Razumevanje z

Ko so se aplikacije, ki temeljijo na brezžičnih senzorskih omrežjih, avtomatizaciji domov in IoT, povečevale, je postajala očitna potreba po alternativnem komunikacijskem protokolu poleg običajnih protokolov Bluetooth, Wi-Fi in GSM. Kot alternativo je bilo razvitih več tehnologij, kot sta Zigbee in Bluetooth Low Energy (BLE), ena izjemna tehnologija, ki je bila razvita posebej za aplikacije za avtomatizacijo doma, pa je bila Z-Wave. V današnjem članku bomo preučili tehnične značilnosti Z-vala, njegove značilnosti, standard in še veliko več.

Kaj je Z-Wave

Z-Wave je brezžični komunikacijski protokol, razvit predvsem za uporabo v aplikacijah za avtomatizacijo doma. Leta 1999 ga je razvil Zensys iz Kopenhagna kot nadgradnjo potrošniškega sistema za nadzor svetlobe, ki so ga ustvarili. Zasnovan je bil za zagotovitev zanesljivega prenosa majhnih podatkovnih paketov z nizko zakasnitvijo z uporabo nizkoenergijskih radijskih valov s hitrostjo prenosa podatkov do 100 kbit / s s prepustnostjo do 40 kbit / s (9,6 kbit / s z uporabo starih čipov). primeren za krmiljenje in uporabo senzorjev.

Na podlagi topologije mrežnega omrežja in delovanja znotraj nelicenciranega frekvenčnega pasu ISM 800-900MHz (dejanska frekvenca se spreminja), lahko naprave, ki temeljijo na Z-Wave, dosežejo komunikacijsko razdaljo do 40 metrov, z dodatno zmožnostjo posnetka sporočil med do 4 vozlišči. Zaradi vseh teh funkcij je primeren komunikacijski protokol za aplikacije avtomatizacije doma, kot so nadzor razsvetljave, termostati, nadzor oken, ključavnice, odpirači garažnih vrat in še veliko več, hkrati pa se izogibajo problematičnim zastojem, povezanim z Wi-Fi in Bluetoothom zaradi njihove uporabe. Pasovi 2,4 GHz in 5 GHz.

Kako deluje protokol Z-Wave?

Da bi razumeli delovanje protokola Z-Wave, analizirajmo temo v treh glavnih odsekih, in sicer Z-Wave sistemska arhitektura, prenos / sprejem podatkov ter usmerjanje in povezovanje z internetom

Z-Wave sistemska arhitektura:

Vsako omrežje z valovi Z vključuje dve široki kategoriji naprav;

Krmilnik / mojster
Sužnji

Poveljnik običajno služi kot gostitelj omrežja Z-Wave, na katerega je mogoče priključiti druge naprave (podrejeni). Ponavadi ima vnaprej programiran NetworkID (včasih imenovan HomeID), ki je dodeljen vsakemu pomožnemu računalniku (ki nima vnaprej programiranega ID-ja), ko so dodani v omrežje s postopkom, imenovanim "vključitev ". Poleg HomeID za vsako napravo, dodano v omrežje Z-valov, krmilnik običajno dodeli ID, imenovan NodeID. NodeID je edinstven v vsakem omrežju (za vsak HomeID), kot taka, se uporablja za naslov in predvsem prepoznati vsako napravo na določeno omrežje.

Vključitev je podobna namenu usmerjevalnika, ki dodeli naslove IP napravam v svojem omrežju, medtem ko so glavni vodili podobni usmerjevalnikom / prehodom / zvezdiščem naprav, edina razlika je v mrežnem odnosu, ki ga imajo poveljniki s podrejenimi v omrežju. Za odstranitev vozlišč iz omrežja Z-Wave se izvede postopek, imenovan " Izključitev ". Med izključitvijo se ID doma in ID vozlišča izbrišeta iz naprave. Naprava se ponastavi na tovarniško privzeto stanje (krmilniki imajo lasten domači ID, pomožni pa domačega ID-ja).

Zgoraj omenjena HomeID in NodeID sta dva identifikacijska sistema, ki ju za enostavno organizacijo omrežja Z-valov definira protokol Z-wave.

HomeID je skupna identifikacija vseh vozlišč, ki so del določenega omrežja Z-Wave, medtem ko je NodeID naslov posameznih vozlišč v omrežju.

Domači identifikatorji so običajno vnaprej programirani in edinstveni ter določajo določeno omrežje z valovi Z Prihajajo v dolžini 32 bitov, kar pomeni, da je mogoče ustvariti do 4 milijarde (2 ^ 32) različnih HomeID-ov in različnih omrežij Z-valov. ID vozlišča pa je dolg le bajt (8 bitov), kar pomeni, da bi lahko imeli v omrežju do 256 (2 ^ 8) vozlišč.

Poleg tega, da omogoča enostavno naslavljanje vozlišč, sistem identifikacije pomaga preprečevati motnje v omrežjih z valovi Z, ker dve vozlišči z različnimi ID-ji HomeID ne moreta komunicirati, tudi če imata isti NodeID. To pomeni, da bi lahko vzporedno postavili dve omrežji z-valovi, ne da bi B. prejel motečo listino iz omrežja A.

Prenos, sprejem in usmerjanje podatkov:

V tipičnih brezžičnih omrežjih ima centralni krmilnik / nadzor neposredna, ena na ena brezžična povezava z vozlišči v omrežju. Kolikor je ta ureditev koristna za te protokole, ustvarja omejitev pri prenosu podatkov, tako da „naprava A“ ne bo mogla komunicirati z „napravo B“, če bo povezava med njima in glavno povezavo prekinjena. Vendar to ne velja za Z-valove zaradi topologije omrežja Mesh in zmožnosti vozlišč Z-valov, da sporočila posredujejo in ponavljajo drugim vozliščem. To zagotavlja, da je mogoče vzpostaviti komunikacijo z vsakim vozliščem v omrežju, tudi če niso v neposrednem dosegu krmilnika. Da bi to bolje razumeli, si oglejte spodnjo sliko;

Ilustracija omrežja Z-valov prikazuje krmilnik, ki lahko neposredno komunicira z napravami 1, 2 in 4, medtem ko je vozlišče 6 zunaj svojega radijskega dosega. Vendar pa bo zaradi funkcij, opisanih prej, vozlišče 2 prevzelo stanje repetitorja / posrednika in razširilo območje krmilnika na vozlišče 6, tako da bo vsako sporočilo, ki je naslovljeno na vozlišče 6, prešlo skozi vozlišče 2. Vozlišča, kot je vozlišče 2 v velikih omrežjih se imenujejo poti in prispevajo k prilagodljivosti in robustnosti omrežij Z-valov. Da bi ugotovili, katera od sporočil poti naj bi potovala do določenega vozlišča, omrežja z valovi Z uporabljajo orodje, imenovano usmerjevalna tabela.

Vsako vozlišče v omrežju z valovi Z lahko določi druga vozlišča (imenovana Sosedje) v svojem neposrednem območju brezžične pokritosti in med vključitvijo ali pozneje vozlišče upravljavca obvesti o teh sosedih. S pomočjo seznama sosedov iz vsakega vozlišča krmilnik ustvari usmerjevalno tabelo, ki se uporablja za preslikavo poti do vozlišč, ki so zunaj neposrednega brezžičnega dosega krmilnika.

Pomembno je omeniti, da vseh vozlišč ni mogoče konfigurirati kot posrednike. Protokol Z-wave omogoča samo vozliščem, ki so priključena (niso na baterije), da služijo kot »usmerjajoča vozlišča«.

Povezava z internetom:

Z uporabo nedavnega pristopa »Gateway / Aggregator«, ki ga uporabljajo drugi protokoli, je mogoče sistem Z-Wave nadzorovati prek interneta z uporabo prehoda Z-Wave ali krmilnika (master), ki je hkrati krmilnik pesta in portal na zunanji strani. Primer tega je Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

Medtem ko so bile prve naprave, ki temeljijo na Z-valih, izdane že leta 1999, se tehnologija ni zares ujela do leta 2005, ko je skupina podjetij, vključno z gigantom za avtomatizacijo domov Leviton, Danfoss in Ingersoll-Rand, sprejela Z-Wave in ustanovila zavezništvo imenovano Z-Wave Alliance.

Zavezništvo je bilo ustanovljeno za spodbujanje uporabe in interoperabilnosti tehnologije Z-Wave in naprav, ki temeljijo na njej. V skladu s tem zavezništvo razvija in vzdržuje standard Z-wave in certificira vse naprave, ki temeljijo na Z-Wave, da zagotovijo njihovo skladnost s standardom. Zavezništvo se je začelo s petimi člani, zdaj pa ima več kot 600 podjetij, ki proizvajajo več kot 2600 certificiranih naprav Z-Wave.

Razlika med Z-Wave in drugimi protokoli

Da bi razumeli, zakaj je smiselno imeti drug komunikacijski protokol, kot je Z-val, ga bomo primerjali z nekaterimi drugimi komunikacijskimi protokoli, ki se uporabljajo pri avtomatizaciji stanovanj, med drugim; Bluetooth, WiFi in Zigbee

Z-val proti Bluetooth:

Najizrazitejša prednost Z-Wave pred Bluetoothom je doseg. Z-valovi imajo dejansko večje območje pokritosti kot Bluetooth. Tudi signali Bluetooth so nagnjeni k motnjam in prekinitvam, ker pošiljajo in prejemajo informacije v pasu 2,4 GHz, s čimer tekmujejo za pasovno širino z napravami na osnovi WiFi, ki uporabljajo isti frekvenčni pas.

Z Z-valom, namesto da bi omrežje postajalo počasnejše ali hrupnejše, vsak repetitor signala Z-vala deluje skupaj, da bi omrežje postalo močnejše, tako da, več naprav kot imate, lažje ustvarite robustno omrežje, ki ga lahko obide ovire.

Z-val proti WiFi:

Tako kot Bluetooth so tudi omrežja, ki temeljijo na WiFi, dovzetna za motnje, prekinitve in težave, povezane z dosegom, in v takih okoliščinah delujejo pod omrežji z valovi Z.

Poleg tega, da tekmujejo za pasovno širino z napravami Bluetooth, tudi naprave WiFi tekmujejo med seboj, kar bi lahko vplivalo na moč signala in hitrost omrežja v domovih, kjer veliko naprav temelji na omrežju WiFi. To ne velja za Z-val, saj omrežje cveti z dodatkom več naprav v omrežje.

Naprave, ki temeljijo na WiFi, pa imajo prednost v primerjavi z Z-valovi. Lahko pošiljajo večje informacije, kot so HD video tokovi in še več, medtem ko omrežja, ki temeljijo na Z-valovih, lahko obdelujejo majhne bajte podatkov, kot so podatki senzorjev ali navodila za vklop / izklop žarnice.

Z-val proti Zigbeeju:

Zigbee je še ena brezžična tehnologija, ki je bila tako kot Z-val zasnovana z domnevno avtomatizacijo in bližnjimi brezžičnimi senzorskimi omrežji. Tako kot Z-val temelji tudi na topologiji omrežja Mesh in vsaka naprava v omrežju Zigbee pomaga krepiti signal. Vendar v nasprotju z Z-valom deluje na frekvenčnem pasu 2,4 GHz, kar pomeni, da tekmuje tudi za pasovno širino z WiFi in Bluetoothom in je lahko nagnjen k motnjam in izzivom hitrosti omrežja, ki so z njimi povezani.

Druga razlika, katere pomen vam bom pustil pri odločitvi, je dejstvo, da je Zigbee, čeprav je lastniška tehnologija (čeprav obstajajo načrti, da bo programska oprema odprtokodna), odprtokoden.

Prednosti in slabosti Z-valov

Kot vse stvari ima tudi Z-Wave prednosti in slabosti. O njih bomo razpravljali drug za drugim.

Prednosti Z-Wave

Nekatere prednosti Z-valov vključujejo;

Sposobnost podpore 232 naprav v teoriji in vsaj 50 v praksi.
Signali lahko potujejo do 50 čevljev v zaprtih prostorih, kar omogoča ovire in do 100 čevljev neovirano. Ta doseg se znatno razširi na prostem. S štirimi skoki med napravami, ki še povečujejo domet, pokritost ne bo problem pri razprtih povezanih domovih.
Zvezo Z-wave sestavlja do 600 proizvajalcev, ki proizvajajo več kot 2600 certificiranih naprav za zagotovitev združljivosti.
Manj motenj zaradi uporabljenega pasu ISM.
Manj mrtvih točk v primerjavi z drugimi omrežji, zahvaljujoč robustni topologiji mrež
Je cenovno ugoden in enostaven za uporabo.

Proti Z-Wave

Za razliko od nekaterih drugih komunikacijskih protokolov je bil Z-Waves posebej zasnovan za uporabo v aplikacijah za avtomatizacijo doma, saj je bil prilagojen potrebam aplikacij in ima zelo malo pomanjkljivosti. Vendar pa so izvedljive omejitve 50 naprav namesto navideznega 232 lahko izziv v domovih, kjer je treba namestiti več kot 50 naprav.

Prav tako njegova nezmožnost vzdrževanja prenosa velikih bajtov podatkov ni tako uporabna v aplikacijah, kot je video nadzor, kjer je treba med končnimi napravami pretakati megabajte podatkov.

Zaključek

Z-valovi so za avtomatizacijo doma tisto, kar je LoRa za širšo pokrajino interneta stvari. Največja prednost, ki jo ima pred vsemi drugimi protokoli v niši Home Automation, je dejstvo, da je bil zasnovan za to nišo. To pomeni, da bo na splošno deloval bolje kot drugi protokoli, ki so bili zasnovani za širšo porabo, in bo deloval razmeroma dobro vsaj za 80% aplikacij v tej niši.