Entendendo z

À medida que os aplicativos baseados em redes de sensores sem fio, automação residencial e IoT aumentavam, a necessidade de um protocolo de comunicação alternativo além dos protocolos regulares de Bluetooth, Wi-Fi e GSM estava se tornando óbvia. Várias tecnologias como Zigbee e Bluetooth Low Energy (BLE) foram desenvolvidas como alternativas, mas uma tecnologia de destaque, desenvolvida para atender especificamente a aplicativos de automação residencial, foi a Z-Wave. Para o artigo de hoje, examinaremos os aspectos técnicos da onda Z, seus recursos de diferenciação, o padrão e muito mais.

O que é Z-Wave

Z-Wave é um protocolo de comunicação sem fio desenvolvido principalmente para uso em aplicações de automação residencial. Foi desenvolvido em 1999 pela Zensys, sediada em Copenhague, como uma atualização de um sistema de controle de luz criado por eles. Ele foi projetado para fornecer transmissão confiável de baixa latência de pequenos pacotes de dados usando ondas de rádio de baixa energia a taxas de dados de até 100kbit / s com uma taxa de transferência de até 40kbit / s (9,6kbit / s usando chips antigos) e são adequado para aplicações de controle e sensor.

Com base na topologia da rede em malha e operando dentro da banda de frequência ISM não licenciada de 800-900 MHz (a frequência real varia), os dispositivos baseados em Z-Wave são capazes de atingir uma distância de comunicação de até 40 metros, com a capacidade adicional de mensagens de salto entre até 4 nós. Todos esses recursos o tornam um protocolo de comunicação adequado para aplicações de automação residencial, como controle de iluminação, termostatos, controles de janelas, fechaduras, abridores de portas de garagem e muito mais, evitando congestionamentos problemáticos associados a Wi-Fi e Bluetooth devido ao uso do Bandas de 2,4 GHz e 5 GHz.

Como funciona o protocolo Z-Wave?

Para entender o funcionamento do Protocolo Z-Wave, vamos analisar o assunto em três seções principais, a saber: Arquitetura do Sistema Z-Wave, Transmissão / Recepção de Dados e Roteamento e Conexão à Internet

Arquitetura do sistema Z-Wave:

Cada rede Z-wave compreende duas grandes categorias de dispositivos;

Controlador / Mestre (s)
Escravos

O mestre normalmente serve como o host da rede Z-Wave à qual outros dispositivos (escravos) podem ser conectados. Geralmente vem com NetworkID pré-programado (às vezes chamado de HomeID) que é atribuído a cada escravo (que não vem com um ID pré-programado) quando eles são adicionados à rede através de um processo chamado “inclusão ”. Além do HomeID, para cada dispositivo adicionado à rede Z-wave, um ID chamado NodeID é geralmente atribuído pelo controlador. O NodeID é único em cada rede (para cada HomeID), como tal, é usado para endereçar e principalmente reconhecer cada dispositivo em uma rede particular.

A inclusão é semelhante em intenção a como um roteador atribui endereços IP a dispositivos em sua rede, enquanto os mestres são semelhantes a roteadores / gateways / Hubs de dispositivo, com a única diferença sendo a relação de malha que os mestres têm com os escravos na rede. Para remover nós de uma rede Z-Wave, um processo denominado “ Exclusão ” é executado. Durante a exclusão, o ID da casa e o ID do nó são excluídos do dispositivo. O dispositivo é redefinido para o estado padrão de fábrica (os controladores têm seu próprio ID de Home e os escravos não têm ID de Home).

O HomeID e o NodeID mencionados acima são os dois sistemas de identificação definidos pelo protocolo Z-wave para fácil organização da rede Z-wave.

O HomeID é a identificação comum de todos os nós que fazem parte de uma rede Z-Wave específica, enquanto o NodeID é o endereço de nós individuais em uma rede.

Os HomeIDs são geralmente pré-programados e exclusivos, e definem a rede Z-wave particular. Eles vêm em um comprimento de 32 bits, o que significa que é possível criar até 4 bilhões (2 ^ 32) de HomeIDs diferentes e redes de ondas Z diferentes. A ID do nó, por outro lado, tem apenas um byte (8 bits) de comprimento, o que significa que poderíamos ter até 256 (2 ^ 8) nós em uma rede.

Além de permitir o endereçamento fácil de nós, o sistema de identificação ajuda a evitar interferência em redes de ondas Z porque dois nós com HomeIDs diferentes não podem se comunicar, mesmo que tenham o mesmo NodeID. Isso significa que você pode implantar duas redes de ondas Z lado a lado sem que uma carta interferente da Rede A seja recebida por B.

Transmissão, recepção e roteamento de dados:

Em redes sem fio típicas, o controlador central / mestre tem uma conexão direta sem fio um-para-um com os nós da rede. Por mais útil que seja esse arranjo para esses protocolos, ele cria uma limitação em torno da transmissão de dados de tal forma que o “Dispositivo A” não será capaz de interagir com o “Dispositivo B” se houver uma quebra no link entre qualquer um deles e o mestre. No entanto, este não é o caso das ondas Z, graças à sua topologia de rede Mesh e à capacidade dos nós da onda Z de encaminhar e repetir mensagens para outros nós. Isso garante que a comunicação possa ser feita para todos os nós em uma rede, mesmo quando eles não estão no alcance direto do controlador. Para entender melhor isso, considere a imagem abaixo;

A ilustração da rede de ondas Z mostra que o controlador pode se comunicar diretamente com os dispositivos 1, 2 e 4, enquanto o Nó 6 está fora de seu alcance de rádio. No entanto, devido aos recursos descritos anteriormente, o Nó 2 assumirá um status de repetidor / encaminhador e estenderá o intervalo do controlador até o Nó 6, de modo que qualquer mensagem que vá para o Nó 6 será passada através do Nó 2. Nós como o Nó 2 em grandes redes são chamados de rotas e contribuem para a flexibilidade e robustez das redes Z-wave. Para determinar qual das rotas as mensagens devem viajar para chegar a um determinado Nó, as redes Z-wave usam uma ferramenta chamada tabela de roteamento.

Cada nó em uma rede de onda Z é capaz de determinar os outros nós (chamados de vizinhos) em sua área de cobertura sem fio direta e durante a Inclusão ou posteriormente, o nó informa o controlador sobre esses vizinhos. Usando a lista de vizinhos de cada nó, o controlador cria uma tabela de roteamento que é usada para mapear rotas para nós que estão fora do alcance sem fio direto do controlador.

É importante observar que nem todos os nós podem ser configurados como encaminhadores. O protocolo Z-wave só permite que os nós plugados (não alimentados por bateria) sirvam como “nós de roteamento”.

Conectando-se à Internet:

Usando a recente abordagem “Gateway / Aggregator” por outros protocolos, um sistema Z-Wave pode ser controlado via Internet usando um gateway Z-Wave ou dispositivo controlador (mestre) que serve como controlador de hub e portal para o exterior. Um exemplo disso é o Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Z-Wave Alliance

Embora os primeiros dispositivos baseados em Z-wave tenham sido lançados já em 1999, a tecnologia não pegou até 2005, quando um grupo de empresas, incluindo a gigante da automação residencial Leviton, Danfoss e Ingersoll-Rand, adotou o Z-Wave e formou uma aliança chamada de Aliança Z-Wave.

A aliança foi formada para promover o uso e a interoperabilidade da tecnologia Z-Wave e dispositivos baseados nela. Em linha com isso, a aliança desenvolve e mantém o padrão Z-Wave e certifica todos os dispositivos baseados em Z-Wave para garantir que estejam em conformidade com o padrão. A aliança começou com 5 empresas membros, mas agora tem mais de 600 empresas que produzem mais de 2600 dispositivos certificados Z-Wave.

Diferença entre Z-Wave e outros protocolos

Para entender por que faz sentido ter outro protocolo de comunicação como o Z-wave, iremos compará-lo com alguns outros protocolos de comunicação usados em automação residencial, incluindo; Bluetooth, WiFi e Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

A vantagem mais pronunciada do Z-Wave sobre o Bluetooth é o alcance. As ondas Z têm uma área de cobertura efetivamente maior do que o Bluetooth. Além disso, os sinais Bluetooth são propensos a interferências e interrupções porque enviam e recebem informações na banda de 2,4 GHz, competindo assim por largura de banda com dispositivos baseados em WiFi que usam a mesma banda de frequência.

Com a onda Z, em vez de tornar a rede mais lenta ou barulhenta, cada repetidor de sinal de onda Z trabalha em conjunto para tornar a rede mais forte, de modo que, quanto mais dispositivos você tiver, mais fácil será criar uma rede robusta, capaz de contornar obstáculos.

Z-wave vs WiFi:

Como o Bluetooth, as redes baseadas em WiFi também são suscetíveis a interferências, interrupções e problemas relacionados ao alcance e, como tal, funcionam abaixo das redes baseadas na onda Z sob essas circunstâncias.

Além de competir por largura de banda com dispositivos Bluetooth, os dispositivos WiFi também competem entre si e isso pode afetar a intensidade do sinal e a velocidade da rede em casas onde muitos dispositivos são baseados em WiFi. Este não é o caso da onda Z, pois a rede floresce com a adição de mais dispositivos à rede.

Dispositivos baseados em WiFi, no entanto, têm uma vantagem em comparação com as ondas Z. Eles são capazes de enviar informações maiores, como streams de vídeo HD e muito mais, enquanto as redes baseadas em ondas Z são capazes de lidar com pequenos bytes de dados, como dados do sensor ou instruções para ligar / desligar uma lâmpada.

Z-wave vs. Zigbee:

Zigbee é outra tecnologia sem fio e, como a onda Z, foi projetada com automação residencial e redes de sensores sem fio próximas em mente. Como o Z-wave, ele é baseado na topologia de rede Mesh e cada dispositivo em uma rede Zigbee ajuda a fortalecer o sinal. No entanto, ao contrário da onda Z, ele opera na banda de frequência de 2,4 GHz, o que significa que também compete por largura de banda com WiFi e Bluetooth e também pode estar sujeito a interferências e desafios de velocidade de rede associados a eles.

Outra diferença cujo significado deixarei que você decida é o fato de que, enquanto o Z-Wave é uma tecnologia proprietária (embora haja planos para tornar o software de código aberto), o Zigbee é de código aberto.

Vantagens e desvantagens do Z-Wave

Como todas as coisas, Z-Wave tem vantagens e desvantagens. Vamos discuti-los um após o outro.

Profissionais do Z-Wave

Algumas das vantagens das ondas Z incluem;

A capacidade de suportar 232 dispositivos em teoria e pelo menos 50 na prática.
Os sinais podem viajar até 50 pés dentro de casa permitindo obstruções e até 30 metros desobstruídos. Este alcance é consideravelmente estendido ao ar livre. Com os quatro saltos entre os dispositivos aumentando ainda mais o alcance, a cobertura não será um problema em casas conectadas em expansão.
A aliança Z-wave é composta por até 600 fabricantes que produzem mais de 2600 dispositivos certificados para garantir a compatibilidade.
Menos interferência devido à banda ISM que está sendo usada.
Menos pontos mortos em comparação com outras redes, graças à topologia de malha robusta
É acessível e fácil de usar.

Contras Z-Wave

Ao contrário de alguns dos outros protocolos de comunicação, o Z-Waves foi projetado especificamente para uso em aplicações de automação residencial, como tal, foi feito sob medida para as necessidades da aplicação e apresenta poucas desvantagens. No entanto, os limites viáveis de 50 dispositivos, em vez do 232 nocional, podem ser um desafio em casas onde mais de 50 dispositivos precisam ser implantados.

Além disso, sua incapacidade de sustentar a transferência de grandes bytes de dados o torna não tão útil em aplicações como vigilância por vídeo, onde megabytes de dados precisam ser transmitidos entre os dispositivos finais.

Conclusão

As ondas Z são para a automação residencial o que LoRa é para o cenário mais amplo da IoT. A maior vantagem que tem sobre todos os outros protocolos do nicho de Domótica é o facto de ter sido desenhado para esse nicho. Isso significa que geralmente terá um desempenho melhor do que outros protocolos que foram projetados para um consumo mais amplo e terá um desempenho relativamente bom para, pelo menos, 80% das aplicações nesse nicho.