Verstehen von z

Als Anwendungen, die auf drahtlosen Sensornetzwerken, Heimautomation und IoT basieren, zunahmen, wurde der Bedarf an alternativen Kommunikationsprotokollen neben den regulären Bluetooth-, Wi-Fi- und GSM-Protokollen offensichtlich. Verschiedene Technologien wie Zigbee und Bluetooth Low Energy (BLE) wurden als Alternativen entwickelt, aber eine herausragende Technologie, die speziell für Hausautomationsanwendungen entwickelt wurde, war Z-Wave. Für den heutigen Artikel werden wir die technischen Details von Z-Wave, seine Unterscheidungsmerkmale, den Standard und vieles mehr untersuchen.

Was ist Z-Wave?

Z-Wave ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das hauptsächlich für den Einsatz in Hausautomationsanwendungen entwickelt wurde. Es wurde 1999 von Zensys aus Kopenhagen als Upgrade für ein von ihnen entwickeltes Lichtsteuerungssystem für Verbraucher entwickelt. Es wurde entwickelt, um die zuverlässige Übertragung kleiner Datenpakete mit geringer Latenz unter Verwendung energiearmer Funkwellen mit Datenraten von bis zu 100 kbit / s bei einem Durchsatz von bis zu 40 kbit / s (9,6 kbit / s bei Verwendung alter Chips) zu ermöglichen Geeignet für Steuerungs- und Sensoranwendungen.

Basierend auf der Mesh-Netzwerktopologie und dem Betrieb innerhalb des nicht lizenzierten ISM-Frequenzbandes von 800 bis 900 MHz (tatsächliche Frequenz variiert) können Z-Wave-basierte Geräte eine Kommunikationsentfernung von bis zu 40 Metern erreichen, wobei Nachrichten zusätzlich aufspringen können zwischen bis zu 4 Knoten. All diese Funktionen machen es zu einem geeigneten Kommunikationsprotokoll für Hausautomationsanwendungen wie Lichtsteuerung, Thermostate, Fenstersteuerungen, Schlösser, Garagentoröffner und vieles mehr. Gleichzeitig werden die problematischen Überlastungen vermieden, die mit Wi-Fi und Bluetooth aufgrund der Verwendung von verbunden sind 2,4-GHz- und 5-GHz-Bänder.

Wie funktioniert das Z-Wave-Protokoll?

Um die Funktionsweise des Z-Wave-Protokolls zu verstehen, analysieren wir das Thema in drei Hauptabschnitten: Z-Wave-Systemarchitektur, Datenübertragung / -empfang sowie Routing und Verbindung zum Internet

Z-Wave-Systemarchitektur:

Jedes Z-Wave-Netzwerk besteht aus zwei großen Kategorien von Geräten.

1. Controller / Master (s)
2. Sklaven

Der Master dient normalerweise als Host des Z-Wave-Netzwerks, an das andere Geräte (Slaves) angeschlossen werden können. Es wird normalerweise mit einer vorprogrammierten Netzwerk-ID (manchmal auch als HomeID bezeichnet) geliefert, die jedem Slave zugewiesen wird (der keine vorprogrammierte ID enthält), wenn sie durch einen als "Einschluss " bezeichneten Prozess zum Netzwerk hinzugefügt werden. Abgesehen von der HomeID wird für jedes Gerät, das dem Z-Wave-Netzwerk hinzugefügt wird, normalerweise eine ID namens NodeID vom Controller zugewiesen. Die NodeID ist in jedem Netzwerk eindeutig (für jede HomeID). Sie wird als solche verwendet, um jedes Gerät in einem bestimmten Netzwerk zu adressieren und hauptsächlich zu erkennen.

Die Aufnahme ähnelt der Absicht, wie ein Router Geräten in seinem Netzwerk IP-Adressen zuweist, während die Master Routern / Gateways / Device Hubs ähnlich sind. Der einzige Unterschied besteht in der Netzbeziehung, die die Master zu Slaves im Netzwerk haben. Um Knoten aus einem Z-Wave-Netzwerk zu entfernen, wird ein Prozess namens " Ausschluss " ausgeführt. Während des Ausschlusses werden die Home-ID und die Node-ID vom Gerät gelöscht. Das Gerät wird auf den werkseitigen Standardzustand zurückgesetzt (Controller haben ihre eigene Home-ID und Slaves haben keine Home-ID).

Die oben erwähnte HomeID und NodeID sind die beiden Identifikationssysteme, die durch das Z-Wave-Protokoll zur einfachen Organisation des Z-Wave-Netzwerks definiert sind.

Die HomeID ist die gemeinsame Identifikation aller Knoten, die Teil eines bestimmten Z-Wave-Netzwerks sind, während die NodeID die Adresse einzelner Knoten innerhalb eines Netzwerks ist.

Die HomeIDs sind normalerweise vorprogrammiert und eindeutig und definieren das jeweilige Z-Wave-Netzwerk. Sie haben eine Länge von 32 Bit, was bedeutet, dass bis zu 4 Milliarden (2 ^ 32) verschiedene HomeIDs und verschiedene Z-Wave-Netzwerke erstellt werden können. Die Knoten-ID ist dagegen nur ein Byte (8 Bit) lang, was bedeutet, dass wir bis zu 256 (2 ^ 8) Knoten in einem Netzwerk haben können.

Das Identifikationssystem ermöglicht nicht nur eine einfache Adressierung von Knoten, sondern verhindert auch Interferenzen in Z-Wave-Netzwerken, da zwei Knoten mit unterschiedlichen HomeIDs nicht kommunizieren können, selbst wenn sie dieselbe NodeID haben. Dies bedeutet, dass Sie zwei Z-Wave-Netzwerke nebeneinander bereitstellen können, ohne dass eine störende Charta von Netzwerk A von B empfangen wird.

Datenübertragung, -empfang und -routing:

In typischen drahtlosen Netzwerken verfügt der zentrale Controller / Master über eine direkte Eins-zu-Eins-Funkverbindung zu den Knoten im Netzwerk. So nützlich diese Anordnung für diese Protokolle auch ist, sie führt zu einer Einschränkung der Datenübertragung, sodass „Gerät A“ nicht mit „Gerät B“ interagieren kann, wenn die Verbindung zwischen beiden Protokollen und dem Master unterbrochen ist. Dies ist jedoch bei Z-Wellen aufgrund der Mesh-Netzwerktopologie und der Fähigkeit von Z-Wellen-Knoten, Nachrichten an andere Knoten weiterzuleiten und zu wiederholen, nicht der Fall. Dies stellt sicher, dass die Kommunikation zu jedem Knoten in einem Netzwerk hergestellt werden kann, auch wenn er sich nicht im direkten Bereich der Steuerung befindet. Um dies besser zu verstehen, betrachten Sie das Bild unten;

Die Abbildung des Z-Wave-Netzwerks zeigt, dass der Controller direkt mit den Geräten 1, 2 und 4 kommunizieren kann, während sich Knoten 6 außerhalb seiner Funkreichweite befindet. Aufgrund der zuvor beschriebenen Funktionen nimmt Knoten 2 jedoch einen Repeater- / Weiterleitungsstatus an und erweitert den Bereich des Controllers auf Knoten 6, sodass jede Nachricht, die auf Knoten 6 übergeht, über Knoten 2 weitergeleitet wird. Knoten wie Knoten 2 in großen Netzwerken werden als Routen bezeichnet und tragen zur Flexibilität und Robustheit von Z-Wellen-Netzwerken bei. Um zu bestimmen, welche der Routennachrichten zum Erreichen eines bestimmten Knotens gesendet werden sollen, verwenden Z-Wave-Netzwerke ein Tool, das als Routing-Tabelle bezeichnet wird.

Jeder Knoten in einem Z-Wave-Netzwerk kann die anderen Knoten (als Nachbarn bezeichnet) in seinem direkten Funkabdeckungsbereich bestimmen, und während der Aufnahme oder später informiert der Knoten den Controller über diese Nachbarn. Mithilfe der Liste der Nachbarn von jedem Knoten erstellt der Controller eine Routing-Tabelle, mit der Routen Knoten zugeordnet werden, die außerhalb der direkten Funkreichweite des Controllers liegen.

Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Knoten als Weiterleitungen konfiguriert werden können. Das Z-Wave-Protokoll erlaubt nur Knoten, die angeschlossen (nicht batteriebetrieben) sind, als „Routing-Knoten“ zu dienen.

Verbindung zum Internet herstellen:

Unter Verwendung des neueren Ansatzes „Gateway / Aggregator“ anderer Protokolle kann ein Z-Wave-System über das Internet mithilfe eines Z-Wave-Gateways oder eines Controller- Geräts (Master) gesteuert werden, das sowohl als Hub-Controller als auch als Portal nach außen dient. Ein Beispiel hierfür ist das Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

Während die ersten Z-Wave-basierten Geräte bereits 1999 auf den Markt kamen, setzte sich die Technologie erst 2005 durch, als eine Gruppe von Unternehmen, darunter der Hausautomationsriese Leviton, Danfoss und Ingersoll-Rand, Z-Wave übernahm und eine Allianz bildete genannt die Z-Wave Alliance.

Die Allianz wurde gegründet, um die Nutzung und Interoperabilität der Z-Wave-Technologie und der darauf basierenden Geräte zu fördern. In diesem Sinne entwickelt und pflegt die Allianz den Z-Wave-Standard und zertifiziert alle Z-Wave-basierten Geräte, um sicherzustellen, dass sie dem Standard entsprechen. Die Allianz begann mit 5 Mitgliedsunternehmen, mittlerweile haben über 600 Unternehmen mehr als 2600 Z-Wave-zertifizierte Geräte hergestellt.

Unterschied zwischen Z-Wave und anderen Protokollen

Um zu verstehen, warum es sinnvoll ist, ein anderes Kommunikationsprotokoll wie Z-Wave zu haben, werden wir es mit einigen anderen Kommunikationsprotokollen vergleichen, die in der Hausautomation verwendet werden, einschließlich: Bluetooth, WiFi und ZigBee

Z-Welle gegen Bluetooth:

Der größte Vorteil von Z-Wave gegenüber Bluetooth ist die Reichweite. Z-Wellen haben eine effektiv größere Reichweite als Bluetooth. Außerdem sind Bluetooth-Signale anfällig für Interferenzen und Unterbrechungen, da sie Informationen im 2,4-GHz-Band senden und empfangen und damit mit WiFi-basierten Geräten, die dasselbe Frequenzband verwenden, um die Bandbreite konkurrieren.

Mit Z-Wave arbeitet jeder Z-Wave-Signal-Repeater zusammen, um das Netzwerk stärker zu machen, anstatt das Netzwerk langsamer oder verrauscht zu machen. Je mehr Geräte Sie haben, desto einfacher ist es, ein robustes Netzwerk zu erstellen, das umgangen werden kann Hindernisse.

Z-Welle gegen WiFi:

Wie Bluetooth sind auch WiFi-basierte Netzwerke anfällig für Interferenz-, Unterbrechungs- und Entfernungsprobleme und arbeiten daher unter diesen Umständen unter Z-Wave-basierten Netzwerken.

Neben dem Wettbewerb um Bandbreite mit Bluetooth-Geräten konkurrieren WiFi-Geräte auch miteinander. Dies kann sich auf die Signalstärke und die Netzwerkgeschwindigkeit in Haushalten auswirken, in denen viele Geräte auf WiFi basieren. Dies ist bei Z-Wave nicht der Fall, da das Netzwerk durch Hinzufügen weiterer Geräte zum Netzwerk floriert.

WiFi-basierte Geräte haben jedoch im Vergleich zu Z-Wellen einen Vorteil. Sie können größere Informationen wie HD-Videostreams und mehr senden, während Z-Wave-basierte Netzwerke kleine Datenbytes wie Sensordaten oder Anweisungen zum Ein- und Ausschalten einer Glühbirne verarbeiten können.

Z-Welle gegen ZigBee:

Zigbee ist eine weitere drahtlose Technologie und wurde wie Z-Wave für die Heimautomation und nahe gelegene drahtlose Sensornetzwerke entwickelt. Wie bei Z-Wave basiert es auf der Mesh-Netzwerktopologie, und jedes Gerät in einem ZigBee-Netzwerk stärkt das Signal. Im Gegensatz zu Z-Wave arbeitet es jedoch im 2,4-GHz-Frequenzband, was bedeutet, dass es auch mit WiFi und Bluetooth um die Bandbreite konkurriert und möglicherweise auch den damit verbundenen Interferenz- und Netzwerkgeschwindigkeitsproblemen ausgesetzt ist.

Ein weiterer Unterschied, dessen Bedeutung ich Ihnen überlassen werde, ist die Tatsache, dass Z-Wave zwar eine proprietäre Technologie ist (obwohl geplant ist, die Software Open Source zu machen), Zigbee jedoch Open Source ist.

Vor- und Nachteile von Z-Wave

Wie alle Dinge hat Z-Wave sowohl Vor- als auch Nachteile. Wir werden sie nacheinander besprechen.

Vorteile von Z-Wave

Einige der Vorteile von Z-Wellen umfassen:

1. Die Fähigkeit, 232 Geräte theoretisch und mindestens 50 in der Praxis zu unterstützen.
2. Die Signale können in Innenräumen bis zu 50 Fuß übertragen werden, wobei Hindernisse und bis zu 100 Fuß ungehindert auftreten. Diese Reichweite wird im Freien erheblich erweitert. Mit den vier Sprüngen zwischen den Geräten, die die Reichweite weiter erhöhen, ist die Abdeckung bei weitläufigen vernetzten Häusern kein Problem.
3. Die Z-Wave-Allianz besteht aus bis zu 600 Herstellern, die über 2600 zertifizierte Geräte herstellen, um die Kompatibilität sicherzustellen.
4. Weniger Interferenzen aufgrund des verwendeten ISM-Bandes.
5. Dank der robusten Maschentopologie weniger tote Punkte im Vergleich zu anderen Netzwerken
6. Es ist erschwinglich und einfach zu bedienen.

Nachteile Z-Wave

Im Gegensatz zu einigen anderen Kommunikationsprotokollen wurde Z-Waves speziell für die Verwendung in Heimautomationsanwendungen entwickelt. Daher wurde es auf die Anwendungsanforderungen zugeschnitten und weist nur sehr geringe Nachteile auf. Die Verwendbarkeitsgrenzen von 50 Geräten anstelle der fiktiven 232 können jedoch eine Herausforderung in Haushalten sein, in denen mehr als 50 Geräte bereitgestellt werden müssen.

Aufgrund seiner Unfähigkeit, die Übertragung großer Datenbytes aufrechtzuerhalten, ist es in Anwendungen wie der Videoüberwachung, in denen Megabyte Daten zwischen Endgeräten gestreamt werden müssen, nicht so nützlich.

Fazit

Z-Wellen sind für die Heimautomation das, was LoRa für die breitere IoT-Landschaft ist. Der größte Vorteil gegenüber allen anderen Protokollen in der Home Automation-Nische ist die Tatsache, dass es für diese Nische entwickelt wurde. Dies bedeutet, dass es im Allgemeinen eine bessere Leistung als andere Protokolle aufweist, die für einen breiteren Verbrauch entwickelt wurden, und dass es für mindestens 80% der Anwendungen in dieser Nische relativ gut funktioniert.