فهم z

مع تزايد التطبيقات القائمة على شبكات الاستشعار اللاسلكية وأتمتة المنازل وإنترنت الأشياء ، أصبحت الحاجة إلى بروتوكول اتصال بديل إلى جانب بروتوكولات Bluetooth و Wi-Fi و GSM العادية واضحة. تم تطوير العديد من التقنيات مثل Zigbee و Bluetooth Low Energy (BLE) كبدائل ولكن تقنية واحدة مميزة تم تطويرها لخدمة تطبيقات أتمتة المنزل على وجه التحديد كانت Z-Wave. بالنسبة لمقال اليوم ، سوف ندرس الجوانب الفنية لموجة Z ، وميزاتها المميزة ، والمعيار ، وغير ذلك الكثير.

ما هو Z- الموجة

Z-Wave هو بروتوكول اتصالات لاسلكي تم تطويره أساسًا للاستخدام في تطبيقات التشغيل الآلي للمنزل. تم تطويره في عام 1999 من قبل Zensys ومقرها كوبنهاغن كترقية لنظام التحكم في ضوء المستهلك الذي قاموا بإنشائه. تم تصميمه لتوفير إرسال موثوق به بزمن وصول منخفض لحزم البيانات الصغيرة باستخدام موجات الراديو منخفضة الطاقة بمعدلات بيانات تصل إلى 100 كيلوبت / ثانية بسعة تصل إلى 40 كيلوبت / ثانية (9.6 كيلوبت / ثانية باستخدام شرائح قديمة) وهي مناسبة لتطبيقات التحكم والاستشعار.

استنادًا إلى طوبولوجيا الشبكة المعشقة والتشغيل ضمن نطاق تردد ISM 800-900 ميجاهرتز غير المرخص (يختلف التردد الفعلي) ، يمكن للأجهزة القائمة على الموجة Z الوصول إلى مسافة اتصال تصل إلى 40 مترًا ، مع إمكانية إضافية للرسائل للقفز بين ما يصل إلى 4 عقد. كل هذه الميزات تجعله بروتوكول اتصال مناسبًا لتطبيقات التشغيل الآلي للمنزل مثل التحكم في الإضاءة ، والثرموستات ، وأدوات التحكم في النوافذ ، والأقفال ، وفتحات أبواب المرآب ، وغيرها الكثير مع تجنب الازدحام الإشكالي المرتبط بشبكات Wi-Fi و Bluetooth بسبب استخدامها نطاق 2.4 جيجا هرتز و 5 جيجا هرتز.

كيف يعمل بروتوكول Z-Wave؟

لفهم عمل بروتوكول Z-Wave ، دعنا نحلل الموضوع في ثلاثة أقسام رئيسية وهي هندسة نظام Z-Wave ، ونقل / استقبال البيانات ، والتوجيه والاتصال بالإنترنت

هندسة نظام الموجة Z:

تتكون كل شبكة Z-wave من فئتين عريضتين من الأجهزة ؛

1. تحكم / ماجستير (ق)
2. عبيد

يعمل السيد عادةً كمضيف لشبكة Z-Wave التي يمكن توصيل الأجهزة الأخرى (التابعة لها). عادةً ما يأتي مع NetworkID مبرمج مسبقًا (يُسمى أحيانًا HomeID) يتم تعيينه لكل تابع (والذي لا يأتي بمعرف مبرمج مسبقًا) عند إضافته إلى الشبكة من خلال عملية تسمى "التضمين ". إلى جانب HomeID ، لكل جهاز يضاف إلى شبكة Z-wave ، عادةً ما يتم تعيين معرف يسمى NodeID بواسطة وحدة التحكم. يعتبر NodeID فريدًا في كل شبكة (لكل هوية منزلية) ، على هذا النحو ، يتم استخدامه لمعالجة كل جهاز على شبكة معينة والتعرف عليه بشكل أساسي.

يتشابه التضمين في النية مع كيفية تعيين جهاز التوجيه لعناوين IP للأجهزة الموجودة على شبكته ، في حين أن الأسياد متشابهة مع أجهزة التوجيه / البوابات / محاور الأجهزة ، مع الاختلاف الوحيد هو علاقة الشبكة التي يمتلكها السادة مع العبيد في الشبكة. لإزالة العقد من شبكة Z-Wave ، يتم تنفيذ عملية تسمى " الاستبعاد ". أثناء الاستبعاد ، يتم حذف معرف المنزل ومعرف العقدة من الجهاز. تتم إعادة تعيين الجهاز إلى حالة المصنع الافتراضية (وحدات التحكم لديها معرف المنزل الخاص بها ولا يمتلك العبيد معرف المنزل).

إن HomeID و NodeID المذكورين أعلاه هما نظاما تعريف محددان بواسطة بروتوكول Z-wave لتسهيل تنظيم شبكة Z-wave.

HomeID هو التعريف الشائع لجميع العقد التي تشكل جزءًا من شبكة Z-Wave معينة ، بينما NodeID هو عنوان العقد الفردية داخل الشبكة.

عادةً ما تكون HomeIDs مبرمجة مسبقًا وفريدة من نوعها ، وهي تحدد شبكة Z-wave الخاصة. تأتي بطول 32 بت مما يعني أنه من الممكن إنشاء ما يصل إلى 4 مليارات (2 ^ 32) معرّفات منزلية مختلفة وشبكات Z-wave مختلفة. من ناحية أخرى ، فإن معرف العقدة هو مجرد بايت (8 بت) في الطول مما يعني أنه يمكن أن يكون لدينا ما يصل إلى 256 (2 ^ 8) عقدة في الشبكة.

بصرف النظر عن السماح بمعالجة العقد بسهولة ، يساعد نظام التعريف على منع التداخل في شبكات Z-wave لأن عقدتين بهما معرفات منزلية مختلفة لا يمكنهما الاتصال حتى لو كان لديهم نفس NodeID. هذا يعني أنه يمكنك نشر شبكتي z-wave جنبًا إلى جنب دون ميثاق تداخل من الشبكة A التي يستقبلها B.

نقل البيانات واستقبالها وتوجيهها:

في الشبكات اللاسلكية النموذجية ، يكون لدى وحدة التحكم / الرئيسية المركزية اتصال لاسلكي مباشر من واحد إلى واحد بالعقد الموجودة في الشبكة. على الرغم من أن هذا الترتيب مفيد لتلك البروتوكولات ، فإنه ينشئ قيودًا حول نقل البيانات بحيث لا يتمكن "الجهاز أ" من التفاعل مع "الجهاز ب" إذا كان هناك انقطاع في الارتباط بين أي منهما وبين الجهاز الرئيسي. ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال بالنسبة لموجات Z بفضل طوبولوجيا شبكة Mesh ، وقدرة عقد Z-wave على إعادة توجيه الرسائل وتكرارها إلى العقد الأخرى. يضمن ذلك إمكانية إجراء الاتصال لكل عقدة في الشبكة حتى عندما لا تكون في النطاق المباشر لوحدة التحكم. لفهم هذا بشكل أفضل ، ضع في اعتبارك الصورة أدناه ؛

يوضح الرسم التوضيحي لشبكة Z-wave أن وحدة التحكم يمكنها الاتصال مباشرة بالأجهزة 1 و 2 و 4 ، بينما تكون Node 6 خارج نطاق الراديو الخاص بها. ومع ذلك ، نظرًا للميزات الموضحة سابقًا ، ستفترض العقدة 2 حالة مكرر / معيد توجيه وتوسع نطاق وحدة التحكم إلى العقدة 6 بحيث يتم تمرير أي رسالة تتجه إلى العقدة 6 عبر العقدة 2. عقد مثل العقدة 2 في الشبكات الكبيرة تسمى المسارات وهي تساهم في مرونة ومتانة شبكات Z-wave. لتحديد أي من المسارات يجب أن تنتقل الرسائل للوصول إلى عقدة معينة ، تستخدم شبكات الموجة Z أداة تسمى جدول التوجيه.

كل عقدة في شبكة Z-wave قادرة على تحديد العقد الأخرى (تسمى الجيران) في منطقة تغطيتها اللاسلكية المباشرة وأثناء التضمين أو لاحقًا ، تُعلم العقدة وحدة التحكم عن هؤلاء الجيران. باستخدام قائمة الجيران من كل عقدة ، تقوم وحدة التحكم بإنشاء جدول توجيه يتم استخدامه لتعيين المسارات إلى العقد التي تقع خارج النطاق اللاسلكي المباشر لوحدة التحكم.

من المهم ملاحظة أنه لا يمكن تكوين جميع العقد كوكلاء إعادة توجيه. يسمح بروتوكول Z-wave فقط للعقد الموصولة (وليس بالبطارية) بالعمل كـ "عقد توجيه".

الاتصال بالإنترنت:

باستخدام نهج "البوابة / المُجمِّع" الحديث بواسطة بروتوكولات أخرى ، يمكن التحكم في نظام Z-Wave عبر الإنترنت باستخدام بوابة Z-Wave أو جهاز تحكم (رئيسي) يعمل كجهاز تحكم المحور والبوابة الخارجية. مثال على ذلك هو Delock 78007 Z-Wave® Gateway.

تحالف Z-Wave

في حين تم إطلاق أول الأجهزة القائمة على الموجة Z في وقت مبكر من عام 1999 ، لم تكن هذه التقنية منتشرة حقًا حتى عام 2005 عندما اعتمدت مجموعة من الشركات بما في ذلك عملاق أتمتة المنزل Leviton و Danfoss و Ingersoll-Rand Z-Wave وشكلت تحالفًا يسمى تحالف Z-Wave.

تم تشكيل التحالف لتعزيز استخدام وقابلية التشغيل البيني لتقنية Z-Wave والأجهزة القائمة عليها. تماشياً مع هذا ، يطور التحالف ويحافظ على معيار Z-wave ، ويصادق على جميع الأجهزة القائمة على Z-Wave لضمان امتثالها للمعيار. بدأ التحالف مع 5 شركات أعضاء ولكن الآن لديه أكثر من 600 شركة تنتج أكثر من 2600 جهاز معتمد من Z-Wave.

الفرق بين البروتوكولات Z-Wave والبروتوكولات الأخرى

لفهم سبب وجود بروتوكول اتصال آخر مثل Z-wave ، سنقارنه مع بعض بروتوكولات الاتصالات الأخرى المستخدمة في التشغيل الآلي للمنزل بما في ذلك ؛ Bluetooth و WiFi و Zigbee

Z-wave مقابل Bluetooth:

الميزة الأكثر وضوحًا لـ Z-Wave عبر Bluetooth هي Range. تتمتع الموجات Z بمساحة تغطية أكبر من البلوتوث. أيضًا ، تكون إشارات Bluetooth عرضة للتداخل والانقطاع لأنها ترسل وتستقبل معلومات على نطاق 2.4 جيجا هرتز ، وبالتالي تتنافس على النطاق الترددي مع الأجهزة القائمة على WiFi التي تستخدم نفس نطاق التردد.

باستخدام Z-wave ، بدلاً من جعل الشبكة أبطأ أو صاخبة ، يعمل كل مكرر إشارة Z-wave معًا لجعل الشبكة أقوى ، بحيث أنه كلما زاد عدد الأجهزة لديك ، أصبح من الأسهل إنشاء شبكة قوية قادرة على تجاوز العقبات.

Z-wave مقابل WiFi:

مثل البلوتوث ، تكون الشبكات القائمة على WiFi أيضًا عرضة للتداخل والانقطاع والمشكلات ذات الصلة بالنطاق ، وبالتالي فهي تعمل دون الشبكات القائمة على الموجة Z في ظل هذه الظروف.

إلى جانب التنافس على النطاق الترددي مع أجهزة Bluetooth ، تتنافس أجهزة WiFi أيضًا مع بعضها البعض وقد يؤثر ذلك على قوة الإشارة وسرعة الشبكة في المنازل حيث تعتمد الكثير من الأجهزة على WiFi. هذا ليس هو الحال مع Z-wave حيث تزدهر الشبكة بإضافة المزيد من الأجهزة إلى الشبكة.

ومع ذلك ، فإن الأجهزة القائمة على WiFi لها جانب إيجابي مقارنة بالموجات Z. إنهم قادرون على إرسال معلومات أكبر مثل تدفقات الفيديو عالية الدقة والمزيد ، في حين أن الشبكات القائمة على الموجة Z قادرة على التعامل مع وحدات بايت صغيرة من البيانات مثل بيانات المستشعر أو تعليمات لتشغيل / إيقاف تشغيل المصباح الكهربائي

Z-wave مقابل Zigbee:

Zigbee هي تقنية لاسلكية أخرى مثل Z-wave ، وقد تم تصميمها مع مراعاة أتمتة المنازل وشبكات الاستشعار اللاسلكية القريبة. مثل Z-wave ، يعتمد على هيكل شبكة Mesh ويساعد كل جهاز على شبكة Zigbee في تقوية الإشارة. ومع ذلك ، على عكس Z-wave ، فهي تعمل على نطاق تردد 2.4 جيجا هرتز مما يعني أنها تتنافس أيضًا على النطاق الترددي مع WiFi و Bluetooth وقد تكون أيضًا عرضة للتداخل وتحديات سرعة الشبكة المرتبطة بها.

هناك اختلاف آخر سأتركك لتقرر أهميته هو حقيقة أنه في حين أن Z-Wave هي تقنية مملوكة (على الرغم من وجود خطط لجعل البرنامج مفتوح المصدر) ، فإن Zigbee مفتوحة المصدر.

مزايا وعيوب Z-Wave

مثل كل الأشياء ، فإن Z-Wave لها مزايا وعيوب. سنناقشهم واحدا تلو الآخر.

إيجابيات Z-Wave

تشمل بعض مزايا موجات Z ؛

1. القدرة على دعم 232 جهازًا نظريًا وما لا يقل عن 50 جهازًا عمليًا.
2. يمكن للإشارات أن تنتقل حتى 50 قدمًا في الداخل مما يسمح بالعوائق وما يصل إلى 100 قدم دون عائق. يمتد هذا الوصول إلى حد كبير في الهواء الطلق. مع القفزات الأربع بين الأجهزة التي تعزز النطاق بشكل أكبر ، لن تكون التغطية مشكلة في المنازل المتصلة المترامية الأطراف.
3. يتكون تحالف Z-wave من ما يصل إلى 600 جهة تصنيع تنتج أكثر من 2600 جهازًا معتمدًا لضمان التوافق.
4. تداخل أقل بسبب استخدام نطاق ISM.
5. نقاط ميتة أقل مقارنة بالشبكات الأخرى ، بفضل الهيكل الشبكي القوي
6. إنه ميسور التكلفة وسهل الاستخدام.

سلبيات Z- الموجة

على عكس بعض بروتوكولات الاتصال الأخرى ، تم تصميم Z-Waves خصيصًا للاستخدام في تطبيقات Home Automation ، على هذا النحو ، فقد تم تصميمه وفقًا لاحتياجات التطبيق ولا يتحمل سوى القليل جدًا من العيوب. ومع ذلك ، يمكن أن تشكل الحدود العملية التي تبلغ 50 جهازًا بدلاً من 232 جهازًا افتراضيًا تحديًا في المنازل حيث يلزم نشر أكثر من 50 جهازًا.

كما أن عدم قدرتها على الحفاظ على نقل وحدات البايت الكبيرة من البيانات يجعلها غير مفيدة للغاية في تطبيقات مثل المراقبة بالفيديو ، حيث يلزم تدفق ميغا بايت من البيانات بين الأجهزة الطرفية.

استنتاج

تمثل موجات Z لأتمتة المنزل ما تمثله LoRa في مشهد إنترنت الأشياء الأوسع. أكبر ميزة لديه على جميع البروتوكولات الأخرى في مجال أتمتة المنزل هو حقيقة أنه مصمم لهذا المكان. هذا يعني أنه سيؤدي بشكل عام أفضل من البروتوكولات الأخرى التي تم تصميمها للاستهلاك الأوسع ، وسيؤدي أداءً جيدًا نسبيًا ، على الأقل ، لـ 80٪ من التطبيقات في هذا المجال.