Inzicht in z

Naarmate toepassingen op basis van draadloze sensornetwerken, domotica en IoT toenamen, werd de behoefte aan een alternatief communicatieprotocol naast de reguliere Bluetooth-, Wi-Fi- en GSM-protocollen duidelijk. Verschillende technologieën zoals Zigbee en Bluetooth Low Energy (BLE) werden ontwikkeld als alternatieven, maar een opvallende technologie, ontwikkeld om specifiek domotica-applicaties te bedienen, was Z-Wave. Voor het artikel van vandaag zullen we de technische aspecten van Z-wave onderzoeken, de onderscheidende functies, de standaard en nog veel meer.

Wat is Z-Wave

Z-Wave is een protocol voor draadloze communicatie dat primair is ontwikkeld voor gebruik in domotica-toepassingen. Het werd in 1999 ontwikkeld door het in Kopenhagen gevestigde Zensys als een upgrade naar een door hen ontworpen lichtregelsysteem voor consumenten. Het is ontworpen om de betrouwbare transmissie met lage latentie te bieden van kleine datapakketten met behulp van energiezuinige radiogolven met datasnelheden tot 100 kbit / s met een doorvoersnelheid tot 40 kbit / s (9,6 kbit / s met oude chips) en zijn geschikt voor regel- en sensortoepassingen.

Op basis van de mesh-netwerktopologie en werkend binnen de niet-gelicentieerde 800-900 MHz (werkelijke frequentie varieert) ISM-frequentieband, kunnen op Z-Wave gebaseerde apparaten een communicatieafstand van maximaal 40 meter bereiken, met de extra mogelijkheid om berichten op te springen tussen maximaal 4 knooppunten. Al deze functies maken het een geschikt communicatieprotocol voor domotica-toepassingen zoals lichtregeling, thermostaten, raambediening, sloten, garagedeuropeners en nog veel meer, terwijl de problematische congesties die gepaard gaan met Wi-Fi en Bluetooth worden vermeden vanwege hun gebruik van de 2,4 GHz- en 5 GHz-banden.

Hoe werkt het Z-Wave-protocol?

Om de werking van het Z-Wave-protocol te begrijpen, laten we het onderwerp in drie hoofdgedeelten analyseren, namelijk de Z-Wave-systeemarchitectuur, gegevensoverdracht / -ontvangst en routering en verbinding met internet.

Z-Wave-systeemarchitectuur:

Elk Z-wave-netwerk bestaat uit twee brede categorieën apparaten;

Controller / Master (s)
Slaven

De master fungeert gewoonlijk als de host van het Z-Wave-netwerk waarop andere apparaten (Slaves) kunnen worden aangesloten. Het wordt meestal geleverd met voorgeprogrammeerde NetworkID (ook wel HomeID genoemd) die aan elke slave wordt toegewezen (die niet met een voorgeprogrammeerde ID wordt geleverd) wanneer ze aan het netwerk worden toegevoegd via een proces dat "inclusion " wordt genoemd. Naast de HomeID wordt voor elk apparaat dat aan het Z-wave-netwerk wordt toegevoegd, gewoonlijk een ID, de NodeID genaamd, toegewezen door de controller. De NodeID is uniek op elk netwerk (voor elke HomeID) en wordt daarom gebruikt om elk apparaat op een bepaald netwerk te adresseren en primair te herkennen.

Inclusie is vergelijkbaar met hoe een router IP-adressen toewijst aan apparaten op zijn netwerk, terwijl de masters vergelijkbaar zijn met routers / gateways / Device Hubs, met als enige verschil de mesh-relatie die de masters hebben met slaves in het netwerk. Om knooppunten uit een Z-Wave-netwerk te verwijderen, wordt een proces met de naam " Uitsluiting " uitgevoerd. Tijdens uitsluiting worden de Home ID en de Node ID van het apparaat verwijderd. Het apparaat wordt gereset naar de fabrieksinstellingen (controllers hebben hun eigen Home ID en slaves hebben geen Home ID).

De hierboven genoemde HomeID en NodeID zijn de twee identificatiesystemen die zijn gedefinieerd door het Z-wave-protocol voor eenvoudige organisatie van het Z-wave-netwerk.

De HomeID is de gemeenschappelijke identificatie van alle knooppunten die deel uitmaken van een bepaald Z-Wave-netwerk, terwijl de NodeID het adres is van individuele knooppunten binnen een netwerk.

De HomeID's zijn meestal voorgeprogrammeerd en uniek, en ze definiëren het specifieke Z-wave-netwerk. Ze hebben een lengte van 32 bits, wat betekent dat het mogelijk is om tot 4 miljard (2 ^ 32) verschillende HomeID's en verschillende Z-wave-netwerken te creëren. De knooppunt-ID daarentegen is slechts een byte (8 bits) lang, wat betekent dat we tot 256 (2 ^ 8) knooppunten in een netwerk kunnen hebben.

Behalve dat het eenvoudig adresseren van knooppunten mogelijk maakt, helpt het identificatiesysteem interferentie in Z-wave-netwerken te voorkomen omdat twee knooppunten met verschillende HomeID's niet kunnen communiceren, zelfs als ze dezelfde NodeID hebben. Dit betekent dat u twee z-wave-netwerken naast elkaar kunt inzetten zonder dat B. een storend charter van netwerk A ontvangt.

Gegevensoverdracht, ontvangst en routering:

In typische draadloze netwerken heeft de centrale controller / master een directe, een-op-een draadloze verbinding met de knooppunten in het netwerk. Hoe nuttig die regeling ook is voor die protocollen, het creëert een beperking rond datatransmissie, zodat "Device A" niet kan communiceren met "Device B" als er een breuk is in de verbinding tussen een van beide en de master. Dit is echter niet het geval voor Z-golven dankzij de Mesh-netwerktopologie en het vermogen van Z-wave-knooppunten om berichten door te sturen en te herhalen naar andere knooppunten. Dit zorgt ervoor dat er met elk knooppunt in een netwerk kan worden gecommuniceerd, zelfs als ze zich niet in het directe bereik van de controller bevinden. Bekijk onderstaande afbeelding om dit beter te begrijpen;

De afbeelding van het Z-wave-netwerk laat zien dat de controller rechtstreeks kan communiceren met de apparaten 1, 2 en 4, terwijl Node 6 buiten het radiobereik is. Vanwege de eerder beschreven functies zal Node 2 echter een repeater / forwarder-status aannemen en het bereik van de controller uitbreiden naar Node 6, zodat elk bericht dat naar Node 6 gaat, via Node 2 wordt doorgegeven. Knooppunten zoals Node 2 in grote netwerken worden routes genoemd en dragen bij aan de flexibiliteit en robuustheid van Z-wave netwerken. Om te bepalen welke van de routes berichten moeten reizen om een bepaald knooppunt te bereiken, gebruiken Z-wave-netwerken een tool die een routeringstabel wordt genoemd.

Elk knooppunt in een Z-wave-netwerk is in staat om de andere knooppunten (genaamd Neighbours) in zijn directe draadloze dekkingsgebied te bepalen en tijdens Inclusion of later informeert het knooppunt de controller over deze buren. Met behulp van de lijst met buren van elk knooppunt maakt de controller een routeringstabel die wordt gebruikt om routes in kaart te brengen naar knooppunten die buiten het directe draadloze bereik van de controller liggen.

Het is belangrijk op te merken dat niet alle Nodes kunnen worden geconfigureerd als doorstuurservers. Het Z-wave-protocol staat alleen Nodes toe die zijn aangesloten (niet op batterijen) om te dienen als "Routing Nodes".

Verbinding maken met internet:

Door gebruik te maken van de recente "Gateway / Aggregator" -benadering van andere protocollen, kan een Z-Wave-systeem via internet worden bestuurd met behulp van een Z-Wave-gateway of Controller (master) -apparaat dat zowel als hubcontroller als portaal naar buiten fungeert. Een voorbeeld hiervan is de Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliantie

Hoewel de eerste op Z-wave gebaseerde apparaten al in 1999 werden uitgebracht, sloeg de technologie pas echt aan in 2005 toen een groep bedrijven, waaronder domotica-gigant Leviton, Danfoss en Ingersoll-Rand, Z-Wave adopteerde en een alliantie vormde. genaamd de Z-Wave Alliance.

De alliantie is opgericht om het gebruik en de interoperabiliteit van Z-Wave-technologie en daarop gebaseerde apparaten te bevorderen. In lijn hiermee ontwikkelt en onderhoudt de alliantie de Z-wave-standaard en certificeert alle op Z-Wave gebaseerde apparaten om ervoor te zorgen dat ze voldoen aan de standaard. De alliantie begon met 5 aangesloten bedrijven, maar heeft nu meer dan 600 bedrijven die meer dan 2600 Z-Wave-gecertificeerde apparaten produceren.

Verschil tussen Z-Wave en andere protocollen

Om te begrijpen waarom het zinvol is om een ander communicatieprotocol zoals Z-wave te hebben, zullen we het vergelijken met enkele andere communicatieprotocollen die in domotica worden gebruikt, waaronder; Bluetooth, wifi en Zigbee

Z-wave versus Bluetooth:

Het meest uitgesproken voordeel van Z-Wave ten opzichte van Bluetooth is bereik. Z-golven hebben een effectief groter dekkingsgebied dan Bluetooth. Bluetooth-signalen zijn ook vatbaar voor interferentie en onderbreking omdat ze informatie verzenden en ontvangen op de 2,4 GHz-band, waardoor ze strijden om bandbreedte met op WiFi gebaseerde apparaten die dezelfde frequentieband gebruiken.

Met Z-wave, in plaats van het netwerk langzamer of luidruchtiger te maken, werkt elke Z-wave-signaalrepeater samen om het netwerk sterker te maken, zodat hoe meer apparaten je hebt, hoe gemakkelijker het is om een robuust netwerk te creëren dat kan omzeilen obstakels.

Z-wave versus wifi:

Net als Bluetooth zijn op wifi gebaseerde netwerken ook vatbaar voor interferentie, onderbreking en problemen met het bereik en presteren als zodanig onder die omstandigheden onder op Z-wave gebaseerde netwerken.

Naast het concurreren om bandbreedte met Bluetooth-apparaten, concurreren wifi-apparaten ook met elkaar en dit kan de signaalsterkte en netwerksnelheid beïnvloeden in huizen waar veel apparaten op wifi zijn gebaseerd. Dit is niet het geval met Z-wave, aangezien het netwerk floreert met de toevoeging van meer apparaten aan het netwerk.

Op WiFi gebaseerde apparaten hebben echter een voordeel in vergelijking met Z-golven. Ze kunnen grotere informatie verzenden, zoals HD-videostreams en meer, terwijl op Z-wave gebaseerde netwerken kleine bytes aan gegevens kunnen verwerken, zoals sensorgegevens of instructies om een gloeilamp in / uit te schakelen.

Z-wave versus Zigbee:

Zigbee is een andere draadloze technologie en is net als Z-wave ontworpen met het oog op domotica en draadloze sensornetwerken in de buurt. Net als Z-wave is het gebaseerd op de Mesh-netwerktopologie en elk apparaat op een Zigbee-netwerk helpt het signaal te versterken. In tegenstelling tot de Z-wave werkt het echter op de 2,4 GHz-frequentieband, wat betekent dat het ook concurreert om bandbreedte met WiFi en Bluetooth en mogelijk ook gevoelig is voor de interferentie en netwerksnelheidsuitdagingen die ermee gepaard gaan.

Een ander verschil waarvan ik de betekenis laat beslissen, is het feit dat, hoewel Z-Wave een gepatenteerde technologie is (hoewel er plannen zijn om de software open source te maken), Zigbee open-source is.

Z-Wave voordelen en nadelen

Zoals alle dingen heeft Z-Wave zowel voor- als nadelen. We zullen ze een voor een bespreken.

Voordelen van Z-Wave

Enkele van de voordelen van Z-golven zijn onder meer;

De mogelijkheid om 232 apparaten in theorie en minstens 50 in de praktijk te ondersteunen.
Signalen kunnen binnenshuis tot 50 voet reizen, waardoor obstructies en tot 30 voet onbelemmerd mogelijk zijn. Dit bereik wordt buitenshuis aanzienlijk vergroot. Met de vier hops tussen apparaten die het bereik verder vergroten, is dekking geen probleem in uitgestrekte verbonden huizen.
De Z-wave-alliantie bestaat uit maximaal 600 fabrikanten die meer dan 2600 gecertificeerde apparaten produceren om compatibiliteit te garanderen.
Minder storing doordat de ISM-band wordt gebruikt.
Minder dode hoeken in vergelijking met andere netwerken dankzij de robuuste mesh-topologie
Het is betaalbaar en gemakkelijk te gebruiken.

Nadelen Z-Wave

In tegenstelling tot sommige van de andere communicatieprotocollen, is Z-Waves specifiek ontworpen voor gebruik in domotica-toepassingen, als zodanig is het afgestemd op de toepassingsbehoeften en heeft het zeer weinig nadelen. De werkbare limieten van 50 apparaten in plaats van de fictieve 232 kunnen echter een uitdaging zijn in huizen waar meer dan 50 apparaten moeten worden ingezet.

Het onvermogen om de overdracht van grote bytes aan gegevens te ondersteunen, maakt het ook niet zo nuttig in toepassingen zoals videobewaking, waar megabytes aan gegevens tussen eindapparaten moeten worden gestreamd.

Conclusie

Z-golven zijn voor domotica wat LoRa is voor het bredere IoT-landschap. Het grootste voordeel dat het heeft ten opzichte van alle andere protocollen in de Home Automation-niche, is het feit dat het voor die niche is ontworpen. Dit betekent dat het over het algemeen beter zal presteren dan andere protocollen die zijn ontworpen voor bredere consumptie, en het zal relatief goed presteren voor ten minste 80% van de applicaties in die niche.