Comprensió de z

A mesura que augmentaven les aplicacions basades en xarxes de sensors sense fils, domòtica i IoT, es feia evident la necessitat d’un protocol de comunicació alternatiu a banda dels protocols normals Bluetooth, Wi-Fi i GSM. Diverses tecnologies com Zigbee i Bluetooth Low Energy (BLE) es van desenvolupar com a alternatives, però una tecnologia destacada, desenvolupada per servir específicament a aplicacions domòtiques va ser Z-Wave. Per a l’article d’avui examinarem els aspectes tècnics de l’ona Z, les seves característiques diferenciadores, l’estàndard i molt més.

Què és Z-Wave

Z-Wave és un protocol de comunicacions sense fils desenvolupat principalment per al seu ús en aplicacions domòtiques. Va ser desenvolupat el 1999 per Zensys, amb seu a Copenhaguen, com a actualització a un sistema de control de llum del consumidor que van crear. Va ser dissenyat per proporcionar una transmissió fiable i de baixa latència de paquets de dades petits mitjançant ones de ràdio de baixa energia a velocitats de dades de fins a 100 kbits / s amb un rendiment de fins a 40 kbits / s (9,6 kbits / s utilitzant xips antics) i són apte per a aplicacions de control i sensor.

Basat en la topologia de xarxa de malla i que funciona dins de la banda de freqüència ISM sense llicència de 800-900 MHz (la freqüència real varia), els dispositius basats en Z-Wave poden assolir una distància de comunicació de fins a 40 metres, amb la capacitat addicional dels missatges de saltar entre fins a 4 nodes. Totes aquestes funcions el converteixen en un protocol de comunicació adequat per a aplicacions domòtiques com ara control d’il·luminació, termòstats, controls de finestres, panys, obridors de portes de garatge i molts més, evitant les problemàtiques congestions associades a Wi-Fi i Bluetooth a causa del seu ús del Bandes de 2,4 GHz i 5 GHz.

Com funciona el protocol Z-Wave?

Per entendre el funcionament del protocol Z-Wave analitzem el tema en tres seccions principals: l'arquitectura del sistema Z-Wave, transmissió / recepció de dades i encaminament i connexió a Internet.

Arquitectura del sistema Z-Wave:

Totes les xarxes d'ona Z es compon de dues grans categories de dispositius;

1. Controlador / Mestre (s)
2. Esclaus

Normalment, el mestre serveix com a amfitrió de la xarxa Z-Wave a la qual es poden connectar altres dispositius (esclaus). Normalment ve amb NetworkID preprogramat (de vegades anomenat HomeID) que s’assigna a cada esclau (que no inclou un ID preprogramat) quan s’afegeixen a la xarxa mitjançant un procés anomenat “inclusió ”. A part del HomeID, per a cada dispositiu afegit a la xarxa d'ona Z, el controlador assigna normalment una identificació anomenada NodeID. El NodeID és únic a totes les xarxes (per a cada HomeID), com a tal, s’utilitza per adreçar i reconèixer principalment cada dispositiu d’una xarxa concreta.

La inclusió és similar per intenció a com un encaminador assigna adreces IP als dispositius de la seva xarxa, mentre que els masters són similars als encaminadors / passarel·les / Hubs de dispositius, amb l’única diferència en la relació de malla que tenen els masters amb els esclaus de la xarxa. Per eliminar nodes d'una xarxa Z-Wave, es realitza un procés anomenat " Exclusió ". Durant l'exclusió, l'identificador de casa i l'identificador de node se suprimeixen del dispositiu. El dispositiu es restableix a l'estat predeterminat de fàbrica (els controladors tenen el seu propi ID de casa i els esclaus no tenen ID de casa).

L’HomeID i el NodeID esmentats anteriorment són els dos sistemes d’identificació definits pel protocol d’ona Z per facilitar l’organització de la xarxa d’ona Z.

El HomeID és la identificació comuna de tots els nodes que formen part d’una xarxa Z-Wave concreta, mentre que el NodeID és l’adreça de nodes individuals d’una xarxa.

Els HomeID solen ser preprogramats i únics i defineixen la xarxa d'ona Z particular. Tenen una longitud de 32 bits, cosa que significa que és possible crear fins a 4.000 milions (2 ^ 32) de HomeID diferents i xarxes d'ones Z diferents. L'identificador de node, d'altra banda, té només un byte (8 bits) de longitud, cosa que significa que podríem tenir fins a 256 (2 ^ 8) nodes en una xarxa.

A part de permetre una fàcil adreçament dels nodes, el sistema d'identificació ajuda a prevenir interferències a les xarxes d'ona Z perquè dos nodes amb HomeID diferents no es poden comunicar encara que tinguin el mateix NodeID. Això significa que podeu desplegar dues xarxes d'ona z una al costat de l'altra sense que B. rebi una carta interferent de la xarxa A

Transmissió, recepció i encaminament de dades:

A les xarxes sense fils típiques, el controlador / mestre central té una connexió sense fils directa, un a un, als nodes de la xarxa. Tan útil com sigui aquest arranjament per a aquests protocols, crea una limitació al voltant de la transmissió de dades de manera que el "Dispositiu A" no podrà interactuar amb el "Dispositiu B" si es produeix un trencament del vincle entre qualsevol d'ells i el mestre. No obstant això, aquest no és el cas de les ones Z gràcies a la seva topologia de xarxa Mesh i a la capacitat dels nodes d'ones Z per reenviar i repetir missatges a altres nodes. Això garanteix que es pugui fer comunicació a tots els nodes d’una xarxa, fins i tot quan no es trobin al rang directe del controlador. Per entendre-ho millor, tingueu en compte la imatge següent;

La il·lustració de la xarxa d'ona Z mostra que el controlador pot comunicar-se directament amb els dispositius 1, 2 i 4, mentre que el node 6 està fora del radi d'abast. No obstant això, a causa de les funcions descrites anteriorment, el node 2 assumirà un estat de repetidor / reenviador i ampliarà l'abast del controlador fins al node 6 de manera que qualsevol encapçalament de missatge cap al node 6 passarà pel node 2. Nodes com el node 2 a les xarxes grans s’anomenen rutes i contribueixen a la flexibilitat i robustesa de les xarxes d’ona Z. Per determinar quina de les rutes haurien de viatjar els missatges per arribar a un node concret, les xarxes d'ona Z utilitzen una eina anomenada taula d'encaminament.

Tots els nodes d'una xarxa d'ona Z poden determinar els altres nodes (anomenats veïns) a la seva àrea de cobertura sense fils directa i durant la inclusió o posteriorment, el node informa el controlador sobre aquests veïns. Utilitzant la llista de veïns de cada node, el controlador crea una taula d’encaminament que s’utilitza per assignar rutes a nodes que es troben fora del rang sense fils directe del controlador.

És important tenir en compte que no tots els nodes es poden configurar com a reenviadors. El protocol d'ona Z només permet que els nodes connectats (que no funcionin amb bateria) serveixin com a "nodes d'encaminament".

Connexió a Internet:

Utilitzant l’enfocament recent “Gateway / Aggregator” d’altres protocols, es pot controlar un sistema Z-Wave a través d’Internet mitjançant una passarel·la Z-Wave o un dispositiu de controlador (mestre) que serveix com a controlador de concentrador i portal a l’exterior. Un exemple d'això és la passarel·la Z-Wave® de Delock 78007.

Aliança Z-Wave

Tot i que els primers dispositius basats en l’ona Z es van llançar ja el 1999, la tecnologia no es va posar en pràctica fins al 2005, quan un grup d’empreses com el gegant domòtic Leviton, Danfoss i Ingersoll-Rand van adoptar Z-Wave i van formar una aliança anomenada Aliança Z-Wave.

L'Aliança es va formar per promoure l'ús i la interoperabilitat de la tecnologia Z-Wave i els dispositius basats en ella. En línia amb això, l’aliança desenvolupa i manté l’estàndard d’ona Z i certifica tots els dispositius basats en Z-Wave per garantir que compleixen l’estàndard. L’aliança va començar amb cinc empreses membres, però ara compta amb més de 600 empreses que produeixen més de 2600 dispositius certificats Z-Wave.

Diferència entre Z-Wave i altres protocols

Per entendre per què té sentit tenir un altre protocol de comunicació com l’ona Z, el compararem amb alguns altres protocols de comunicacions utilitzats en la domòtica, inclosos; Bluetooth, WiFi i Zigbee

Onda Z vs Bluetooth:

L’avantatge més acusat de Z-Wave respecte al Bluetooth és Range. Les ones Z tenen una àrea de cobertura efectivament més gran que el Bluetooth. A més, els senyals Bluetooth són propensos a interferències i interrupcions, ja que envien i reben informació sobre la banda de 2,4 GHz, competint per l’amplada de banda amb dispositius basats en WiFi que utilitzen la mateixa banda de freqüència.

Amb l’ona Z, en lloc de fer que la xarxa sigui més lenta o sorollosa, cada repetidor de senyal d’ona Z funciona conjuntament per fer la xarxa més forta, de manera que, com més dispositius tingueu, més fàcil serà crear una xarxa robusta, capaç d’evitar obstacles.

Onda Z vs WiFi:

Igual que el Bluetooth, les xarxes basades en WiFi també són susceptibles a problemes relacionats amb la interferència, la interrupció i l'abast i, per tant, funcionen per sota de les xarxes basades en ona Z en aquestes circumstàncies.

A part de competir per l’amplada de banda amb dispositius Bluetooth, els dispositius WiFi també competeixen entre ells i això pot afectar la intensitat del senyal i la velocitat de la xarxa a les llars on molts dispositius es basen en WiFi. Aquest no és el cas de l’ona Z, ja que la xarxa floreix amb l’addició de més dispositius a la xarxa.

Els dispositius basats en WiFi, però, tenen un avantatge en comparació amb les ones Z. Poden enviar informació més gran, com ara corrents de vídeo HD i molt més, mentre que les xarxes basades en ones Z poden gestionar petits bytes de dades, com ara dades del sensor o instruccions per encendre / apagar una bombeta.

Onada Z vs. Zigbee:

Zigbee és una altra tecnologia sense fils i, com l’ona Z, es va dissenyar tenint en compte la domòtica i les xarxes de sensors sense fils properes. Igual que l’ona Z, es basa en la topologia de la xarxa Mesh i cada dispositiu d’una xarxa Zigbee ajuda a enfortir el senyal. Tanmateix, a diferència de l’ona Z, funciona a la banda de freqüència de 2,4 GHz, cosa que significa que també competeix per l’amplada de banda amb WiFi i Bluetooth i també pot ser propens als problemes d’interferència i velocitat de xarxa associats.

Una altra diferència la significació de la qual us deixaré a decidir és que, si bé Z-Wave és una tecnologia propietària (tot i que hi ha plans per fer que el programari sigui de codi obert), Zigbee és de codi obert.

Avantatges i desavantatges de Z-Wave

Com totes les coses, Z-Wave té avantatges i desavantatges. En parlarem un darrere l’altre.

Avantatges de Z-Wave

Alguns dels avantatges de les ones Z inclouen;

1. La capacitat de suportar 232 dispositius en teoria i almenys 50 en la pràctica.
2. Els senyals poden viatjar fins a 50 peus a l'interior, permetent obstruccions i fins a 100 peus sense obstacles. Aquest abast s’estén considerablement a l’exterior. Amb els quatre llúpols entre dispositius que milloren encara més l’abast, la cobertura no serà un problema en les cases connectades.
3. L’aliança de l’ona Z està formada per fins a 600 fabricants que produeixen més de 2600 dispositius certificats per garantir la compatibilitat.
4. Menys interferències a causa de la utilització de la banda ISM.
5. Menys punts morts en comparació amb altres xarxes, gràcies a la robusta topologia de malla
6. És assequible i fàcil d’utilitzar.

Contres Z-Wave

A diferència d’alguns dels altres protocols de comunicació, Z-Waves va ser dissenyat específicament per al seu ús en aplicacions d’automatització domèstica, com a tal, es va adaptar a les necessitats de l’aplicació i presentava molt pocs desavantatges. Tot i això, els límits viables de 50 dispositius en lloc del 232 nocional poden ser un repte a les llars on cal desplegar més de 50 dispositius.

A més, la seva incapacitat per mantenir la transferència de grans bytes de dades fa que no sigui tan útil en aplicacions com la videovigilància, on cal transmetre megabytes de dades entre dispositius finals.

Conclusió

Les ones Z són per a la domòtica el que LoRa és per al panorama IoT més ampli. L’avantatge més gran que té sobre la resta de protocols del nínxol d’automatització domèstica és el fet que va ser dissenyat per a aquest nínxol. Això vol dir que en general tindrà un rendiment millor que altres protocols dissenyats per a un consum més ampli i tindrà un rendiment relativament bo, com a mínim, del 80% de les aplicacions d’aquest nínxol.