Porozumění z

Jak se aplikace založené na bezdrátových senzorových sítích, domácí automatizaci a internetu věcí zvyšovaly, byla zřejmá potřeba alternativního komunikačního protokolu kromě běžných protokolů Bluetooth, Wi-Fi a GSM. Jako alternativy bylo vyvinuto několik technologií, jako je Zigbee a Bluetooth Low Energy (BLE), ale jedna výjimečná technologie vyvinutá speciálně pro aplikace domácí automatizace byla Z-Wave. V dnešním článku se budeme zabývat technickými vlastnostmi Z-vlny, jejími odlišujícími se vlastnostmi, standardem a mnoha dalšími.

Co je Z-Wave

Z-Wave je bezdrátový komunikační protokol vyvinutý primárně pro použití v aplikacích domácí automatizace. Byl vyvinut v roce 1999 kodaňskou společností Zensys jako upgrade na spotřebitelský systém ovládání světla, který vytvořili. Byl navržen tak, aby poskytoval spolehlivý přenos malých datových paketů s nízkou latencí pomocí nízkoenergetických rádiových vln při rychlostech dat až 100 kbit / s s propustností až 40 kbit / s (9,6 kbit / s při použití starých čipů) a jsou vhodné pro řídicí a senzorové aplikace.

Na základě topologie síťové sítě a fungující v nelicencovaném kmitočtovém pásmu ISM 800-900 MHz (skutečná frekvence se liší) jsou zařízení založená na Z-Wave schopna dosáhnout komunikační vzdálenosti až 40 metrů, s další schopností posílat zprávy mezi až 4 uzly. Všechny tyto vlastnosti z něj činí vhodný komunikační protokol pro aplikace domácí automatizace, jako je ovládání osvětlení, termostaty, ovládání oken, zámky, otvírače garážových vrat a mnoho dalších, přičemž se předchází problémovým přetížením spojeným s Wi-Fi a Bluetooth kvůli jejich použití Pásma 2,4 GHz a 5 GHz.

Jak funguje protokol Z-Wave?

Abychom pochopili fungování Z-Wave protokolu, pojďme analyzovat předmět ve třech hlavních částech, jmenovitě architektura systému Z-Wave, přenos / příjem dat a směrování a připojení k internetu

Architektura systému Z-Wave:

Každá síť Z-wave se skládá ze dvou širokých kategorií zařízení;

Controller / Master (s)
Otroci

Master obvykle slouží jako hostitel sítě Z-Wave, ke které lze připojit další zařízení (Slave). Obvykle přichází s předprogramovaným NetworkID (někdy nazývaným HomeID), které je přiřazeno každému slave (který nepřišel s předprogramovaným ID), když jsou přidáni do sítě prostřednictvím procesu zvaného „zahrnutí “. Kromě HomeID je pro každé zařízení přidané do sítě vln Z obvykle řadičem přiřazeno ID zvané NodeID. Nodeid je unikátní v každé síti (pro každý HomeID), jako takový, se používá pro adresu a především uznat každé zařízení v určité síti.

Zahrnutí je v záměru podobné tomu, jak směrovač přiřazuje adresy IP zařízením v jeho síti, zatímco hlavní zařízení jsou podobná směrovačům / bránám / rozbočovačům zařízení, přičemž jediným rozdílem je síťový vztah, který mají hlavní zařízení se zařízeními typu slave v síti. K odstranění uzlů ze sítě Z-Wave se provádí proces nazvaný „ Vyloučení “. Během vyloučení se ID zařízení a ID uzlu ze zařízení odstraní. Zařízení se resetuje do výchozího stavu z výroby (řadiče mají vlastní Home ID a slave nemají Home ID).

HomeID a NodeID uvedené výše jsou dva identifikační systémy definované protokolem Z-vlny pro snadnou organizaci sítě Z-vlny.

HomeID je společná identifikace všech uzlů, které jsou součástí konkrétní sítě Z-Wave, zatímco NodeID je adresa jednotlivých uzlů v síti.

HomeID jsou obvykle předprogramované a jedinečné a definují konkrétní síť Z-vln. Přicházejí v délce 32 bitů, což znamená, že je možné vytvořit až 4 miliardy (2 ^ 32) různých HomeID a různých sítí Z-wave. ID uzlu je na druhé straně pouze bajt (8 bitů) dlouhý, což znamená, že v síti můžeme mít až 256 (2 ^ 8) uzlů.

Kromě toho, že umožňuje snadné adresování uzlů, pomáhá identifikační systém zabránit rušení v sítích Z-wave, protože dva uzly s různými HomeID nemohou komunikovat, i když mají stejný NodeID. To znamená, že můžete nasadit dvě sítě vln z vedle sebe, aniž by B. přijímala rušivou listinu ze sítě A.

Přenos, příjem a směrování dat:

V typických bezdrátových sítích má centrální řadič / master přímé přímé individuální připojení k uzlům v síti. Protože toto uspořádání je pro tyto protokoly užitečné, vytváří omezení přenosu dat, takže „zařízení A“ nebude schopno komunikovat se „zařízením B“, pokud dojde k přerušení spojení mezi kterýmkoli z nich a hlavní jednotkou. To však neplatí pro vlny Z díky topologii sítě Mesh a schopnosti uzlů vlny Z předávat a opakovat zprávy do dalších uzlů. Tím je zajištěno, že lze komunikovat s každým uzlem v síti, i když nejsou v přímém dosahu řadiče. Abyste tomu lépe porozuměli, zvažte obrázek níže;

Obrázek sítě Z-vlny ukazuje, že řadič může komunikovat přímo se zařízeními 1, 2 a 4, zatímco uzel 6 je mimo jeho rádiový dosah. Kvůli funkcím popsaným výše však uzel 2 převezme stav opakovače / předávání a rozšíří rozsah řadiče na uzel 6 tak, aby jakákoli zpráva směřující do uzlu 6 prošla uzlem 2. Uzly jako uzel 2 ve velkých sítích se nazývají trasy a přispívají k flexibilitě a robustnosti sítí Z-wave. K určení, které z tras by zprávy měly cestovat k dosažení konkrétního uzlu, používají sítě Z-wave nástroj nazývaný směrovací tabulka.

Každý uzel v síti Z-wave je schopen určit ostatní uzly (tzv. Neighbors) ve své oblasti přímého bezdrátového pokrytí a během Inclusion nebo později uzel informuje správce o těchto sousedech. Řadič pomocí seznamu sousedů z každého uzlu vytvoří směrovací tabulku, která se používá k mapování cest k uzlům, které jsou mimo přímý bezdrátový dosah řadiče.

Je důležité si uvědomit, že ne všechny uzly lze konfigurovat jako předávací servery. Protokol Z-wave umožňuje, aby uzly, které jsou zapojené do zásuvky (nejsou napájeny z baterie), sloužily jako „směrovací uzly“.

Připojení k internetu:

Pomocí nedávného přístupu „Gateway / Aggregator“ jinými protokoly lze systém Z-Wave ovládat přes internet pomocí brány Z-Wave nebo zařízení Controller (master), které slouží jako ovladač hubu i portál ven. Příkladem toho je brána Delock 78007 Z-Wave®.

Aliance Z-Wave

Zatímco první zařízení založená na vlně Z byla vydána již v roce 1999, technologie se skutečně uchytila až v roce 2005, kdy skupina společností včetně gigantu domácí automatizace Leviton, Danfoss a Ingersoll-Rand přijala Z-Wave a vytvořila alianci nazývá se Z-Wave Alliance.

Aliance byla vytvořena za účelem podpory používání a interoperability technologie Z-Wave a zařízení na ní založených. V souladu s tím aliance vyvíjí a udržuje standard Z-wave a certifikuje všechna zařízení založená na Z-Wave, aby byla zajištěna shoda s normou. Aliance začala s 5 členskými společnostmi, ale nyní má více než 600 společností vyrábějících více než 2 600 zařízení s certifikací Z-Wave.

Rozdíl mezi Z-Wave a jinými protokoly

Abychom pochopili, proč má smysl mít další komunikační protokol, jako je Z-wave, porovnáme jej s některými dalšími komunikačními protokoly používanými v domácí automatizaci, včetně; Bluetooth, WiFi a Zigbee

Z-vlna vs Bluetooth:

Nejvýraznější výhodou Z-Wave oproti Bluetooth je Range. Z-vlny mají účinně větší oblast pokrytí než Bluetooth. Signály Bluetooth jsou také náchylné k rušení a přerušení, protože odesílají a přijímají informace v pásmu 2,4 GHz, čímž soutěží o šířku pásma se zařízeními založenými na WiFi využívajícími stejné frekvenční pásmo.

Se Z-vlnou, namísto aby síť byla pomalejší nebo hlučná, každý zesilovač signálu Z-vlny pracuje společně, aby síť byla silnější, takže čím více zařízení máte, tím snazší je vytvořit robustní síť schopnou obejít překážky.

Z-vlna vs WiFi:

Stejně jako Bluetooth jsou i sítě založené na WiFi náchylné k problémům souvisejícím s rušením, přerušením a dosahem a jako takové za těchto okolností fungují jako sítě založené na vlnách Z.

Kromě zařízení Bluetooth, která soutěží o šířku pásma, zařízení WiFi také soutěží navzájem, což by mohlo ovlivnit sílu signálu a rychlost sítě v domácnostech, kde je mnoho zařízení založeno na WiFi. To není případ Z-wave, protože síť vzkvétá s přidáním více zařízení do sítě.

Zařízení založená na WiFi však mají ve srovnání s vlnami Z vzestupnou tendenci. Jsou schopni odesílat větší informace, jako jsou HD video streamy a další, zatímco sítě založené na vlnách Z jsou schopny zpracovat malé bajty dat, jako jsou data senzorů nebo pokyny k zapnutí / vypnutí žárovky.

Z-vlna vs. Zigbee:

Zigbee je další bezdrátová technologie a stejně jako Z-wave byla navržena s ohledem na domácí automatizaci a blízké bezdrátové senzorové sítě. Stejně jako vlna Z je založena na topologii sítě Mesh a každé zařízení v síti Zigbee pomáhá posílit signál. Na rozdíl od vlny Z však pracuje ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz, což znamená, že také soutěží o šířku pásma s WiFi a Bluetooth a může být také náchylné k problémům s interferencí a rychlostí sítě, které jsou s nimi spojené.

Dalším rozdílem, jehož význam vám ponechám na rozhodnutí, je skutečnost, že zatímco Z-Wave je proprietární technologie (i když existují plány na vytvoření softwaru jako open source), Zigbee je open-source.

Výhody a nevýhody Z-Wave

Stejně jako všechny věci má Z-Wave výhody i nevýhody. Budeme o nich diskutovat jeden po druhém.

Pros Z-Wave

Mezi výhody Z-vln patří:

Schopnost podporovat 232 zařízení teoreticky a nejméně 50 v praxi.
Signály mohou cestovat až 50 stop v interiéru, což umožňuje překážky, a až 100 stop bez překážek. Tento dosah je značně rozšířen venku. Díky čtyřem přeskokům mezi zařízeními, které dále zvyšují dosah, nebude pokrytí problémem v rozlehlých propojených domácnostech.
Alianci Z-wave tvoří až 600 výrobců vyrábějících přes 2 600 certifikovaných zařízení, aby byla zajištěna kompatibilita.
Menší rušení způsobené používáním pásma ISM.
Méně mrtvá místa ve srovnání s jinými sítěmi díky robustní topologii sítě
Je cenově dostupný a snadno se používá.

Nevýhody Z-Wave

Na rozdíl od některých jiných komunikačních protokolů byl Z-Waves speciálně navržen pro použití v aplikacích domácí automatizace, jako takový byl přizpůsoben potřebám aplikace a má velmi malé nevýhody. Realizovatelné limity 50 zařízení, spíše než teoretických 232, však mohou být výzvou v domácnostech, kde je potřeba nasadit více než 50 zařízení.

Také jeho neschopnost udržet přenos velkých bajtů dat není tak užitečná v aplikacích, jako je video dohled, kde je třeba mezi koncovými zařízeními streamovat megabajty dat.

Závěr

Z-vlny jsou pro domácí automatizaci to, čím je LoRa pro širší prostředí IoT. Největší výhodou, kterou má oproti všem ostatním protokolům ve výklenku Home Automation, je skutečnost, že byl navržen pro tento výklenek. To znamená, že bude obecně fungovat lépe než jiné protokoly, které byly navrženy pro širší spotřebu, a bude fungovat relativně dobře alespoň pro 80% aplikací v tomto výklenku.