Porozumenie z

S pribúdajúcimi aplikáciami založenými na bezdrôtových senzorových sieťach, domácej automatizácii a IoT začala byť zrejmá potreba alternatívneho komunikačného protokolu okrem bežných protokolov Bluetooth, Wi-Fi a GSM. Niekoľko technológií ako Zigbee a Bluetooth Low Energy (BLE) bolo vyvinutých ako alternatívy, ale jedna vynikajúca technológia vyvinutá špeciálne pre aplikácie domácej automatizácie bola Z-Wave. V dnešnom článku sa budeme zaoberať podrobnosťami Z-vlny, jej odlišnými vlastnosťami, štandardom a mnohými ďalšími.

Čo je to Z-Wave

Z-Wave je bezdrôtový komunikačný protokol vyvinutý predovšetkým pre použitie v aplikáciách domácej automatizácie. Bol vyvinutý v roku 1999 spoločnosťou Zensys v Kodani ako aktualizácia spotrebného systému riadenia svetla, ktorý vytvorili. Bol navrhnutý tak, aby poskytoval spoľahlivý prenos malých dátových paketov s nízkou latenciou pomocou nízkoenergetických rádiových vĺn pri dátových rýchlostiach do 100 kbit / s s priepustnosťou až 40 kbit / s (9,6 kbit / s pri použití starých čipov) a sú vhodné pre aplikácie riadenia a snímačov.

Na základe topológie sieťovej siete a fungujúcej v rámci nelicencovaného frekvenčného pásma ISM 800 - 900 MHz (skutočná frekvencia sa líši) sú zariadenia založené na Z-Wave schopné dosiahnuť komunikačnú vzdialenosť až 40 metrov s dodatočnou schopnosťou posielať správy medzi až 4 uzlami. Všetky tieto vlastnosti z neho robia vhodný komunikačný protokol pre aplikácie domácej automatizácie, ako je ovládanie osvetlenia, termostaty, ovládače okien, zámky, otvárače garážových brán a mnoho ďalších, pričom sa zabráni problémovým preťaženiam spojeným s Wi-Fi a Bluetooth v dôsledku ich použitia Pásma 2,4 GHz a 5 GHz.

Ako funguje protokol Z-Wave?

Aby sme pochopili fungovanie protokolu Z-Wave, analyzujme predmet v troch hlavných sekciách, a to architektúra systému Z-Wave, prenos / príjem dát, smerovanie a pripojenie k internetu.

Architektúra systému Z-Wave:

Každá sieť Z-vlny pozostáva z dvoch širokých kategórií zariadení;

Kontrolór / Master
Otroci

Master obvykle slúži ako hostiteľ siete Z-Wave, ku ktorej je možné pripojiť ďalšie zariadenia (Slave). Spravidla sa dodáva s predprogramovaným NetworkID (niekedy nazývaným HomeID), ktorý je priradený každému podriadenému serveru (ktorý nemá vopred naprogramované ID), keď sú pridaní do siete prostredníctvom procesu nazývaného „začlenenie “. Okrem HomeID je radiču pre každé zariadenie pridané do siete Z-wave pridelené ID nazývané NodeID. Nodeid je unikátny v každej sieti (pre každý HomeID), ako taký, sa používa pre adresu a predovšetkým uznať každé zariadenie v určitej sieti.

Zahrnutie je podobné v zámere s tým, ako smerovač priraďuje adresy IP zariadeniam v sieti, zatiaľ čo riadiace servery sú podobné smerovačom / bránam / rozbočovačom zariadení, iba s tým rozdielom, že vzájomný vzťah medzi sieťami majú hlavné servery so zariadeniami typu slave v sieti. Na odstránenie uzlov zo siete Z-Wave sa vykoná proces s názvom „ Vylúčenie “. Počas vylúčenia sa ID domácnosti a ID uzla zo zariadenia odstránia. Prístroj je resetovaný na pôvodné nastavenie z výroby (ovládače majú svoje vlastné Home ID a slave nemajú Home ID).

HomeID a NodeID uvedené vyššie sú dva identifikačné systémy definované protokolom Z-vlny pre ľahkú organizáciu siete Z-vlny.

HomeID je spoločná identifikácia všetkých uzlov, ktoré sú súčasťou konkrétnej siete Z-Wave, zatiaľ čo NodeID je adresa jednotlivých uzlov v sieti.

HomeID sú zvyčajne vopred naprogramované a jedinečné a definujú konkrétnu sieť v tvare Z. Prichádzajú v dĺžke 32 bitov, čo znamená, že je možné vytvoriť až 4 miliardy (2 ^ 32) rôznych HomeID a rôznych sietí s vlnami Z. Node ID je na druhej strane iba bajt (8 bitov) dlhý, čo znamená, že v sieti môžeme mať až 256 (2 ^ 8) uzlov.

Okrem toho, že umožňuje ľahké adresovanie uzlov, systém identifikácie pomáha predchádzať rušeniu v sieťach s vlnami Z, pretože dva uzly s rôznymi identifikátormi HomeID nemôžu komunikovať, aj keď majú rovnaký identifikátor uzla. To znamená, že by ste mohli nasadiť dve siete z-vlny vedľa seba bez toho, aby rušivá charta zo siete A bola prijímaná B.

Prenos dát, príjem a smerovanie:

V typických bezdrôtových sieťach má centrálny radič / master priame bezdrôtové spojenie typu one-to-one s uzlami v sieti. Pretože toto usporiadanie je pre tieto protokoly užitočné, vytvára také obmedzenie prenosu údajov, že „zariadenie A“ nebude schopné interagovať so „zariadením B“, ak dôjde k prerušeniu spojenia medzi jedným z týchto protokolov a hlavným serverom. To však neplatí pre vlny Z vďaka topológii siete Mesh a schopnosti uzlov vlny Z posielať a opakovať správy do ďalších uzlov. To zaisťuje, že je možné komunikovať s každým uzlom v sieti, aj keď sa nenachádzajú v priamom dosahu radiča. Aby ste tomu lepšie porozumeli, zvážte Obrázok nižšie;

Obrázok siete Z-vlny ukazuje, že radič môže komunikovať priamo so zariadeniami 1, 2 a 4, zatiaľ čo uzol 6 je mimo jeho rádiového dosahu. Kvôli vyššie popísaným funkciám však Uzol 2 prevezme stav opakovača / preposielateľa a rozšíri rozsah radiča na Uzol 6 tak, aby každá správa smerujúca do Uzla 6 prešla uzlom 2. Uzly ako Uzol 2 vo veľkých sieťach sa nazývajú trasy a prispievajú k flexibilite a robustnosti sietí Z-wave. Na určenie toho, ktoré z trás by mali správy smerovať k dosiahnutiu konkrétneho uzla, používajú siete Z-vlny nástroj nazývaný smerovacia tabuľka.

Každý uzol v sieti Z-vlny je schopný určiť ďalšie uzly (nazývané Neighbors) vo svojej oblasti priameho bezdrôtového pokrytia a počas Inclusion alebo neskôr uzol informuje radič o týchto susedoch. Pomocou zoznamu susedov z jednotlivých uzlov vytvára radič smerovaciu tabuľku, ktorá sa používa na mapovanie trás k uzlom, ktoré sú mimo priameho bezdrôtového dosahu radiča.

Je dôležité si uvedomiť, že nie všetky uzly môžu byť nakonfigurované ako forwardery. Protokol Z-vlny umožňuje, aby uzly, ktoré sú zapojené do zásuvky (nie sú napájané z batérie), slúžili iba ako „smerovacie uzly“.

Pripojenie k internetu:

Použitím nedávneho prístupu „Gateway / Aggregator“ inými protokolmi možno systém Z-Wave ovládať cez internet pomocou brány Z-Wave alebo zariadenia Controller (master), ktoré slúžia ako ovládač rozbočovača aj portál smerom von. Príkladom toho je Delock 78007 Z- Wave® Gateway.

Aliancia Z-Wave

Zatiaľ čo prvé zariadenia založené na vlne Z boli vydané už v roku 1999, technológia sa skutočne uchytila až v roku 2005, keď skupina spoločností vrátane giganta domácej automatizácie Leviton, Danfoss a Ingersoll-Rand prijala spoločnosť Z-Wave a vytvorila alianciu s názvom Z-Wave Alliance.

Aliancia bola založená s cieľom podporiť používanie a interoperabilitu technológie a zariadení založených na Z-Wave. V súlade s tým aliancia vyvíja a udržuje štandard Z-wave a certifikuje všetky zariadenia založené na Z-Wave, aby sa ubezpečil, že sú v súlade s normou. Aliancia začala s 5 členskými spoločnosťami, ale teraz má viac ako 600 spoločností vyrábajúcich viac ako 2 600 zariadení s certifikáciou Z-Wave.

Rozdiel medzi Z-Wave a inými protokolmi

Aby sme pochopili, prečo má zmysel mať ďalší komunikačný protokol, ako je napríklad Z-vlna, porovnáme ho s niektorými ďalšími komunikačnými protokolmi používanými v domácej automatizácii vrátane; Bluetooth, WiFi a Zigbee

Z-vlna vs Bluetooth:

Najvýraznejšou výhodou Z-Wave oproti Bluetooth je Range. Z-vlny majú účinne väčšiu oblasť pokrytia ako Bluetooth. Signály Bluetooth sú tiež náchylné na rušenie a prerušenie, pretože vysielajú a prijímajú informácie v pásme 2,4 GHz, čím konkurujú v oblasti šírky pásma zariadeniam založeným na WiFi, ktoré používajú rovnaké frekvenčné pásmo.

Vďaka Z-vlne, namiesto toho, aby bola sieť pomalšia alebo hlučnejšia, pracuje každý zosilňovač signálu Z-vlny spoločne, aby bola sieť silnejšia, takže čím viac zariadení máte, tým ľahšie je vytvoriť robustnú sieť schopnú obísť prekážky.

Z-vlna vs WiFi:

Rovnako ako Bluetooth, aj siete založené na WiFi sú náchylné na problémy spojené s rušením, prerušením a dosahom a ako také fungujú za týchto okolností ako siete založené na vlnách Z.

Okrem zariadení Bluetooth, ktoré súťažia o šírku pásma, si navzájom konkurujú aj zariadenia WiFi, čo by mohlo ovplyvniť silu signálu a rýchlosť siete v domácnostiach, kde je veľa zariadení založené na WiFi. To nie je prípad vlny Z, pretože sieť prekvitá pridaním ďalších zariadení do siete.

Zariadenia založené na WiFi však majú v porovnaní s vlnami Z výhodu. Sú schopní posielať väčšie informácie, ako napríklad videostreamy vo formáte HD a ďalšie, zatiaľ čo siete založené na vlnách Z sú schopné spracovať malé bajty údajov, ako sú údaje zo senzorov alebo pokyny na zapnutie / vypnutie žiarovky.

Vlna Z vs. Zigbee:

Zigbee je ďalšia bezdrôtová technológia a podobne ako Z-wave bola navrhnutá s ohľadom na domácu automatizáciu a blízke bezdrôtové siete senzorov. Rovnako ako vlna Z, je založená na topológii siete Mesh a každé zariadenie v sieti Zigbee pomáha posilniť signál. Na rozdiel od Z-vlny však pracuje vo frekvenčnom pásme 2,4 GHz, čo znamená, že tiež súťaží o šírku pásma s WiFi a Bluetooth a môže byť tiež náchylný na problémy s interferenciou a rýchlosťou siete, ktoré sú s nimi spojené.

Ďalším rozdielom, ktorého význam vám ponechám na rozhodnutie, je skutočnosť, že zatiaľ čo Z-Wave je proprietárna technológia (aj keď sa plánuje urobiť softvér ako open source), Zigbee je open-source.

Výhody a nevýhody Z-Wave

Rovnako ako všetky veci, aj Z-Wave má výhody aj nevýhody. Budeme o nich diskutovať jeden po druhom.

Výhody Z-Wave

Niektoré z výhod Z-vĺn zahŕňajú;

Schopnosť podporovať 232 zariadení teoreticky a najmenej 50 v praxi.
Signály môžu cestovať až do vzdialenosti 50 stôp v interiéri, čo umožňuje prekážky, a až 100 stôp bez prekážok. Tento dosah je v exteriéri značne rozšírený. Vďaka štyrom prepojeniam medzi zariadeniami, ktoré ďalej rozširujú dosah, nebude pokrytie problémom v rozľahlých pripojených domoch.
Alianciu Z-wave tvorí až 600 výrobcov, ktorí pre zaistenie kompatibility vyrábajú viac ako 2 600 certifikovaných zariadení.
Menšie rušenie v dôsledku použitia pásma ISM.
Menej slepých miest v porovnaní s inými sieťami vďaka robustnej sieťovej topológii
Je cenovo dostupný a ľahko použiteľný.

Nevýhody Z-Wave

Na rozdiel od niektorých ďalších komunikačných protokolov bol Z-Waves špeciálne navrhnutý pre použitie v aplikáciách domácej automatizácie, ako taký, bol šitý na mieru potrebám aplikácie a mal veľmi malé nevýhody. Realizovateľné limity 50 zariadení namiesto teoretických 232 však môžu byť výzvou v domácnostiach, kde je potrebné nasadiť viac ako 50 zariadení.

Tiež jeho neschopnosť udržať prenos veľkých bajtov dát nie je taká užitočná v aplikáciách, ako je napríklad videodohľad, kde je potrebné medzi koncovými zariadeniami streamovať megabajty dát.

Záver

Z-vlny sú pre domácu automatizáciu to, čo LoRa pre širšiu krajinu IoT. Najväčšou výhodou, ktorú má oproti všetkým ostatným protokolom vo výklenku domácej automatizácie, je skutočnosť, že bol navrhnutý pre dané výklenok. To znamená, že bude všeobecne fungovať lepšie ako iné protokoly, ktoré boli navrhnuté pre širšiu spotrebu, a bude fungovať relatívne dobre aspoň pre 80% aplikácií v tomto výklenku.