Förståelse för z

När applikationer baserade kring trådlösa sensornätverk, hemautomation och IoT ökade, blev behovet av alternativt kommunikationsprotokoll förutom det vanliga Bluetooth-, Wi-Fi- och GSM-protokollet uppenbart. Flera teknologier som Zigbee och Bluetooth Low Energy (BLE) utvecklades som alternativ men en enastående teknik, utvecklad för att specifikt betjäna hemautomationsapplikationer var Z-Wave. För dagens artikel kommer vi att undersöka tekniska egenskaperna hos Z-wave, det är differentierande funktioner, standarden och mycket mer.

Vad är Z-Wave

Z-Wave är ett trådlöst kommunikationsprotokoll utvecklat främst för användning i hemautomationsapplikationer. Det utvecklades 1999 av Zensys i Köpenhamn som en uppgradering till ett konsumentljusstyrningssystem som de skapade. Den var utformad för att tillhandahålla tillförlitlig överföring med låg latens av små datapaket som använder lågenergi radiovågor med datahastigheter upp till 100 kbit / s med en genomströmning på upp till 40 kbit / s (9,6 kbit / s med gamla marker) och är lämplig för kontroll- och sensorapplikationer.

Baserat på nätverkstopologin och fungerar inom det olicensierade 800-900MHz (faktiska frekvensen varierar) ISM-frekvensband, kan Z-Wave-baserade enheter uppnå ett kommunikationsavstånd på upp till 40 meter, med den extra möjligheten för meddelanden att hoppa upp mellan upp till 4 noder. Alla dessa funktioner gör det till ett lämpligt kommunikationsprotokoll för hemautomationsapplikationer som belysningskontroll, termostater, fönsterkontroller, lås, garageportöppnare och många fler, samtidigt som man undviker problematiska trängseln i samband med Wi-Fi och Bluetooth på grund av deras användning av 2,4 GHz och 5 GHz-band.

Hur fungerar Z-Wave Protocol?

För att förstå hur Z-Wave-protokollet fungerar, låt oss analysera ämnet i tre huvudavsnitt, nämligen Z-Wave-systemarkitekturen, dataöverföring / mottagning och routing och anslutning till internet

Z-Wave-systemarkitektur:

Varje Z-vågenätverk består av två breda kategorier av enheter;

Controller / Master (s)
Slavar

Mastern fungerar vanligtvis som värd för Z-Wave-nätverket som andra enheter (slavar) kan anslutas till. Det kommer vanligtvis med förprogrammerat NetworkID (kallas ibland HomeID) som tilldelas varje slav (som inte kommer med ett förprogrammerat ID) när de läggs till nätverket genom en process som kallas "inkludering ". Förutom HomeID tilldelas vanligtvis ett ID som kallas NodeID för varje enhet som läggs till i Z-wave-nätverket av styrenheten. Den NodeID är unik på varje nätverks (för varje HomeID), som sådan, används den för att adress och främst känna igen varje enhet på ett visst nätverk.

Inkludering liknar avsikten hur en router tilldelar IP-adresser till enheter i sitt nätverk, medan mastern liknar routrar / gateways / Device Hubs, med den enda skillnaden är nätförhållandet masterna har med slavar i nätverket. För att ta bort noder från ett Z-Wave-nätverk utförs en process som kallas " Exclusion ". Under uteslutning tas hem-ID och nod-ID bort från enheten. Enheten återställs till fabriksstandard (kontroller har eget hem-ID och slavar har inget hem-ID).

HomeID och NodeID som nämns ovan är de två identifieringssystem som definieras av Z-wave-protokollet för enkel organisering av Z-wave-nätverket.

HomeID är den vanliga identifieringen av alla noder som ingår i ett visst Z-Wave-nätverk, medan NodeID är adressen till enskilda noder i ett nätverk.

HomeID: erna är vanligtvis förprogrammerade och unika och de definierar det specifika Z-vågenätverket. De finns i en längd på 32 bitar vilket innebär att det är möjligt att skapa upp till 4 miljarder (2 ^ 32) olika HomeID och olika Z-vågnätverk. Nod-ID, å andra sidan, är bara en byte (8 bitar) i längd vilket innebär att vi kan ha upp till 256 (2 ^ 8) noder i ett nätverk.

Förutom att tillåta enkel adressering av noder, hjälper Identification-systemet till att förhindra störningar i Z-vågenätverk eftersom två noder med olika HomeID inte kan kommunicera även om de har samma NodeID. Det betyder att du kan distribuera två z-vågenätverk sida vid sida utan att en störande stadga från nätverk A tas emot av B.

Dataöverföring, mottagning och dirigering:

I typiska trådlösa nätverk har den centrala styrenheten / mastern en direkt, en-till-en-trådlös anslutning till noderna i nätverket. Så användbart som det arrangemanget är för dessa protokoll, skapar det en begränsning kring dataöverföring så att "Enhet A" inte kommer att kunna interagera med "Enhet B" om det finns ett avbrott i länken mellan någon av dem och mastern. Detta är dock inte fallet för Z-vågor tack vare Mesh-nätverkstopologin och förmågan hos Z-vågnoder att vidarebefordra och upprepa meddelanden till andra noder. Detta säkerställer att kommunikation kan göras till varje nod i ett nätverk även när de inte befinner sig i direktkontrollområdet. För att bättre förstå detta, överväg bilden nedan;

Z-vågens nätverksillustration visar att styrenheten kan kommunicera direkt med enheterna 1, 2 och 4, medan nod 6 ligger utanför radioområdet. På grund av de funktioner som beskrivits tidigare kommer dock Node 2 att ta en status för repeater / vidarebefordran och utvidga räckvidden för styrenheten till nod 6 så att alla meddelande rubriker till nod 6 kommer att skickas genom nod 2. Noder som nod 2 i stora nätverk kallas rutter och de bidrar till flexibiliteten och robustheten hos Z-wave-nätverk. För att bestämma vilka av ruttmeddelanden som ska resa för att nå en viss nod använder Z-wave-nätverk ett verktyg som kallas en routingtabell.

Varje nod i ett Z-vågenätverk kan bestämma de andra noderna (kallade grannar) i sitt direkta trådlösa täckningsområde och under inkludering eller senare informerar noden styrenheten om dessa grannar. Med hjälp av listan över grannar från varje nod skapar styrenheten en dirigeringstabell som används för att mappa rutter till noder som ligger utanför styrenhetens direkta trådlösa räckvidd.

Det är viktigt att notera att inte alla noder kan konfigureras som vidarebefordrare. Z-wave-protokollet tillåter endast noder som är inkopplade (inte batteridrivna) att fungera som “Routing Nodes”.

Ansluta till Internet:

Med den senaste "Gateway / Aggregator" -metoden av andra protokoll kan ett Z-Wave-system styras via Internet med en Z-Wave-gateway eller Controller (master) -enhet som fungerar som både navkontrollen och portalen på utsidan. Ett exempel på detta är Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

Medan de första Z-vågbaserade enheterna släpptes redan 1999 tog tekniken inte riktigt fart förrän 2005 när en grupp företag inklusive hemautomationsjätten Leviton, Danfoss och Ingersoll-Rand antog Z-Wave och bildade en allians kallade Z-Wave Alliance.

Alliansen bildades för att främja användning och interoperabilitet av Z-Wave-teknik och enheter baserade på den. I linje med detta utvecklar och underhåller alliansen Z-wave-standarden och certifierar alla Z-Wave-baserade enheter för att säkerställa att de uppfyller standarden. Alliansen startade med fem medlemsföretag men har nu över 600 företag som producerar mer än 2600 Z-Wave-certifierade enheter.

Skillnad mellan Z-Wave och andra protokoll

För att förstå varför det är vettigt att ha ett annat kommunikationsprotokoll som Z-wave, jämför vi det med några andra kommunikationsprotokoll som används i hemautomation inklusive; Bluetooth, WiFi och Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

Den mest uttalade fördelen med Z-Wave jämfört med Bluetooth är Range. Z-vågor har ett effektivt större täckningsområde än Bluetooth. Dessutom är Bluetooth-signaler utsatta för störningar och avbrott eftersom de skickar och tar emot information om 2,4 GHz-bandet och därmed konkurrerar om bandbredd med WiFi-baserade enheter som använder samma frekvensband.

Med Z-wave, snarare än att göra nätverket långsammare eller bullrigt, arbetar varje Z-wave-signalrepeater tillsammans för att göra nätverket starkare, så att ju fler enheter du har, desto lättare är det att skapa ett robust nätverk som kan kringgå hinder.

Z-wave vs WiFi:

Liksom Bluetooth är WiFi-baserade nätverk också mottagliga för störningar, avbrott och intervallrelaterade problem och fungerar som sådana under Z-vågbaserade nätverk under dessa omständigheter.

Bortsett från att konkurrera om bandbredd med Bluetooth-enheter, konkurrerar WiFi-enheter också med varandra och detta kan påverka signalstyrkan och nätverkshastigheten i hem där många enheter är baserade på WiFi. Detta är inte fallet med Z-wave eftersom nätverket blomstrar med tillägget av fler enheter till nätverket.

WiFi-baserade enheter har dock en uppåtriktning jämfört med Z-vågor. De kan skicka större information som HD-videoströmmar och mer, medan Z-vågbaserade nätverk kan hantera små databyte som sensordata eller instruktioner för att sätta på / stänga av en glödlampa.

Z-våg mot Zigbee:

Zigbee är en annan trådlös teknik och som Z-wave designades den med tanke på hemautomation och närliggande trådlösa sensornätverk. Liksom Z-wave är den baserad på Mesh-nätverkstopologin och varje enhet i ett Zigbee-nätverk hjälper till att stärka signalen. Men till skillnad från Z-wave fungerar den på 2,4 GHz-frekvensbandet vilket innebär att den också tävlar om bandbredd med WiFi och Bluetooth och kan också vara benägen för störningar och nätverkshastighetsutmaningar som är associerade med dem.

En annan skillnad vars betydelse jag kommer att låta dig avgöra är det faktum att Z-Wave är en egen teknik (även om det finns planer på att göra programvaran öppen källkod), men Zigbee är öppen källkod.

Z-Wave fördelar och nackdelar

Som alla saker har Z-Wave både fördelar och nackdelar. Vi kommer att diskutera dem efter varandra.

Fördelar med Z-Wave

Några av fördelarna med Z-vågor inkluderar;

Förmågan att stödja 232 enheter i teorin och minst 50 i praktiken.
Signaler kan färdas upp till 50 fot inomhus, vilket möjliggör hinder och upp till 100 fot utan hinder. Denna räckvidd utökas avsevärt utomhus. Med de fyra humlen mellan enheterna som ytterligare förbättrar räckvidden, kommer täckningen inte att vara ett problem i utbredda anslutna hem.
Z-wave-alliansen består av upp till 600 tillverkare som producerar över 2600 certifierade enheter för att säkerställa kompatibilitet.
Mindre störningar på grund av att ISM-bandet används.
Mindre döda fläckar jämfört med andra nätverk tack vare den robusta mesh-topologin
Det är överkomligt och lätt att använda.

Nackdelar Z-Wave

Till skillnad från några av de andra kommunikationsprotokollen var Z-Waves speciellt utformad för användning i hemautomationsapplikationer, som sådan, var den skräddarsydd för applikationsbehoven och har mycket små nackdelar. Dock kan de användbara gränserna för 50 enheter snarare än den teoretiska 232 vara en utmaning i hem där mer än 50 enheter behöver distribueras.

Dess oförmåga att upprätthålla överföringen av stora byte av data gör det inte så användbart i applikationer som videoövervakning, där megabyte data behöver streamas mellan slutenheter.

Slutsats

Z-vågor är för hemautomation vad LoRa är för det bredare IoT-landskapet. Den största fördelen som den har jämfört med alla andra protokoll i Home Automation-nischen är det faktum att den utformades för den nischen. Detta innebär att det i allmänhet kommer att fungera bättre än andra protokoll som är utformade för bredare konsumtion, och att det kommer att fungera relativt bra för åtminstone 80% av applikationerna i den nischen.