Fala Z — Z-Wave

Fala Z

Międzynarodowy standard	Zakres częstotliwości radiowych 800-900 MHz
Opracowany przez	Zensys
Wprowadzono	1999 ( 1999 )
Przemysł	Automatyka domowa
Zasięg fizyczny	100 metrów
Strona internetowa	https://www.z-wave.com

Z-Wave to protokół komunikacji bezprzewodowej wykorzystywany przede wszystkim w automatyce domowej . Jest to sieć kratowa wykorzystująca fale radiowe o niskiej energii do komunikacji od urządzenia do urządzenia, umożliwiająca bezprzewodowe sterowanie urządzeniami mieszkalnymi i innymi urządzeniami, takimi jak sterowanie oświetleniem, systemy bezpieczeństwa, termostaty, okna, zamki, baseny i otwieracze drzwi garażowych . Podobnie jak inne protokoły i systemy skierowane na rynek automatyki domowej i biurowej, systemem Z-Wave można sterować przez Internet za pomocą smartfona, tabletu lub komputera, a lokalnie za pomocą inteligentnego głośnika, bezprzewodowego pilota lub panelu naściennego z bramą Z-Wave lub centralnym urządzeniem sterującym pełniącym rolę zarówno kontrolera koncentratora, jak i portalu na zewnątrz. Z-Wave zapewnia interoperacyjność warstwy aplikacji pomiędzy systemami sterowania domami różnych producentów, którzy są częścią jej sojuszu. Istnieje coraz więcej interoperacyjnych produktów Z-Wave; ponad 1700 w 2017 roku i ponad 2600 do 2019 roku.

Historia

Protokół Z-Wave został opracowany przez Zensys, duńską firmę z siedzibą w Kopenhadze , w 1999 roku. W tym samym roku Zensys wprowadził konsumencki system kontroli światła, który przekształcił się w Z-Wave jako zastrzeżony system automatyki domowej na chipie (SoC). protokół na nielicencjonowanym paśmie częstotliwości w zakresie 900 MHz. Jego chipset serii 100 został wydany w 2003 roku, a jego seria 200 została wydana w maju 2005 roku, z chipem ZW0201 oferującym wysoką wydajność przy niskich kosztach. Jego układ z serii 500, znany również jako Z-Wave Plus, został wydany w marcu 2013 roku, z czterokrotnie większą pamięcią, lepszym zasięgiem bezprzewodowym i dłuższą żywotnością baterii. Technologia ta zaczęła się stosować w Ameryce Północnej około 2005 roku, kiedy pięć firm, w tym Danfoss , Ingersoll-Rand i Leviton Manufacturing , przyjęło technologię Z-Wave. Utworzyli Z-Wave Alliance, którego celem jest promowanie korzystania z technologii Z-Wave, przy czym wszystkie produkty firm wchodzących w skład sojuszu są interoperacyjne. W 2005 roku Bessemer Venture Partners poprowadził trzecią rundę rozsiewającą dla Zensys o wartości 16 milionów dolarów. W maju 2006 r. Intel Capital ogłosił, że inwestuje w Zensys, kilka dni po przystąpieniu Intela do Z-Wave Alliance. W 2008 roku Zensys otrzymał inwestycje od Panasonic , Cisco Systems , Palamon Capital Partners i Sunstone Capital.

Z-Wave została przejęta przez Sigma Designs w grudniu 2008 roku. Po przejęciu amerykańska siedziba Z-Wave w Fremont w Kalifornii została połączona z siedzibą główną Sigma w Milpitas w Kalifornii . W ramach zmian, udziały w znakach towarowych w Z-Wave zostały zachowane w Stanach Zjednoczonych przez Sigma Designs i przejęte przez spółkę zależną Grupy Aeotec w Europie. 23 stycznia 2018 r. Sigma ogłosiła, że ​​planuje sprzedaż technologii i aktywów biznesowych Z-Wave firmie Silicon Labs za 240 mln USD, a sprzedaż została zakończona 18 kwietnia 2018 r.

W 2005 roku na rynku było sześć produktów wykorzystujących technologię Z-Wave. Do 2012 roku, gdy technologia inteligentnego domu stawała się coraz bardziej popularna, w Stanach Zjednoczonych dostępnych było około 600 produktów wykorzystujących technologię Z-Wave. Od stycznia 2019 r. istnieje ponad 2600 produktów interoperacyjnych z certyfikatem Z-Wave.

Interoperacyjność

Współdziałanie Z-Wave w warstwie aplikacji zapewnia, że ​​urządzenia mogą współdzielić informacje i umożliwia współpracę całego sprzętu i oprogramowania Z-Wave. Technologia bezprzewodowej sieci kratowej umożliwia każdemu węzłowi bezpośrednią lub pośrednią komunikację z sąsiednimi węzłami, kontrolując dodatkowe węzły. Węzły znajdujące się w zasięgu komunikują się ze sobą bezpośrednio. Jeśli nie znajdują się w zasięgu, mogą połączyć się z innym węzłem znajdującym się w zasięgu zarówno w celu uzyskania dostępu, jak i wymiany informacji. We wrześniu 2016 r. niektóre części technologii Z-Wave zostały udostępnione publicznie, kiedy ówczesny właściciel Sigma Designs wydał publiczną wersję warstwy interoperacyjności Z-Wave, z oprogramowaniem dodanym do biblioteki open-source Z-Wave. Dostępność open source pozwala twórcom oprogramowania na integrację Z-Wave z urządzeniami z mniejszymi ograniczeniami. Bezpieczeństwo Z-Wave S2, Z/IP do przesyłania sygnałów Z-Wave w sieciach IP oraz oprogramowanie pośredniczące Z-Ware są od 2016 roku oprogramowaniem typu open source.

Standardy i sojusz Z-Wave

Z-Wave Alliance powstało w 2005 roku jako konsorcjum firm, które wytwarzają podłączone urządzenia sterowane za pomocą aplikacji na smartfonach, tabletach lub komputerach przy użyciu bezprzewodowej technologii sieci kratowej Z-Wave. Sojusz jest formalnym stowarzyszeniem skupiającym się zarówno na ekspansji Z-Wave, jak i ciągłej interoperacyjności każdego urządzenia wykorzystującego Z-Wave.

W październiku 2013 r. ogłoszono nowy program certyfikacji protokołu i interoperacyjności o nazwie Z-Wave Plus, oparty na nowych funkcjach i wyższych standardach interoperacyjności połączonych razem i wymaganych dla systemu z serii 500 na chipie (SoC) oraz obejmujący niektóre funkcje, które zostały dostępne od 2012 roku dla układów SoC z serii 300/400. W lutym 2014 roku pierwszy produkt został certyfikowany przez Z-Wave Plus. Sojusz ma na celu stworzenie dla inteligentnego domu bezpiecznej sieci mesh, która działa na różnych platformach.

Z-Wave został zaprojektowany, aby zapewnić niezawodną komunikację i działanie między urządzeniami i obiektami wyposażonymi w czujniki różnych producentów w Z-Wave Alliance, który składa się z ponad 700 członków. Do głównych członków sojuszu należą ADT Corporation , Assa Abloy , Jasco, Leedarson, LG Uplus , Nortek Security & Control, Ring , Silicon Labs , SmartThings , Trane Technologies i Vivint .

W 2016 r. Sojusz uruchomił program szkolenia dla certyfikowanych instalatorów Z-Wave, aby zapewnić instalatorom, integratorom i sprzedawcom narzędzia do wdrażania sieci i urządzeń Z-Wave w ich pracach mieszkaniowych i komercyjnych. W tym samym roku Alliance ogłosiła Z-Wave Certified Installer Toolkit (Z-CIT), urządzenie do diagnostyki i rozwiązywania problemów, które może być używane podczas konfiguracji sieci i urządzenia, a także może działać jako narzędzie do zdalnej diagnostyki.

Z-Wave Alliance utrzymuje program certyfikacji Z-Wave. Certyfikacja Z-Wave składa się z dwóch elementów: certyfikacja techniczna zarządzana przez Silicon Labs oraz certyfikacja rynkowa zarządzana przez Z-Wave Alliance.

Charakterystyka techniczna

Częstotliwości radiowe

Z-Wave został zaprojektowany, aby zapewnić niezawodną transmisję małych pakietów danych z małymi opóźnieniami z szybkością do 100kbit/s. Przepustowość wynosi 40 kbit/s (9,6 kbit/s przy użyciu starych chipów) i jest odpowiednia do zastosowań związanych ze sterowaniem i czujnikami, w przeciwieństwie do Wi-Fi i innych bezprzewodowych systemów LAN opartych na IEEE 802.11 , które są zaprojektowane głównie z myślą o dużych szybkościach transmisji danych. Odległość komunikacyjna między dwoma węzłami wynosi około 30 metrów (40 metrów z chipem serii 500), a dzięki możliwości przeskoku wiadomości do czterech razy między węzłami zapewnia wystarczający zasięg dla większości domów mieszkalnych. Modulacja to kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK) z kodowaniem Manchester .

Z-Wave korzysta z nielicencjonowanego pasma przemysłowego, naukowego i medycznego ( ISM ) Part 15 . Działa na częstotliwości 868,42 MHz w Europie, na 908,42 MHz w Ameryce Północnej i wykorzystuje inne częstotliwości w innych krajach, w zależności od ich przepisów. Pasmo to konkuruje z niektórymi telefonami bezprzewodowymi i innymi urządzeniami elektroniki użytkowej, ale pozwala uniknąć zakłóceń z Wi-Fi , Bluetooth i innymi systemami, które działają w zatłoczonym paśmie 2,4 GHz . Niższe warstwy, MAC i PHY, są opisane przez ITU-T G.9959 i są w pełni kompatybilne wstecz. W 2012 roku Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) uwzględnił warstwy Z-Wave PHY i MAC jako opcję w swoim standardzie G.9959 dla urządzeń bezprzewodowych poniżej 1 GHz. Szybkości transmisji danych obejmują 9600 bps i 40 kb/s, przy mocy wyjściowej 1 mW lub 0 dBm. Chipy nadawczo-odbiorcze Z-Wave są dostarczane przez Silicon Labs .

Tabela używanych częstotliwości w różnych częściach świata:

Konfiguracja sieci, topologia i routing

Z-Wave wykorzystuje architekturę sieci mesh z routingiem źródłowym . Sieci mesh są również znane jako bezprzewodowe sieci ad hoc . W takich sieciach urządzenia wykorzystują kanał bezprzewodowy do wysyłania komunikatów sterujących, które są następnie przekazywane przez sąsiednie urządzenia w sposób podobny do fali. Urządzenie źródłowe, które chce transmitować, jest zatem nazywane inicjatorem. Stąd nazwa inicjowanego przez źródło routingu siatki ad hoc. Na początku lat 90. zaproponowano kilka protokołów routingu inicjowanego przez źródło. Wcześniejsze to routing wektora odległości na żądanie (AODV) i dynamiczny routing źródła (DSR).

Urządzenia mogą komunikować się ze sobą za pomocą węzłów pośrednich do aktywnego obchodzenia i omijania przeszkód domowych lub martwych punktów radiowych, które mogą wystąpić w wielościeżkowym środowisku domu. Wiadomość z węzła A do węzła C może zostać pomyślnie dostarczona, nawet jeśli dwa węzły nie znajdują się w zasięgu, pod warunkiem, że trzeci węzeł B może komunikować się z węzłami A i C. Jeśli preferowana trasa jest niedostępna, nadawca wiadomości spróbuje użyć innych tras dopóki nie zostanie znaleziona ścieżka do węzła C. Dlatego sieć Z-Wave może rozciągać się znacznie dalej niż zasięg radiowy pojedynczej jednostki; jednakże w przypadku kilku takich przeskoków można wprowadzić niewielkie opóźnienie między poleceniem sterującym a pożądanym wynikiem.

Najprostsza sieć to pojedyncze sterowane urządzenie i główny kontroler. W dowolnym momencie można dodać dodatkowe urządzenia, podobnie jak kontrolery dodatkowe, w tym tradycyjne kontrolery ręczne, kontrolery breloczków, kontrolery naścienne i aplikacje PC przeznaczone do zarządzania i sterowania siecią Z-Wave. Sieć Z-Wave może składać się z maksymalnie 232 urządzeń, z opcją mostkowania sieci, jeśli potrzeba więcej urządzeń.

Urządzenie musi być „włączone” do sieci Z-Wave, zanim będzie mogło być sterowane przez Z-Wave. Ten proces (znany również jako „parowanie” i „dodawanie”) jest zwykle realizowany przez naciśnięcie sekwencji przycisków na kontrolerze i urządzeniu dodawanym do sieci. Tę sekwencję należy wykonać tylko raz, po czym urządzenie jest zawsze rozpoznawane przez kontroler. W podobny sposób można usunąć urządzenia z sieci Z-Wave. Kontroler uczy się siły sygnału między urządzeniami podczas procesu dołączania, dlatego architektura oczekuje, że urządzenia znajdą się w zamierzonej ostatecznej lokalizacji przed dodaniem ich do systemu. Zazwyczaj kontroler ma małą wewnętrzną baterię podtrzymującą , dzięki czemu można go chwilowo odłączyć i przenieść w miejsce nowego urządzenia w celu sparowania. Kontroler jest następnie przywracany do normalnej lokalizacji i ponownie podłączony.

Każda sieć Z-Wave jest identyfikowana przez identyfikator sieci, a każde urządzenie jest dodatkowo identyfikowane przez identyfikator węzła. Identyfikator sieci (zwany również Home ID) to wspólna identyfikacja wszystkich węzłów należących do jednej logicznej sieci Z-Wave. Identyfikator sieci ma długość 4 bajtów (32 bity) i jest przypisywany każdemu urządzeniu przez główny kontroler, gdy urządzenie jest „włączone” do sieci. Węzły z różnymi identyfikatorami sieci nie mogą komunikować się ze sobą. Identyfikator węzła to adres pojedynczego węzła w sieci. Identyfikator węzła ma długość 1 bajta (8 bitów) i musi być unikalny w jego sieci.

Chip Z-Wave jest zoptymalizowany pod kątem urządzeń zasilanych bateryjnie i przez większość czasu pozostaje w trybie oszczędzania energii, aby zużywać mniej energii, budząc się tylko po to, by wykonać swoją funkcję. Dzięki sieciom mesh Z-Wave każde urządzenie w domu odbija sygnały bezprzewodowe po całym domu, co skutkuje niskim zużyciem energii, pozwalając urządzeniom pracować przez lata bez konieczności wymiany baterii. Aby jednostki Z-Wave mogły kierować niechciane wiadomości, nie mogą znajdować się w trybie uśpienia. Dlatego urządzenia zasilane bateryjnie nie są projektowane jako wzmacniacze sygnału. Urządzenia mobilne, takie jak piloty, są również wykluczone, ponieważ Z-Wave zakłada, że ​​wszystkie urządzenia obsługujące wzmacniaki w sieci pozostają w pierwotnie wykrytej pozycji.

Bezpieczeństwo

Z-Wave opiera się na zastrzeżonym projekcie, wspieranym przez Sigma Designs jako głównego dostawcę chipów, ale jednostka biznesowa Z-Wave została przejęta przez Silicon Labs w 2018 roku. W 2014 roku Mitsumi stało się licencjonowanym drugim źródłem dla serii Z-Wave 500 frytki. Chociaż przeprowadzono wiele akademickich i praktycznych badań nad bezpieczeństwem systemów automatyki domowej opartych na protokołach Zigbee i X10 , badania nad analizą warstw stosu protokołów Z-Wave są wciąż w powijakach, co wymaga zaprojektowania urządzenia do przechwytywania pakietów radiowych i powiązanych oprogramowanie do przechwytywania komunikacji Z-Wave. Wczesną lukę w zabezpieczeniach zamków do drzwi Z-Wave zaszyfrowanych algorytmem AES można było wykorzystać do zdalnego otwierania drzwi bez znajomości kluczy szyfrujących, a ze względu na zmienione klucze kolejne komunikaty sieciowe, takie jak „drzwi są otwarte”, być ignorowane przez ustanowionego kontrolera sieci. Luka ta nie była spowodowana błędem w specyfikacji protokołu Z-Wave, ale była błędem implementacyjnym producenta zamków do drzwi.

17 listopada 2016 r. organizacja Z-Wave Alliance ogłosiła zaostrzone standardy bezpieczeństwa dla urządzeń, które otrzymały certyfikat Z-Wave od 2 kwietnia 2017 r. Znany jako Security 2 (lub S2), zapewnia zaawansowane zabezpieczenia inteligentnych urządzeń domowych, bram i koncentratorów . Wzmacnia standardy szyfrowania transmisji między węzłami i nakazuje nowe procedury parowania dla każdego urządzenia, z unikalnymi kodami PIN lub QR na każdym urządzeniu. Nowa warstwa uwierzytelniania ma na celu uniemożliwienie hakerom przejęcia kontroli nad niezabezpieczonymi lub słabo zabezpieczonymi urządzeniami. Według organizacji Z-Wave Alliance, nowy standard bezpieczeństwa to najbardziej zaawansowane dostępne na rynku zabezpieczenia dla inteligentnych urządzeń domowych i kontrolerów, bramek i koncentratorów. Jednak ze względu na kompatybilność wsteczną urządzenia S2 są nadal podatne na ataki podczas procesu parowania.

Sprzęt komputerowy

Chip dla węzłów Z-Wave to ZW0500, zbudowany wokół mikrokontrolera Intel MCS-51 z wewnętrznym zegarem systemowym 32 MHz. Część RF chipa zawiera transceiver GisFSK dla częstotliwości wybieranej programowo. Przy zasilaniu 2,2-3,6 V pobiera 23 mA w trybie nadawania. Jego funkcje obejmują szyfrowanie AES-128, kanał bezprzewodowy 100 kb/s, jednoczesne słuchanie na wielu kanałach i obsługę USB VCP.

Porównanie z innymi protokołami

W przypadku inteligentnych sieci bezprzewodowych w domu istnieje wiele technologii konkurujących o miano standardu z wyboru. Wi-Fi zużywa dużo energii, a Bluetooth ma ograniczony zasięg sygnału i liczbę urządzeń. Inne standardy sieciowe konkurujące z Z-Wave to Wi-Fi HaLow , Bluetooth 5, Insteon , Thread i ZigBee . Z-Wave ma duży zasięg działania na wolnym powietrzu, 90 metrów (na zewnątrz) i ponad 24 metry (wewnątrz). Insteon może teoretycznie adresować dużą liczbę urządzeń – 16,7 miliona (w porównaniu z 65 000 ZigBee i 232 Z-Wave). Wątek ma szybką transmisję danych na poziomie 250 kbps. Z-Wave ma lepszą interoperacyjność niż ZigBee, ale ZigBee ma większą szybkość transmisji danych. Thread i Zigbee działają na ruchliwej standardowej częstotliwości Wi-Fi 2,4 GHz, podczas gdy Z-Wave działa na 908 MHz w USA, co ma zmniejszony poziom szumów i większy obszar zasięgu. Wszystkie trzy to sieci typu mesh. Z-Wave MAC/PHY jest globalnie standaryzowany przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną jako radio ITU 9959, a specyfikacje Z-Wave Interoperability, Security (S2), Middleware i Z-Wave over IP zostały udostępnione publicznie w 2016 roku, uczynienie Z-Wave wysoce dostępnym dla twórców Internetu Rzeczy .

Zobacz też

• Belkin Wemo
• Bluetooth 5
• Insteon
• Wątek (protokół sieciowy)
• UPB
• Wi-Fi
• Wi-Fi HaLow
• Zigbee
• X10 (standard branżowy)

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Oficjalna strona internetowa