Înțelegerea z

Pe măsură ce aplicațiile bazate pe rețelele de senzori wireless, automatizarea casei și IoT au crescut, nevoia de protocol de comunicație alternativ în afară de protocoalele obișnuite Bluetooth, Wi-Fi și GSM devenea evidentă. Mai multe tehnologii precum Zigbee și Bluetooth Low Energy (BLE) au fost dezvoltate ca alternative, dar o tehnologie remarcabilă, dezvoltată pentru a servi în mod special aplicațiilor de automatizare a casei a fost Z-Wave. Pentru articolul de astăzi, vom examina tehnicitățile undei Z, caracteristicile sale de diferențiere, standardul și multe altele.

Ce este Z-Wave

Z-Wave este un protocol de comunicații fără fir dezvoltat în principal pentru utilizarea în aplicații de automatizare a casei. A fost dezvoltat în 1999 de Zensys, cu sediul în Copenhaga, ca un upgrade la un sistem de control al luminii pentru consumatori pe care l-au creat. Acesta a fost conceput pentru a oferi o transmisie fiabilă, cu latență scăzută, a pachetelor de date mici folosind unde radio cu energie redusă la viteze de date de până la 100kbit / s, cu o viteză de până la 40kbit / s (9,6kbit / s folosind cipuri vechi) și sunt potrivit pentru aplicații de control și senzori.

Bazat pe topologia rețelei mesh și care funcționează în banda de frecvență ISM fără licență 800-900MHz (frecvența reală variază), dispozitivele bazate pe Z-Wave sunt capabile să atingă o distanță de comunicație de până la 40 de metri, cu capacitatea suplimentară a mesajelor de a urca între până la 4 noduri. Toate aceste caracteristici îl fac un protocol de comunicare adecvat pentru aplicații de automatizare a casei, cum ar fi controlul iluminatului, termostate, comenzi pentru ferestre, încuietori, deschizători de uși de garaj și multe altele, evitând în același timp problemele asociate cu Wi-Fi și Bluetooth datorită utilizării lor de Benzi de 2,4 GHz și 5 GHz.

Cum funcționează protocolul Z-Wave?

Pentru a înțelege funcționarea protocolului Z-Wave să analizăm subiectul în trei secțiuni principale și anume Arhitectura sistemului Z-Wave, transmisia / recepția datelor și rutare și conectarea la internet

Arhitectura sistemului Z-Wave:

Fiecare rețea cu unde Z cuprinde două mari categorii de dispozitive;

1. Controller / Master (s)
2. Sclavi

Maestrul servește în mod obișnuit ca gazdă a rețelei Z-Wave la care pot fi conectate alte dispozitive (slave). De obicei, vine cu NetworkID pre-programat (uneori numit HomeID) care este atribuit fiecărui sclav (care nu vine cu un ID preprogramat) atunci când sunt adăugați la rețea printr-un proces numit „incluziune ”. În afară de ID-ul Home, pentru fiecare dispozitiv adăugat la rețeaua cu undă Z, un ID numit NodeID este de obicei atribuit de către controler. NodeID este unic pe fiecare rețea (pentru fiecare HomeID), ca atare, este utilizat pentru a adresa și să recunoască în primul rând, fiecare dispozitiv pe o anumită rețea.

Includerea este similară intenției cu modul în care un router atribuie adrese IP dispozitivelor din rețeaua sa, în timp ce master-urile sunt similare cu routerele / gateway-urile / Hub-urile dispozitivelor, singura diferență fiind relația de mesh pe care masterienii o au cu sclavii din rețea. Pentru a elimina nodurile dintr-o rețea Z-Wave se efectuează un proces numit „ Excludere ”. În timpul excluderii, ID-ul de acasă și ID-ul nodului sunt șterse de pe dispozitiv. Dispozitivul este resetat la starea implicită din fabrică (controlerele au propriul ID de acasă și sclavii nu au ID de acasă).

HomeID și NodeID menționate mai sus sunt cele două sisteme de identificare definite de protocolul Z-wave pentru organizarea ușoară a rețelei Z-wave.

HomeID este identificarea comună a tuturor nodurilor care fac parte dintr-o anumită rețea Z-Wave, în timp ce NodeID este adresa nodurilor individuale dintr-o rețea.

HomeID-urile sunt de obicei pre-programate și unice și definesc rețeaua specială cu unde Z. Au o lungime de 32 de biți, ceea ce înseamnă că este posibil să creați până la 4 miliarde (2 ^ 32) HomeID-uri diferite și rețele cu unde Z diferite. ID-ul nodului, pe de altă parte, are doar un octet (8 biți) în lungime, ceea ce înseamnă că am putea avea până la 256 de noduri (2 ^ 8) într-o rețea.

În afară de a permite adresarea ușoară a nodurilor, sistemul de identificare ajută la prevenirea interferențelor în rețelele unde Z, deoarece două noduri cu HomeID diferite nu pot comunica chiar dacă au același NodeID. Acest lucru înseamnă că ați putea implementa două rețele cu undă Z una lângă alta, fără ca o carte de interferență din rețeaua A să fie primită de B.

Transmiterea datelor, recepția și rutare:

În rețelele fără fir tipice, controlerul / masterul central are o conexiune directă, unu la unu, la nodurile din rețea. Pe cât de util este acest aranjament pentru acele protocoale, acesta creează o limitare în jurul transmisiei de date, astfel încât „Dispozitivul A” nu va putea interacționa cu „Dispozitivul B” dacă există o pauză în legătura dintre oricare dintre acestea și master. Totuși, acesta nu este cazul undelor Z datorită topologiei rețelei Mesh și a capacității nodurilor de undă Z de a redirecționa și repeta mesajele către alte noduri. Acest lucru asigură că comunicarea poate fi realizată către fiecare nod dintr-o rețea chiar și atunci când acestea nu se află în raza directă a controlerului. Pentru a înțelege mai bine acest lucru, luați în considerare imaginea de mai jos;

Ilustrația rețelei cu unde Z arată că controlerul poate comunica direct cu dispozitivele 1, 2 și 4, în timp ce nodul 6 se află în afara razei sale radio. Cu toate acestea, datorită caracteristicilor descrise anterior, Nodul 2 va prelua starea de repetor / redirecționare și va extinde gama controlerului la Nodul 6 astfel încât orice mesaj care se îndreaptă către Nodul 6 să fie trecut prin Nodul 2. Noduri precum Nodul 2 în rețele mari sunt numite rute și contribuie la flexibilitatea și robustețea rețelelor cu undă Z. Pentru a determina care dintre mesaje de rută ar trebui să călătorească pentru a ajunge la un anumit nod, rețelele cu unde Z utilizează un instrument numit tabel de rutare.

Fiecare nod dintr-o rețea cu undă Z este capabil să determine celelalte noduri (numite Vecini) din zona sa directă de acoperire fără fir și în timpul Incluziunii sau ulterior, nodul informează controlorul despre acești vecini. Folosind lista vecinilor de la fiecare Nod, controlerul creează o tabelă de rutare care este utilizată pentru maparea rutelor către Noduri care se află în afara razei wireless directe a controlerului.

Este important să rețineți că nu toate nodurile pot fi configurate ca expeditori. Protocolul cu undă Z permite numai nodurilor conectate (care nu sunt alimentate cu baterie) să servească drept „noduri de rutare”.

Conectarea la Internet:

Folosind abordarea recentă „Gateway / Aggregator” de alte protocoale, un sistem Z-Wave poate fi controlat prin Internet utilizând un gateway Z-Wave sau un dispozitiv Controller (master) care servește atât ca controler hub, cât și portal către exterior. Un exemplu în acest sens este Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

În timp ce primele dispozitive bazate pe undele Z au fost lansate încă din 1999, tehnologia nu a prins cu adevărat până în 2005, când un grup de companii, inclusiv gigantul automatizării casnice Leviton, Danfoss și Ingersoll-Rand, au adoptat Z-Wave și au format o alianță numită Alianța Z-Wave.

Alianța a fost formată pentru a promova utilizarea și interoperabilitatea tehnologiei Z-Wave și a dispozitivelor bazate pe aceasta. În conformitate cu acest lucru, alianța dezvoltă și menține standardul Z-Wave și certifică toate dispozitivele bazate pe Z-Wave pentru a se asigura că respectă standardul. Alianța a început cu 5 companii membre, dar acum are peste 600 de companii care produc mai mult de 2600 de dispozitive certificate Z-Wave.

Diferența dintre Z-Wave și alte protocoale

Pentru a înțelege de ce este logic să aveți un alt protocol de comunicație precum undele Z, îl vom compara cu alte protocoale de comunicații utilizate în automatizarea casei, inclusiv; Bluetooth, WiFi și Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

Cel mai pronunțat avantaj al Z-Wave față de Bluetooth este Range. Undele Z au o zonă de acoperire efectiv mai mare decât Bluetooth. De asemenea, semnalele Bluetooth sunt predispuse la interferențe și întreruperi, deoarece trimit și primesc informații despre banda de 2,4 GHz, concurând astfel pentru lățimea de bandă cu dispozitive bazate pe WiFi care utilizează aceeași bandă de frecvență.

Cu undele Z, mai degrabă decât să facă rețeaua mai lentă sau zgomotoasă, fiecare repetor de semnal cu undă Z funcționează împreună pentru a face rețeaua mai puternică, astfel încât, cu cât aveți mai multe dispozitive, cu atât este mai ușor să creați o rețea robustă, capabilă să ocolească obstacole.

Z-wave vs WiFi:

La fel ca Bluetooth, rețelele bazate pe WiFi sunt, de asemenea, susceptibile la interferențe, întreruperi și probleme legate de autonomie și, ca atare, funcționează sub rețele bazate pe undele Z în aceste circumstanțe.

În afară de concurența pentru lățimea de bandă cu dispozitivele Bluetooth, dispozitivele WiFi concurează, de asemenea, între ele și acest lucru ar putea afecta puterea semnalului și viteza rețelei în casele în care multe dispozitive se bazează pe WiFi. Acest lucru nu este cazul valului Z, deoarece rețeaua înflorește odată cu adăugarea mai multor dispozitive în rețea.

Dispozitivele bazate pe WiFi au totuși un avantaj în comparație cu undele Z. Sunt capabili să trimită informații mai mari, cum ar fi fluxuri video HD și multe altele, în timp ce rețelele bazate pe unde Z pot gestiona octeți mici de date, cum ar fi datele senzorilor sau instrucțiunile de pornire / oprire a unui bec.

Valul Z vs. Zigbee:

Zigbee este o altă tehnologie fără fir și, la fel ca Z-wave, a fost proiectat având în vedere Home Automation și rețelele de senzori wireless din apropiere. La fel ca undele Z, se bazează pe topologia rețelei Mesh și fiecare dispozitiv dintr-o rețea Zigbee ajută la întărirea semnalului. Cu toate acestea, spre deosebire de undele Z, funcționează pe banda de frecvență de 2,4 GHz, ceea ce înseamnă că concurează și pentru lățimea de bandă cu WiFi și Bluetooth și poate fi, de asemenea, predispus la provocările de interferență și viteză de rețea asociate acestora.

O altă diferență a cărei semnificație vă voi lăsa să decideți este faptul că, în timp ce Z-Wave este o tehnologie proprietară (deși există planuri de a face software-ul open source), Zigbee este open-source.

Avantajele și dezavantajele Z-Wave

Ca toate lucrurile, Z-Wave are atât avantaje, cât și dezavantaje. Le vom discuta unul după altul.

Pro-urile Z-Wave

Unele dintre avantajele undelor Z includ;

1. Capacitatea de a suporta 232 de dispozitive în teorie și cel puțin 50 în practică.
2. Semnalele pot călători până la 50 de picioare în interior, permițând obstrucții și până la 100 de picioare neobstrucționate. Această acoperire se extinde considerabil în aer liber. Cu cele patru hamei dintre dispozitive care îmbunătățesc și mai mult gama, acoperirea nu va fi o problemă în casele conectate.
3. Alianța Z-Wave este formată din până la 600 de producători care produc peste 2600 de dispozitive certificate pentru a asigura compatibilitatea.
4. Interferențe mai puține datorită utilizării benzii ISM.
5. Mai puține puncte moarte comparativ cu alte rețele, datorită topologiei robuste a mesh-ului
6. Este accesibil și ușor de utilizat.

Contra Z-Wave

Spre deosebire de unele dintre celelalte protocoale de comunicații, Z-Waves a fost conceput special pentru utilizarea în aplicații de automatizare la domiciliu, ca atare, a fost adaptat nevoilor aplicației și prezintă foarte puține dezavantaje. Cu toate acestea, limitele funcționale ale a 50 de dispozitive, mai degrabă decât noționalul 232, pot fi o provocare în casele în care trebuie să fie implementate mai mult de 50 de dispozitive.

De asemenea, incapacitatea sa de a susține transferul de octeți mari de date îl face să nu fie atât de util în aplicații precum supravegherea video, unde megabytes de date trebuie să fie transmise în flux între dispozitivele finale.

Concluzie

Undele Z sunt pentru automatizarea casei ceea ce este LoRa pentru peisajul IoT mai larg. Cel mai mare avantaj pe care îl are asupra tuturor celorlalte protocoale din nișa de automatizare la domiciliu este faptul că a fost conceput pentru această nișă. Aceasta înseamnă că, în general, va funcționa mai bine decât alte protocoale care au fost proiectate pentru un consum mai larg și va funcționa relativ bine pentru cel puțin 80% din aplicațiile din această nișă.