การทำความเข้าใจ z

เนื่องจากแอปพลิเคชันที่ใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายระบบอัตโนมัติในบ้านและ IoT เพิ่มขึ้นความต้องการโปรโตคอลการสื่อสารทางเลือกนอกเหนือจากโปรโตคอล Bluetooth, Wi-Fi และ GSM ทั่วไปก็เริ่มชัดเจน เทคโนโลยีหลายประการเช่น Zigbee และบลูทู ธ พลังงานต่ำ (BLE) ได้รับการพัฒนาเป็นทางเลือก แต่เทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยมคนหนึ่งได้รับการพัฒนาโดยเฉพาะบริการการใช้งานอัตโนมัติบ้านเป็นZ-คลื่นสำหรับบทความในวันนี้เราจะตรวจสอบคุณสมบัติทางเทคนิคของ Z-wave คุณสมบัติที่แตกต่างมาตรฐานและอื่น ๆ อีกมากมาย

Z-Wave คืออะไร

Z-Wave เป็นโปรโตคอลการสื่อสารไร้สายที่พัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในแอปพลิเคชันระบบอัตโนมัติภายในบ้านเป็นหลัก ได้รับการพัฒนาในปี 2542 โดย Zensys ในโคเปนเฮเกนเพื่ออัพเกรดเป็นระบบควบคุมแสงสำหรับผู้บริโภคที่พวกเขาสร้างขึ้น ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้การส่งแพ็กเก็ตข้อมูลขนาดเล็กที่เชื่อถือได้และมีความหน่วงต่ำโดยใช้คลื่นวิทยุพลังงานต่ำที่อัตราข้อมูลสูงถึง 100kbit / s โดยมีปริมาณงานสูงถึง 40kbit / s (9.6kbit / s โดยใช้ชิปรุ่นเก่า) และ เหมาะสำหรับการควบคุมและการใช้งานเซ็นเซอร์

จากโครงสร้างเครือข่ายแบบเมชและการทำงานภายในย่านความถี่ ISM ที่ไม่มีใบอนุญาต 800-900MHz (ความถี่จริงแตกต่างกันไป) อุปกรณ์ที่ใช้ Z-Wave สามารถเข้าถึงระยะการสื่อสารได้ถึง 40 เมตรพร้อมความสามารถเพิ่มเติมของข้อความในการกระโดด ระหว่างมากถึง 4 โหนด คุณสมบัติทั้งหมดนี้ทำให้เป็นโปรโตคอลการสื่อสารที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันระบบอัตโนมัติในบ้านเช่นการควบคุมแสงเทอร์โมสตัทตัวควบคุมหน้าต่างล็อคที่เปิดประตูโรงรถและอื่น ๆ อีกมากมายในขณะที่หลีกเลี่ยงปัญหาความแออัดที่เกี่ยวข้องกับ Wi-Fi และบลูทู ธ เนื่องจากการใช้งาน ย่านความถี่ 2.4GHz และ 5GHz

Z-Wave Protocol ทำงานอย่างไร

เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงานของ Z-Wave Protocolเรามาวิเคราะห์เรื่องในสามส่วนหลัก ได้แก่ สถาปัตยกรรมระบบ Z-Wave การส่ง / รับข้อมูลและการกำหนดเส้นทางและการเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต

สถาปัตยกรรมระบบ Z-Wave:

ทุกเครือข่าย Z-wave ประกอบด้วยอุปกรณ์สองประเภทกว้าง ๆ

คอนโทรลเลอร์ / Master (s)
ทาส

โดยทั่วไปต้นแบบจะทำหน้าที่เป็นโฮสต์ของเครือข่าย Z-Waveซึ่งสามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่น ๆ (Slaves) ได้ โดยปกติจะมาพร้อมกับ NetworkID ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้า (บางครั้งเรียกว่าHomeID) ซึ่งกำหนดให้กับทาสแต่ละตัว (ซึ่งไม่ได้มาพร้อมกับ ID ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้า) เมื่อเพิ่มเข้าในเครือข่ายผ่านกระบวนการที่เรียกว่า"การรวม " นอกเหนือจาก HomeID แล้วสำหรับทุกอุปกรณ์ที่เพิ่มในเครือข่าย Z-wave แล้ว ID ที่เรียกว่า NodeID มักจะกำหนดโดยคอนโทรลเลอร์NodeIDเป็นเอกลักษณ์ในทุกเครือข่าย (สำหรับทุก HomeID) เช่นนี้มันจะใช้ในการอยู่และส่วนใหญ่รู้จักอุปกรณ์ในแต่ละเครือข่ายโดยเฉพาะ

การรวมมีจุดประสงค์คล้ายกับวิธีที่เราเตอร์กำหนดที่อยู่ IP ให้กับอุปกรณ์ในเครือข่ายในขณะที่ต้นแบบนั้นคล้ายกับเราเตอร์ / เกตเวย์ / ฮับอุปกรณ์โดยมีข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือความสัมพันธ์แบบตาข่ายที่ผู้เชี่ยวชาญมีกับทาสในเครือข่าย ในการลบโหนดออกจากเครือข่าย Z-Wave จะมีการดำเนินการที่เรียกว่า "การยกเว้น " ในระหว่างการแยก ID บ้านและรหัสโหนดจะถูกลบออกจากอุปกรณ์ อุปกรณ์ถูกรีเซ็ตเป็นสถานะเริ่มต้นจากโรงงาน (คอนโทรลเลอร์มี Home ID ของตัวเองและทาสไม่มี Home ID)

HomeID และ NodeID ที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นระบบการระบุสองระบบที่กำหนดโดยโปรโตคอล Z-wave เพื่อให้จัดระเบียบเครือข่าย Z-wave ได้ง่าย

HomeID คือรหัสประจำตัวของโหนดทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของเครือข่าย Z-Wave เฉพาะในขณะที่ NodeID คือที่อยู่ของแต่ละโหนดภายในเครือข่าย

โดยปกติแล้ว HomeID จะมีการตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าและไม่ซ้ำกันและกำหนดเครือข่าย Z-wave โดยเฉพาะ มีความยาว 32 บิตซึ่งหมายความว่าสามารถสร้าง HomeIDs ที่แตกต่างกันได้ถึง 4 พันล้าน (2 ^ 32) และเครือข่าย Z-wave ที่แตกต่างกัน ในทางกลับกัน Node ID มีความยาวเพียงไบต์ (8 บิต) ซึ่งหมายความว่าเราสามารถมีโหนดได้มากถึง 256 (2 ^ 8) ในเครือข่าย

นอกเหนือจากการอนุญาตให้กำหนดแอดเดรสของโหนดได้ง่ายแล้วระบบ Identification ยังช่วยป้องกันการรบกวนในเครือข่าย Z-wave เนื่องจากโหนดสองโหนดที่มี HomeID ต่างกันไม่สามารถสื่อสารได้แม้ว่าจะมี NodeID เดียวกันก็ตาม ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถปรับใช้เครือข่าย z-wave สองเครือข่ายเคียงข้างกันได้โดยไม่ต้องมีกฎบัตรรบกวนจากเครือข่าย A ที่ B ได้รับ

การส่งข้อมูลการรับและการกำหนดเส้นทาง:

ในเครือข่ายไร้สายทั่วไปคอนโทรลเลอร์ / มาสเตอร์ส่วนกลางจะมีการเชื่อมต่อไร้สายแบบหนึ่งต่อหนึ่งโดยตรงกับโหนดในเครือข่าย เนื่องจากการจัดเรียงดังกล่าวมีประโยชน์สำหรับโปรโตคอลเหล่านั้นจึงสร้างข้อ จำกัด เกี่ยวกับการรับส่งข้อมูลซึ่งทำให้“ อุปกรณ์ A” ไม่สามารถโต้ตอบกับ“ อุปกรณ์ B” ได้หากมีการขาดในการเชื่อมโยงระหว่างทั้งสองอย่างกับต้นแบบ อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณีของคลื่น Z เนื่องจากโครงสร้างเครือข่ายแบบตาข่ายและความสามารถของโหนด Z-wave ในการส่งต่อและทำซ้ำข้อความไปยังโหนดอื่น ๆ สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าสามารถสื่อสารกับทุกโหนดในเครือข่ายได้แม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในช่วงโดยตรงของคอนโทรลเลอร์ก็ตาม เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ได้ดีขึ้นให้พิจารณาภาพด้านล่าง

ภาพประกอบเครือข่าย Z-wave แสดงให้เห็นว่าคอนโทรลเลอร์สามารถสื่อสารโดยตรงกับอุปกรณ์ 1, 2 และ 4 ในขณะที่โหนด 6 อยู่นอกช่วงสัญญาณวิทยุ อย่างไรก็ตามเนื่องจากคุณสมบัติที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้โหนด 2 จะถือว่าสถานะทวน / ตัวส่งต่อและขยายช่วงของคอนโทรลเลอร์ไปยังโหนด 6 เพื่อให้ข้อความใด ๆ ที่มุ่งหน้าไปยังโหนด 6 จะถูกส่งผ่านโหนด 2 โหนดเช่นโหนด 2 ในเครือข่ายขนาดใหญ่ เรียกว่าเส้นทางและมีส่วนช่วยให้ Z-wave Networks มีความยืดหยุ่นและแข็งแกร่ง ในการพิจารณาว่าข้อความเส้นทางใดที่ควรเดินทางไปยังโหนดใดโหนดหนึ่งเครือข่าย Z-wave ใช้เครื่องมือที่เรียกว่าตารางเส้นทาง

ทุกโหนดในเครือข่าย Z-wave สามารถกำหนดโหนดอื่น ๆ ได้ (เรียกว่า Neighbours) ในพื้นที่ครอบคลุมสัญญาณไร้สายโดยตรงและในระหว่างการรวมหรือในภายหลังโหนดจะแจ้งคอนโทรลเลอร์เกี่ยวกับเพื่อนบ้านเหล่านี้ การใช้รายชื่อเพื่อนบ้านจากแต่ละโหนดคอนโทรลเลอร์จะสร้างตารางเส้นทางที่ใช้ในการแมปเส้นทางไปยังโหนดที่อยู่นอกช่วงไร้สายโดยตรงของคอนโทรลเลอร์

สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าไม่ใช่ทุกโหนดที่สามารถกำหนดค่าเป็นตัวส่งต่อได้ โปรโตคอล Z-wave อนุญาตให้เฉพาะโหนดที่เสียบปลั๊ก (ไม่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่) เพื่อทำหน้าที่เป็น“ โหนดเส้นทาง”

การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต:

ด้วยการใช้แนวทาง“ Gateway / Aggregator” ล่าสุดโดยโปรโตคอลอื่น ๆ ระบบ Z-Wave สามารถควบคุมผ่านอินเทอร์เน็ตได้โดยใช้เกตเวย์ Z-Wave หรืออุปกรณ์ Controller (หลัก) ที่ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวควบคุมฮับและพอร์ทัลไปยังภายนอก ตัวอย่างเช่น Delock 78007 Z- Wave® Gateway

Z-Wave Alliance

ในขณะที่อุปกรณ์ที่ใช้ Z-wave รุ่นแรกได้รับการปล่อยตัวในช่วงต้นปี 2542 แต่เทคโนโลยีดังกล่าวยังไม่เป็นที่ยอมรับจนกระทั่งปี 2548 เมื่อกลุ่ม บริษัท รวมถึง Leviton, Danfoss และ Ingersoll-Rand ซึ่งเป็น บริษัท ยักษ์ใหญ่ในบ้าน เรียกว่า Z-Wave Alliance

Alliance ก่อตั้งขึ้นเพื่อส่งเสริมการใช้และความสามารถในการทำงานร่วมกันของเทคโนโลยี Z-Wave และอุปกรณ์ต่างๆ ด้วยเหตุนี้พันธมิตรจึงพัฒนาและรักษามาตรฐาน Z-wave และรับรองอุปกรณ์ที่ใช้ Z-Wave ทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามมาตรฐาน พันธมิตรเริ่มต้นด้วย บริษัท สมาชิก 5 แห่ง แต่ปัจจุบันมี บริษัท มากกว่า 600 แห่งที่ผลิตอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรอง Z-Wave มากกว่า 2600 ชิ้น

ความแตกต่างระหว่าง Z-Wave และโปรโตคอลอื่น ๆ

เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดจึงเหมาะสมที่จะมีโปรโตคอลการสื่อสารอื่นเช่น Z-wave เราจะเปรียบเทียบกับโปรโตคอลการสื่อสารอื่น ๆ ที่ใช้ในระบบอัตโนมัติภายในบ้าน ได้แก่ Bluetooth, WiFi และ Zigbee

Z-wave กับ Bluetooth:

ข้อได้เปรียบที่เด่นชัดที่สุดของ Z-Wave บน Bluetooth คือ Range คลื่น Z มีพื้นที่ครอบคลุมที่ใหญ่กว่าบลูทู ธอย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้สัญญาณบลูทู ธ ยังมีแนวโน้มที่จะรบกวนและหยุดชะงักเนื่องจากส่งและรับข้อมูลในย่านความถี่ 2.4GHz ดังนั้นจึงต้องแข่งขันกันเพื่อแย่งชิงแบนด์วิดท์กับอุปกรณ์ที่ใช้ WiFi โดยใช้ย่านความถี่เดียวกัน

ด้วย Z-wave แทนที่จะทำให้เครือข่ายช้าลงหรือมีเสียงดังตัวรับสัญญาณ Z-wave ทุกตัวจะทำงานร่วมกันเพื่อทำให้เครือข่ายแข็งแกร่งขึ้นดังนั้นยิ่งคุณมีอุปกรณ์มากเท่าไหร่ก็ยิ่งสร้างเครือข่ายที่แข็งแกร่งได้ง่ายขึ้นเท่านั้น อุปสรรค.

Z-wave กับ WiFi:

เช่นเดียวกับบลูทู ธ เครือข่ายที่ใช้ WiFi ยังเสี่ยงต่อการรบกวนการหยุดชะงักและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับช่วงและด้วยเหตุนี้เครือข่ายที่ใช้ Z-wave จะดำเนินการภายใต้สถานการณ์เหล่านั้น

นอกเหนือจากการแข่งขันเรื่องแบนด์วิดท์กับอุปกรณ์บลูทู ธ แล้วอุปกรณ์ WiFi ยังแข่งขันกันเองซึ่งอาจส่งผลต่อความแรงของสัญญาณและความเร็วเครือข่ายในบ้านที่มีอุปกรณ์จำนวนมากที่ใช้ WiFi นี่ไม่ใช่กรณีของ Z-wave เนื่องจากเครือข่ายเติบโตขึ้นพร้อมกับการเพิ่มอุปกรณ์เพิ่มเติมในเครือข่าย

อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ที่ใช้ WiFi มีข้อดีเมื่อเทียบกับ Z-wave พวกเขาสามารถส่งข้อมูลขนาดใหญ่เช่นสตรีมวิดีโอ HD และอื่น ๆ ในขณะที่เครือข่ายที่ใช้คลื่น Z สามารถจัดการข้อมูลขนาดเล็กเช่นข้อมูลเซ็นเซอร์หรือคำแนะนำในการเปิด / ปิดหลอดไฟ

Z-wave กับ Zigbee:

Zigbee เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีไร้สายและเช่นเดียวกับ Z-wave ซึ่งได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึง Home Automation และเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายในบริเวณใกล้เคียง เช่นเดียวกับ Z-wave มันขึ้นอยู่กับโทโพโลยีเครือข่ายตาข่ายและอุปกรณ์แต่ละชิ้นบนเครือข่าย Zigbee ช่วยเสริมสร้างสัญญาณ อย่างไรก็ตามแตกต่างจาก Z-wave ตรงที่ทำงานบนย่านความถี่ 2.4GHz ซึ่งหมายความว่ามันยังแข่งขันกับแบนด์วิดท์กับ WiFi และ Bluetooth และอาจมีแนวโน้มที่จะถูกรบกวนและความท้าทายด้านความเร็วเครือข่ายที่เกี่ยวข้อง

ความแตกต่างอีกประการหนึ่งที่มีความสำคัญที่ฉันจะปล่อยให้คุณตัดสินใจคือความจริงที่ว่าในขณะที่ Z-Wave เป็นเทคโนโลยีที่เป็นกรรมสิทธิ์ (แม้ว่าจะมีแผนจะสร้างซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สก็ตาม) Zigbee เป็นโอเพ่นซอร์ส

ข้อดีและข้อเสียของ Z-Wave

เช่นเดียวกับทุกสิ่ง Z-Wave มีทั้งข้อดีและข้อเสีย เราจะพูดถึงพวกเขาทีละคน

ข้อดีของ Z-Wave

ข้อดีบางประการของคลื่น Zได้แก่

ความสามารถในการรองรับอุปกรณ์ 232 ชิ้นในทางทฤษฎีและอย่างน้อย 50 ในทางปฏิบัติ
สัญญาณสามารถเดินทางในอาคารได้ถึง 50 ฟุตเพื่อให้มีสิ่งกีดขวางและสูงถึง 100 ฟุตโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง การเข้าถึงนี้จะขยายออกไปกลางแจ้งมาก ด้วยการกระโดดทั้งสี่ระหว่างอุปกรณ์ที่ช่วยเพิ่มระยะการครอบคลุมจะไม่มีปัญหาในบ้านที่เชื่อมต่อกันอย่างกว้างขวาง
พันธมิตร Z-wave ประกอบด้วยผู้ผลิตมากถึง 600 รายที่ผลิตอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองมากกว่า 2600 เครื่องเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถใช้งานร่วมกันได้
สัญญาณรบกวนน้อยลงเนื่องจากใช้แถบ ISM
จุดตายน้อยกว่าเมื่อเทียบกับเครือข่ายอื่น ๆ ด้วยโทโพโลยีแบบเมชที่แข็งแกร่ง
ราคาไม่แพงและใช้งานง่าย

จุดด้อย Z-Wave

ซึ่งแตกต่างจากโปรโตคอลการสื่อสารอื่น ๆ Z-Waves ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อใช้ในแอปพลิเคชัน Home Automation ดังนั้นจึงเหมาะกับความต้องการของแอปพลิเคชันและมีข้อเสียน้อยมาก อย่างไรก็ตามขีด จำกัด ที่สามารถใช้งานได้ของอุปกรณ์ 50 เครื่องแทนที่จะเป็น 232 ตามสัญญาอาจเป็นความท้าทายในบ้านที่ต้องใช้อุปกรณ์มากกว่า 50 เครื่อง

นอกจากนี้การไม่สามารถรักษาการถ่ายโอนข้อมูลขนาดใหญ่ได้อย่างต่อเนื่องทำให้ไม่มีประโยชน์ในแอปพลิเคชันเช่นการเฝ้าระวังวิดีโอซึ่งต้องมีการสตรีมข้อมูลเป็นเมกะไบต์ระหว่างอุปกรณ์ปลายทาง

สรุป

Z-wave คือระบบอัตโนมัติภายในบ้านซึ่ง LoRa คืออะไรสำหรับภูมิทัศน์ IoT ที่กว้างขึ้น ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดที่มีเหนือโปรโตคอลอื่น ๆ ในช่อง Home Automation คือความจริงที่ว่ามันได้รับการออกแบบมาสำหรับเฉพาะกลุ่มนั้น ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปจะทำงานได้ดีกว่าโปรโตคอลอื่น ๆ ที่ออกแบบมาเพื่อการบริโภคที่กว้างขึ้นและจะทำงานได้ค่อนข้างดีสำหรับแอปพลิเคชันในช่องนั้น ๆ อย่างน้อย 80%