Entendiendo z

A medida que aumentaban las aplicaciones basadas en redes de sensores inalámbricos, automatización del hogar e IoT, se hacía evidente la necesidad de un protocolo de comunicación alternativo además de los protocolos habituales de Bluetooth, Wi-Fi y GSM. Varias tecnologías como Zigbee y Bluetooth Low Energy (BLE) se desarrollaron como alternativas, pero una tecnología destacada, desarrollada para servir específicamente a aplicaciones de automatización del hogar fue Z-Wave. En el artículo de hoy, examinaremos los aspectos técnicos de Z-wave, sus características diferenciadoras, el estándar y mucho más.

¿Qué es Z-Wave?

Z-Wave es un protocolo de comunicaciones inalámbricas desarrollado principalmente para su uso en aplicaciones de domótica. Fue desarrollado en 1999 por Zensys con sede en Copenhague como una actualización de un sistema de control de iluminación para el consumidor que crearon. Fue diseñado para proporcionar la transmisión confiable y de baja latencia de pequeños paquetes de datos utilizando ondas de radio de baja energía a velocidades de datos de hasta 100 kbit / s con un rendimiento de hasta 40 kbit / s (9,6 kbit / s con chips antiguos) y son Adecuado para aplicaciones de control y sensores.

Según la topología de la red en malla y operando dentro de la banda de frecuencia ISM sin licencia de 800-900MHz (la frecuencia real varía), los dispositivos basados ​​en Z-Wave pueden alcanzar una distancia de comunicación de hasta 40 metros, con la capacidad adicional de que los mensajes salten entre hasta 4 nodos. Todas estas características lo convierten en un protocolo de comunicación adecuado para aplicaciones de automatización del hogar como control de iluminación, termostatos, controles de ventanas, cerraduras, abrepuertas de garaje y muchos más, al tiempo que evita las congestiones problemáticas asociadas con Wi-Fi y Bluetooth debido a su uso del Bandas de 2.4GHz y 5GHz.

¿Cómo funciona el protocolo Z-Wave?

Para comprender el funcionamiento del protocolo Z-Wave, analicemos el tema en tres secciones principales, a saber, la arquitectura del sistema Z-Wave, la transmisión / recepción de datos y el enrutamiento y la conexión a Internet.

Arquitectura del sistema Z-Wave:

Cada red Z-wave se compone de dos amplias categorías de dispositivos;

1. Controlador / Maestro (s)
2. Esclavos

El maestro normalmente sirve como anfitrión de la red Z-Wave a la que se pueden conectar otros dispositivos (esclavos). Por lo general, viene con NetworkID preprogramado (a veces llamado HomeID) que se asigna a cada esclavo (que no viene con un ID preprogramado) cuando se agregan a la red a través de un proceso llamado "inclusión ". Además del HomeID, para cada dispositivo agregado a la red Z-wave, el controlador generalmente asigna un ID llamado NodeID. El NodeID es único en cada red (para cada HomeID), como tal, se usa para direccionar y reconocer principalmente cada dispositivo en una red en particular.

La inclusión es similar en la intención a cómo un enrutador asigna direcciones IP a los dispositivos en su red, mientras que los maestros son similares a los enrutadores / puertas de enlace / Hubs de dispositivos, con la única diferencia de que la relación de malla que los maestros tienen con los esclavos en la red. Para eliminar nodos de una red Z-Wave se realiza un proceso llamado " Exclusión ". Durante la exclusión, el ID de inicio y el ID de nodo se eliminan del dispositivo. El dispositivo se restablece al estado predeterminado de fábrica (los controladores tienen su propia ID de casa y los esclavos no tienen ID de casa).

HomeID y NodeID mencionados anteriormente son los dos sistemas de identificación definidos por el protocolo Z-wave para una fácil organización de la red Z-wave.

El HomeID es la identificación común de todos los nodos que forman parte de una red Z-Wave particular, mientras que el NodeID es la dirección de los nodos individuales dentro de una red.

Los HomeID suelen estar preprogramados y son únicos, y definen la red Z-wave particular. Vienen en una longitud de 32 bits, lo que significa que es posible crear hasta 4 mil millones (2 ^ 32) diferentes HomeID y diferentes redes de ondas Z. El ID de nodo, por otro lado, tiene solo un byte (8 bits) de longitud, lo que significa que podríamos tener hasta 256 (2 ^ 8) nodos en una red.

Además de permitir un fácil direccionamiento de los nodos, el sistema de identificación ayuda a evitar la interferencia en las redes de ondas Z porque dos nodos con diferentes HomeID no pueden comunicarse incluso si tienen el mismo NodeID. Esto significa que puede implementar dos redes z-wave una al lado de la otra sin que una carta interferente de la red A sea recibida por B.

Transmisión, recepción y enrutamiento de datos:

En las redes inalámbricas típicas, el controlador / maestro central tiene una conexión inalámbrica directa uno a uno con los nodos de la red. Tan útil como es esa disposición para esos protocolos, crea una limitación en torno a la transmisión de datos de tal manera que el "Dispositivo A" no podrá interactuar con el "Dispositivo B" si hay una ruptura en el enlace entre cualquiera de ellos y el maestro. Sin embargo, este no es el caso de las ondas Z gracias a su topología de red en malla y la capacidad de los nodos de ondas Z para reenviar y repetir mensajes a otros nodos. Esto garantiza que se pueda establecer comunicación con todos los nodos de una red, incluso cuando no se encuentren en el rango directo del controlador. Para comprender mejor esto, considere la imagen a continuación;

La ilustración de la red Z-wave muestra que el controlador puede comunicarse directamente con los dispositivos 1, 2 y 4, mientras que el nodo 6 está fuera de su alcance de radio. Sin embargo, debido a las características descritas anteriormente, el Nodo 2 asumirá un estado de repetidor / reenviador y extenderá el rango del controlador al Nodo 6 de manera que cualquier mensaje que se dirija al Nodo 6 pasará a través del Nodo 2. Nodos como el Nodo 2 en redes grandes se llaman rutas y contribuyen a la flexibilidad y robustez de las redes Z-wave. Para determinar cuál de las rutas deben viajar los mensajes para llegar a un nodo en particular, las redes Z-wave utilizan una herramienta llamada tabla de enrutamiento.

Cada nodo en una red Z-wave puede determinar los otros nodos (llamados Vecinos) en su área de cobertura inalámbrica directa y durante la Inclusión o más tarde, el nodo informa al controlador acerca de estos vecinos. Usando la lista de vecinos de cada nodo, el controlador crea una tabla de enrutamiento que se usa para mapear rutas a nodos que están fuera del rango inalámbrico directo del controlador.

Es importante tener en cuenta que no todos los nodos se pueden configurar como reenviadores. El protocolo Z-wave solo permite que los nodos que están enchufados (no alimentados por batería) sirvan como "nodos de enrutamiento".

Conectarse a Internet:

Utilizando el reciente enfoque de "Gateway / Agregador" de otros protocolos, un sistema Z-Wave se puede controlar a través de Internet utilizando una puerta de enlace Z-Wave o un dispositivo controlador (maestro) que actúa como controlador central y portal al exterior. Un ejemplo de esto es el Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

Alianza Z-Wave

Si bien los primeros dispositivos basados ​​en Z-wave se lanzaron ya en 1999, la tecnología no se puso de moda hasta 2005, cuando un grupo de empresas, incluido el gigante de la automatización del hogar Leviton, Danfoss e Ingersoll-Rand, adoptaron Z-Wave y formaron una alianza. llamada la Z-Wave Alliance.

La Alianza se formó para promover el uso y la interoperabilidad de la tecnología Z-Wave y los dispositivos basados ​​en ella. De acuerdo con esto, la alianza desarrolla y mantiene el estándar Z-Wave y certifica todos los dispositivos basados ​​en Z-Wave para garantizar que cumplan con el estándar. La alianza comenzó con 5 empresas miembro, pero ahora cuenta con más de 600 empresas que producen más de 2600 dispositivos certificados por Z-Wave.

Diferencia entre Z-Wave y otros protocolos

Para entender por qué tiene sentido tener otro protocolo de comunicación como Z-wave, lo compararemos con algunos otros protocolos de comunicación utilizados en la domótica, incluidos; Bluetooth, WiFi y Zigbee

Z-wave vs Bluetooth:

La ventaja más pronunciada de Z-Wave sobre Bluetooth es el alcance. Las ondas Z tienen un área de cobertura más grande que Bluetooth. Además, las señales de Bluetooth son propensas a sufrir interferencias e interrupciones porque envían y reciben información en la banda de 2,4 GHz, lo que compite por el ancho de banda con los dispositivos basados ​​en WiFi que utilizan la misma banda de frecuencia.

Con Z-wave, en lugar de hacer que la red sea más lenta o ruidosa, cada repetidor de señal de Z-wave trabaja en conjunto para fortalecer la red, de modo que, cuantos más dispositivos tenga, más fácil será crear una red robusta, capaz de omitir obstáculos.

Z-wave vs WiFi:

Como Bluetooth, las redes basadas en WiFi también son susceptibles a interferencias, interrupciones y problemas relacionados con el alcance y, como tales, funcionan por debajo de las redes basadas en ondas Z en esas circunstancias.

Además de competir por el ancho de banda con los dispositivos Bluetooth, los dispositivos WiFi también compiten entre sí y esto podría afectar la intensidad de la señal y la velocidad de la red en los hogares donde muchos dispositivos se basan en WiFi. Este no es el caso de Z-wave, ya que la red prospera con la adición de más dispositivos a la red.

Los dispositivos basados ​​en WiFi, sin embargo, tienen una ventaja en comparación con las ondas Z. Pueden enviar información más grande como secuencias de video HD y más, mientras que las redes basadas en ondas Z pueden manejar pequeños bytes de datos como datos de sensores o instrucciones para encender / apagar una bombilla.

Z-wave contra Zigbee:

Zigbee es otra tecnología inalámbrica y, al igual que Z-wave, se diseñó teniendo en cuenta la automatización del hogar y las redes de sensores inalámbricos cercanos. Al igual que Z-wave, se basa en la topología de la red Mesh y cada dispositivo en una red Zigbee ayuda a fortalecer la señal. Sin embargo, a diferencia de Z-wave, opera en la banda de frecuencia de 2.4GHz, lo que significa que también compite por el ancho de banda con WiFi y Bluetooth y también puede ser propenso a las interferencias y los desafíos de velocidad de la red asociados con ellos.

Otra diferencia cuyo significado dejaré que decidas es el hecho de que, si bien Z-Wave es una tecnología patentada (aunque hay planes para hacer que el software sea de código abierto), Zigbee es de código abierto.

Ventajas y desventajas de Z-Wave

Como todas las cosas, Z-Wave tiene ventajas y desventajas. Los discutiremos uno tras otro.

Ventajas de Z-Wave

Algunas de las ventajas de las ondas Z incluyen;

1. La capacidad de admitir 232 dispositivos en teoría y al menos 50 en la práctica.
2. Las señales pueden viajar hasta 50 pies en interiores permitiendo obstrucciones y hasta 100 pies sin obstrucciones. Este alcance se extiende considerablemente al aire libre. Con los cuatro saltos entre dispositivos que mejoran aún más el alcance, la cobertura no será un problema en hogares conectados en expansión.
3. La alianza Z-wave está formada por hasta 600 fabricantes que producen más de 2600 dispositivos certificados para garantizar la compatibilidad.
4. Menos interferencia debido al uso de la banda ISM.
5. Menos puntos muertos en comparación con otras redes gracias a la topología de malla robusta
6. Es asequible y fácil de usar.

Contras Z-Wave

A diferencia de algunos de los otros protocolos de comunicación, Z-Waves fue diseñado específicamente para su uso en aplicaciones de automatización del hogar, como tal, se adaptó a las necesidades de la aplicación y tiene muy pocas desventajas. Sin embargo, los límites viables de 50 dispositivos en lugar de los 232 teóricos, pueden ser un desafío en los hogares donde es necesario implementar más de 50 dispositivos.

Además, su incapacidad para mantener la transferencia de grandes bytes de datos hace que no sea tan útil en aplicaciones como la videovigilancia, donde se deben transmitir megabytes de datos entre dispositivos finales.

Conclusión

Las ondas Z son para la automatización del hogar lo que LoRa es para el panorama más amplio de IoT. La mayor ventaja que tiene sobre todos los demás protocolos en el nicho de automatización del hogar es el hecho de que fue diseñado para ese nicho. Esto significa que generalmente funcionará mejor que otros protocolos que fueron diseñados para un consumo más amplio y funcionará relativamente bien para, al menos, el 80% de las aplicaciones en ese nicho.