Разбиране на z

Тъй като приложенията, базирани на безжични сензорни мрежи, домашна автоматизация и IoT, се увеличаваха, необходимостта от алтернативен комуникационен протокол, освен обикновените протоколи Bluetooth, Wi-Fi и GSM, става очевидна. Няколко технологии като Zigbee и Bluetooth Low Energy (BLE) бяха разработени като алтернативи, но една забележителна технология, разработена специално за обслужване на приложения за домашна автоматизация, беше Z-Wave. За днешната статия ще разгледаме техническите характеристики на Z-вълната, нейните диференциращи характеристики, стандарта и много други.

Какво е Z-Wave

Z-Wave е безжичен комуникационен протокол, разработен предимно за използване в приложения за домашна автоматизация. Той е разработен през 1999 г. от базираната в Копенхаген Zensys като надстройка на създадена от тях система за управление на светлината на потребителите. Той е проектиран да осигури надеждно предаване на малки пакети данни с ниска латентност, използвайки нискоенергийни радиовълни при скорости на данни до 100kbit / s с пропускателна способност до 40kbit / s (9.6kbit / s при използване на стари чипове) и са подходящ за управление и сензорни приложения.

Въз основа на мрежовата топология на мрежата и работещи в рамките на нелицензирания 800-900MHz (действителната честота варира) ISM честотна лента, устройствата, базирани на Z-Wave, са в състояние да постигнат комуникационно разстояние до 40 метра, с допълнителната възможност на съобщенията да Hop up между до 4 възли. Всички тези функции го правят подходящ комуникационен протокол за приложения за домашна автоматизация като управление на осветлението, термостати, контроли за прозорци, брави, отварящи се врати на гаража и много други, като същевременно се избягват проблемните задръствания, свързани с Wi-Fi и Bluetooth поради използването им на 2.4GHz и 5GHz ленти.

Как работи Z-Wave Protocol?

За да разберем работата на протокола Z-Wave, нека анализираме темата в три основни раздела, а именно архитектурата на системата Z-Wave, предаване / приемане на данни и маршрутизиране и свързване към интернет

Архитектура на системата Z-Wave:

Всяка Z-вълнова мрежа се състои от две широки категории устройства;

Контролер / Мастер (и)
Роби

Главният обикновено служи като домакин на мрежата Z-Wave, към която могат да бъдат свързани други устройства (Slaves). Обикновено се предлага с предварително програмиран NetworkID (понякога наричан HomeID), който се присвоява на всеки роб (който не идва с предварително програмиран ID), когато те се добавят към мрежата чрез процес, наречен „включване “. Освен HomeID, за всяко устройство, добавено към мрежата на Z-вълната, обикновено се присвоява идентификатор, наречен NodeID, от контролера. В NodeID е уникален за всяка мрежа (за всеки HomeID), като такава, тя се използва за адрес и най-вече да признае всяко устройство за конкретен мрежа.

Включването е подобно по намерение на начина, по който рутерът присвоява IP адреси на устройства в своята мрежа, докато главните устройства са подобни на рутери / шлюзове / концентратори на устройства, като единствената разлика е мрежовата връзка, която магистрите имат с подчинени в мрежата. За премахване на възли от Z-Wave мрежа се извършва процес, наречен „ Изключване “. По време на изключването Home ID и Node ID се изтриват от устройството. Устройството се връща към фабричното състояние по подразбиране (контролерите имат свой собствен Home ID, а подчинените нямат Home ID).

Споменатите по-горе HomeID и NodeID са двете системи за идентификация, дефинирани от протокола Z-вълна за лесна организация на мрежата Z-вълна.

HomeID е общата идентификация на всички възли, които са част от дадена мрежа на Z-Wave, докато NodeID е адресът на отделни възли в мрежата.

HomeID обикновено са предварително програмирани и уникални и те определят конкретната Z-вълнова мрежа. Те се предлагат с дължина от 32 бита, което означава, че е възможно да се създадат до 4 милиарда (2 ^ 32) различни HomeIDs и различни мрежи с Z-вълни. Node ID, от друга страна, е само байт (8 бита) с дължина, което означава, че можем да имаме до 256 (2 ^ 8) възла в мрежа.

Освен че позволява лесно адресиране на възли, системата за идентификация помага за предотвратяване на смущения в мрежи с Z-вълни, тъй като два възела с различни HomeID не могат да комуникират, дори ако имат един и същ NodeID. Това означава, че бихте могли да разположите две мрежи z-вълна една до друга, без да се получава намесваща харта от мрежа А от Б

Предаване, приемане и маршрутизиране на данни:

В типичните безжични мрежи централният контролер / главен контролер има директна безжична връзка "един към един" към възлите в мрежата. Колкото и полезно да е това споразумение за тези протоколи, то създава ограничение около предаването на данни, така че „Устройство А“ няма да може да взаимодейства с „Устройство Б“, ако има прекъсване на връзката между тях и главния. Това обаче не е така за Z-вълните благодарение на мрежовата си топология на Mesh и способността на Z-вълновите възли да препращат и повтарят съобщения до други възли. Това гарантира, че комуникацията може да бъде осъществена до всеки възел в мрежата, дори когато те не са в директния обхват на контролера. За да разберете по-добре това, помислете за изображението по-долу;

Илюстрацията на мрежата Z-вълна показва, че контролерът може да комуникира директно с устройства 1, 2 и 4, докато Node 6 е извън обхвата на радиото. Въпреки това, поради описаните по-рано функции, Node 2 ще приеме състояние на повторител / препращач и ще разшири обхвата на контролера до Node 6, така че всяко заглавие на съобщение към Node 6 ще бъде предадено през Node 2. Възли като Node 2 в големи мрежи се наричат маршрути и те допринасят за гъвкавостта и стабилността на Z-вълновите мрежи. За да определят кой от съобщенията за маршрути трябва да пътува, за да достигне определен възел, Z-вълновите мрежи използват инструмент, наречен маршрутна таблица.

Всеки възел в Z-вълнова мрежа е в състояние да определи останалите възли (наречени съседи) в зоната си на пряко безжично покритие и по време на включване или по-късно възелът информира контролера за тези съседи. Използвайки списъка със съседи от всеки възел, контролерът създава маршрутна таблица, която се използва за картографиране на маршрути към възли, които са извън прекия безжичен обхват на контролера.

Важно е да се отбележи, че не всички възли могат да бъдат конфигурирани като спедитори. Протоколът Z-вълна позволява само възли, които са включени (без захранване от батерия) да служат като „маршрутизиращи възли“.

Свързване с интернет:

Използвайки неотдавнашния подход “Gateway / Aggregator” от други протоколи, Z-Wave система може да се управлява чрез Интернет, използвайки Z-Wave шлюз или контролер (главно) устройство, служещо едновременно като хъб контролер и портал отвън. Пример за това е шлюзът Delock 78007 Z-Wave®.

Z-Wave Alliance

Докато първите устройства, базирани на Z-вълна, бяха пуснати още през 1999 г., технологията не успя да се хване чак през 2005 г., когато група компании, включително гиганта за домашна автоматизация Leviton, Danfoss и Ingersoll-Rand, приеха Z-Wave и сформираха съюз наречен Z-Wave Alliance.

Алиансът е създаден с цел насърчаване на използването и оперативната съвместимост на технологията Z-Wave и устройствата, базирани на нея. В съответствие с това, алиансът разработва и поддържа стандарта Z-вълна и сертифицира всички устройства, базирани на Z-Wave, за да гарантира, че отговарят на стандарта. Алиансът започна с 5 компании-членки, но сега има над 600 компании, произвеждащи повече от 2600 сертифицирани Z-Wave устройства.

Разлика между Z-Wave и други протоколи

За да разберем защо има смисъл да имаме друг комуникационен протокол като Z-вълна, ще го сравним с някои други комуникационни протоколи, използвани в домашната автоматизация, включително; Bluetooth, WiFi и Zigbee

Z-вълна срещу Bluetooth:

Най-изразеното предимство на Z-Wave пред Bluetooth е Range. Z-вълните имат ефективно по-голяма зона на покритие от Bluetooth. Също така, Bluetooth сигналите са склонни към смущения и прекъсвания, тъй като изпращат и получават информация в обхвата 2,4 GHz, като по този начин се конкурират за честотна лента с устройства, базирани на WiFi, използващи същия честотен обхват.

С Z-вълната, вместо да прави мрежата по-бавна или шумна, всеки ретранслатор на Z-вълна работи заедно, за да направи мрежата по-силна, така че колкото повече устройства имате, толкова по-лесно е да създадете стабилна мрежа, способна да заобикаля препятствия.

Z-вълна срещу WiFi:

Подобно на Bluetooth, базираните на WiFi мрежи също са податливи на смущения, прекъсвания и проблеми, свързани с обхвата и като такива се представят под мрежи, базирани на Z-вълна при тези обстоятелства.

Освен че се конкурират за честотна лента с Bluetooth устройства, WiFi устройствата също се конкурират помежду си и това може да повлияе на силата на сигнала и скоростта на мрежата в домове, където много устройства са базирани на WiFi. Това не е така при Z-вълната, тъй като мрежата процъфтява с добавянето на повече устройства към мрежата.

Устройствата, базирани на WiFi, обаче имат предимство в сравнение със Z-вълните. Те могат да изпращат по-голяма информация като HD видео потоци и други, докато мрежите, базирани на Z-вълна, са в състояние да обработват малки байтове данни като данни от сензори или инструкции за включване / изключване на крушка.

Z-вълна срещу Zigbee:

Zigbee е друга безжична технология и подобно на Z-wave, тя е проектирана с оглед на домашната автоматизация и близките безжични сензорни мрежи. Подобно на Z-вълната, тя се базира на мрежовата топология на Mesh и всяко устройство в мрежата на Zigbee помага за засилване на сигнала. Въпреки това, за разлика от Z-вълната, той работи на честотната лента от 2,4 GHz, което означава, че се конкурира и за честотна лента с WiFi и Bluetooth и може също да е склонен към предизвикателствата за смущения и мрежова скорост, свързани с тях.

Друга разлика, чието значение ще ви оставя да решите, е фактът, че макар Z-Wave да е собствена технология (въпреки че има планове да направи софтуера с отворен код), Zigbee е с отворен код.

Предимства и недостатъци на Z-Wave

Както всички неща, Z-Wave има както предимства, така и недостатъци. Ще ги обсъждаме един след друг.

Плюсове на Z-Wave

Някои от предимствата на Z-вълните включват;

Възможността да поддържа 232 устройства на теория и поне 50 на практика.
Сигналите могат да се движат до 50 фута на закрито, позволявайки препятствия и до 100 фута безпрепятствено. Този обхват се разширява значително на открито. С четирите скока между устройствата, които допълнително подобряват обхвата, покритието няма да е проблем при разтегнатите свързани домове.
Съюзът Z-wave се състои от до 600 производители, произвеждащи над 2600 сертифицирани устройства, за да се осигури съвместимост.
По-малко смущения поради използваната лента ISM.
По-малко мъртви точки в сравнение с други мрежи, благодарение на здравата мрежова топология
Той е достъпен и лесен за използване.

Минуси Z-Wave

За разлика от някои други комуникационни протоколи, Z-Waves е специално проектиран за използване в приложения за автоматизация на дома, като такъв, той е съобразен с нуждите на приложението и носи много малко недостатъци. Въпреки това, работещите ограничения на 50 устройства, а не на условния 232, могат да бъдат предизвикателство в домовете, където трябва да бъдат разположени над 50 устройства.

Също така, неспособността му да поддържа прехвърлянето на големи байтове данни го прави не толкова полезен в приложения като видеонаблюдение, където мегабайтите данни трябва да се прехвърлят между крайните устройства.

Заключение

Z-вълните са за домашна автоматизация това, което LoRa е за по-широкия пейзаж на IoT. Най-голямото предимство, което има пред всички останали протоколи в нишата за автоматизация на дома, е фактът, че е проектиран за тази ниша. Това означава, че обикновено ще се представя по-добре от други протоколи, които са проектирани за по-широко потребление, и ще се представи сравнително добре поне за 80% от приложенията в тази ниша.