پروتکل Z-Wave چیست؟ استفاده از Z Wave در خانه هوشمند

با افزایش کاربرد های مبتنی بر شبکه های حسگر بی سیم، اتوماسیون خانگی و اینترنت اشیا علاوه بر پروتکل های معمولی بلوتوث، Wi-Fi و GSM، به پروتکل ارتباطی جایگزین نیاز داشتند. چندین تکنولوژی مانند زیگ بی و بلوتوث کم انرژی (BLE) به عنوان گزینه های دیگر ایجاد شدند اما یک تکنولوژی که به طور خاص در خدمت کاربرد های اتوماسیون خانگی قرار می گیرد، Z-Wave است. برای مقاله امروز، ما مشخصات فنی Z-Wave، ویژگی های متمایز کننده آن، استاندارد و موارد دیگر را بررسی خواهیم کرد.

Z-Wave چیست؟

Z-Wave یک پروتکل ارتباطی بی سیم است که در درجه اول برای استفاده در کاربرد های اتوماسیون خانگی توسعه یافته است و دستگاه های هوشمند را به یکدیگر متصل می کند و امکان تبادل اطلاعات بین دستگاه ها را فراهم می کند.

در سال 1999 توسط Zensys واقع در کپنهاگ به عنوان یک سیستم کنترل- روشنایی برای مصرف کننده معرفی شد. این پروتکل طراحی شده است تا انتقال قابل اعتماد و کم تأخیر بسته های داده کوچک را با استفاده از امواج رادیویی کم انرژی با سرعت داده تا 100 کیلوبیت بر ثانیه انجام دهد و توان خروجی حداکثر 40 کیلوبیت بر ثانیه را فراهم کند(9.6 کیلوبیت بر ثانیه در صورتی که از تراشه های قدیمی استفاده شود) و برای کاربرد های کنترلی و حسگری مناسب است.

بر اساس توپولوژی شبکه مش و عملکرد در محدوده غیر مجاز 800-900MHz باند فرکانسی ISM، دستگاه های مبتنی بر Z-Wave قادر به دستیابی به فاصله ارتباطی تا 40 متر با توانایی اضافی ارسال پیام ها هستند. همه این ویژگی ها باعث می شود که Z-Wave، پروتکل ارتباطی مناسبی برای کاربرد های اتوماسیون خانگی مانند کنترل روشنایی، ترموستات ها، کنترل ویندوز، قفل ها، در بازکن گاراژ و موارد دیگر باشد. در مقایسه با تجهیزات الکتریکی خانه، این پروتکل از اختلال با باند 2.4گیگاهرتز و 5 گیگا هرتز که مربوط به WiFi و بلوتوث است، جلوگیری می‏‌کند.

عملکرد پروتکل Z-Wave چگونه است؟

برای درک عملکرد پروتکل Z-Wave، موضوع را در سه بخش اصلی یعنی معماری سیستم Z-Wave، انتقال و دریافت داده و مسیریابی و اتصال به اینترنت تجزیه و تحلیل می کنیم.

معماری سیستم Z-Wave:

هر شبکه Z-Wave متشکل از دو گروه وسیعی از دستگاه ها است:

1. کنترل کننده / Master
2. Slaves

Master معمولاً به عنوان میزبان شبکه Z-Wave که سایر دستگاه ها (Slaves) به آن متصل می شوند، عمل می کند. این معمولاً با NetworkID از پیش برنامه ریزی شده است(که گاهی HomeID نامیده می شود) که به هر Slave (که دارای شناسه از قبل برنامه ریزی شده نیست) که از طریق فرایندی به نام “inclusion” به شبکه اضافه می شود، اختصاص می یابد.

علاوه بر HomeID، برای هر دستگاهی که به شبکه Z-Wave اضافه می شود، معمولاً یک شناسه به نام NodeID توسط کنترل کننده اختصاص می یابد. NodeID در هر شبکه منحصر به فرد است (برای هر HomeID)، به همین ترتیب، برای آدرس دهی و در درجه اول شناسایی هر دستگاه در یک شبکه خاص استفاده می شود.

inclusion شبیه به این است که یک روتر (مسیریاب) چگونه آدرس های IP را به دستگاه های موجود در شبکه اختصاص می دهد، در حالی که master ها به روتر ها / گیت ها / هاب های دستگاه شباهت دارند، تنها تفاوت در ارتباط شبکه ای است که master ها با Slave های شبکه دارند. برای حذف گره ها از شبکه Z-Wave فرایندی به نام “Exclusion” انجام می شود. در مواقع استثنا، شناسه خانه و شناسه گره از دستگاه حذف می شوند و دستگاه به حالت پیش فرض کارخانه بر می گردد (کنترل کننده ها شناسه خانگی خاص خود را دارند و Slave ها هیچ شناسه خانگی ندارند).

HomeID و NodeID ذکر شده در بالا دو سیستم شناسایی تعریف شده توسط پروتکل Z-Wave برای سازماندهی آسان شبکه Z-Wave هستند.

HomeID شناسایی مشترک همه گره هایی است که بخشی از یک شبکه Z-Wave خاص هستند، در حالی که NodeID آدرس هر یک از گره های درون شبکه است.

HomeID ها معمولاً از قبل برنامه ریزی شده و منحصر به فرد هستند و شبکه خاص Z-Wave را تعریف می کنند. طول آن ها 32 بیت است و این به این معنی است که ایجاد حداکثر 4 میلیارد (2 به توان 32) HomeID متفاوت و شبکه های مختلف Z-Wave امکان پذیر است. از طرف دیگر، ID گره فقط یک بایت (8 بیت) است که به این معنی است که ما می توانیم حداکثر 256 (2 به توان 8) گره در شبکه داشته باشیم.

گذشته از امکان آدرس دهی آسان گره ها، سیستم شناسایی به جلوگیری از تداخل در شبکه های Z-Wave کمک می کند، زیرا دو گره با HomeID های مختلف حتی اگر NodeID یکسان داشته باشند نمی توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این به این معنی است که می توانید دو شبکه Z-Wave را در کنار هم نگه دارید بدون اینکه فرمان تداخلی در شبکه A توسط B دریافت شود.

انتقال، دریافت و مسیریابی داده ها:

در شبکه های بی سیم معمولی، کنترل کننده یا master مرکزی یک اتصال بی سیم مستقیم و یک به یک به گره های شبکه دارد. همانقدر که این ترتیب برای آن پروتکل ها مفید است، اما محدودیتی در انتقال داده ایجاد می کند به گونه ای که “اگر یک وقفه در پیوند بین آن ها و master وجود داشته باشد” “دستگاه A” قادر به تعامل با “دستگاه B” نخواهد بود. با این وجود، این مورد برای امواج Z بواسطه توپولوژی شبکه مش و توانایی گره های Z-Wave در هدایت و تکرار پیام ها به گره های دیگر، صدق نمی کند. این امر اطمینان می دهد که می توان با هر گره از شبکه ارتباط برقرار کرد حتی زمانی که در محدوده مستقیم کنترل کننده نباشند. برای درک بهتر این موضوع، تصویر زیر را در نظر بگیرید.

تصویر شبکه Z-Wave نشان می دهد که کنترل کننده می تواند مستقیماً با دستگاه های 1، 2 و 4 ارتباط برقرار کند، در حالی که گره 6 خارج از محدوده رادیویی آن است. با این وجود، به دلیل ویژگی هایی که قبلاً توضیح داده شد، گره 2 وضعیت تکرار کننده / حمل کننده را بدست می آورد و دامنه کنترل کننده را تا گره 6 افزایش می دهد. به گونه ای که هر پیامی که به سمت گره 6 می رود از گره 2 عبور می کند. گره هایی مانند گره 2 در شبکه های بزرگ مسیر های ارتباطی (کانال های ارتباطی) نامیده می شوند و به انعطاف پذیری و مقاومت شبکه های Z-Wave کمک می کنند. برای تعیین اینکه پیام ها از کدام مسیر به یک گره خاص برسند، شبکه های Z-Wave از ابزاری به نام جدول مسیریابی استفاده می کنند.

هر گره در شبکه Z-Wave قادر به تعیین گره های دیگر (گره مجاور خود) در منطقه تحت پوشش مستقیم بی سیم خود است و در حین Inclusion یا بعداً، گره کنترل کننده را در مورد این گره های مجاور مطلع می کند. با استفاده از فهرست مجاوران هر گره، کنترل کننده یک جدول مسیریابی ایجاد می کند که برای نقشه برداری از مسیر ها به گره هایی که خارج از محدوده بی سیم مستقیم کنترل کننده هستند، استفاده می‌شود.

توجه به این نکته مهم است که همه گره ها نمی توانند به عنوان فرستنده پیکربندی شوند. پروتکل Z-Wave فقط به گره هایی که به برق وصل هستند (از طریق باتری تامین نمی شوند) اجازه می دهد تا به عنوان “گره های مسیریابی” عمل کنند.

اتصال به اینترنت:

با استفاده از رویکرد اخیر “Gateway / Aggregator” توسط پروتکل های دیگر، می توان یک سیستم Z-Wave را از طریق اینترنت با استفاده از گیت Z-Wave یا دستگاه کنترلر (master) کنترل کرد که به عنوان کنترل کننده hub و پورتال به خارج عمل می کند. نمونه آن Delock78007 Z-Wave است.

اتحاد Z-Wave

در حالی که اولین دستگاه های مبتنی بر Z-Wave از اوایل سال 1999 عرضه شدند، این تکنولوژی تا سال 2005 قبل از آن که گروهی از شرکت ها پروتکل Z-Wave را تصویب کردند و یک اتحاد تشکیل دادند، واقعاً موفقیت آمیز نبود.

این اتحاد به منظور ترویج استفاده و قابلیت همکاری تکنولوژی Z-Wave و دستگاه های مبتنی بر آن تشکیل شد. در راستای این، اتحادیه استاندارد Z-Wave را توسعه داده و حفظ می کند و تمام دستگاه های مبتنی بر Z-Wave را تایید می کند تا اطمینان حاصل شود که آن ها با استاندارد مطابقت دارند. این اتحاد با 5 شرکت آغاز شد اما هم اکنون بیش از 600 شرکت تولید بیش از 2600 دستگاه دارای مجوز Z-Wave دارد.

تفاوت بین Z-Wave و سایر پروتکل ها

برای درک اینکه چرا داشتن پروتکل ارتباطی دیگری مانند Z-wave منطقی است، ما آن را با برخی دیگر از پروتکل های ارتباطی مورد استفاده در اتوماسیون خانگی مقایسه می کنیم از جمله: بلوتوث، وای فای و زیگ بی

Z-Wave در مقابل بلوتوث:

آشکار ترین مزیت Z-Wave نسبت به بلوتوث، محدوده پوشش وسیع تر  است. امواج Z به طور موثر دارای سطح پوشش بیشتری نسبت به بلوتوث هستند. همچنین، سیگنال های بلوتوث در معرض تداخل و وقفه هستند زیرا آن ها اطلاعات مربوطه را در باند 2.4 گیگاهرتز ارسال و دریافت می کنند، در نتیجه برای پهنای باند با دستگاه های مبتنی بر WiFi با استفاده از همان باند فرکانسی رقابت می کنند.

با استفاده از Z-Wave، به جای اینکه شبکه را کندتر یا پر سر و صدا کنید، هر تکرار کننده سیگنال Z-Wave با هم کار می کند تا شبکه قوی تر شود، به طوری که هرچه تعداد دستگاه شما بیشتر باشد، ایجاد یک شبکه قوی، قادر به دور زدن آسان تر موانع است.

Z-Wave در مقابل WiFi:

مانند بلوتوث، شبکه های مبتنی بر WiFi نیز در معرض تداخل، قطع و مسائل مربوط به دامنه هستند و به همین ترتیب در چنین شرایطی شبکه های مبتنی بر Z-Wave بهتر عمل می کنند.

گذشته از اینکه برای پهنای باند با دستگاه های بلوتوث رقابت می کنند، دستگاه های WiFi نیز با یکدیگر رقابت می کنند و این می تواند بر قدرت سیگنال و سرعت شبکه در خانه هایی که بسیاری از دستگاه ها مبتنی بر WiFi هستند تأثیر بگذارد. این قضیه در مورد Z-Wave صدق نمی کند زیرا شبکه با افزودن دستگاه های بیشتر به آن پیشرفته تر می شود.

بااین حال، دستگاه های مبتنی بر WiFi در مقایسه با Z-Wave ها یک برتری دارند. آن ها قادر به ارسال اطلاعات بزرگتر مانند جریان های ویدئویی HD و موارد دیگر هستند. در حالی که شبکه های مبتنی بر Z-Wave قادر به مدیریت بایت های کوچک داده مانند داده های حسگر یا دستورالعمل های روشن یا خاموش کردن لامپ هستند.

Z-Wave در مقابل Zigbee (زیگ بی):

زیگ بی یکی دیگر از تکنولوژی های بی سیم است و مانند Z-wave با در نظر گرفتن اتوماسیون خانگی و شبکه های حسگر بی سیم مجاور طراحی شده است. مانند Z-Wave، بر اساس توپولوژی شبکه مش ساخته می شود و هر دستگاه در شبکه زیگ بی به تقویت سیگنال کمک می کند. با این حال، بر خلاف Z-Wave، این باند روی فرکانس 2.4 گیگاهرتز کار می کند، به این معنی که برای پهنای باند با WiFi و بلوتوث نیز رقابت می کند و همچنین ممکن است در معرض تداخل و چالش های سرعت شبکه مرتبط با آن ها باشد.

تفاوت دیگری که وجود دارد این واقعیت است که اگرچه Z-Wave یک تکنولوژی اختصاصی است (اگرچه برنامه هایی برای ساخت منبع باز نرم افزار وجود دارد)، زیگ بی منبع باز است.

مزایا و معایب Z-Wave

مانند همه موارد، Z-Wave هم مزایا و هم معایبی دارد. در ادامه درباره آن ها صحبت خواهیم کرد.

مزایا Z-Wave

برخی از مزایای امواج Z عبارتند از:

1. توانایی پشتیبانی از 232 دستگاه در تئوری و حداقل 50 در عمل.
2. سیگنال ها می توانند تا 50 فوت در داخل خانه حرکت کنند و تا حداکثر 100 فوت از ایجاد موانع جلوگیری می کنند. این دسترسی بطور قابل توجهی در فضای باز گسترش می یابد. با وجود چهار مسیری که بین دستگاه ها وجود دارد، افزایش بیشتر دامنه و پوشش پراکنده مشکلی نخواهد داشت.
3. اتحاد Z-Wave از 600 تولید کننده برای تولید بیش از 2600 دستگاه دارای مجوز برای اطمینان از سازگاری تشکیل شده است.
4. تداخل کمتری به دلیل استفاده از باند ISM وجود دارد.
5. به لطف توپولوژی مش قوی، در مقایسه با سایر شبکه ها نقاط مرده کمتری وجود دارد.
6. مقرون به صرفه و آسان برای استفاده است.

معایب Z-Wave

برخلاف برخی از پروتکل های ارتباطی دیگر، Z-Waves به طور خاص برای استفاده در کاربرد های اتوماسیون خانگی طراحی شده است. به همین ترتیب، متناسب با نیاز های کاربرد طراحی شده و معایب بسیار کمی دارد.
در ارتباط Z-Wave ما فقط می توانیم 50 دستگاه را بهم متصل کنیم در حالی که حد معمول 232 دستگاه است، اینکه بخواهیم بیشتر از 50دستگاه را به یکدیگر متصل کنیم میتواند کمی چالش برانگیز باشد.

همچنین، عدم توانایی آن در حفظ انتقال بایت های بزرگ داده باعث می شود تا در کاربرد هایی مانند نظارت تصویری، که در آن مگابایت داده باید بین دستگاه های پایانی جریان داشته باشند، چندان مفید نباشد.

امواج Z برای اتوماسیون خانگی همان چیزی است که LoRa برای فضای گسترده اینترنت اشیاء(IOT) دارد. بزرگترین مزیتی که نسبت به سایر پروتکل های موجود در جایگاه اتوماسیون خانگی دارد این واقعیت است که برای آن طراحی شده است. این به این معنی است که عملکرد آن به طور کلی بهتر از سایر پروتکل هایی است که برای مصرف گسترده تر طراحی شده اند و برای حداقل 80٪ از کاربرد ها عملکرد نسبتاً خوبی دارد.