje identyfikator zwany NodeID. Nodeid jest unikalny w każdej sieci (dla każdego HomeID), jako taki, jest używany do adresu, a przede wszystkim rozpoznać każde urządzenie w danej sieci.

Włączenie jest podobne do tego, w jaki sposób router przypisuje adresy IP do urządzeń w swojej sieci, podczas gdy serwery główne są podobne do routerów / bram / koncentratorów urządzeń, a jedyną różnicą jest relacja siatki między urządzeniami nadrzędnymi a niewolnikami w sieci. Aby usunąć węzły z sieci Z-Wave, wykonywany jest proces zwany „ wykluczeniem ”. Podczas wykluczania Home ID i Node ID są usuwane z urządzenia. Urządzenie jest resetowane do domyślnego stanu fabrycznego (kontrolery mają własny identyfikator domowy, a urządzenia podrzędne nie mają identyfikatora domowego).

Wspomniane powyżej HomeID i NodeID to dwa systemy identyfikacji zdefiniowane przez protokół Z-wave w celu ułatwienia organizacji sieci Z-wave.

HomeID to wspólna identyfikacja wszystkich węzłów, które są częścią określonej sieci Z-Wave, podczas gdy NodeID to adres poszczególnych węzłów w sieci.

Identyfikatory HomeID są zwykle wstępnie zaprogramowane i unikalne oraz definiują konkretną sieć Z-wave. Występują w długości 32 bitów, co oznacza, że można utworzyć do 4 miliardów (2 ^ 32) różnych identyfikatorów HomeID i różnych sieci Z-Wave. Z drugiej strony identyfikator węzła ma tylko bajt (8 bitów), co oznacza, że możemy mieć do 256 (2 ^ 8) węzłów w sieci.

Oprócz umożliwienia łatwego adresowania węzłów, system identyfikacji pomaga zapobiegać zakłóceniom w sieciach Z-Wave, ponieważ dwa węzły z różnymi HomeID nie mogą się komunikować, nawet jeśli mają ten sam NodeID. Oznacza to, że możesz wdrożyć dwie sieci z-wave obok siebie bez zakłócającej karty sieci A otrzymanej przez B.

Transmisja, odbiór i routing danych:

W typowych sieciach bezprzewodowych centralny kontroler / urządzenie nadrzędne ma bezpośrednie połączenie bezprzewodowe jeden do jednego z węzłami w sieci. Taki układ użyteczny jest dla tych protokołów, ale tworzy takie ograniczenie dotyczące transmisji danych, że „Urządzenie A” nie będzie w stanie współdziałać z „Urządzeniem B”, jeśli nastąpi przerwa w połączeniu między jednym z nich a urządzeniem głównym. Nie dotyczy to jednak fal Z dzięki topologii sieci Mesh i zdolności węzłów fali Z do przekazywania i powtarzania wiadomości do innych węzłów. Zapewnia to możliwość komunikacji z każdym węzłem w sieci, nawet jeśli nie znajdują się one w bezpośrednim zasięgu kontrolera. Aby lepiej to zrozumieć, rozważ poniższy obraz;

Ilustracja sieci Z-wave pokazuje, że kontroler może komunikować się bezpośrednio z urządzeniami 1, 2 i 4, podczas gdy Węzeł 6 znajduje się poza jego zasięgiem radiowym. Jednak ze względu na funkcje opisane wcześniej, Węzeł 2 przyjmie status repeatera / forwardera i rozszerzy zasięg kontrolera do Węzła 6 w taki sposób, że jakakolwiek wiadomość skierowana do Węzła 6 zostanie przesłana przez Węzeł 2. Węzły takie jak Węzeł 2 w dużych sieciach nazywane są trasami i przyczyniają się do elastyczności i niezawodności sieci Z-Wave. Aby określić, którą z tras wiadomości powinny podróżować, aby dotrzeć do określonego węzła, sieci fal Z używają narzędzia zwanego tablicą routingu.

Każdy węzeł w sieci fali Z jest w stanie określić inne węzły (zwane sąsiadami) w swoim bezpośrednim zasięgu bezprzewodowym, a podczas włączania lub później węzeł informuje kontroler o tych sąsiadach. Korzystając z listy sąsiadów z każdego węzła, kontroler tworzy tabelę routingu, która jest używana do mapowania tras do węzłów znajdujących się poza bezpośrednim zasięgiem bezprzewodowym kontrolera.

Należy zauważyć, że nie wszystkie węzły można skonfigurować jako usługi przesyłania dalej. Protokół Z-wave pozwala tylko węzłom, które są podłączone (nie zasilane bateryjnie), aby służyły jako „węzły routingu”.

Łączenie się z Internetem:

Korzystając z najnowszego podejścia „Gateway / Aggregator” przez inne protokoły, systemem Z-Wave można sterować przez Internet za pomocą bramy Z-Wave lub urządzenia kontrolera (master), które służy zarówno jako kontroler koncentratora, jak i portal na zewnątrz. Przykładem jest brama Delock 78007 Z- Wave®.

Sojusz Z-Wave

Podczas gdy pierwsze urządzenia oparte na Z-Wave zostały wypuszczone już w 1999 roku, technologia tak naprawdę przyjęła się dopiero w 2005 roku, kiedy to grupa firm, w tym gigant automatyki domowej Leviton, Danfoss i Ingersoll-Rand, przyjęła Z-Wave i utworzyła sojusz. zwany Z-Wave Alliance.

Sojusz został utworzony w celu promowania wykorzystania i interoperacyjności technologii Z-Wave i opartych na niej urządzeń. Zgodnie z tym sojusz opracowuje i utrzymuje standard Z-Wave oraz certyfikuje wszystkie urządzenia oparte na Z-Wave, aby zapewnić ich zgodność ze standardem. Sojusz rozpoczął się od 5 firm członkowskich, ale obecnie ma ponad 600 firm produkujących ponad 2600 certyfikowanych urządzeń Z-Wave.

Różnica między Z-Wave a innymi protokołami

Aby zrozumieć, dlaczego warto mieć inny protokół komunikacyjny, taki jak Z-wave, porównamy go z niektórymi innymi protokołami komunikacyjnymi używanymi w automatyce domowej, w tym; Bluetooth, WiFi i Zigbee

Z-wave a Bluetooth:

Najbardziej wyraźną przewagą Z-Wave nad Bluetooth jest zasięg. Fale Z mają efektywnie większy obszar zasięgu niż Bluetooth. Ponadto sygnały Bluetooth są podatne na zakłócenia i przerwy, ponieważ wysyłają i odbierają informacje w paśmie 2,4 GHz, konkurując w ten sposób o przepustowość z urządzeniami opartymi na WiFi korzystającymi z tego samego pasma częstotliwości.

Dzięki fali Z, zamiast spowalniania lub zakłócania sieci, każdy wzmacniacz sygnału Z-wave współpracuje, aby sieć była silniejsza, tak że im więcej masz urządzeń, tym łatwiej jest stworzyć solidną sieć, zdolną do ominięcia przeszkody.

Z-wave vs WiFi:

Podobnie jak Bluetooth, sieci Wi-Fi są również podatne na zakłócenia, przerwy i problemy związane z zasięgiem i jako takie działają poniżej sieci opartych na falach Z w takich okolicznościach.

Oprócz konkurowania o przepustowość z urządzeniami Bluetooth, urządzenia Wi-Fi również konkurują ze sobą, co może wpływać na siłę sygnału i prędkość sieci w domach, w których wiele urządzeń jest opartych na Wi-Fi. Tak nie jest w przypadku Z-wave, ponieważ sieć rozwija się wraz z dodaniem do niej większej liczby urządzeń.

Urządzenia oparte na Wi-Fi mają jednak plusy w porównaniu z falami Z. Są w stanie wysyłać większe informacje, takie jak strumienie wideo HD i nie tylko, podczas gdy sieci oparte na falach Z są w stanie obsłużyć małe bajty danych, takie jak dane z czujnika lub instrukcje włączenia / wyłączenia żarówki.

Fala Z kontra Zigbee:

Zigbee to kolejna technologia bezprzewodowa i podobnie jak Z-wave została zaprojektowana z myślą o automatyzacji domu i pobliskich bezprzewodowych sieciach czujników. Podobnie jak fala Z, jest ona oparta na topologii sieci Mesh, a każde urządzenie w sieci Zigbee pomaga wzmocnić sygnał. Jednak w przeciwieństwie do fali Z, działa w paśmie częstotliwości 2,4 GHz, co oznacza, że konkuruje również o przepustowość z Wi-Fi i Bluetooth, a także może być podatny na zakłócenia i wyzwania związane z szybkością sieci.

Inną różnicą, o której znaczeniu pozostawiam wam do rozstrzygnięcia, jest fakt, że chociaż Z-Wave jest technologią zastrzeżoną (chociaż istnieją plany, aby oprogramowanie było otwarte), Zigbee jest open-source.

Zalety i wady Z-Wave

Jak wszystko, Z-Wave ma zarówno zalety, jak i wady. Omówimy je jeden po drugim.

Zalety Z-Wave

Niektóre z zalet fal Z obejmują;

Możliwość obsługi 232 urządzeń w teorii i co najmniej 50 w praktyce.
Sygnały mogą przemieszczać się do 50 stóp w pomieszczeniach, pozwalając na przeszkody i do 100 stóp bez przeszkód. Zasięg ten jest znacznie większy na zewnątrz. Dzięki czterem przeskokom między urządzeniami, które dodatkowo zwiększają zasięg, zasięg nie będzie problemem w rozległych, połączonych domach.
Sojusz Z-wave składa się z 600 producentów produkujących ponad 2600 certyfikowanych urządzeń, aby zapewnić kompatybilność.
Mniejsze zakłócenia ze względu na używane pasmo ISM.
Mniej martwych punktów w porównaniu z innymi sieciami dzięki solidnej topologii siatki
Jest niedrogi i łatwy w użyciu.

Wady Z-Wave

W przeciwieństwie do niektórych innych protokołów komunikacyjnych, Z-Waves został specjalnie zaprojektowany do użytku w aplikacjach automatyki domowej, jako taki został dostosowany do potrzeb aplikacji i ma bardzo niewiele wad. Jednak możliwe do zastosowania ograniczenia 50 urządzeń, a nie teoretyczne 232, mogą stanowić wyzwanie w domach, w których należy wdrożyć więcej niż 50 urządzeń.

Ponadto, jego niezdolność do przenoszenia dużych bajtów danych sprawia, że nie jest on tak przydatny w zastosowaniach, takich jak monitoring wideo, gdzie między urządzeniami końcowymi trzeba przesyłać strumieniowo megabajty danych.

Wniosek

Fale Z są dla automatyki domowej tym, czym LoRa dla szerszego krajobrazu IoT. Największą zaletą, jaką ma nad wszystkimi innymi protokołami w niszy automatyki domowej, jest fakt, że został zaprojektowany dla tej niszy. Oznacza to, że generalnie będzie działał lepiej niż inne protokoły, które zostały zaprojektowane do szerszego wykorzystania, i będzie działał stosunkowo dobrze dla co najmniej 80% aplikacji w tej niszy.