پروتکل Z Wave چیست و چه کاربردی در هوشمند سازی دارد؟

قابلیت تبادل داده به طور وایرلس ما را قادر می‌سازد تا بدون تخریب یا حتی تغییر سیم‌کشی قدیمی ساختمان، بتوانیم از مزایای خانه هوشمند نیز در ساختمان‌های قدیمی بهره‌مند شویم. پروتکل Z-Wave یکی از شناخته‌شده‌ترین استانداردهای بی‌سیم تبادل داده محسوب می‌شود که به طور گسترده برای پیاده‌سازی خانه هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از این پروتکل می‌توانیم سیستم سرمایش و گرمایش، سیستم امنیتی، روشنایی، سیستم آبیاری و غیره را از راه دور کنترل کنیم. برای آشنایی با پروتکل Z wave و نقاط ضعف و قوت این پروتکل، در این مقاله با شرکت هوشمند سازی فریتز همراه شوید.

پروتکل Z wave چیست؟

Z-Wave یک پروتکل ارتباطی بی‌سیم است که اساساً برای متصل کردن تجهیزات خانه هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل، امکان کنترل و عملکرد خودکار لامپ هوشمند، انواع سنسورها، ترموستات هوشمند، سیستم‌های امنیتی، قفل درب هوشمند و غیره را فراهم می‌کند. پروتکل Z wave داده‌ها را با استفاده از امواج رادیویی کم مصرف ارسال می‌کند و در نتیجه برای تجهیزات هوشمندی که با باتری کار می‌کنند، مناسب است.

تاریخچه پروتکل Z Wave به سال 1999 میلادی باز می‌گردد که در آن زمان برای نخستین مرتبه توسط شرکت دانمارکی Zensys به مردم جهان معرفی شد. زنسیس در ابتدا یک سیستم کنترل روشنایی را معرفی کرد که در طول زمان به شکل پروتکل هوشمندسازی خانه تکامل پیدا کرد که در یک تراشه پیاده‌سازی می‌شود. پروتکل زی ویو در باند فرکانسی کمتر از یک گیگاهرتز کار می‌کند که انرژی کمی را مصرف می‌کند و برد محدودی نیز دارد. برد پروتکل Z-Wave در یک ارتباط دوطرفه به 100 متر می‌رسد و شبکه مبتنی بر این پروتکل می‌تواند تا 800 متر گسترش یابد.

اجزای تشکیل دهنده‌ی پروتکل Z Wave

به طور کلی، شبکه زد ویو از انواع سنسور و تجهیزات کنترل پذیر مانند لامپ، کلید، پریز و غیره تشکیل می‌شود که توسط کنترل‌کننده‌ها مانند هاب هوشمند مدیریت می‌شوند. اجزای تشکیل‌دهنده شبکه زد ویو عبارتند از:

• کنترل کننده‌ها: واحد کنترل که به دو دسته کنترل کننده اصلی و فرعی تقسیم‌بندی می‌شود، یکی از مهم‌ترین اجزای پروتکل Z-Wave  محسوب می‌شود که اطلاعات مربوط به مسیر‌یابی داده‌ها را جمع‌آوری کرده و مسیر ارسال داده به گره‌های مختلف را محاسبه می‌کند.

• جدول مسیر‌یابی: جدول مسیر یابی (Routing Table)، توسط کنترل کننده و برای محاسبه مسیر تبادل داده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• گره‌های Slave: گره‌های اسلیو اجزایی از شبکه زد ویو هستند که برخلاف کنترل کننده‌ها به جدول مسیریابی دسترسی ندارند. گره‌های Slave می‌توانند در صورت لزوم، به فرامین پاسخ دهند.
• Home ID: این شناسه برای تفکیک کردن شبکه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این شناسه 32 بیتی توسط کنترل کننده اصلی ایجاد می‌شود.
• Node ID: نود آیدی شناسه‌ یا آدرسی است که توسط کنترل کننده به هر یک از دستگاه‌های موجود در شبکه اختصاص می‌یابد.

آموزش هوشمند سازی ساختمان | دوره آموزش خانه هوشمند

محدوده فرکانسی امواج استاندارد ZWave

پروتکل Z-Wave در اروپا از فرکانس 868 مگاهرتز، در آمریکا از فرکانس 908 مگاهرتز و در کشورهای دیگر، با توجه به قوانین رادیویی محلی، از فرکانس‌های نزدیک به 900 مگاهرتز ستفاده می‌کند. در ایران نیز استاندارد پروتکل‌های خانه هوشمند بر اساس اروپا تنظیم شده و فرکانس 868 مگاهرتز مجاز است. فرکانس Z-Wave بسیار پایین‌تر از فرکانس WiFi است که در باندهای 2.4 و 5 گیگاهرتز کار می‌کند. این فرکانس بیشتر به باند تلفن‌های بی‌سیم نزدیک است و امواج Z-Wave دارای برد کوتاه حدود 50 متر و توان 8 میلی‌وات است.

جالب است بدانید که امواج Z-Wave در حالت بیکاری دستگاه‌ها به صورت مستمر رد و بدل نمی‌شوند، در حالی که امواج WiFi به طور مداوم در حال انتقال اطلاعات هستند. این به این معنی است که پروتکل Z-Wave و دستگاه‌های مبتنی بر آن، passive یا غیر آشکار هستند و تنها زمانی که شما فرمانی به سیستم خانه هوشمند خود می‌دهید، اطلاعات منتقل می‌شوند.

پروتکل زی ویو چگونه کار می‌کند؟

پروتکل Z-Wave بر پایه ساختار شبکه مش (Mesh Network) کار می‌کند و در این ساختار کانال‌ها و مسیرهای متعددی را برای اتصال تجهیزات خانه هوشمند به یکدیگر فراهم می‌کند. زمانی که هاب هوشمند فرمان جدیدی را از گوشی موبایل، تبلت یا کامپیوتر مالک خانه دریافت می‌کند، آن را به دستگاه مقصد می‌فرستد. سیگنال‌های Z-Wave به کمک فناوری Source-Routed Mesh Network و از طریق سایر دستگاه‌های موجود در شبکه، به دستگاهی هدایت می‌شوند که کاربر قصد کنترل آن را دارد.

فرض کنید که مالک ساختمان با استفاده از گوشی موبایل، فرمان روشن شدن لامپ را صادر می‌کند. این فرمان از طریق شبکه اینترنت و مودم به هاب هوشمند ارسال می‌شود. سپس، هاب نیز فرمان دریافت شده را از طریق مسیر قابل دسترس در شبکه، به لامپ هوشمند می‌فرستد.

پس از خواندن تعریف بالا از نحوه عملکرد زد ویو، این پرسش مطرح می‌شود که شبکه مش چیست؟ شبکه مش ساختاری است که در پروتکل‌های هوشمندسازی زیگبی و Z-Wave مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شبکه مش، هر گره که یک سنسور یا دستگاه هوشمند را نمایندگی می‌کند، می‌تواند برای انتقال داده‌ به سایر گره‌ها متصل شود. ساختار مش، شبکه پایدار و قدرتمندی را ایجاد می‌کند که خرابی یک گره، نمی‌تواند به توقف فعالیت سایر اجزای باقی مانده از شبکه منجر شود.

پروتکل Z wave در ایالات متحده آمریکا روی فرکانس 908.42 مگاهرتز و در اتحادیه اروپا روی 868.42 مگاهرتز کار می‌کند.

کاربرد پروتکل Z-Wave در هوشمند سازی خانه و ساختمان

ارزش هر فناوری به کاربرد آن بستگی دارد؛ به عبارت دیگر فناوری‌های کاربردی بیش از سایر نو‌آوری‌ها مورد توجه مردم جهان قرار می‌گیرند و ارزش بیشتری نیز دارند. در ادامه مقاله با کاربرد Z-Wave در هوشمند سازی ساختمان آشنا خواهید شد.

• کنترل تجهیزات هوشمند ساختمان: امروزه، پروتکل Z-Wave به طور گسترده برای هوشمند‌سازی خانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل، ما را قادر می‌سازد تا روشنایی، دما، سیستم آبیاری و غیره را به طور خودکار و بر اساس تنظیمات از پیش تعیین شده یا از راه دور کنترل کنیم.

• افزایش امنیت ساختمان: تجهیزات مبتنی بر پروتکل Z-Wave مانند سنسورهای درب و پنجره، سنسورهای تشخیص حرکت و دوربین‌های نظارتی در یک مجموعه یکپارچه با یکدیگر ترکیب شوند تا امکان نظارت دقیق روی وضعیت امنیتی ساختمان‌ و دریافت هشدار برای فعالیت‌های مشکوک فراهم شود.
• مدیریت انرژی: ترموستات‌، دو شاخه و کنتور هوشمند با استفاده از پروتکل Z wave به ما کمک می‌کنند تا مصرف انرژی ساختمان را بهینه‌سازی کنیم. این پروتکل، مالک ساختمان را قادر می‌سازد تا از راه دور روی مصرف انرژی نظارت داشته باشد و در صورت لزوم اقداماتی را نیز برای مدیریت مصرف انرژی انجام دهد.
• کنترل سیستم آبیاری: استاندارد زد ویو در کنترل سیستم آبیاری فضای سبز نیز کاربرد دارد. با استفاده از این پروتکل می‌توانیم فضای سبز خانه را از راه دور یا برنامه زمان‌بندی آبیاری کنیم.

مزایای پروتکل زد ویو

برای انتخاب آگاهانه پروتکل هوشمندسازی ساختمان، باید با مزایا و معایب هر یک از پروتکل‌هایی که در دسترس ما قرار دارند آشنا شویم. آشنایی با نقاط ضعف و قوت پروتکل‌ها ما را قادر می‌سازد تا گزینه‌ای را انتخاب کنیم که در یک شرایط مشخص، بیشترین مزایا را در اختیار ما قرار می‌دهد. مهم‌ترین مزیت‌های پروتکل Z-Wave عبارتند از:

• قابلیت سازگاری: تجهیزات هوشمندی که بر پایه پروتکل زد ویو ساخته می‌شوند، صرف‌نظر از برند سازنده معمولاً با یکدیگر سازگاری دارند. قابلیت سازگاری ما را قادر می‌سازد تا خانه هوشمند را با استفاده از تجهیزات مختلفی پیاده‌سازی کنیم و نگرانی کمتری در رابطه با عملکرد و چگونگی یکپارچه‌سازی این تجهیزات داشته باشیم.

• مصرف پایین انرژی: تجهیزاتی که بر پایه پروتکل هوشمندسازی Z-Wave کار می‌کنند، تنها در زمان ضرورت داده‌ها را با یکدیگر مبادله می‌کنند و در باقی ساعت‌های شبانه‌روز در حالت خواب (Sleep Mode) قرار می‌گیرند. تجهیزات هوشمند مبتنی بر زد ویو در حالت خواب تا 10,000 برابر انرژی کمتری را نسبت به حالت عملکرد عادی مصرف می‌کنند. قابلیت Sleep Mode به همراه مصرف پایین انرژی برای انتقال داده روی امواجی که فرکانس کمتری دارند، ما را قادر می‌سازد تا تجهیزاتی را بسازیم که بدون نیاز به تعویض یا شارژ مجدد باتری، برای چند ماه یا حتی چند سال کار می‌کنند.
• احتمال تداخل پایین امواج: اغلب تجهیزات وایرلس از فرکانس 2.4 گیگاهرتز برای تبادل داده استفاده می‌کنند؛ بنابراین نصب Z-Wave و راه‌اندازی خانه هوشمند مبتنی بر این پروتکل، موجب می‌شود تا احتمال وقوع مشکل تداخل امواج به حداقل برسد. به عبارت دیگر، پروتکل Z wave روی امواجی کار می‌کند که فرکانس کمتری در مقایسه با امواج پروتکل‌های وای فای و زیگبی دارند؛ بنابراین نمی‌تواند با امواج Wi-Fi، بلوتوث و غیره که به شکل گسترده برای تبادل داده در خانه‌های امروزی مورد استفاده قرار می‌گیرند، تداخل داشته باشد.
• پوشش شبکه مبتنی بر پروتکل Z wave: اگرچه زد ویو امکان پوشش فضای اغلب خانه‌های مسکونی را دارد اما در شرایطی که پوشش مساحتی با شعاع بیش از 100 متر ضرورت داشته باشد، عملکرد هر یک از تجهیزات مبتنی بر این پروتکل به صورت دستگاه‌های واسط یا تکرار کننده (Repeater) ما را قادر می‌سازد تا به این خواسته برسیم. مقیاس‌پذیر بودن Z-Wave امکان افزودن تجهیزات هوشمند جدید و افزایش پوشش شبکه در زمان نیاز را فراهم می‌کند.

• امنیت بالا: پروتکل Z wave از استاندارد AES128 برای رمزگذاری داده‌ها استفاده می‌کند. به علاوه، لایه امنیتی Z-Wave security 2 امکان محافظت از تجهیزات هوشمند با استفاده از رمز عبور یا کد QR را در اختیار ما قرار می‌دهد. قابلیت تبادل داده به صورت رمزگذاری شده و وجود لایه امنیتی اضافی ما را قادر می‌سازد تا خانه هوشمند امن‌تری را در برابر حملات سایبری و نفوذ هکرها راه‌اندازی کنیم.
• هزینه کم: از آنجایی که علاقه‌مندان به پیاده‌سازی خانه هوشمند مبتنی بر استاندارد Z-Wave، می‌توانند از بین تجهیزات مقرون به صرفه متعدد یکی را انتخاب کنند و فراهم کردن زیر ساخت شامل سیم‌کشی برای استفاده از این پروتکل ضرورت ندارد. استفاده از زد ویو می‌تواند تاثیر قابل توجهی روی کاهش هزینه اجرای هوشمند‌سازی خانه داشته باشد.

معایب استاندارد Z-Wave

در حالی که پروتکل زد ویو مزیت‌های متعددی را در اختیار ما قرار می‌دهد، مانند هر پروتکل دیگری نقاط ضعف یا محدودیت‌هایی را نیز دارد. مهم‌ترین نقاط ضعف Z-Wave عبارتند از:

• سرعت پروتکل Z-Wave: زد ویو برای ارسال بسته‌های کوچک داده با کمترین میزان تاخیر طراحی شده و حداکثر نرخ تبادل داده در این پروتکل به 100 کیلوبیت بر ثانیه می‌رسد. Z-Wave در مقایسه با پروتکل‌های وای‌فای، زیگبی و بلوتوث پهنای باند کمتری برای تبادل داده دارد و در نتیجه برای کاربردهایی مانند مشاهده زنده تصاویر دوربین‌های نظارتی مناسب نیست.

• محدودیت تعداد تجهیزات هوشمند متصل به شبکه: در حالی که شبکه مش پروتکل زیگبی می‌تواند از حداکثر 65 هزار گره (تجهیزات هوشمند) تشکیل شود، زد ویو حداکثر از 232 گره پشتیبانی می‌کند؛ بنابراین در حالی که مقیاس‌پذیر بودن Z-Wave، ما را قادر می‌سازد تا تجهیزات هوشمند جدید را به این شبکه اضافه کنیم اما تعداد تجهیزات یک شبکه نمی‌تواند از عدد 232 فراتر برود.
• توپولوژی درختی: پروتکل Z-Wave تنها از ساختار درختی پشتیبانی می‌کند که معایبی مانند پیکربندی دشوار، مشکلات ناشی از افزایش تعداد تجهیزات شبکه و تاثیرپذیری عملکرد شبکه از میزان ترافیک نقاط گلوگاه‌ را دارد.

• نگرانی‌های امنیتی: در حالی که زد ویو از تکنیک رمزگذاری داده و لایه‌ امنیتی اضافی برای مقابله با نفوذ هکرها استفاده می‌کند اما از مصونیت کامل در برابر نفوذ هکرها برخوردار نیست.
• شیوه انتشار Z-Wave: برخلاف پروتکل‌های منبع باز، زد ویو به طور بسته منتشر شده و در نتیجه بروزرسانی یا اعمال هر گونه تغییری در این پروتکل، تنها به تصمیم‌های کنسرسیومی با نام Z-Wave Alliance بستگی دارد. اگرچه این ویژگی موجب می‌شود تا تجهیزات مبتنی بر زد ویو سازگاری بیشتری با یکدیگر داشته باشند اما در مقابل، امکان شخصی‌سازی این پروتکل نیز وجود ندارد.

پاسخ به سوالات متداول

جمع‌بندی

با وجود آن‌که در دنیای امروزی پروتکل‌های مختلفی در دسترس ما قرار دارند، پروتکل Z wave همچنان به طور گسترده برای اجرای پروژه‌های هوشمند سازی خانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. پایداری و قابلیت اطمینان بالا، پوشش مناسب، سازگاری تجهیزات، پایین بودن احتمال وقوع پدیده تداخل امواج و مصرف پایین انرژی از جمله مزیت‌هایی هستند که به گسترش استفاده از پروتکل زد ویو کمک می‌کنند. در مقابل، پهنای باند ناکافی برای انتقال داده‌های حجیم، محدود بودن تعداد تجهیزات فعال در شبکه و بسته بودن زد ویو از جمله معایب این پروتکل هستند. به نظر می‌رسد که متناسب با افزایش تعداد خانه‌های هوشمند، افزایش استفاده از این پروتکل را نیز در آینده شاهد باشیم.