Hiểu z

Khi các ứng dụng dựa trên Mạng cảm biến không dây, Tự động hóa gia đình và IoT tăng lên, nhu cầu về giao thức truyền thông thay thế bên cạnh các giao thức Bluetooth, Wi-Fi và GSM thông thường đang trở nên rõ ràng. Một số công nghệ như Zigbee và Bluetooth Low Energy (BLE) đã được phát triển để thay thế nhưng một công nghệ nổi bật, được phát triển để phục vụ cụ thể các ứng dụng tự động hóa gia đình là Z-Wave. Đối với bài viết hôm nay, chúng ta sẽ xem xét các tính năng kỹ thuật của Z-wave, các tính năng khác biệt của nó, Tiêu chuẩn và nhiều hơn nữa.

Z-Wave là gì

Z-Wave là một giao thức truyền thông không dây được phát triển chủ yếu để sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa gia đình. Nó được phát triển vào năm 1999 bởi Zensys có trụ sở tại Copenhagen như một bản nâng cấp cho hệ thống điều khiển ánh sáng tiêu dùng mà họ đã tạo ra. Nó được thiết kế để cung cấp khả năng truyền tải các gói dữ liệu nhỏ với độ trễ thấp, đáng tin cậy bằng cách sử dụng sóng vô tuyến năng lượng thấp với tốc độ dữ liệu lên đến 100kbit / s với thông lượng lên đến 40kbit / s (9.6kbit / s sử dụng chip cũ) và được thích hợp cho các ứng dụng điều khiển và cảm biến.

Dựa trên cấu trúc liên kết mạng lưới và hoạt động trong dải tần số ISM 800-900MHz không được cấp phép (tần số thực tế thay đổi), các thiết bị dựa trên Z-Wave có thể đạt được khoảng cách liên lạc lên đến 40 mét, với khả năng bổ sung thông báo để nhảy lên giữa tối đa 4 nút. Tất cả các tính năng này làm cho nó trở thành một giao thức giao tiếp phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa gia đình như điều khiển ánh sáng, bộ điều nhiệt, điều khiển cửa sổ, khóa, mở cửa nhà để xe, v.v. đồng thời tránh được các vấn đề tắc nghẽn liên quan đến Wi-Fi và Bluetooth do việc sử dụng chúng Băng tần 2.4GHz và 5GHz.

Giao thức Z-Wave hoạt động như thế nào?

Để hiểu hoạt động của Giao thức Z-Wave, chúng ta hãy phân tích chủ đề này trong ba phần chính là Kiến trúc hệ thống Z-Wave, Truyền / nhận dữ liệu và Định tuyến và kết nối với Internet

Kiến trúc hệ thống Z-Wave:

Mỗi mạng Z-wave bao gồm hai loại thiết bị lớn;

(Các) Bộ điều khiển / Chính
Nô lệ

Master thường đóng vai trò là máy chủ của mạng Z-Wave mà các thiết bị khác (Slave) có thể được kết nối. Nó thường đi kèm với NetworkID được lập trình sẵn (đôi khi được gọi là HomeID) được chỉ định cho mỗi nô lệ (không đi kèm với ID được lập trình sẵn) khi chúng được thêm vào mạng thông qua một quá trình gọi là “bao gồm ”. Bên cạnh HomeID, đối với mọi thiết bị được thêm vào mạng Z-wave, một ID được gọi là NodeID thường được bộ điều khiển chỉ định. Các nodeID là duy nhất trên tất cả các mạng (đối với mỗi HomeID), vì vậy, nó được sử dụng để địa chỉ và chủ yếu là nhận ra mỗi thiết bị trên một mạng cụ thể.

Việc bao gồm có mục đích tương tự như cách một bộ định tuyến gán địa chỉ IP cho các thiết bị trên mạng của nó, trong khi các bộ định tuyến tương tự như bộ định tuyến / cổng / Trung tâm thiết bị, với sự khác biệt duy nhất là mối quan hệ lưới mà bộ định tuyến có với các nô lệ trong mạng. Để loại bỏ các nút khỏi mạng Z-Wave, một quá trình được gọi là " Loại trừ " được thực hiện. Trong quá trình loại trừ, ID nhà và ID nút sẽ bị xóa khỏi thiết bị. Thiết bị được đặt lại về trạng thái mặc định của nhà sản xuất (bộ điều khiển có Home ID riêng và nô lệ không có Home ID).

HomeID và NodeID được đề cập ở trên là hai hệ thống nhận dạng được xác định bởi giao thức sóng Z để dễ dàng tổ chức mạng Z-wave.

HomeID là nhận dạng chung của tất cả các nút là một phần của một mạng Z-Wave cụ thể, trong khi NodeID là địa chỉ của các nút riêng lẻ trong mạng.

HomeID thường được lập trình sẵn và duy nhất, đồng thời chúng xác định mạng Z-wave cụ thể. Chúng có độ dài 32 bit, có nghĩa là có thể tạo ra tới 4 tỷ (2 ^ 32) HomeID khác nhau và các mạng Z-wave khác nhau. Mặt khác, ID Node chỉ là một byte (8 bit), có nghĩa là chúng ta có thể có tối đa 256 (2 ^ 8) nút trong một mạng.

Ngoài việc cho phép xác định địa chỉ các nút dễ dàng, hệ thống Nhận dạng còn giúp ngăn chặn sự can thiệp vào mạng Z-wave vì hai nút có HomeID khác nhau không thể giao tiếp ngay cả khi chúng có cùng NodeID. Điều này có nghĩa là bạn có thể triển khai hai mạng z-wave cạnh nhau mà không cần điều lệ can thiệp từ Mạng A được tiếp nhận bởi B.

Truyền dữ liệu, tiếp nhận và định tuyến:

Trong các mạng không dây điển hình, bộ điều khiển trung tâm / tổng thể có kết nối không dây trực tiếp một-một đến các nút trong Mạng. Như sự hữu ích của sự sắp xếp đó đối với các giao thức đó, nó tạo ra một giới hạn xung quanh việc truyền dữ liệu, do đó “Thiết bị A” sẽ không thể tương tác với “Thiết bị B” nếu có sự đứt gãy trong liên kết giữa một trong hai người và thiết bị chính. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp của sóng Z nhờ cấu trúc liên kết mạng Mesh của nó và khả năng của các nút sóng Z để chuyển tiếp và lặp lại thông điệp tới các nút khác. Điều này đảm bảo rằng giao tiếp có thể được thực hiện đến mọi nút trong mạng ngay cả khi chúng không nằm trong phạm vi trực tiếp của bộ điều khiển. Để hiểu rõ hơn về điều này, hãy xem xét Hình ảnh bên dưới;

Hình minh họa mạng Z-wave cho thấy bộ điều khiển có thể giao tiếp trực tiếp với các thiết bị 1, 2 và 4, trong khi Node 6 nằm ngoài phạm vi vô tuyến của nó. Tuy nhiên, do các tính năng được mô tả trước đó, Node 2 sẽ giả sử trạng thái bộ lặp / chuyển tiếp và mở rộng phạm vi của bộ điều khiển đến Node 6 sao cho bất kỳ thông báo nào hướng đến Node 6 sẽ được chuyển qua Node 2. Các Node như Node 2 trong các mạng lớn được gọi là các tuyến và chúng góp phần vào tính linh hoạt và mạnh mẽ của Mạng Z-wave. Để xác định thông điệp tuyến đường nào sẽ đi đến một Node cụ thể, mạng Z-wave sử dụng một công cụ gọi là bảng định tuyến.

Mỗi nút trong mạng Z-wave đều có thể xác định các nút khác (được gọi là Láng giềng) trong vùng phủ sóng không dây trực tiếp của nó và trong thời gian Bao gồm hoặc sau đó, nút sẽ thông báo cho bộ điều khiển về các nút lân cận này. Sử dụng danh sách các vùng lân cận từ mỗi Node, bộ điều khiển tạo một bảng định tuyến được sử dụng để ánh xạ các tuyến đường đến các Node nằm ngoài phạm vi không dây trực tiếp của bộ điều khiển.

Điều quan trọng cần lưu ý là không phải tất cả các Nút đều có thể được định cấu hình làm người giao nhận. Giao thức sóng Z chỉ cho phép các Nút được cắm vào (không chạy bằng pin) đóng vai trò là “Nút định tuyến”.

Kết nối với Internet:

Sử dụng phương pháp tiếp cận “Cổng / Bộ tổng hợp” gần đây của các giao thức khác, hệ thống Z-Wave có thể được điều khiển qua Internet bằng cổng Z-Wave hoặc thiết bị Bộ điều khiển (chính) đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm và cổng thông tin ra bên ngoài. Ví dụ về điều này là Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Liên minh Z-Wave

Trong khi các thiết bị dựa trên Z-wave đầu tiên được phát hành vào đầu năm 1999, công nghệ này không thực sự bắt kịp cho đến năm 2005 khi một nhóm các công ty bao gồm người khổng lồ về tự động hóa gia đình Leviton, Danfoss và Ingersoll-Rand thông qua Z-Wave và thành lập một liên minh được gọi là Z-Wave Alliance.

Liên minh được thành lập để thúc đẩy việc sử dụng và khả năng tương tác của công nghệ Z-Wave và các thiết bị dựa trên nó. Để phù hợp với điều này, liên minh phát triển và duy trì tiêu chuẩn Z-wave, đồng thời chứng nhận tất cả các thiết bị dựa trên Z-Wave để đảm bảo chúng tuân thủ tiêu chuẩn. Liên minh bắt đầu với 5 công ty thành viên nhưng hiện đã có hơn 600 công ty sản xuất hơn 2600 thiết bị được chứng nhận Z-Wave.

Sự khác biệt giữa Z-Wave và các giao thức khác

Để hiểu tại sao lại có ý nghĩa khi có một giao thức truyền thông khác như Z-wave, chúng tôi sẽ so sánh nó với một số giao thức truyền thông khác được sử dụng trong tự động hóa gia đình bao gồm; Bluetooth, WiFi và Zigbee

Z-wave và Bluetooth:

Ưu điểm rõ rệt nhất của Z-Wave so với Bluetooth là Phạm vi. Sóng Z có vùng phủ sóng hiệu quả lớn hơn Bluetooth. Ngoài ra, tín hiệu Bluetooth dễ bị nhiễu và gián đoạn vì chúng gửi và nhận thông tin trên băng tần 2.4GHz, do đó cạnh tranh về Băng thông với các Thiết bị dựa trên WiFi sử dụng cùng băng tần.

Với sóng Z, thay vì làm cho mạng chậm hơn hoặc nhiễu, mọi bộ lặp tín hiệu sóng Z hoạt động cùng nhau để làm cho mạng mạnh hơn, do đó, bạn càng có nhiều thiết bị, càng dễ dàng tạo ra một mạng mạnh mẽ, có khả năng vượt qua chướng ngại vật.

Z-wave so với WiFi:

Giống như Bluetooth, các mạng dựa trên WiFi cũng dễ bị nhiễu, gián đoạn và các vấn đề liên quan đến phạm vi và như vậy hoạt động dưới các mạng dựa trên sóng Z trong những trường hợp đó.

Bên cạnh việc cạnh tranh về băng thông với các thiết bị Bluetooth, các thiết bị WiFi cũng cạnh tranh với nhau và điều này có thể ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu và tốc độ mạng trong những ngôi nhà có nhiều thiết bị dựa trên WiFi. Đây không phải là trường hợp của Z-wave khi mạng phát triển mạnh mẽ với việc bổ sung thêm nhiều thiết bị vào Mạng.

Tuy nhiên, các thiết bị dựa trên Wi-Fi có một mặt trái so với Z-wave. Chúng có thể gửi thông tin lớn hơn như Luồng video HD và hơn thế nữa, trong khi mạng dựa trên sóng Z có thể xử lý từng byte dữ liệu nhỏ như dữ liệu cảm biến hoặc hướng dẫn bật / tắt bóng đèn.

Z-wave so với Zigbee:

Zigbee là một công nghệ không dây khác và giống như Z-wave, nó được thiết kế với tính năng Tự động hóa gia đình và các mạng cảm biến không dây lân cận. Giống như sóng Z, nó dựa trên cấu trúc liên kết mạng Mesh và mỗi thiết bị trên mạng Zigbee giúp tăng cường tín hiệu. Tuy nhiên, không giống như Z-wave, nó hoạt động trên băng tần 2,4GHz, có nghĩa là nó cũng cạnh tranh về băng thông với WiFi và Bluetooth và cũng có thể dễ bị nhiễu và các thách thức về tốc độ mạng liên quan đến chúng.

Một sự khác biệt nữa mà tôi sẽ để bạn quyết định đó là thực tế rằng, trong khi Z-Wave là một công nghệ độc quyền (mặc dù có kế hoạch tạo ra phần mềm mã nguồn mở), Zigbee là mã nguồn mở.

Ưu điểm và nhược điểm của Z-Wave

Giống như tất cả mọi thứ, Z-Wave có cả ưu điểm và nhược điểm. Chúng ta sẽ thảo luận lần lượt về chúng.

Ưu điểm của Z-Wave

Một số ưu điểm của sóng Z bao gồm;

Khả năng hỗ trợ 232 thiết bị trên lý thuyết và ít nhất 50 thiết bị trong thực tế.
Tín hiệu có thể truyền tới 50 feet trong nhà, cho phép không có vật cản và không bị cản trở lên đến 100 feet. Phạm vi tiếp cận này được mở rộng đáng kể ở ngoài trời. Với bốn bước giữa các thiết bị nâng cao phạm vi hơn nữa, phạm vi phủ sóng sẽ không là vấn đề trong các ngôi nhà được kết nối rộng rãi.
Liên minh Z-wave có tới 600 nhà sản xuất sản xuất hơn 2600 thiết bị được chứng nhận để đảm bảo tính tương thích.
Ít bị nhiễu do sử dụng băng tần ISM.
Ít điểm chết hơn so với các mạng khác, nhờ cấu trúc liên kết lưới mạnh mẽ
Nó là giá cả phải chăng và dễ sử dụng.

Nhược điểm Z-Wave

Không giống như một số giao thức truyền thông khác, Z-Waves được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong các ứng dụng Tự động hóa gia đình, do đó, nó được điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu ứng dụng và có rất ít nhược điểm. Tuy nhiên, giới hạn khả thi của 50 thiết bị thay vì 232 danh nghĩa, có thể là một thách thức trong các ngôi nhà cần triển khai hơn 50 thiết bị.

Ngoài ra, không có khả năng duy trì việc truyền các byte dữ liệu lớn khiến nó không quá hữu ích trong các ứng dụng như giám sát video, nơi cần phải truyền tải hàng megabyte dữ liệu giữa các thiết bị cuối.

Phần kết luận

Z-wave là để tự động hóa gia đình, LoRa là gì đối với bối cảnh IoT rộng lớn hơn. Lợi thế lớn nhất mà nó có so với tất cả các giao thức khác trong niche Tự động hóa gia đình là thực tế là nó được thiết kế cho niche đó. Điều này có nghĩa là nó nói chung sẽ hoạt động tốt hơn các giao thức khác được thiết kế để tiêu thụ rộng rãi hơn và nó sẽ hoạt động tương đối tốt cho, ít nhất là 80% các ứng dụng trong niche đó.