Capire z

Con l'aumento delle applicazioni basate su reti di sensori wireless, automazione domestica e IoT, la necessità di protocolli di comunicazione alternativi oltre ai normali protocolli Bluetooth, Wi-Fi e GSM stava diventando ovvia. Diverse tecnologie come Zigbee e Bluetooth Low Energy (BLE) sono state sviluppate come alternative, ma una tecnologia straordinaria, sviluppata per servire specificamente le applicazioni di automazione domestica è stata Z-Wave. Nell'articolo di oggi, esamineremo i tecnicismi dell'onda Z, le sue caratteristiche di differenziazione, lo standard e molto altro ancora.

Cos'è Z-Wave

Z-Wave è un protocollo di comunicazione wireless sviluppato principalmente per l'uso in applicazioni di automazione domestica. È stato sviluppato nel 1999 da Zensys con sede a Copenaghen come aggiornamento di un sistema di controllo della luce per i consumatori da loro creato. È stato progettato per fornire la trasmissione affidabile ea bassa latenza di piccoli pacchetti di dati utilizzando onde radio a bassa energia a velocità di dati fino a 100 kbit / s con un throughput fino a 40 kbit / s (9,6 kbit / s utilizzando vecchi chip) e sono adatto per applicazioni di controllo e sensori.

Basati sulla topologia della rete mesh e operanti all'interno della banda di frequenza ISM 800-900MHz senza licenza (la frequenza effettiva varia), i dispositivi basati su Z-Wave sono in grado di raggiungere una distanza di comunicazione fino a 40 metri, con la capacità aggiuntiva dei messaggi di hop up fino a 4 nodi. Tutte queste caratteristiche lo rendono un protocollo di comunicazione adatto per applicazioni di automazione domestica come controllo dell'illuminazione, termostati, controlli per finestre, serrature, apriporta da garage e molti altri, evitando le congestioni problematiche associate a Wi-Fi e Bluetooth a causa del loro uso del Bande da 2,4 GHz e 5 GHz.

Come funziona il protocollo Z-Wave?

Per comprendere il funzionamento del protocollo Z-Wave analizziamo l'argomento in tre sezioni principali, ovvero l'architettura del sistema Z-Wave, la trasmissione / ricezione dei dati e il routing e la connessione a Internet

Architettura del sistema Z-Wave:

Ogni rete Z-wave comprende due ampie categorie di dispositivi;

Controller / Master
Schiavi

Il master normalmente funge da host della rete Z-Wave a cui possono essere collegati altri dispositivi (Slave). Di solito viene fornito con NetworkID preprogrammato (talvolta chiamato HomeID) che viene assegnato a ogni slave (che non viene fornito con un ID preprogrammato) quando vengono aggiunti alla rete tramite un processo chiamato "inclusione ". Oltre all'HomeID, per ogni dispositivo aggiunto alla rete Z-wave, un ID chiamato NodeID viene solitamente assegnato dal controller. Il NodeID è univoco su ogni rete (per ogni HomeID), in quanto tale, viene utilizzato per indirizzare e riconoscere principalmente ogni dispositivo su una particolare rete.

L'inclusione è simile nell'intento a come un router assegna gli indirizzi IP ai dispositivi sulla sua rete, mentre i master sono simili a router / gateway / Device Hub, con l'unica differenza che è la relazione mesh che i master hanno con gli schiavi nella rete. Per rimuovere i nodi da una rete Z-Wave viene eseguito un processo chiamato " Esclusione ". Durante l'esclusione, l'ID casa e l'ID nodo vengono eliminati dal dispositivo. Il dispositivo viene ripristinato allo stato predefinito di fabbrica (i controller hanno il proprio ID casa e gli slave non hanno ID casa).

L'HomeID e il NodeID menzionati sopra sono i due sistemi di identificazione definiti dal protocollo Z-wave per una facile organizzazione della rete Z-wave.

L'HomeID è l'identificazione comune di tutti i nodi che fanno parte di una particolare rete Z-Wave, mentre il NodeID è l'indirizzo dei singoli nodi all'interno di una rete.

Gli HomeID sono solitamente pre-programmati e univoci e definiscono la particolare rete Z-wave. Hanno una lunghezza di 32 bit, il che significa che è possibile creare fino a 4 miliardi (2 ^ 32) diversi HomeID e diverse reti Z-wave. Il Node ID, d'altra parte, è solo un byte (8 bit) di lunghezza, il che significa che potremmo avere fino a 256 (2 ^ 8) nodi in una rete.

Oltre a consentire un facile indirizzamento dei nodi, il sistema di identificazione aiuta a prevenire interferenze nelle reti Z-wave perché due nodi con HomeID diversi non possono comunicare anche se hanno lo stesso NodeID. Ciò significa che è possibile distribuire due reti z-wave fianco a fianco senza che B. riceva una carta che interferisce dalla rete A.

Trasmissione, ricezione e instradamento dei dati:

Nelle reti wireless tipiche, il controller / master centrale ha una connessione wireless diretta uno a uno ai nodi della rete. Per quanto utile sia questa disposizione per quei protocolli, crea una limitazione alla trasmissione dei dati in modo tale che "Dispositivo A" non sarà in grado di interagire con "Dispositivo B" se c'è un'interruzione nel collegamento tra uno di essi e il master. Questo, tuttavia, non è il caso delle onde Z grazie alla sua topologia di rete Mesh e alla capacità dei nodi dell'onda Z di inoltrare e ripetere messaggi ad altri nodi. Ciò garantisce che la comunicazione possa essere effettuata con ogni nodo in una rete anche quando non si trovano nel raggio di azione diretto del controller. Per capire meglio questo, considera l'immagine qui sotto;

L'illustrazione della rete Z-wave mostra che il controller può comunicare direttamente con i dispositivi 1, 2 e 4, mentre il nodo 6 si trova al di fuori della sua portata radio. Tuttavia, a causa delle caratteristiche descritte in precedenza, il Nodo 2 assumerà uno stato di ripetitore / inoltro ed estenderà la portata del controller al Nodo 6 in modo tale che qualsiasi messaggio diretto al Nodo 6 verrà passato attraverso il Nodo 2. Nodi come il Nodo 2 in reti di grandi dimensioni sono chiamate rotte e contribuiscono alla flessibilità e alla robustezza delle reti Z-wave. Per determinare quale dei messaggi di route devono viaggiare per raggiungere un particolare nodo, le reti Z-wave utilizzano uno strumento chiamato tabella di routing.

Ogni nodo in una rete Z-wave è in grado di determinare gli altri nodi (chiamati Neighbors) nella sua area di copertura wireless diretta e durante l'inclusione o successiva, il nodo informa il controller di questi vicini. Utilizzando l'elenco dei vicini di ciascun nodo, il controller crea una tabella di routing che viene utilizzata per mappare i percorsi ai nodi che si trovano al di fuori della portata wireless diretta del controller.

È importante notare che non tutti i nodi possono essere configurati come forwarder. Il protocollo Z-wave consente solo ai nodi collegati (non alimentati a batteria) di fungere da "nodi di instradamento".

Connessione a Internet:

Utilizzando il recente approccio "Gateway / Aggregator" di altri protocolli, un sistema Z-Wave può essere controllato tramite Internet utilizzando un gateway Z-Wave o un dispositivo Controller (master) che funge sia da controller hub che da portale verso l'esterno. Un esempio di ciò è il Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

Sebbene i primi dispositivi basati sull'onda Z siano stati rilasciati già nel 1999, la tecnologia non ha preso piede fino al 2005, quando un gruppo di aziende tra cui il gigante della domotica Leviton, Danfoss e Ingersoll-Rand ha adottato Z-Wave e ha formato un'alleanza chiamato Z-Wave Alliance.

L'Alleanza è stata costituita per promuovere l'uso e l'interoperabilità della tecnologia Z-Wave e dei dispositivi basati su di essa. In linea con questo, l'alleanza sviluppa e mantiene lo standard Z-wave e certifica tutti i dispositivi basati su Z-Wave per garantire che siano conformi allo standard. L'alleanza è iniziata con 5 aziende associate, ma ora conta oltre 600 aziende che producono oltre 2600 dispositivi certificati Z-Wave.

Differenza tra Z-Wave e altri protocolli

Per capire perché ha senso avere un altro protocollo di comunicazione come Z-wave, lo confronteremo con alcuni altri protocolli di comunicazione utilizzati nell'automazione domestica tra cui; Bluetooth, WiFi e Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

Il vantaggio più evidente di Z-Wave rispetto al Bluetooth è la portata. Le onde Z hanno un'area di copertura effettivamente più ampia del Bluetooth. Inoltre, i segnali Bluetooth sono soggetti a interferenze e interruzioni perché inviano e ricevono informazioni sulla banda a 2,4 GHz, competendo quindi per la larghezza di banda con dispositivi basati su WiFi che utilizzano la stessa banda di frequenza.

Con Z-wave, invece di rendere la rete più lenta o rumorosa, ogni ripetitore di segnale Z-wave lavora insieme per rendere la rete più forte, in modo tale che, più dispositivi hai, più facile è creare una rete robusta, in grado di bypassare ostacoli.

Z-wave vs WiFi:

Come il Bluetooth, anche le reti basate su WiFi sono suscettibili a interferenze, interruzioni e problemi relativi alla portata e come tali funzionano al di sotto delle reti basate sull'onda Z in tali circostanze.

Oltre a competere per la larghezza di banda con i dispositivi Bluetooth, anche i dispositivi WiFi competono tra loro e questo potrebbe influire sulla potenza del segnale e sulla velocità della rete nelle case in cui molti dispositivi sono basati sul WiFi. Questo non è il caso di Z-wave poiché la rete prospera con l'aggiunta di più dispositivi alla rete.

I dispositivi basati su WiFi, tuttavia, hanno un vantaggio rispetto alle onde Z. Sono in grado di inviare informazioni più grandi come stream video HD e altro, mentre le reti basate su onde Z sono in grado di gestire piccoli byte di dati come i dati dei sensori o le istruzioni per accendere / spegnere una lampadina.

Z-wave contro Zigbee:

Zigbee è un'altra tecnologia wireless e, come Z-wave, è stata progettata pensando all'automazione domestica e alle reti di sensori wireless nelle vicinanze. Come Z-wave, si basa sulla topologia della rete Mesh e ogni dispositivo su una rete Zigbee aiuta a rafforzare il segnale. Tuttavia, a differenza di Z-wave, funziona sulla banda di frequenza a 2,4 GHz, il che significa che compete anche per la larghezza di banda con WiFi e Bluetooth e può anche essere soggetto alle interferenze e alle sfide di velocità della rete ad esse associate.

Un'altra differenza di cui vi lascio decidere il significato è il fatto che, sebbene Z-Wave sia una tecnologia proprietaria (sebbene ci siano piani per rendere il software open source), Zigbee è open-source.

Vantaggi e svantaggi di Z-Wave

Come tutte le cose, Z-Wave ha sia vantaggi che svantaggi. Ne discuteremo uno dopo l'altro.

Pro di Z-Wave

Alcuni dei vantaggi delle onde Z includono;

La capacità di supportare 232 dispositivi in teoria e almeno 50 in pratica.
I segnali possono viaggiare fino a 50 piedi all'interno consentendo ostacoli e fino a 100 piedi senza ostacoli. Questa portata si estende notevolmente all'aperto. Con i quattro salti tra i dispositivi che migliorano ulteriormente la portata, la copertura non sarà un problema nelle case collegate in espansione.
L'alleanza Z-wave è composta da un massimo di 600 produttori che producono oltre 2600 dispositivi certificati per garantire la compatibilità.
Meno interferenze dovute alla banda ISM utilizzata.
Meno punti morti rispetto ad altre reti, grazie alla robusta topologia mesh
È conveniente e facile da usare.

Contro Z-Wave

A differenza di alcuni degli altri protocolli di comunicazione, Z-Waves è stato progettato specificamente per l'uso nelle applicazioni di automazione domestica, in quanto tale, è stato adattato alle esigenze dell'applicazione e presenta pochi svantaggi. Tuttavia, i limiti realizzabili di 50 dispositivi piuttosto che il nozionale 232, possono essere una sfida nelle case in cui è necessario distribuire più di 50 dispositivi.

Inoltre, la sua incapacità di sostenere il trasferimento di grandi byte di dati lo rende non così utile in applicazioni come la videosorveglianza, dove megabyte di dati devono essere trasmessi in streaming tra i dispositivi finali.

Conclusione

Le onde Z sono per l'automazione domestica come LoRa è per il più ampio panorama IoT. Il più grande vantaggio che ha su tutti gli altri protocolli nella nicchia della domotica è il fatto che è stato progettato per quella nicchia. Ciò significa che in genere funzionerà meglio di altri protocolli progettati per un consumo più ampio e funzionerà relativamente bene per almeno l'80% delle applicazioni in quella nicchia.