Κατανόηση του z

Καθώς οι εφαρμογές που βασίζονται σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, οικιακή αυτοματοποίηση και IoT αυξάνονται, η ανάγκη για εναλλακτικό πρωτόκολλο επικοινωνίας εκτός από τα κανονικά πρωτόκολλα Bluetooth, Wi-Fi και GSM έγινε εμφανής. Διάφορες τεχνολογίες όπως το Zigbee και το Bluetooth Low Energy (BLE) αναπτύχθηκαν ως εναλλακτικές λύσεις, αλλά μια ξεχωριστή τεχνολογία, που αναπτύχθηκε για να εξυπηρετεί συγκεκριμένα εφαρμογές οικιακού αυτοματισμού ήταν το Z-Wave. Για το σημερινό άρθρο, θα εξετάσουμε τις τεχνικές λεπτομέρειες του Z-wave, είναι τα χαρακτηριστικά διαφοροποίησης, το πρότυπο και πολλά άλλα.

Τι είναι το Z-Wave

Το Z-Wave είναι ένα πρωτόκολλο ασύρματων επικοινωνιών που αναπτύχθηκε κυρίως για χρήση σε εφαρμογές οικιακού αυτοματισμού. Αναπτύχθηκε το 1999 από την Zensys με έδρα την Κοπεγχάγη ως αναβάθμιση σε ένα σύστημα ελέγχου φωτός καταναλωτή που δημιούργησαν. Έχει σχεδιαστεί για να παρέχει την αξιόπιστη, χαμηλής καθυστέρησης μετάδοση μικρών πακέτων δεδομένων χρησιμοποιώντας ραδιοκύματα χαμηλής ενέργειας σε ρυθμούς δεδομένων έως 100kbit / s με απόδοση έως 40kbit / s (9,6kbit / s χρησιμοποιώντας παλιά chip) και είναι κατάλληλο για εφαρμογές ελέγχου και αισθητήρα.

Με βάση την τοπολογία του δικτύου πλέγματος και λειτουργεί εντός των μη αδειοδοτημένων 800-900MHz (η πραγματική συχνότητα ποικίλλει) ζώνη συχνοτήτων ISM, οι συσκευές με βάση το Z-Wave μπορούν να επιτύχουν απόσταση επικοινωνίας έως και 40 μέτρα, με την πρόσθετη ικανότητα των μηνυμάτων να Hop up μεταξύ έως και 4 κόμβων. Όλες αυτές οι λειτουργίες το καθιστούν κατάλληλο πρωτόκολλο επικοινωνίας για εφαρμογές οικιακού αυτοματισμού, όπως έλεγχος φωτισμού, θερμοστάτες, χειριστήρια παραθύρων, κλειδαριές, ανοιγόμενες πόρτες γκαράζ και πολλά άλλα αποφεύγοντας τις προβληματικές συμφόρηση που σχετίζονται με Wi-Fi και Bluetooth λόγω της χρήσης του Ζώνες 2,4GHz και 5GHz.

Πώς λειτουργεί το πρωτόκολλο Z-Wave;

Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του πρωτοκόλλου Z-Wave ας αναλύσουμε το θέμα σε τρεις κύριες ενότητες, δηλαδή την αρχιτεκτονική του συστήματος Z-Wave, τη μετάδοση δεδομένων / λήψη, και τη δρομολόγηση και τη σύνδεση στο Διαδίκτυο

Αρχιτεκτονική συστήματος Z-Wave:

Κάθε δίκτυο Z-wave αποτελείται από δύο ευρείες κατηγορίες συσκευών.

1. Ελεγκτής / Κύριος (οι)
2. Σκλάβοι

Ο κύριος λειτουργεί συνήθως ως κεντρικός υπολογιστής του δικτύου Z-Wave στο οποίο μπορούν να συνδεθούν άλλες συσκευές (Slaves). Συνήθως έρχεται με προ-προγραμματισμένο NetworkID (μερικές φορές ονομάζεται HomeID) που εκχωρείται σε κάθε υποτελή (που δεν συνοδεύεται από ένα προ-προγραμματισμένο αναγνωριστικό) όταν προστίθενται στο δίκτυο μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται "inclusion " Εκτός από το HomeID, για κάθε συσκευή που προστίθεται στο δίκτυο κύματος Z, ένα αναγνωριστικό που ονομάζεται NodeID συνήθως εκχωρείται από τον ελεγκτή. Το NodeID είναι μοναδικό σε κάθε δίκτυο (για κάθε HomeID), ως τέτοιο, χρησιμοποιείται για τη διεύθυνση και κυρίως την αναγνώριση κάθε συσκευής σε ένα συγκεκριμένο δίκτυο.

Η συμπερίληψη είναι παρόμοια με την πρόθεση με τον τρόπο με τον οποίο ένας δρομολογητής εκχωρεί διευθύνσεις IP σε συσκευές στο δίκτυό του, ενώ οι κύριοι είναι παρόμοιοι με τους δρομολογητές / πύλες / Hub συσκευών, με τη μόνη διαφορά να είναι η σχέση πλέγματος που έχουν οι κύριοι με τους σκλάβους στο δίκτυο. Για να αφαιρέσετε κόμβους από ένα δίκτυο Z-Wave εκτελείται μια διαδικασία που ονομάζεται " Εξαίρεση ". Κατά τη διάρκεια του αποκλεισμού, το Home ID και το Node ID διαγράφονται από τη συσκευή. Η συσκευή επαναφέρεται στην εργοστασιακή προεπιλεγμένη κατάσταση (οι ελεγκτές έχουν το δικό τους Home ID και οι slave δεν έχουν Home ID).

Το HomeID και το NodeID που αναφέρονται παραπάνω είναι τα δύο συστήματα αναγνώρισης που ορίζονται από το πρωτόκολλο Z-wave για εύκολη οργάνωση του δικτύου Z-wave.

Το HomeID είναι η κοινή ταυτοποίηση όλων των κόμβων που αποτελούν μέρος ενός συγκεκριμένου δικτύου Z-Wave, ενώ το NodeID είναι η διεύθυνση μεμονωμένων κόμβων μέσα σε ένα δίκτυο.

Τα HomeID είναι συνήθως Προ-Προγραμματισμένα και μοναδικά και καθορίζουν το συγκεκριμένο δίκτυο Z-wave. Έχουν μήκος 32 bit, πράγμα που σημαίνει ότι είναι δυνατή η δημιουργία έως και 4 δισεκατομμυρίων (2 ^ 32) διαφορετικών HomeID και διαφορετικών δικτύων Z-wave. Το αναγνωριστικό κόμβου, από την άλλη πλευρά, έχει μήκος μόλις 8 byte (8 bit) που σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να έχουμε έως και 256 (2 ^ 8) κόμβους σε ένα δίκτυο.

Εκτός από την εύκολη διευθέτηση των κόμβων, το σύστημα αναγνώρισης βοηθά στην αποφυγή παρεμβολών σε δίκτυα κύματος Ζ, επειδή δύο κόμβοι με διαφορετικά HomeID δεν μπορούν να επικοινωνήσουν ακόμη και αν έχουν το ίδιο NodeID. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσατε να αναπτύξετε δύο δίκτυα κύματος z δίπλα-δίπλα χωρίς να παραλάβετε έναν χάρτη παρεμβολής από το Δίκτυο Α που λαμβάνεται από τον B.

Μετάδοση δεδομένων, λήψη και δρομολόγηση:

Σε τυπικά ασύρματα δίκτυα, ο κεντρικός ελεγκτής / κεντρικός υπολογιστής έχει μια απευθείας, ασύρματη σύνδεση με τους κόμβους του δικτύου. Όσο χρήσιμη είναι αυτή η ρύθμιση για αυτά τα πρωτόκολλα, δημιουργεί έναν περιορισμό γύρω από τη μετάδοση δεδομένων έτσι ώστε η «Συσκευή Α» να μην μπορεί να αλληλεπιδράσει με τη «Συσκευή Β» εάν υπάρχει διακοπή στη σύνδεση μεταξύ αυτών και του κύριου. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει για τα κύματα Z χάρη στην τοπολογία του δικτύου Mesh και την ικανότητα των κόμβων Z-wave να προωθούν και να επαναλαμβάνουν μηνύματα σε άλλους κόμβους. Αυτό διασφαλίζει ότι η επικοινωνία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε κάθε κόμβο ενός δικτύου ακόμα και όταν δεν βρίσκονται στην άμεση εμβέλεια του ελεγκτή. Για να το κατανοήσετε καλύτερα, σκεφτείτε την παρακάτω εικόνα.

Η εικόνα δικτύου Z-wave δείχνει ότι ο ελεγκτής μπορεί να επικοινωνεί απευθείας με τις συσκευές 1, 2 και 4, ενώ ο κόμβος 6 βρίσκεται εκτός του εύρους ραδιοφώνου του. Ωστόσο, λόγω των χαρακτηριστικών που περιγράφηκαν νωρίτερα, ο κόμβος 2 θα αναλάβει την κατάσταση του επαναλήπτη / προώθησης και θα επεκτείνει το εύρος του ελεγκτή στον κόμβο 6 έτσι ώστε οποιοδήποτε μήνυμα που οδηγεί στον κόμβο 6 να περάσει μέσω του κόμβου 2. Κόμβοι όπως ο κόμβος 2 σε μεγάλα δίκτυα ονομάζονται διαδρομές και συμβάλλουν στην ευελιξία και την ευρωστία των δικτύων Z-wave. Για να προσδιορίσετε ποιες από τις διαδρομές πρέπει να ταξιδεύουν τα μηνύματα για να φτάσουν σε έναν συγκεκριμένο κόμβο, τα δίκτυα Z-wave χρησιμοποιούν ένα εργαλείο που ονομάζεται πίνακας δρομολόγησης.

Κάθε κόμβος σε ένα δίκτυο κύματος Z μπορεί να καθορίσει τους άλλους κόμβους (που ονομάζονται γείτονες) στην άμεση περιοχή ασύρματης κάλυψης και κατά τη διάρκεια της συμπερίληψης ή αργότερα, ο κόμβος ενημερώνει τον ελεγκτή για αυτούς τους γείτονες. Χρησιμοποιώντας τη λίστα των γειτόνων από κάθε κόμβο, ο ελεγκτής δημιουργεί έναν πίνακα δρομολόγησης που χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση διαδρομών προς κόμβους που βρίσκονται εκτός του άμεσου ασύρματου εύρους του ελεγκτή.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν μπορούν να διαμορφωθούν όλοι οι κόμβοι ως προωθητές. Το πρωτόκολλο κύματος Z επιτρέπει μόνο στους κόμβους που είναι συνδεδεμένοι (δεν τροφοδοτούνται με μπαταρία) να λειτουργούν ως «κόμβοι δρομολόγησης».

Σύνδεση στο Διαδίκτυο:

Χρησιμοποιώντας την πρόσφατη προσέγγιση «Gateway / Aggregator» από άλλα πρωτόκολλα, ένα σύστημα Z-Wave μπορεί να ελεγχθεί μέσω του Διαδικτύου χρησιμοποιώντας μια πύλη Z-Wave ή μια συσκευή ελεγκτή (κύρια) που χρησιμεύει τόσο ως ελεγκτής διανομέα όσο και ως πύλη προς τα έξω. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η πύλη Delock 78007 Z-Wave®.

Z-Wave Alliance

Ενώ οι πρώτες συσκευές που βασίζονται στο κύμα Z κυκλοφόρησαν ήδη από το 1999, η τεχνολογία δεν συνέβη μέχρι το 2005 όταν ένας όμιλος εταιρειών, όπως ο γίγαντας οικιακού αυτοματισμού Leviton, Danfoss και Ingersoll-Rand υιοθέτησε το Z-Wave και σχημάτισε συμμαχία ονομάζεται Z-Wave Alliance.

Η Συμμαχία δημιουργήθηκε για να προωθήσει τη χρήση και τη διαλειτουργικότητα της τεχνολογίας Z-Wave και των συσκευών που βασίζονται σε αυτήν. Σύμφωνα με αυτό, η συμμαχία αναπτύσσει και διατηρεί το πρότυπο Z-wave και πιστοποιεί όλες τις συσκευές με βάση το Z-Wave για να διασφαλίσει ότι συμμορφώνονται με το πρότυπο. Η συμμαχία ξεκίνησε με 5 εταιρείες μέλη αλλά τώρα έχει περισσότερες από 600 εταιρείες που παράγουν περισσότερες από 2600 συσκευές πιστοποιημένες με Z-Wave.

Διαφορά μεταξύ Z-Wave και άλλων πρωτοκόλλων

Για να καταλάβουμε γιατί είναι λογικό να έχουμε ένα άλλο πρωτόκολλο επικοινωνίας όπως το Z-wave, θα το συγκρίνουμε με κάποια άλλα πρωτόκολλα επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται στον οικιακό αυτοματισμό, όπως: Bluetooth, WiFi και Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

Το πιο έντονο πλεονέκτημα του Z-Wave μέσω Bluetooth είναι το Range. Τα κύματα Z έχουν ουσιαστικά μεγαλύτερη περιοχή κάλυψης από το Bluetooth. Επίσης, τα σήματα Bluetooth είναι επιρρεπή σε παρεμβολές και διακοπές, επειδή στέλνουν και λαμβάνουν πληροφορίες σχετικά με τη ζώνη 2,4GHz, ανταγωνίζονται έτσι το εύρος ζώνης με συσκευές που βασίζονται σε WiFi χρησιμοποιώντας την ίδια ζώνη συχνοτήτων.

Με το Z-wave, αντί να κάνει το δίκτυο πιο αργό ή θορυβώδες, κάθε Z-wave repeater συνεργάζεται για να κάνει το δίκτυο ισχυρότερο, έτσι ώστε, όσο περισσότερες συσκευές έχετε, τόσο πιο εύκολο είναι να δημιουργήσετε ένα ισχυρό δίκτυο, ικανό να παρακάμψει εμπόδια.

Z-wave vs WiFi:

Όπως το Bluetooth, τα δίκτυα που βασίζονται σε WiFi είναι επίσης ευαίσθητα σε παρεμβολές, διακοπές και θέματα που σχετίζονται με την εμβέλεια και, ως εκ τούτου, εκτελούνται κάτω από δίκτυα που βασίζονται σε κύματα Z υπό αυτές τις συνθήκες.

Εκτός από τον ανταγωνισμό για εύρος ζώνης με συσκευές Bluetooth, οι συσκευές WiFi ανταγωνίζονται επίσης μεταξύ τους και αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει την ισχύ του σήματος και την ταχύτητα του δικτύου σε σπίτια όπου πολλές συσκευές βασίζονται σε WiFi. Αυτό δεν συμβαίνει με το κύμα Z καθώς το δίκτυο αναπτύσσεται με την προσθήκη περισσότερων συσκευών στο δίκτυο.

Οι συσκευές που βασίζονται σε WiFi, ωστόσο, έχουν ανοδική σχέση με τα κύματα Z Είναι σε θέση να στέλνουν μεγαλύτερες πληροφορίες, όπως ροές βίντεο HD και πολλά άλλα, ενώ τα δίκτυα που βασίζονται σε κύματα Z μπορούν να χειρίζονται μικρά byte δεδομένων, όπως δεδομένα αισθητήρα ή οδηγίες για την ενεργοποίηση / απενεργοποίηση ενός λαμπτήρα.

Z-wave εναντίον Zigbee:

Το Zigbee είναι μια άλλη ασύρματη τεχνολογία και όπως το Z-wave, σχεδιάστηκε με γνώμονα τον οικιακό αυτοματισμό και τα κοντινά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Όπως και το Z-wave, βασίζεται στην τοπολογία του δικτύου Mesh και κάθε συσκευή σε ένα δίκτυο Zigbee βοηθά στην ενίσχυση του σήματος. Ωστόσο, σε αντίθεση με το κύμα Z, λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων 2,4 GHz που σημαίνει ότι ανταγωνίζεται επίσης το εύρος ζώνης με WiFi και Bluetooth και μπορεί επίσης να είναι επιρρεπές σε παρεμβολές και προκλήσεις ταχύτητας δικτύου που σχετίζονται με αυτά.

Μια άλλη διαφορά, της οποίας η σημασία θα σας αφήσω να αποφασίσετε είναι το γεγονός ότι, ενώ το Z-Wave είναι μια αποκλειστική τεχνολογία (παρόλο που υπάρχουν σχέδια για τη δημιουργία του λογισμικού ανοιχτού κώδικα), το Zigbee είναι ανοιχτού κώδικα.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Z-Wave

Όπως όλα τα πράγματα, το Z-Wave έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Θα τα συζητήσουμε το ένα μετά το άλλο.

Πλεονεκτήματα του Z-Wave

Μερικά από τα πλεονεκτήματα των κυμάτων Ζ περιλαμβάνουν:

1. Η ικανότητα υποστήριξης 232 συσκευών θεωρητικά και τουλάχιστον 50 στην πράξη.
2. Τα σήματα μπορούν να ταξιδέψουν έως και 50 πόδια σε εσωτερικούς χώρους επιτρέποντας εμπόδια και έως 100 πόδια χωρίς εμπόδια. Αυτή η προσέγγιση επεκτείνεται σημαντικά σε εξωτερικούς χώρους. Με τους τέσσερις λυκίσκους μεταξύ συσκευών να βελτιώνουν περαιτέρω το εύρος, η κάλυψη δεν θα είναι πρόβλημα στην επέκταση συνδεδεμένων σπιτιών.
3. Η συμμαχία Z-wave αποτελείται από έως και 600 κατασκευαστές που παράγουν πάνω από 2600 πιστοποιημένες συσκευές για τη διασφάλιση της συμβατότητας.
4. Λιγότερες παρεμβολές λόγω της ζώνης ISM που χρησιμοποιείται.
5. Λιγότερα νεκρά σημεία σε σύγκριση με άλλα δίκτυα, χάρη στην στιβαρή τοπολογία των ματιών
6. Είναι προσιτό και εύκολο στη χρήση.

Μειονεκτήματα Z-Wave

Σε αντίθεση με ορισμένα από τα άλλα πρωτόκολλα επικοινωνίας, το Z-Waves σχεδιάστηκε ειδικά για χρήση σε εφαρμογές οικιακού αυτοματισμού, ως τέτοιο, προσαρμόστηκε στις ανάγκες της εφαρμογής και φέρει πολύ μικρά μειονεκτήματα. Ωστόσο, τα λειτουργικά όρια των 50 συσκευών και όχι το πλασματικό 232, μπορεί να είναι μια πρόκληση σε σπίτια όπου πρέπει να χρησιμοποιηθούν περισσότερες από 50 συσκευές.

Επίσης, η αδυναμία του να διατηρήσει τη μεταφορά μεγάλων byte δεδομένων δεν το καθιστά τόσο χρήσιμο σε εφαρμογές όπως η παρακολούθηση βίντεο, όπου τα megabyte δεδομένων πρέπει να μεταδίδονται μεταξύ των τελικών συσκευών.

συμπέρασμα

Τα κύματα Z είναι στον οικιακό αυτοματισμό, τι είναι το LoRa στο ευρύτερο τοπίο IoT. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα που έχει σε σχέση με όλα τα άλλα πρωτόκολλα στη θέση οικιακού αυτοματισμού είναι το γεγονός ότι σχεδιάστηκε για τη συγκεκριμένη θέση. Αυτό σημαίνει ότι θα έχει γενικά καλύτερη απόδοση από άλλα πρωτόκολλα που έχουν σχεδιαστεί για ευρύτερη κατανάλωση και θα έχει σχετικά καλή απόδοση, τουλάχιστον, για το 80% των εφαρμογών σε αυτήν τη θέση.