Z megértése

A vezeték nélküli érzékelő hálózatokon, az otthoni automatizáláson és az IoT-on alapuló alkalmazások növekedésével egyre nyilvánvalóbbá vált az alternatív kommunikációs protokoll iránti igény a szokásos Bluetooth, Wi-Fi és GSM protokollok mellett. Számos olyan technológiát fejlesztettek ki, mint a Zigbee és a Bluetooth Low Energy (BLE), de az egyik kiemelkedő technológia, amelyet kifejezetten az otthoni automatizálási alkalmazások kiszolgálására fejlesztettek ki, a Z-Wave volt. A mai cikkünkben megvizsgáljuk a Z-wave technikáit, megkülönböztető jellemzőit, a Standardt és még sok mást.

Mi a Z-Wave

A Z-Wave egy vezeték nélküli kommunikációs protokoll, amelyet elsősorban otthoni automatizálási alkalmazásokban fejlesztettek ki. 1999-ben a koppenhágai székhelyű Zensys fejlesztette az általuk létrehozott fogyasztói fényvezérlő rendszer frissítéseként. Úgy tervezték, hogy biztosítsa a kis adatcsomagok megbízható, alacsony késleltetésű továbbítását alacsony energiájú rádióhullámok felhasználásával akár 100 kbit / s adatsebesség mellett 40 kbit / s (9,6 kbit / s régi chipek használatával) átviteli sebességgel. alkalmas vezérléshez és érzékelő alkalmazásokhoz.

A hálós hálózati topológia alapján és az engedély nélküli 800–900 MHz (a tényleges frekvencia változik) ISM frekvenciasávban működik, a Z-Wave alapú eszközök képesek elérni akár 40 méteres kommunikációs távolságot, az üzenetek további ugrásszerű képességével legfeljebb 4 csomópont között. Mindezek a tulajdonságok megfelelő kommunikációs protokollt tesznek lehetővé az otthoni automatizálási alkalmazásokhoz, például a világítás vezérléséhez, a termosztátokhoz, az ablakok vezérléséhez, a zárakhoz, a garázskapu nyitókhoz és még sok minden máshoz, miközben elkerülik a Wi-Fi-hez és a Bluetooth-hoz kapcsolódó problémás torlódásokat a használatuk miatt. 2,4 GHz és 5 GHz sávok.

Hogyan működik a Z-Wave Protocol?

A Z-Wave protokoll működésének megértése érdekében elemezzük a témát három fő szakaszban, nevezetesen a Z-Wave rendszer felépítésében, az adatátvitelben / -fogadásban, valamint az útválasztásban és az internethez való csatlakozásban.

Z-Wave rendszer architektúra:

Minden Z-hullámú hálózat két széles eszközkategóriából áll;

1. Vezérlő / mester (ek)
2. Rabszolgák

A mester általában a Z-Wave hálózat gazdájaként szolgál, amelyhez más eszközök (rabszolgák) csatlakoztathatók. Általában előre beprogramozott NetworkID-vel (néha HomeID- nek hívják), amelyet minden slave-hez rendelnek (amely nem rendelkezik előre beprogramozott azonosítóval), amikor egy „inklúzió ” nevű folyamat révén hozzáadják őket a hálózathoz. A HomeID mellett minden, a Z-wave hálózatba felvett eszközhöz a vezérlő általában NodeID nevű azonosítót rendel. A NodeID minden hálózaton egyedi (minden HomeID-hez), mint ilyen, egy adott hálózat minden eszközének címzésére és elsődleges felismerésére szolgál.

Az inklúzió szándékában hasonló ahhoz, ahogyan egy útválasztó hozzárendel IP-címeket a hálózatában lévő eszközökhöz, míg a masterek hasonlóak az útválasztókhoz / átjárókhoz / Device hubokhoz, az egyetlen különbség abban áll, hogy a mesterek viszonya a hálózaton lévő rabszolgákhoz. A csomópontok eltávolításához a Z-Wave hálózatból a „ Kizárás ” nevű folyamatot hajtják végre. A kizárás során a Home ID és a Node ID törlődik az eszközről. Az eszköz visszaáll a gyári alapértelmezett állapotra (a vezérlőknek saját otthoni azonosítójuk van, a rabszolgáknak pedig nincs otthoni azonosítójuk).

A fent említett HomeID és NodeID a két azonosító rendszer, amelyeket a Z-wave protokoll határoz meg a Z-wave hálózat egyszerű szervezéséhez.

A HomeID az összes olyan csomópont közös azonosítása, amelyek egy adott Z-Wave hálózat részét képezik, míg a NodeID az egyes csomópontok címe a hálózaton belül.

A HomeID-k általában előre beprogramozottak és egyediek, és meghatározzák az adott Z-hullámú hálózatot. 32 bit hosszúságúak, ami azt jelenti, hogy akár 4 milliárd (2 ^ 32) különböző HomeID azonosító és különböző Z-hullámú hálózatok is létrehozhatók. A Node ID viszont csak bájt (8 bit) hosszúságú, ami azt jelenti, hogy akár 256 (2 ^ 8) csomópont is lehet egy hálózatban.

Amellett, hogy lehetővé teszi a csomópontok egyszerű címzését, az Azonosító rendszer segít megelőzni az interferenciát a Z-hullámú hálózatokban, mivel két különböző HomeID azonosítóval rendelkező csomópont még akkor sem kommunikálhat, ha ugyanaz a NodeID van. Ez azt jelenti, hogy két z-hullámú hálózatot telepíthet egymás mellé anélkül, hogy az A hálózat zavaró chartáját fogadná B.

Adatátvitel, fogadás és útválasztás:

Tipikus vezeték nélküli hálózatokban a központi vezérlőnek / masternek közvetlen, egy az egyben vezeték nélküli kapcsolata van a hálózat csomópontjaival. Bármennyire is hasznos ez a megoldás ezeknek a protokolloknak, korlátozást hoz létre az adatátvitel körül, így az „A eszköz” nem lesz képes kölcsönhatásba lépni a „B eszközzel”, ha bármelyik és a master közötti kapcsolat megszakad. Ez azonban nem áll fenn a Z-hullámok esetében, köszönhetően a Mesh hálózati topológiájának, valamint a Z-hullámú csomópontok azon képességének, hogy továbbítsák és megismételjék az üzeneteket más csomópontok felé. Ez biztosítja, hogy a hálózat minden csomópontjával kommunikálni lehessen, még akkor is, ha azok nincsenek a vezérlő közvetlen tartományában. Ennek jobb megértése érdekében vegye figyelembe az alábbi képet;

A Z-hullámú hálózati ábra azt mutatja, hogy a vezérlő közvetlenül kommunikálhat az 1., 2. és 4. eszközzel, míg a 6. csomópont kívül esik a rádiótartományán. Azonban a korábban leírt jellemzők miatt a 2. csomópont átveszi az átjátszó / továbbító állapotát, és kiterjeszti a vezérlő hatósugarát a 6 csomópontra úgy, hogy a 6. csomópontra kerülő bármely üzenet fejlécét a 2. csomóponton keresztül továbbítsa. útvonalaknak nevezik, és hozzájárulnak a Z-hullámú hálózatok rugalmasságához és robusztusságához. Annak megállapításához, hogy az üzenetek közül melyik útnak kell eljutnia egy adott csomópont eléréséhez, a Z-hullámú hálózatok egy útválasztási táblázatnak nevezett eszközt használnak.

A Z-hullámú hálózat minden csomópontja képes meghatározni a többi csomópontot (az úgynevezett Szomszédokat) közvetlen vezeték nélküli lefedettségi területén, és az Inclusion során vagy később, a csomópont tájékoztatja a vezérlőt ezekről a szomszédokról. Az egyes csomópontok szomszédainak listáját felhasználva a vezérlő létrehoz egy útválasztási táblázatot, amelyet az olyan vezérlő közvetlen vezeték nélküli hatótávolságán kívül eső csomópontok útvonalainak feltérképezésére használnak.

Fontos megjegyezni, hogy nem minden csomópont konfigurálható továbbítóként. A Z-wave protokoll csak a csatlakoztatott (nem akkumulátoros) csomópontok számára engedélyezi a „Routing Node” funkciót.

Csatlakozás az internethez:

A közelmúltbeli „Gateway / Aggregator” megközelítés más protokollokkal történő alkalmazásával a Z-Wave rendszer az interneten keresztül vezérelhető egy Z-Wave gateway vagy Controller (master) eszközzel, amely mind a hub vezérlőjeként, mind a külső portálként működik. Erre példa a Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

Míg az első Z-hullám alapú eszközök már 1999-ben megjelentek, a technológia csak 2005-ben érte el a felzárkózást, amikor egy cégcsoport, köztük a Leviton, a Danfoss és az Ingersoll-Rand otthoni automatizálási óriás, elfogadta a Z-Wave-t és szövetséget kötött. a Z-Wave Alliance nevet viseli.

A Szövetség azért jött létre, hogy elősegítse a Z-Wave technológia és az arra épülő eszközök használatát és átjárhatóságát. Ennek megfelelően a szövetség kidolgozza és fenntartja a Z-hullám szabványt, és minden Z-Wave alapú eszközt tanúsít annak biztosítása érdekében, hogy megfeleljenek a szabványnak. A szövetség 5 tagvállalattal indult, de ma már több mint 600 vállalat gyárt több mint 2600 Z-Wave tanúsítvánnyal rendelkező eszközt.

Különbség a Z-Wave és más protokollok között

Annak megértése érdekében, hogy miért van értelme egy másik kommunikációs protokollnak, például a Z-wave-nek, összehasonlítjuk az otthoni automatizálásban használt néhány más kommunikációs protokollal, beleértve; Bluetooth, WiFi és Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

A Z-Wave legkiemelkedőbb előnye a Bluetooth-tal szemben a Range. A Z-hullámok gyakorlatilag nagyobb lefedettséggel rendelkeznek, mint a Bluetooth. Ezenkívül a Bluetooth-jelek hajlamosak az interferenciára és a megszakításokra, mert információkat küldenek és fogadnak a 2,4 GHz-es sávon, ezzel versengve a sávszélességért az azonos frekvenciasávot használó WiFi-alapú eszközökkel.

A Z-hullám helyett ahelyett, hogy lassabbá vagy zajosabbá tenné a hálózatot, minden Z-hullámú jelismétlő együtt dolgozik a hálózat erősítéséért, így minél több eszközöd van, annál könnyebb létrehozni egy robusztus hálózatot, amely képes megkerülni akadályokat.

Z-wave vs WiFi:

A Bluetooth-hez hasonlóan a WiFi-alapú hálózatok is érzékenyek az interferenciára, a megszakításra és a hatósugarral kapcsolatos problémákra, és ilyen körülmények között a Z-hullámú hálózatok alatt teljesítenek.

Amellett, hogy a sávszélességért versenyeznek a Bluetooth-eszközökkel, a WiFi-eszközök egymással is versenyeznek, és ez befolyásolhatja a jelerősséget és a hálózati sebességet azokban az otthonokban, ahol sok eszköz WiFi-n alapul. A Z-wave esetében ez nem így van, mivel a hálózat több eszköz hozzáadásával virágzik.

A WiFi-alapú eszközöknek azonban van előnyük a Z-hullámokhoz képest. Nagyobb információkat képesek elküldeni, például HD videofolyamokat és még sok mást, míg a Z-hullám alapú hálózatok képesek kezelni az olyan kis bájt adatokat, mint az érzékelők adatai vagy az izzók be- és kikapcsolására vonatkozó utasításokat.

Z-wave vs. Zigbee:

A Zigbee egy másik vezeték nélküli technológia, és a Z-wave-hez hasonlóan a Házautomatizálást és a közeli vezeték nélküli érzékelőhálózatokat is figyelembe véve tervezték. A Z-wave-hez hasonlóan ez is a Mesh hálózati topológián alapul, és a Zigbee hálózat minden egyes eszköze segíti a jel erősítését. A Z-hullámtól eltérően azonban a 2,4 GHz-es frekvenciasávon működik, ami azt jelenti, hogy a sávszélességért is versenyez a WiFi-vel és a Bluetooth-tal, és hajlamos lehet a velük kapcsolatos interferencia- és hálózati sebességi kihívásokra is.

Egy másik különbség, amelynek jelentőségét eldöntöm, az a tény, hogy míg a Z-Wave egy saját technológia (bár tervezik a szoftver nyílt forráskódúvá tételét), a Zigbee nyílt forráskódú.

A Z-Wave előnyei és hátrányai

Mint minden dolognak, a Z-Wave-nek is vannak előnyei és hátrányai. Egymás után fogjuk megvitatni őket.

A Z-Wave előnyei

Néhány előnye Z-hullámok közé tartoznak;

1. Elméletileg 232 eszköz támogatása, a gyakorlatban pedig legalább 50 eszköz támogatása.
2. A jelek akár 50 métert is képesek beltéren haladni, akadályokat engedve, és legfeljebb 100 láb akadálymentesen. Ez az elérhetőség jelentősen megnő a szabadban. Mivel az eszközök közötti négy ugrás tovább növeli a hatótávolságot, a lefedettség nem jelent problémát az összekapcsolt házak terjeszkedésében.
3. A Z-wave szövetséget 600 gyártó alkotja, amelyek több mint 2600 tanúsított eszközt gyártanak a kompatibilitás biztosítása érdekében.
4. Kevesebb interferencia az alkalmazott ISM sáv miatt.
5. Kevesebb holtpont a többi hálózathoz képest, köszönhetően a robusztus háló topológiának
6. Megfizethető és könnyen használható.

Hátrányok Z-Wave

A többi kommunikációs protokolltól eltérően a Z-Waves-t kifejezetten otthoni automatizálási alkalmazásokban tervezték felhasználni, mint olyan, az alkalmazási igényekhez igazítva, és nagyon kevés hátrányt hordoz magában. Ugyanakkor az elméleti 232 helyett 50 eszköz működési határa kihívást jelenthet azokban az otthonokban, ahol több mint 50 eszközt kell telepíteni.

Továbbá, mivel nem képes fenntartani a nagy bájtú adatátvitelt, nem teszi olyan hasznosá olyan alkalmazásokban, mint a videomegfigyelés, ahol megabájt adatot kell továbbítani a végberendezések között.

Következtetés

A Z-hullámok az otthoni automatizálást jelentik, a LoRa pedig a tágabb IoT-tájat. A Home Automation fülke összes többi protokolljával szemben a legnagyobb előnye az a tény, hogy erre a fülkére tervezték. Ez azt jelenti, hogy általában jobban fog teljesíteni, mint más, szélesebb körű felhasználásra tervezett protokollok, és viszonylag jól teljesít az adott résen lévő alkalmazások legalább 80% -ánál.