پروتکل Z-Wave چیست و چه نقشی در خانه هوشمند دارد؟

پروتکل Z-Wave یک پروتکل ارتباطات بی‌سیم است که در اصل برای اتوماسیون خانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک شبکه مش است که با استفاده از امواج رادیویی کم-انرژی ، میان وسایل خانگی ارتباط برقرار می‌کند و به این ترتیب امکان می‌دهد که وسایل محل سکونت و سایر تجهیزات نظیر کنترل روشنایی، سیستمهای امنیتی، ترموستات‌ها، پنجره‌ها، قفلها، استخرهای شنا و بازکننده‌ در گاراژها به صورت بی‌سیم کنترل شوند.

کنترل یک سیستم Z-Wave نیز نظیر سایر پروتکل‌ها و سیستمهای معطوف به بازار اتوماسیون خانه و دفتر کار، می‌تواند از طریق اینترنت و از یک گوشی هوشمند، تبلت یا رایانه رومیزی، انجام شود و همچنین به صورت موضعی از طریق یک اسپیکر هوشمند، کی‌فاب بی‌سیم یا پنل نصب‌شده روی دیوار که دارای یک گیت‌وی Z-Wave یا دستگاه کنترل مرکزی باشد (که هم به عنوان کنترلر هاب (مرکزی) و هم به عنوان پورتالی متصل به بیرون عمل می‌کند). Z-Wave تعامل‌پذیری لایه کاربردی را میان سیستمهای کنترل خانگی شرکتهای سازنده متفاوت که عضو یک ائتلاف هستند، فراهم می‌کند. تعداد محصولات تعامل‌پذیر Z-Wave رو به افزایش است؛ بیش از ۱۷۰۰ دستگاه در سال ۲۰۱۷ و بیش از ۲۶۰۰ دستگاه تا سال ۲۰۱۹
تاریخچه تکامل پروتکل Z-Wave

پروتکل Z-Wave در سال ۱۹۹۹ و توسط Zensys بوجود آمد یک شرکت دانمارکی واقع در کپنهاگ است. در آن سال، زنسیس یک سیستم کنترل-روشنایی مصرف‌کننده را معرفی کرد  که این بعدا به Z-Wave تکامل پیدا کرد، به عنوان یک پروتکل اتوماسیون خانه از نوع “سیستم روی چیپ” (SoC) اختصاصی و بر روی یک باند فرکانس فاقد لایسنس در بازه ۹۰۰ مگاهرتز. چیپ‌ست سری ۱۰۰ آن در ۲۰۰۳ به بازار عرضه شد و سری ۲۰۰ آن در می ۲۰۰۵، با چیپ ZW0201 که با هزینه‌ای اندک عملکردی خوب داشت. چیپ سری ۵۰۰ آن هم که با نام Z-Wave Plus شناخته می‌شود در مارس ۲۰۱۳ به بازار عرضه شد که حافظه‌اش چهار برابر شده بود و بازه بی‌سیم و عمر باطری‌اش هم بهبود پیدا کرده بود.

حدود سال ۲۰۰۵ و زمانی که پنج شرکت، منجمله دنفوس، اینگرسول-راند، و leviton Manufacturing، پروتکل Z-Wave را اتخاذ کردند این فناوری در آمریکای شمالی متداول شد. این پنج شرکت ائتلاف Z-Wave را تشکیل دادند که هدفش آن بود که با تعامل پذیر کردن همه محصولات این شرکتها، استفاده از فناوری Z-Wave را ترویج کند. در سال ۲۰۰۸، پاناسونیک، سیسکو سیستمز، پالامون کپیتال پارتنرز، و سان‌استون کپیتال، سرمایه‌گذاری‌هایی در زنسیس انجام دادند.

در دسامبر ۲۰۰۸ Z-Wave به تملک زیگما دیزاینز درآمد. در ۲۳ ژانویه ۲۰۱۸ زیگما اعلام کرد که قصد دارد فناوری و دارایی‌های کسب‌و‌کاری Z-Wave را به قیمت ۲۴۰ میلیون دلار به “سیلیکون لبز” بفروشد. این معامله در ۱۸ آوریل ۲۰۱۸ به انجام رسید.

در سال ۲۰۰۵ تنها شش محصول در بازار از فناوری Z-Wave استفاده می‌کردند. اما به سال ۲۰۱۲ که می‌رسیم و با محبوبیت فزاینده فناوری خانه هوشمند، تقریبا ۶۰۰ محصول در بازار آمریکا هستند که از فناوری Z-Wave استفاده می‌کنند. در ژانویه ۲۰۱۹، بیش از ۲۶۰۰ محصول تعامل‌پذیر واجد گواهی Z-Wave وجود دارد.
تعامل‌پذیری پروتکل Z-Wave

تعامل‌پذیری پروتکل Z-Wave در لایه کاربردی، به اشتراک‌گذاری اطلاعات توسط دستگاه‌ها را تضمین کرده و به همه سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای Z-Wave امکان می‌دهد که با یکدیگر کار کنند. فناوری شبکه مش بی‌سیم Z-Wave این امکان را فراهم می‌کند که هر گره شبکه بتواند مستقیم یا غیرمستقیم با گره‌های مجاور خود صحبت کند و هر گره اضافه‌شده‌ای تحت کنترل درآید. گره‌هایی که تحت بازه هستند مستقیما با یکدیگر ارتباط می‌گیرند. اما اگر دو گره در بازه نباشند، می‌توانند با یک گره سوم که در بازه هر دو آنها است پیوند بخورند و به این ترتیب دسترسی و مبادله اطلاعات انجام گیرد.
در سپتامبر ۲۰۱۶، برخی بخشهای فناوری پروتکل Z-Wave در دسترس عموم قرار گرفت و این زمانی بود که مالک آن زمان Z-Wave، زیگما دیزاینز، یک نسخه عمومی لایه تعامل‌پذیری Z-Wave را منتشر کرده و این نرم‌افزار را به لایبرری اوپن-سورس Z-Wave اضافه کرد. دسترسی اوپن-سورس اجازه می‌دهد که سازندگان نرم افزار، Z-Wave را محدودیتهای کمتری با دستگاه‌ها یکپارچه کنند. از ۲۰۱۶ به این سو، امنیت S2 در Z-Wave ، Z/IP برای انتقال سیگنالهای Z-Wave بر روی شبکه‌های آی‌پی، و میان‌افزار Z-Wave، همگی اوپن-سورس بوده‌اند.

استانداردها و ائتلاف Z-Wave

ائتلاف Z-Wave در سال ۲۰۰۵ و به صورت کنسرسیومی از شرکتها بنیان نهاده شد. این شرکتها،  سازنده وسایل خانگی متصل-به-شبکه‌ای هستند که از طریق اپ‌هایی بر روی گوشی‌های هوشمند، تبلتها یا رایانه‌های شخصی و با استفاده از فناوری شبکه مش بی‌سیم Z-Wave کنترل می‌شوند. این ائتلاف، انجمنی رسمی است که هم بر توسعه پروتکل Z-Wave تمرکز دارد و هم بر تداوم تعامل‌پذیری تمامی دستگاه‌هایی که Z-Wave را به خدمت می‌گیرند.

در اکتبر سال ۲۰۱۳، از یک پروتکل جدید و یک برنامه صدور گواهی تعامل‌پذیری، با نام Z-Wave Plus رونمایی شد که مبتنی بر ویژگی‌ها جدید و استانداردهای بالاتر تعامل پذیری بودند که با هم یکجا جمع آمده بودند و برای “سیستم روی چیپ” سری ۵۰۰ لازم بود. علاوه بر این، برخی ویژگی‌هایی که از سال ۲۰۱۲ برای سری‌های ۳۰۰ و ۴۰۰ “سیستم روی چیپ” موجود بودند را نیز شامل می‌شد. در فوریه ۲۰۱۴، Z-Wave Plus برای نخستین محصول گواهی صادر کرد. ائتلاف قصد داشت تا یک شبکه مش امن برای خانه هوشمند خلق کند که امکان کار بر روی پلتفرمهای مختلف را داشت.

Z-Wave به این منظور طراحی شد که میان دستگاه‌ها و اشیاء مجهز به حسگرِ سازندگان گوناگون در ائتلاف Z-Wave، که بیش از ۷۰۰ عضو را شامل می‌شود،  یک ارتباطات و عملیات قابل‌اتکاء حاصل شود. برخی از اعضاء عمده ائتلاف از این قرارند: ADT Corporation، Alarm.com، Assa Abloy، Fibaro، Huawei، Ingersoll Rand، Jasco، Leedarson، LG Uplus، Nortek Security & Control، Silicon Labs، و SmartThings.
برنامه نصب Z-Wave

در سال ۲۰۱۶، ائتلاف یک “برنامه تربیت نصاب واجدصلاحیت Z-Wave” راه‌اندازی کرد تا ابزارهای لازم برای مستقر ساختن شبکه‌ها و دستگاه‌ای Z-Wave در پروژه‌های مسکونی و تجاری را در اختیار نصاب‌ها، یکپارچه‌سازها و فروشندگان بگذارد. در آن سال، ائتلاف از “جعبه‌ابزار نصاب واجد‌صلاحیت Z-Wave” (Z-CIT) رونمایی کرد که یک دستگاه عیب‌یابی بود که می‌شد از آن حین راه‌اندازی شبکه و دستگاه‌ها استفاده کرد و ضمنا می توانست به عنوان یک ابزار تشخیص عیبِ از راه دور نیز عمل کند.

برنامه صدور گواهی Z-Wave بر عهده ائتلاف Z-Wave است . صدور گواهی Z-Wave شامل دو مولفه است: گواهی فنی، که مدیریتش با سیلیکون‌لبز است، و گواهی بازار، که از طریق ائتلاف Z-Wave مدیریت می‌شود.

فرکانسهای رادیویی

پروتکل Z-Wave  چنان طراحی شده است که بتواند کار انتقال قابل‌اتکاء و با-تاخیر-کم پکتهای داده‌ای(Data packets) کوچک و تا نرخ ۱۰۰ کیلوبیت بر ثانیه را انجام دهد. جریان عبوری ۴۰ کیلوبیت بر ثانیه است (۹٫۶ کیلوبیت بر ثانیه اگر که از چیپهای قدیمی استفاده شود) و برای کاربردهای کنترلی و حسگری مناسب است، برخلاف وای فای و سایر سیستمهای ‌LAN بی‌سیم مبتنی-بر-IEEE 802.11 که در اصل برای نرخهای بالا انتقال داده طراحی شده‌اند. مسافت ارتباطات میان دو گره تقریبا ۳۰ متر است (۴۰ متر با چیپ سری ۵۰۰)، و با در نظر گرفتن این امکان که یک پیام می‌تواند تا چهار بار از گره‌ای به گره مجاور بجهد، امکان پوشش‌دهی کافی در اغلب خانه‌ها وجود دارد. مدولاسیون آن توسط Manchester channel encoding (“کدگذاری کانال منچستر”) انجام می‌شود.

Z-Wave از باند صنعتی، علمی، و طبی بدون لایسنس “بخش ۱۵” (Part 15) استفاده می‌کند. در اروپا روی ۸۶۸٫۴۲ مگاهرتز و در آمریکای شمالی روی فرکانس ۹۰۸٫۴۲ مگاهرتز کار می‌کند و در سایر کشورها برحسب مقررات آن کشورها روی فرکانسهای دیگری کار می‌کند. در این باند با برخی تلفنهای بی‌سیم خانگی و سایر دستگاههای الکترونیکی مصرفی رقابت هست اما تداخلی با وای فای، بلوتوث و سایر سیستمهایی که روی باند شلوغ ۲٫۴ گیگاهرتز کار می‌کنند ندارد. لایه‌های پایینتر، MAC و PHY، با ITU-T G.9959 توصیف می‌شوند و با قبلی‌ها کاملا سازگارند. در سال ۲۰۱۲، اتحادیه بین‌المللی ارتباطات از راه دور (IUT) لایه‌های PHY و MAC را به عنوان یک گزینه در استاندارد G.9959 خود برای دستگاه‌های بی‌سیم زیر ۱ گیگاهرتز گنجاند. نرخ‌های داده‌ها شامل ۹۶۰۰ بیت بر ثانیه و ۴۰ کیلوبیت بر ثانیه هستند، با توان خروجی ۱ میلی‌وات یا ۰ dBm . تامین‌کننده چیپ‌های ترنسیور، سیلیکون‌لبز است.