Понимание z

По мере роста числа приложений, основанных на беспроводных сенсорных сетях, домашней автоматизации и IoT, потребность в альтернативных протоколах связи, помимо обычных протоколов Bluetooth, Wi-Fi и GSM, становилась очевидной. Несколько технологий, таких как Zigbee и Bluetooth Low Energy (BLE), были разработаны в качестве альтернативы, но одной выдающейся технологией, разработанной специально для приложений домашней автоматизации, была Z-Wave. В сегодняшней статье мы рассмотрим технические характеристики Z-wave, ее отличительные особенности, стандарт и многое другое.

Что такое Z-Wave

Z-Wave - это протокол беспроводной связи, разработанный в первую очередь для использования в приложениях домашней автоматизации. Он был разработан в 1999 году компанией Zensys из Копенгагена как модернизация созданной ими потребительской системы управления освещением. Он был разработан для обеспечения надежной передачи небольших пакетов данных с малой задержкой с использованием низкоэнергетических радиоволн со скоростью передачи данных до 100 кбит / с и пропускной способностью до 40 кбит / с (9,6 кбит / с при использовании старых микросхем). подходит для систем управления и датчиков.

Основываясь на топологии ячеистой сети и работая в нелицензированном диапазоне частот ISM 800-900 МГц (фактическая частота варьируется), устройства на основе Z-Wave могут достигать расстояния связи до 40 метров с дополнительной возможностью передачи сообщений. между 4 узлами. Все эти функции делают его подходящим протоколом связи для приложений домашней автоматизации, таких как управление освещением, термостаты, элементы управления окнами, замки, открыватели гаражных ворот и многие другие, при этом избегая проблемных перегрузок, связанных с Wi-Fi и Bluetooth из-за использования ими Полосы 2,4 ГГц и 5 ГГц.

Как работает протокол Z-Wave?

Чтобы понять работу протокола Z-Wave, давайте проанализируем этот предмет в трех основных разделах, а именно: архитектура системы Z-Wave, передача / прием данных, а также маршрутизация и подключение к Интернету.

Архитектура системы Z-Wave:

Каждая сеть Z-wave состоит из двух широких категорий устройств;

Контроллер / Мастер (ы)
Рабы

Мастер обычно служит хостом сети Z-Wave, к которой могут быть подключены другие устройства (подчиненные). Обычно он поставляется с предварительно запрограммированным NetworkID (иногда называемым HomeID), который назначается каждому ведомому устройству (у которого нет предварительно запрограммированного идентификатора), когда они добавляются в сеть посредством процесса, называемого «включение ». Помимо HomeID, для каждого устройства, добавленного в сеть Z-wave, контроллер обычно назначает идентификатор, называемый NodeID. NodeID является уникальным в каждой сети (для каждого HomeID), как таковой, он используется для адреса, и, прежде всего, распознать каждое устройство в конкретной сети.

Включение аналогично тому, как маршрутизатор назначает IP-адреса устройствам в своей сети, в то время как мастера аналогичны маршрутизаторам / шлюзам / концентраторам устройств, с той лишь разницей, что между мастерами и ведомыми устройствами в сети являются сетчатые отношения. Чтобы удалить узлы из сети Z-Wave, выполняется процесс, называемый « Исключение ». Во время исключения Home ID и Node ID удаляются с устройства. Устройство сбрасывается до заводского состояния по умолчанию (контроллеры имеют собственный домашний идентификатор, а ведомые устройства не имеют домашнего идентификатора).

Вышеупомянутые HomeID и NodeID - это две системы идентификации, определенные протоколом Z-wave для простой организации сети Z-wave.

HomeID - это общий идентификатор всех узлов, которые являются частью определенной сети Z-Wave, а NodeID - это адрес отдельных узлов в сети.

HomeID обычно предварительно запрограммированы и уникальны, и они определяют конкретную сеть Z-wave. Они имеют длину 32 бита, что означает, что можно создать до 4 миллиардов (2 ^ 32) различных HomeID и различных сетей Z-wave. С другой стороны, идентификатор узла - это всего лишь байт (8 бит) в длину, что означает, что в сети может быть до 256 (2 ^ 8) узлов.

Помимо упрощения адресации узлов, система идентификации помогает предотвратить помехи в сетях Z-wave, поскольку два узла с разными HomeID не могут взаимодействовать, даже если у них одинаковый NodeID. Это означает, что вы можете развернуть две сети z-wave бок о бок без вмешательства в устав от сети A, полученной B.

Передача, прием и маршрутизация данных:

В типичных беспроводных сетях центральный контроллер / мастер имеет прямое беспроводное соединение «один-к-одному» с узлами в сети. Как бы ни была полезна эта схема для этих протоколов, она создает ограничение на передачу данных, так что «устройство A» не сможет взаимодействовать с «устройством B», если существует разрыв связи между любым из них и ведущим устройством. Однако это не относится к Z-волнам благодаря топологии Mesh-сети и способности узлов Z-wave пересылать и повторять сообщения другим узлам. Это гарантирует, что связь может осуществляться с каждым узлом в сети, даже если они не находятся в непосредственной близости от контроллера. Чтобы лучше понять это, рассмотрите изображение ниже;

Иллюстрация сети Z-wave показывает, что контроллер может напрямую связываться с устройствами 1, 2 и 4, в то время как Узел 6 находится за пределами своего радиодоступа. Однако из-за особенностей, описанных ранее, Узел 2 примет статус ретранслятора / пересылки и расширит диапазон контроллера до Узла 6, так что любой заголовок сообщения Узлу 6 будет проходить через Узел 2. Узлы, подобные Узлу 2, в больших сетях называются маршрутами, и они способствуют гибкости и надежности сетей Z-wave. Чтобы определить, по какому из маршрутов сообщения должны пройти, чтобы достичь определенного узла, сети Z-wave используют инструмент, называемый таблицей маршрутизации.

Каждый узел в сети Z-wave может определять другие узлы (называемые соседями) в своей зоне прямого беспроводного покрытия, и во время включения или позже узел информирует контроллер об этих соседях. Используя список соседей от каждого узла, контроллер создает таблицу маршрутизации, которая используется для сопоставления маршрутов с узлами, находящимися за пределами прямого беспроводного диапазона контроллера.

Важно отметить, что не все узлы можно настроить как серверы пересылки. Протокол Z-wave позволяет использовать только подключенные (без батарейного питания) узлы в качестве «узлов маршрутизации».

Подключение к Интернету:

Используя недавний подход «шлюз / агрегатор» с помощью других протоколов, системой Z-Wave можно управлять через Интернет с помощью шлюза Z-Wave или устройства контроллера (главного), выступающего как контроллер концентратора, так и портал для внешнего доступа. Примером этого является шлюз Delock 78007 Z-Wave®.

Z-Wave Альянс

Хотя первые устройства на основе Z-волны были выпущены еще в 1999 году, эта технология не получила широкого распространения до 2005 года, когда группа компаний, включая гиганта домашней автоматизации Leviton, Danfoss и Ingersoll-Rand, приняла Z-Wave и сформировала альянс. называется Z-Wave Alliance.

Альянс был создан для содействия использованию и совместимости технологии Z-Wave и устройств на ее основе. В соответствии с этим альянс разрабатывает и поддерживает стандарт Z-wave и сертифицирует все устройства на основе Z-Wave, чтобы гарантировать их соответствие стандарту. Альянс начинался с 5 компаний-членов, но сейчас насчитывает более 600 компаний, производящих более 2600 устройств, сертифицированных Z-Wave.

Разница между Z-Wave и другими протоколами

Чтобы понять, почему имеет смысл иметь другой протокол связи, такой как Z-wave, мы сравним его с некоторыми другими протоколами связи, используемыми в домашней автоматизации, включая: Bluetooth, Wi-Fi и Zigbee

Z-волна против Bluetooth:

Наиболее явным преимуществом Z-Wave перед Bluetooth является дальность действия. Z-волны имеют значительно большую зону покрытия, чем Bluetooth. Кроме того, сигналы Bluetooth подвержены помехам и прерываниям, поскольку они отправляют и получают информацию в диапазоне 2,4 ГГц, тем самым конкурируя за полосу пропускания с устройствами на основе WiFi, использующими тот же частотный диапазон.

При использовании Z-волны вместо того, чтобы делать сеть медленнее или шумнее, каждый повторитель сигнала Z-волны работает вместе, чтобы сделать сеть сильнее, так что чем больше у вас устройств, тем проще создать надежную сеть, способную обходить препятствия.

Z-волна против WiFi:

Как и Bluetooth, сети на основе Wi-Fi также подвержены помехам, прерываниям и проблемам, связанным с дальностью действия, и в этих условиях работают в сетях на основе Z-волны.

Помимо конкуренции за пропускную способность с устройствами Bluetooth, устройства WiFi также конкурируют друг с другом, и это может повлиять на мощность сигнала и скорость сети в домах, где множество устройств основано на WiFi. Это не относится к Z-wave, так как сеть процветает с добавлением к ней большего количества устройств.

Однако у устройств на базе Wi-Fi есть преимущества по сравнению с Z-волнами. Они могут отправлять более крупную информацию, например потоки HD-видео и многое другое, в то время как сети на основе Z-волны могут обрабатывать небольшие байты данных, такие как данные датчиков или инструкции по включению / выключению лампочки.

Z-волна против Zigbee:

Zigbee - еще одна беспроводная технология, и, как и Z-wave, она была разработана с учетом домашней автоматизации и близлежащих сетей беспроводных датчиков. Как и Z-волна, она основана на топологии сети Mesh, и каждое устройство в сети Zigbee помогает усилить сигнал. Однако, в отличие от Z-wave, он работает в полосе частот 2,4 ГГц, что означает, что он также конкурирует за пропускную способность с WiFi и Bluetooth, а также может быть подвержен помехам и проблемам со скоростью сети, связанным с ними.

Еще одно отличие, значение которого я оставлю вам решать, заключается в том, что, хотя Z-Wave является проприетарной технологией (хотя есть планы сделать программное обеспечение с открытым исходным кодом), Zigbee является открытым исходным кодом.

Z-Wave преимущества и недостатки

Как и все вещи, Z-Wave имеет как преимущества, так и недостатки. Обсудим их по очереди.

Плюсы Z-Wave

Некоторые из преимуществ Z-волн:

Возможность поддерживать 232 устройства теоретически и не менее 50 на практике.
Сигналы могут распространяться на расстояние до 50 футов в помещении с учетом препятствий и до 100 футов без препятствий. Эта зона действия значительно увеличивается на открытом воздухе. Благодаря четырем переходам между устройствами, дополнительно увеличивающим радиус действия, покрытие не будет проблемой в разрастающихся подключенных домах.
В альянс Z-wave входят до 600 производителей, производящих более 2600 сертифицированных устройств для обеспечения совместимости.
Меньше помех из-за используемого диапазона ISM.
Меньше мертвых зон по сравнению с другими сетями благодаря надежной ячеистой топологии
Это доступный и простой в использовании.

Минусы Z-Wave

В отличие от некоторых других протоколов связи, Z-Waves был специально разработан для использования в приложениях домашней автоматизации, поэтому он адаптирован к потребностям приложения и имеет очень мало недостатков. Однако рабочие ограничения в 50 устройств, а не воображаемые 232, могут стать проблемой в домах, где необходимо развернуть более 50 устройств.

Кроме того, его неспособность поддерживать передачу больших байтов данных делает его не очень полезным в таких приложениях, как видеонаблюдение, где требуется передавать мегабайты данных между конечными устройствами.

Заключение

Z-волны для домашней автоматизации - это то же самое, что LoRa для более широкого ландшафта Интернета вещей. Самым большим преимуществом, которое он имеет перед всеми другими протоколами в нише домашней автоматизации, является тот факт, что он был разработан для этой ниши. Это означает, что он, как правило, будет работать лучше, чем другие протоколы, которые были разработаны для более широкого использования, и будет работать относительно хорошо, по крайней мере, для 80% приложений в этой нише.