در موضوع هوشمند سازی ساختمان، انتخاب پروتکلهای هوشمند سازی که تحت بستر آنها تجهیز ساختمان به سیستمهای هوشمند انجام میگیرد؛ اهمیت بسیاری دارد. در جدیدترین مطلب وبلاگ مرکز هوشمند سازی آرات (اسمارتیک) به معرفی فناوری پروتکل Z-Wave پرداختیم. در این مطلب تلاش کردیم قیمت پروتکل Z-Wave، تجهیزات و مزایا و معایت پروتکل Z-Wave را به طور کامل به مخاطبانمان توضیح دهیم.
فناوری هوشمند پروتکل Z-Wave
با هوشمند سازی خانهها، فناوریهای ارتباطی هم در آنها رونق بیشتری پیدا میکنند. یکی از فناوریهای ارتباطی در رابطه با خانههای هوشمند که اخیراً پیشرفت بسیار زیادی داشته پروتکل Z-Wave یا Zigbee است. Z-Wave برند پیشرو در فراهم کردن دستگاههای هوشمند و کنترل آنها در خانههای هوشمند است. با استفاده از فناوری ارتباطی Z-Wave دستگاههای هوشمند درون خانه از طریق یک هاب هوشمند مرکزی میتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این دستگاههای هوشمند با یکدیگر ارتباط دارند و شما با استفاده از تبلت یا اسمارت فون میتوانید به اینترنت متصل شده و پروتکل Z-Wave را کنترل کنید.
حدوداٌ 20 سال از زمانی که فناوری Z-Wave در بازار عرضه شد، میگذرد. در این مدت زمانی، محصولات متنوعی از Z-Wave در بازار ارائه شدند و هرکدام از آنها دارای ویژگیهای امنیتی، دامنه پوشش، انتقال دادهها و خیلی موارد دیگر هستند که به مراتب بهتر از نسخههای قبلی هستند. ما در این متن در مورد اینکه Z-Wave چیست؟، توضیحات درباره Z-Wave پلاس، اجزای تشکیل دهنده Z-Wave، نحوه کارکرد Z-Wave ،Z-Wave دور برد، اتحاد Z-Wave، مزایا و معایب Z-Wave، هابها و نرمافزارهای Z-Wave، تفاوتهای Z-Wave با پروتکلهای ارتباطی دیگر و آینده Z-Wave صحبت خواهیم کرد. (به مطلبی که درباره ویلای هوشمند نوشتیم مراجعه شود.)
پروتکل Z-Wave چیست؟
Z-Wave یک پروتکل بیسیم است که هدف آن برقراری ارتباط دستگاههای هوشمند درون خانههای هوشمند است. کارکرد این پروتکل شبیه Zigbee است. اولین بار، یک شرکت دانمارکی در سال ۱۹۹۹ بود که ایدهی Z-Wave را بنیانگذاری کرد. پروتکل ارتباطی Z-Wave در یک خانه هوشمند میتواند دستگاههای ارتباطی مثل تاچ پنل لمسی هوشمند، سنسورها، روشنایی هوشمند، قفلهای هوشمند، سوئیچهای برق و بسیاری از دستگاههای هوشمند دیگر را با یکدیگر مرتبط سازد. (به مطلب پرده هوشمند نیز مراجعه کنید.)
با افزایش تنوع این دستگاههای هوشمند (که برای خانه هوشمند بی سیم هم کاربرد دارد) و کاربرد هرچه بیشتر آنها در خانههای هوشمند تقاضا برای استفاده از Z-Wave برای ارتباط این دستگاهها با با یکدیگر هم بیشتر میشود. خوبی Z-Wave این است که نسبت به شبکه بیسیم وایفای به برق کمتری نیاز دارد و اینکه حوزهی پوششدهی آن بسیار بیشتر از بلوتوث است. Z-Wave از امواج رادیویی کم انرژی استفاده میکند تا دستگاههای هوشمند درون خانه را با یکدیگر مرتبط سازد. Z-Wave میتواند با سرعت ۱۰۰ کیلو بایت بر ثانیه دادهها را انتقال دهد و حداکثر توان خروجی دادههای آن ۴۰ کیلوبایت بر ثانیه است.
Z-Wave یک پروتکل بیسیم است که هدف آن برقراری ارتباط دستگاههای هوشمند درون خانههای هوشمند است.
Z-Wave Plus: نسخه ارتقاء یافتهی Z-Wave
محصول Z-Wave Plus در اصل ارتقاء یافتهی، پروتکل Z-wave است که در سال 2004 ارائه شد. در این پروتکل، ویژگیهایی مثل دامنه پوشش، ویژگی بیسیم، عمر باتری و فرکانس رادیویی بهبود یافته و افزایش پیدا کردهاند. در حال حاضر، اکثر محصولات Z-wave که در بازار وجود دارند از نوع Z-Wave Plus هستند. آخرین تکنولوژی این دسته از محصولات، برنامه Z-Wave Plus V2 Certification است.
در تکنولوژی برنامه Z-Wave Plus V2 Certification چارچوب امنیتی S2 ارتقا یافته و ویژگی تنظیماتی SmartStart را در خود گنجانده است (ویژگی تنظیماتی SmartStart قابلیت اتصال و اجرا را برای خانههای هوشمند فعال میکند). در سال 2019 سری محصولات Z-Wave ۷۰۰ وارد بازار شدند؛ این سری محصولات نسبت به سری محصولات قبلی پیشرفتهتر هستند. سری محصولات Z-Wave ۷۰۰ حدوداٌ ۶۴ درصد کمتر از انرژی برق استفاده میکنند، و همینطور، میزان حافظه و قدرت پردازش دادههایشان نیز بسیار بیشتر است.
محصول Z-Wave Plus در اصل ارتقاء یافتهی، پروتکل Z-wave است که در سال 2004 ارائه شد.
آشنایی با اجزای تشکیلدهندهی پروتکل Z-Wave
اجزای تشکیلدهنده Z-Wave از دو عامل اصلی تشکیل شدهاند: یکی Controllers یا کنترلکنندهها و دیگری Slaves. معمولاً در Z-Wave حداقل یک کنترلگر اصلی و یک کنترلکننده فرعی وجود دارد. این دستگاههای کنترلگر، به عنوان گرههایی عمل میکنند که از آنها فرمانهای کنترل به دیگر اجزای شبکه Z-Wave ارسال میشود. همچنین، این فرمانها به گرههای دیگر هم ارسال میشوند.
از سوی دیگر، دستگاههای Slave در شبکه Z-Wave، به عنوان گرههایی عمل میکنند که برحسب فرمانهایی که از کنترلگرها گرفتهاند به آنها پاسخ داده و دستورات را اجرا میکنند. عملکرد دیگر دستگاههای Slave ارسال فرمانهای کنترلگرها به دیگر گرهها در شبکه است. به این صورت، کنترلگرها میتوانند با گرههایی در شبکه ارتباط برقرار کنند که در محدوده پوشش فرکانس رادیویی شبکه Z-Wave نیستند. (به مطلب سیستم امنیتی هوشمند مراجعه کنید.)
دستگاههای Slave در شبکه Z-Wave، به عنوان گرههایی عمل میکنند که برحسب فرمانهایی که از کنترلگرها گرفتهاند به آنها پاسخ داده و دستورات را اجرا میکنند.
اجزای تشکیل دهندهی پروتکل زد ویو شامل:
-
Home ID
پروتکل ارتباطی Z-Wave از شناسه منحصر به فرد ۳۲ بیتی Home ID استفاده میکند تا شبکهها را از یکدیگر جدا کنند. این شناسه منحصر به فرد در تمام دستگاههای کنترلگر در شبکه Z-Wave از پیش برنامهریزی میشود.
تمام دستگاههای Slave در شبکه احتیاج به شناسه منحصر به فرد Home ID دارند تا بتوانند با یکدیگر در این شبکه ارتباط برقرار کنند. دستگاههای کنترلگر شناسههای Home ID را به گرههای Slave و همینطور به یکدیگر ارسال میکنند. در نتیجه، در شبکه Z-Wave بیش از یک کنترلگر میتواند دستگاههای Slave را کنترل کند.
-
شناسه گره (Node ID)
شناسه گره (Node ID) هم مانند شناسه Home ID، توسط دستگاه کنترلگر در شبکه Z-Wave به دستگاههای Slave ارسال میشود. تفاوت شناسه گره با شناسه Home ID در این است که از این شناسه برای ارسال فرمان به گرههای فردی (نه گروهی) در شبکه Z-Wave استفاده میشود. شناسههای گره در شبکه Z-Wave منحصر به فرد هستند و توسط شناسههای منحصر به فرد Home ID تعریف میشوند.
-
پشته پروتکل Z-Wave
پشته پروتکل Z-Wave از لایهٔ فیزیکی، زیر لایه نظارت بر دسترسی به رسانه انتقال، لایه انتقال، لایه شبکه و لایه اعمال تشکیل شده است. این لایهها علاوه بر ارائه خدمات به لایههای دیگر، دارای عملیاتها و اهداف خود در شبکه Z-Wave هستند. برای مثال، لایه فیزیکی شبکه Z-Wave، وظایف تنظیم، کشف رمز و همچنین، گزینش کانالهای رادیو فرکانس رادیویی، انتقال و دریافت دادهها را در درون شبکه به عهده دارد.
پشته پروتکل Z-Wave از لایهٔ فیزیکی، زیر لایه نظارت بر دسترسی به رسانه انتقال، لایه انتقال، لایه شبکه و لایه اعمال تشکیل شده است.
نحوه کارکرد پروتکل Z-Wave
پروتکل ارتباطی Zigbee با دامنه فرکانس رادیویی۲٫۴ گیگا هرتز عملیاتهای خود را انجام میدهد. خوبی پروتکل ارتباطی Z-Wave این است که با اینکه دامنه فرکانس رادیویی آن کمتر است (حدود ۸۰۰ تا ۹۰۰ مگاهرتز)، در فرکانس رادیویی آن مداخلات زیادی رخ نمیدهد. در واقع، فرکانس رادیویی Z-Wave به قدرت فرکانس رادیویی محصولات Z-Wave و دامنه پوشش آن بستگی به کشوری دارد که آن محصول در آن استفاده میشود.
برای مثال، در آمریکا فرکانس رادیویی ۹۰۸٫۴۰، ۹۰۸٫۴۲ و ۹۱۶ مگاهرتز است. از سوی دیگر، فرکانس رادیویی در اروپا ۸۶۸٫۴۰، ۸۶۸٫۴۲ و ۸۶۹٫۵۸ مگاهرتز است. این تفاوت در فرکانس رادیویی در مناطق مختلف دنیا باعث میشود که میزان فرکانس رادیویی محصولات Z-Wave بسته به مناطق مورد استفادهشان متفاوت باشد.
پروتکل ارتباطی Zigbee با دامنه فرکانس رادیویی۲٫۴ گیگا هرتز عملیاتهای خود را انجام میدهد.
-
Z-Wave: پل ارتباطی بین دستگاههای هوشمند
در خانه شما کارکرد سیستم اینترنت بیسیم به این صورت است که دستگاههای هوشمند شما مثل تلفن یا کامپیوتر هم به یک قطب مرکزی متصل میشوند. اما نحوه کارکرد Z-Wave اینطور نیست و دستگاههایی که Z-Wave آنها را به یکدیگر متصل میکند تا یک شبکه توری را در خانه هوشمند تشکیل دهند.
با اینکه در خانه هوشمند یک قطب مرکزی (اینترنت بی سیم) وجود دارد که شما برای کنترل دستگاه Z-Wave از آن استفاده میکنید، خود دستگاههای هوشمند درون خانه شما مثل لامپ، سنسورها و غیره مجبور نیستند که به اینترنت بیسیم متصل شوند. این دستگاهها از ارتباطی که دستگاه Z-Wave برایشان فراهم میکند میتوانند به آن قطب مرکزی متصل شده یا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. (به سیستم مانیتورینگ هوشمند مراجعه کنید.)
پروتکل Z-Wave دور برد
محصول دستگاه Z-Wave دور برد در سال 2020 رونمایی شد. Z-Wave زود برد، قدرت سیگنال بیسیم اش حدوداً ۴ برابر دستگاههای عادی Z-Wave است. شما با دستگاه عادی Z-Wave در یک شبکه توری میتوانید حدوداً ۲۳۲ دستگاه هوشمند را که با یکدیگر مرتبط سازید. دستگاه Z-Wave دور برد برای شما این امکان را فراهم میکند تا بتوانید ۴ هزار گره ارتباطی یعنی حدود ۴ هزار دستگاه هوشمند را در شبکهٔ توری خانهتان به یکدیگر متصل کنید.
برتری دیگر محصول Z-Wave دور برد این است که، دامنه پوشش اتصال نقطه به نقطه محصول عادی Z-Wave آن حدوداٌ ۱۰۰ متر است، ولی محصول Z-Wave دور برد میتواند این میزان را تا ۴ برابر بیشتر افزایش دهد. محصولات Z-Wave با سامانههای روی تراشهها (سامانه روی تراشه، یک مدار متصل به یکدیگر است که اجزای یک سامانه الکترونیکی آن با هم ادغام شدهاند) کار میکنند تا دستگاههای هوشمند درون خانه هوشمند را به یکدیگر متصل کنند. یکی از مزایای محصول پروتکل Z-Wave دور برد این است که با این سیستم سامانه روی تراشه سازگاری دارد و میتواند تا سالهای آتی با این سیستم عملکرد خود را به خوبی انجام دهد.
محصول دستگاه Z-Wave دور برد در سال 2020 رونمایی شد.
مزایا و معایب پروتکل Z-Wave
Z-Wave یک تکنولوژی بسیار کاربردی برای مدیریت دستگاههای هوشمند در خانههای هوشمند است. طبیعتاً همان چیزی که در مورد تمام فناوریهای عصر مدرن اثبات میکند این است که استفاده از آنها مزایا و معایبی را بههمراه دارد. ما در این بخش در مورد مزایا و معایب Z-Wave صحبت میکنیم. (به خانه هوشمند اورویبو مراجعه کنید.)
مزایای پروتکل Z-Wave
نصب شبکه Z-Wave بسیار آسان است. زمانیکه شما شبکه Z-Wave را در خانه هوشمند خود نصب میکنید، اگر بخواهید که دستگاهی را به آن اضافه کنید یا از آن حذف بکنید پروسه انجام این کار هم بسیار آسان است. دستگاههای هوشمندی که در شبکه Z-Wave وجود دارند برای عملکرد خود نیاز به برق زیادی ندارند و همین باعث میشود که مصرف باتری آنها بصرفه باشد.
لوازم خانهای از راه دور و به راحتی توسط Z-Wave کنترل میشوند که کار کاربران را راحتتر میکند. اگر شما در خانهتان دستگاههای بیسیم داشته باشید یا فضایی را به وجود آورید که در آن از اینترنت اشیا IOT، استفاده میکنید، دستگاههای شبکه Z-Wave قابلیت تعامل با این دستگاهها در خانه شما را دارند. (به خانه هوشمند ABB مراجعه کنید.)
-
امنیت Z-Wave و بصرفه بودن قیمت دستگاههای آن
از دیگر مزایای Z-Wave این است که دستگاههایی که مبتنی بر فناوری Z-Wave ساخته شدهاند نسبت به دستگاههای بیسیم دیگر ارزانتر هستند و امکاناتی که Z-Wave در اختیار خانه شما قرار میدهد باعث میشود قیمت این دستگاه بسیار مناسب باشد. فناوری Z-Wave از استاندارد رمزنگاری پیشرفته نوع ۱۲۸ (یک الگوریتم استاندارد رمزنگاری پیشرفته کلید متقارن) استفاده میکند. Z-Wave با این فناوری میتواند یک شبکه بیسیم امن را برای کاربران خودش به وجود بیاورد.
معایب پروتکل Z-Wave
-
دامنه پوشش محدود و نقضهای امنیتی
یکی از معایب Z-Wave محدودیت دامنهٔ پوشش آن است. اگر شما بخواهید که منطقهٔ وسیعتری را با تکنولوژی Z-Wave پوشش بدهید احتیاج دارید که دستگاههای بیشتری از Z-Wave را در آن منطقه مستقر کنید. برای این کار شما باید تکرارگرها یا مسیر یابهایی را در آن منطقه مستقر کنید که ممکن است هزینههای شما در این مورد افزایش دهد.
تکنولوژی Z-Wave ازفرکانس رادیویی استفاده میکند و ماهیت آن بیسیم است. این مسئله دسترسی به شبکه Z-Wave را افزایش میدهد. برای همین، برای امن ساختن شبکه و جلوگیری از دسترسی افراد دیگر به آن کاربران مجبورند دانش خود در این زمینه افزایش دهند.
-
تعداد گرههای محدود داخل شبکه و سرعت پایین انتقال دادهها
پروتکل Z-Wave فقط برای توپولوژی درختی (شبکهٔ گستردهای که در آن همهٔ رایانهها یا دستگاههای هوشمند مثل شاخههای درخت به یکدیگر متصل میشوند) قابل اعمال است. همچنین، تعداد گرههایی که میتوان در شبکه Z-Wave مستقر کرد ۲۳۲ گره است. با ورود محصولات جدید آن حداکثر ۴ هزار گره را میتوان در Z-Wave مستقر کرد. درحالیکه تکنولوژی Zigbee حدود ۶۵ هزار گره را میتواند در شبکه خود بگنجاند.
سرعت ارتباط دادهها در Z-Wave از سرعت آن در Zigbee کمتر است. همین باعث میشود که از تکنولوژی Z-Wave فقط برای فعالیتهای استفاده شود که دادههای بسیار کمی را مصرف میکنند، مثل نظارت و کنترل بر دستگاههای هوشمند درون خانه.
تفاوت پروتکل Z-Wave با پروتکلهای ارتباطی Zigbee، وایفای و بلوتوث
در این بخش ما میخواهیم درمورد تفاوت پروتکل Z-Wave با پروتکلهای ارتباطی Zigbee، وایفای و بلوتوث صحبت کنیم. ما میدانیم که از این پروتکلهای ارتباطی، در خانهها و اماکن نیز استفاده میشود. در این بخش ما برخی از ویژگیهای این چهار پروتکل ارتباطی را با یکدیگر مقایسه میکنیم:
-
دامنه پوشش
دامنه پوشش دستگاههای هوشمند Zigbee و Z-Wave کیفیت خوبی دارند و دلیل این پوششدهی خوب این است که، دستگاههای هوشمند این دو پروتکل، درون خانه یک شبکه توری تشکیل میدهند. دامنه پوشش بلوتوث برد زیادی ندارد و برای همین خیلیخوب نیست. دامنه پوشش وایفای هم در صورتی خوب است که تکرار گرههای سیگنال یا شبکه وایفای، برای آن استفاده شود.
-
میزان مصرف برق
میزان مصرف برق برای فناوری Zigbee ،Z-Wave و بلوتوث کم است، اما برای وایفای این میزان زیاد است.
-
پهنای باند
پهنای باند وایفای بسیار خوب است. اما برای پروتکلهای ارتباطی بلوتوث، Zigbee و Z-Wave این ویژگی اصلاً خوب نیست.
-
میزان فرکانس رادیویی
میزان فرکانس رادیویی تکنولوژی Zigbee 2.4 گیگاهرتز است. این میزان برای Z-Wave ۹۰۸٫۴۲ مگاهرتز و برای وایفای ۲٫۴ گیگاهرتز است که به ۵ گیگاهرتز هم میتواند برسد. میزان فرکانس رادیویی بلوتوث ۲٫۴ گیگاهرتز است.
-
نیاز به یک هاب یا محور مرکزی
پروتکلهای ارتباطی Zigbee و Z-Wave به یک هاب یا محور مرکزی برای انجام عملیاتهای خود احتیاج دارند. اما سیستمهای وایفای و بلوتوث به این هاب احتیاج ندارند.
-
قیمت شبکههای دستگاههای هوشمند شبکه
قیمت دستگاههای هوشمند پروتکلهای ارتباطی Zigbee و Z-Wave زیاد است. اما این قیمت پروتکلهای ارتباطی بلوتوث و وایفای به ترتیب متوسط و کم است.
-
بخشی از مدار مجتمع
فناوریهای Zigbee، وای فای و بلوتوث بخشی از مدار مجتمع هستند اما برای فناوری Z-Wave اینطور نیست.
اتحاد Z-Wave
ایده پروتکل Z-Wave برای نخستین بار در سال 1999 مطرح و پیاده سازی شد. با این وجود، استفاده از دستگاههای Z-Wave تا سال 2005 هنوز در بازار رواج نیافته بود. در این زمان بود که پنج شرکت با یکدیگر اتحاد پروتکل Z-Wave را به وجود آوردند. مزیتی که دستگاههای Z-Wave دارند این است که آنها قابلیت تعامل با یکدیگر را دارند و در واقع، این اتحاد Z-Wave بود که باعث شد که این دستگاهها بتوانند قابلیت تعامل با یکدیگر را داشته باشند. اتحاد Z-Wave استانداردهایی را به وجود میآورد که دستگاههای Z-Wave مطابق با این استانداردها ساخته میشوند.
این استانداردها، تضمین میکنند که دستگاههای Z-Wave عملکرد خوبی داشته و با یکدیگر تعامل میکنند. هدف اتحاد پروتکل Z-Wave افزایش محبوبیت و استفاده از محصولات Z-Wave در بازار است. اکنون شرکت Silicon Labs مالک اتحاد Z-Wave است و این شرکت به نرمافزارها و دستگاههای Z-Wave مجوز میدهد. با اینکه اعضای اتحاد Z-Wave در سال 2005 فقط ۵ شرکت بودند، اکنون ۷۰۰ شرکت دیگر عضو این اتحاد هستند. تا کنون، اتحاد Z-Wave حدوداً به ۳۳۰۰ نوع محصول Z-Wave مجوز داده است.
هاب ها و نرمافزارهای Z-Wave
برای دسترسی به هابها و نرمافزارهای Z-Wave شما گزینههای زیادی دارید. اگر بهدنبال هاب برای پروتکل Z-Wave میگردید میتوانید Aeon Labs Aeotec Z-Wave Z-Stick را امتحان کنید. بسیاری از برندهایی که کیتهای Z-Wave را در بازار ارائه میدهند برای این کیتها نرمافزارهای مخصوصی را طراحی میکنند تا بتوانند دستگاههای Z-Wave را کنترل کنند. اما علاوه بر شرکتهایی که دستگاههای مخصوص Z-Wave را طراحی و به بازار عرضه میکنند، شما میتوانید به سراغ شرکتهایی مثل Wink ،Samsung ،Insteon و Abode برای دریافت نرمافزارهای مخصوص Z-Wave بروید.
چه آیندهای در انتظار پروتکل Z-Wave است؟
اتحاد Z-Wave تبدیل به یک سازمان استانداردسازی توسعه برای پروتکل Z-Wave شده است. این باعث میشود که اعضای اتحادیه، اختیارات و آزادی بیشتری برای تصمیمات در مورد آینده محصولات Z-Wave را داشته باشند. یکی از اعضای اتحاد Z-Wave اظهار کرده است که این اتحاد در تلاش بوده که تجارت محصولات پروتکل Z-Wave را به عنوان یک پلتفرم مستقل تثبیت کند. این طور که معلوم است نقش پروتکل Z-Wave در آینده در مدیریت خانههای هوشمند افزایش خواهد یافت.