پروتکل Z Wave

پروتکل Z Wave چیست؟ مزایای و معایب این پروتکل

مقدمه

پروتکل Z Wave بر روی باند فرکانس پایین 908.42 در ایالات متحده و باند 868.42 مگاهرتز در اروپا کار می کند. اگرچه تداخل با سایر لوازم الکترونیکی خانگی، مانند تلفن های بی سیم، امکان پذیر است، اما این پروتکل از تداخل با باند 2.4 گیگاهرتز که Wi-Fi و بلوتوث در آن کار می کنند جلوگیری می کند.

پروتکل های هوشمندسازی ساختمان عبارت اند از مجموعه قوانین استاندارد و توافقق ها که تعیین میکنند چگونه اجزای درون شبکه باهم ارتباط برقرار میکنند. در یک سیستم هوشمند ساختمان تمام تجهیزات به صورت یکپارچه با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند. این ارتباط بین اجزا به کمک پروتکل های هوشمند سازی ساختمان انجام شده و یک بستر ارتباطی را ایجاد میکند.

پروتکل Z Wave یک پروتکل ارتباطی بی‌ سیم است که عمدتاً در شبکه‌ های خانه هوشمند استفاده می‌شود و به دستگاه‌ های هوشمند امکان اتصال و تبادل دستورات و داده‌ های کنترلی با یکدیگر را می‌دهد.

پروتکل Z Wave با ارتباط دو طرفه از طریق شبکه مش و تأیید پیام، به کاهش مشکلات برق کمک می کند و اتصال بی سیم کم هزینه را به خانه هوشمند می آورد و جایگزینی کم مصرف برای Wi-Fi و جایگزینی با برد بلندتر برای بلوتوث را ارائه می کند.

پروتکل Z Wave چگونه کار می کند؟

پروتکل Z Wave چگونه کار می کند

تکنولوژی Z wave به صورت چیپ ستهایی به تنهایی در دسترس است و داخل آن جاسازی شده است.حافظه flash برای تولیدکنندگان این محصولات و بارگزاری نرم افزارشان تعبیه شده است.همچنین برای راحتی ارائه محصولات طرح های از پیش آماده ای برروی برد های PCB در کنار چیپ های تکی Z wave ارائه شده میشود که میتوان از آنتن و فیلتر نام برد.

شبکه Z Wave شامل محصولات اینترنت اشیا (IoT) و یک کنترل کننده اولیه است که به عنوان هاب (سرور) خانه هوشمند نیز شناخته می شود. محصولات تنها در شبکه Z Wave کار می کنند و معمولاً توسط هاب (سرور) به اینترنت متصل می شوند. هنگامی که یک هاب Z Wave دستوری را از یک اپلیکیشن خانه هوشمند در تلفن همراه، تبلت یا رایانه کاربر دریافت می کند، فرمان را به دستگاه مقصد خود ارسال می کند.

در شبکه Z Wave حداکثر 232 دستگاه قابلیت انصال به هاب Z Wave  را دارند.

با استفاده از فناوری شبکه مش، سیگنال های Z-Wave می توانند از طریق دیگر دستگاه های Z Wave به دستگاهی که کاربر قصد کنترل آن را دارد برسند. هر شبکه Z Wave حداکثر چهار جهش را در خود جای می دهد.

شبکه مش (Mesh Network) چیست؟

شبکه مش

شبکه مش راه کاری جالب برای قابلیت ارتباط بی سیم بین دو دستگاه می باشد. مزیت استفاده از آن درخانه هوشمند تعیین مسیرهای متعدد به دستگاه مقصد است. تصور کنید که می‌خواهید به سرکار بروید، اگر تنها یک مسیر برای رسیدن به محل کارتان وجود داشته باشد و ترافیک سنگینی به دلیل تصادف اتفاق بیافتد بسیار دیر خواهید رسید.

اما درصورتی‌که چندین مسیر مختلف پیش روی شما باشد صرف‌ نظر از هر اتفاقی، همواره سر وقت خواهید رسید. کاهش و افت سیگنال از نگرانی های سیستم های بی سیم است، دستگاه‌ های بیسیم Z-Wave سیگنال را افزایش داده و به دستگاه بعدی می‌فرستند (Hopping)  بنابراین حتی اگر یک دستگاه خاموش باشد شبکه به‌ سادگی مسیر دیگری را برای رسیدن به هدف جایگزین می‌کند.

فرکانس کاری و سرعت انتقال پروتکل Z Wave

پروتکل Z Wave بر روی باند فرکانس پایین 908.42 در ایالات متحده و باند 868.42 مگاهرتز در اروپا کار می کند. اگرچه تداخل با سایر لوازم الکترونیکی خانگی، مانند تلفن های بی سیم، امکان پذیر است، اما این پروتکل از تداخل با باند 2.4 گیگاهرتز که Wi-Fi و بلوتوث در آن کار می کنند جلوگیری می کند.

جدول فرکانسهای مورد استفاده Z-Wave در کشورها و نقاط مختلف دنیا

فرکانسکشور مورد استفاده
۸۶۵.۲India
۸۶۹Russia
۸۶۸.۴China, Singapore, South Africa
۸۶۸.۴۰ ; ۸۶۸.۴۲ ; ۸۶۹.۸۵CEPT Countries (Europe and other countries in region), French Guiana
۹۰۸.۴ ; ۹۰۸.۴۲ ; ۹۱۶

USA, Canada, Argentina, Guatemala, The Bahamas, Jamaica, Barbados, Mexico, Bermuda, Nicaragua, Bolivia, Panama,

British Virgin Islands, Suriname, Cayman Islands, Trinidad & Tobago, Colombia, Turks & Caicos, Ecuador, Uruguay

۹۱۹.۸Hong Kong
۹۱۹.۸ ; ۹۲۱.۴Australia, New Zealand, Malaysia, Brazil, Chile, El Salvador, Peru
۹۱۹ – ۹۲۳South Korea
۹۲۰ – ۹۲۵Taiwan
۹۲۲ – ۹۲۶Japan

سرعت انتقال پروتکل Z Wave

برای انتقال بی سیم یک سیگنال رادیویی نظیر Z-Wave از فرآیند مدولاسیون استفاده می شود. مدولاسیون در مهندسی برق و مخابرات، عبارت است از سوارکردن سیگنال پیام (داده، اطلاعات) روی یک سیگنال دیگر که معمولاً فرکانس بالاتری دارد (سیگنال حامل یا کریر). این کار به منظور افزایش برد سیگنال و بهره‌وری انتقال و استفاده بهتر از پهنای باند کانال صورت می‌گیرد. سیستم Z-Wave در محدده فرکانسهای رنج پایین کار می کند و بر اساس قوانین و مقرارت کشورها و نقاط مختلف دنیا محدوده فرکانسی Z-Wave مختلف است.

Z-Wave نرخ های انتقال بسته های داده کوچک را با استفاده از نرخ های توان عملیاتی 9.6 کیلوبیت بر ثانیه، 40 کیلوبیت بر ثانیه یا 100 کیلوبیت بر ثانیه ارائه می دهد. لایه های Z Wave PHY و MAC بر اساس استاندارد جهانی رادیویی ITU-T G.9959 هستند و پروتکل از مدولاسیون GFSK استفاده می کند. همچنین شامل رمزگذاری AES 128، IPv6 و عملیات چند کاناله است.

از نظر شناسایی و مجوز، هر شبکه Z Wave با شناسه شبکه و هر دستگاه پایانی با شناسه گره، معرفی می شود. شناسه شبکه منحصر به فرد می باشد. به عنوان مثال، دو خانه نزدیک به هم و مجهز به پروتکل Z Wave از کنترل دستگاه های مشابه در خانه دیگر جلوگیری می کند.

اجزای تشکیل دهنده‌ی پروتکلZ Wave

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.

برد پروتکل Z Wave

ارتباط بین دستگاه ها از 29 تا 99 متر متغیر است. برد سری 500، 39 متر و سری 700، 99 متر می باشد. از آنجایی که دیوارها و سایر مصالح ساختمانی متراکم برد را محدود می کنند، بهترین روش عمومی برای استقرار این است که دستگاه های Z-Wave را در فاصله 15 متری یا کمتر از هم برای به حداکثر رساندن قدرت سیگنال قرار دهید.

استفاده از یک تکرار کننده شبکه Z Wave (یک دستگاه Z-Wave اضافی ما بین دستگاه های دیگر) در شبکه می تواند سیگنال را تقویت کرده و به آن کمک کند تا به مقصد برسد. حداکثر برد با چهار پرش 182 متر تخمین زده می شود.

از نظر عمر باتری، برخی از محصولات سری 700، Z Wave می‌توانند تا 2 سال با باتری سکه‌ ای دوام بیاورند، در حالی که بسیاری از محصولات باتری‌ دار دیگر یک سال یا کمتر عمر می‌کنند.

تاریخچه پروتکل Z Wave

مزایای پروتکل Z Wave

پروتکل Z Wave برای اولین بار توسط شرکت دانمارکی Zensys تولید شده است. پروتکل Z Wave به عنوان یک سیستم کنترل نور برای مصرف کنندگان شروع به کار کرد و به یک پروتکل مش شبکه خانه هوشمند تبدیل شد که بر روی یک سیستم اختصاصی روی یک تراشه (SoC) پیاده سازی شد. این شرکت قصد داشت جایگزینی ساده تر و ارزان تر برای پروتکل های خانه هوشمند موجود بسازد. Zensys توسط Sigma Designs Inc در سال 2008 خریداری شد.

در سال 2001، چیپست سری 100 و به دنبال آن سری 200 در سال 2005 عرضه شد. در سال 2013، سری 500 که با نام Z Wave Plus نیز شناخته می شود، عرضه شد که دارای بهبود های زیر گشت:

  • 50٪ بهبود عمر باتری
  • 67٪ بهبود در برد
  • 250 درصد پهنای باند بیشتر
  • قابلیت‌  plug-and-play

Z Wave Alliance، کنسرسیومی متشکل از رهبران صنعت، تولیدکنندگان و ادغام‌ کنندگان با هدف توسعه و گسترش برنامه‌ ها و قابلیت‌های پروتکل Z Wave، در سال 2005 با اعضایی از Intermatic Inc.، Leviton Manufacturing Co. Inc.، Wayne Dalton، Danfoss و یونیورسال الکترونیک با زنسیس ملاقات کرد تا در مورد وضعیت پروتکل های خانه هوشمند بحث کند. بیش از 700 عضو فعلی شامل D-Link Systems Inc.، Honeywell International Inc.، LG Electronics و Verizon و غیره هستند.

در سال 2016، برخی از فناوری های Z Wave منبع باز ساخته شد. Sigma Designs یک لایه قابلیت همکاری به کتابخانه منبع باز Z Wave اضافه کرد تا به توسعه دهندگان نرم افزار، تولیدکنندگان، علاقمندان و دانشگاهیان، امکاناتی از جمله توانایی خواندن و استفاده از عملکرد Z-Wave بدون پیوستن به Z Wave Alliance را بدهد.

Sigma Designs همچنین مشخصات امنیتی Z Wave S2، Z Wave over IP Specification برای انتقال سیگنال های Z-Wave از طریق شبکه های IP و میان افزار Z-Ware را در سال 2016 منتشر کرد.

در سال 2017، سیگما دیزاینز Z Wave SmartStart را معرفی کرد، که ترکیبی از پروتکل Z Wave و لایه های نرم افزار هاب Z-Wave بود. Z Wave SmartStart امکان تنظیمات اولیه و حذف اضافه کردن دستی دستگاه ها به شبکه خانگی Z Wave را فراهم کرده بود، زیرا آنها می توانند به طور خودکار هنگام روشن شدن به شبکه وصل شوند.

سری 700 در نمایشگاه 2018 Consumer Electronics معرفی شد و در اواخر سال در دسترس قرار گرفت. این سری رپیتر دستگاه به دستگاه را بیش از 99 متر و محدوده مش را بیش از 400 متر ارائه می دهد. همچنین برخلاف نسخه های قبلی که از پایه سازگار با فناوری 8 بیتی Intel MCS-51/8051 استفاده می کردند، از SoC 32 بیتی Arm Cortex استفاده می کند.

در سال 2018، Sigma Designs Z Wave را به Silicon Labs فروخت.

امنیت پروتکل Z Wave

در اوایل، پروتکل Z Wave شهرت امنیتی خوبی نداشت. در حالی که رمزگذاری AES را ارائه می‌کرد، تعدادی از حوادث امنیتی مربوط به پروتکل Z Wave عمدتاً به دلیل خطاهای پیاده‌سازی توسط سازندگان یا سازندگانی بود که از امنیت توصیه‌ شده در وهله اول استفاده نمی‌کردند.

در ارائه Black Hat در سال 2013، هکرها نحوه استفاده از ابزار رهگیری و تزریق بسته Z-Force را برای شناسایی یک آسیب پذیری اجرایی حیاتی در لایه امنیتی پروتکل Z Wave نشان دادند. آنها نشان دادند که چگونه می توان قفل درب Z Wave رمزگذاری شده با AES را به خطر انداخت، که معلوم شد این نقصی نیست که توسط پروتکل Z Wave معرفی شده باشد، بلکه توسط سازنده قفل درب معرفی شده است. در پاسخ، Sigma Designs موارد تست امنیتی اضافی را به فرآیندهای صدور گواهینامه خود اضافه کرد.

در ارائه ShmooCon در سال 2016، دو هکر نشان دادند که چگونه می‌توان از ابزار تست نفوذ EZ-Wave منبع باز برای از بین بردن نورها و آسیب فیزیکی دستگاه‌ های دارای گواهی Z Wave استفاده کرد. در تحقیقات خود، هکرها دریافتند که از 33 دستگاهی که آزمایش کردند، تنها 9 دستگاه از AES پشتیبانی می‌کنند. بعد از آن، Z Wave Alliance رمزگذاری AES 128 را برای دریافت گواهینامه یک دستگاه اجباری کرد.

اتحاد Z-Wave دستگاه‌های دارای گواهی Z-Wave را از چارچوب Security 2 (S2) که در آوریل 2017 آغاز شد، اجباری کرد. این فرآیند از یک فرآیند سه مرحله‌ ای در چارچوب S0 قبلی به یک فرآیند یک مرحله‌ ای در S2 تغییر کرد.

S2 در تلاشی برای کاهش حملات به سرویس توزیع شده دستگاه های Z Wave از روش Diffie-Hellman استفاده می کند و به یک کد QR یا PIN در سطح دستگاه نیاز دارد. احراز هویت. S2 همچنین ارتباطات ابری تقویت شده را با محدود کردن تمام ترافیک Z Wave از طریق IP از طریق یک راه امن TLS 1.1 پیاده سازی می کند.

در ماه مه 2018، محققان Pen Test Partners یک آسیب‌پذیری نرم‌افزاری پنج ساله را در پروتکل Z Wave به نام Z-Shave پیدا کردند که حدود 100 میلیون SoC در دستگاه‌های خانه هوشمند تولید شده توسط بیش از 2400 فروشنده را تحت تأثیر قرار داد.

آزمایشگاه سیلیکون توانایی حمله را رد کرد و ادعا کرد که این حمله نیاز به نزدیکی فیزیکی نزدیک به دستگاه در طول فرآیند جفت شدن دارد که در هنگام نصب اولیه یا نصب مجدد انجام می شود. این بدان معناست که کاربر باید در زمان حمله حضور داشته باشد و از دستگاهی که S0 را اجرا می کند آگاه شود. این شرکت همچنین اعلام کرد که در حال به روز رسانی مشخصاتی است تا اطمینان حاصل شود که کاربران هر زمان که دستگاهی به S0 کاهش می یابد، هشدار دریافت می کنند. کاربر برای اجرای سیستم باید اخطار را تایید کرده و بپذیرد.

مدل لایه ی عمومی ارتباطات بی سیم

سیستم های بی سیم پیچیده اند و ساختارهای زیادی دارند. همان طور که می دانید انتخاب های زیادی وجود دارد، اما مهم اینست که آن چیزی که شما انتخاب می کنید سازگار با دیگر وسایل باشد. برای اینکه بتوانیم این ساختارهای متعدد را مدیریت کنیم باید آن را به لایه های مختلف تقسیم کنیم. برای یک پروتکل بی سیم پایین ترین لایه هواست. بالاترین لایه همیشه کاربر است. در تکنولوژی Z-Wave یک ساختار سه لایه ای وجود دارد.

  • لایه رادیویی: این لایه مسیر را مشخص می کند طوری که سیگنال بین فرستنده و گیرنده مبادله می شود. موضوعاتی مانند فرکانس، رمزگشایی و دسترسی به سخت افزار در این لایه قرار دارند.
  • لایه شبکه: این لایه چگونگی کنترل داده های مبادله شده میان دو وسیله ی ارتباطی را تعریف می کند. موضوعاتی مانند آدرس دهی، سازمان دهی شبکه و مسیریابی در این لایه قرار دارند.
  • لایه کاربردی: این لایه مشخص می کند که چه پیغام هایی برای کاربردهای خاص باید مبادله شود. موضوعاتی مانند تغییر وضعیت روشنایی یک لامپ یا افزایش درجه حرارت یک وسیله گرمایشی در این لایه قرار دارند.

پروتکل Z Wave در مقابل Zigbee

پروتکل Z-Wave

پروتکل Z Wave و Zigbee دو تا از بزرگترین نام ها در پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند هستند. هر دو از سیگنال های رادیویی با برد کوتاه و کم مصرف و فناوری های شبکه مش استفاده می کنند و هر دو با استفاده از AES ایمن می شوند. با این حال، تفاوت های قابل توجه ای وجود دارد.

پروتکل Z Wave روی باند فرکانس پایین 908.42 و پروتکل Zigbee در فرکانس 2.4 گیگاهرتز کار می کند. در حالی که فرکانس بالاتر به Zigbee اجازه می دهد تا داده های بیشتری را سریعتر ارسال کند (40 تا 250 کیلوبیت بر ثانیه) در مقابل پروتکل Z Wave (با سرعت 9.6 تا 100 کیلوبیت بر ثانیه) برد سیگنال بیشتری را نسبت به Zigbee در اختیار قرار می دهد. به عنوان یک استاندارد باز که توسط Zigbee Alliance اجرا می‌شود، تراشه‌های Zigbee از چندین فروشنده در دسترس هستند، در حالی که تراشه‌های Z-Wave فقط از آزمایشگاه‌های سیلیکون در دسترس می باشند.

Zigbee اغلب به دلیل پروتکل های متعدد آن پیچیده تر تلقی می شود. برای مثال، مشخصاتی را برای انرژی هوشمند، مراقبت های بهداشتی، هاب ها و موارد دیگر ارائه می دهد، که از لحاظ سینک شدن ارتباط خوبی با هم ندارند. با این حال، انتشار Zigbee 3.0 با هدف رفع این مشکل و رفع پیچیدگی آن است.

یک شبکه Zigbee که حداکثر تعداد پرش های مجاز را ندارد، می تواند بیش از 65000 دستگاه را پشتیبانی کند، در حالی که یک شبکه Z Wave، محدود به چهار هاپ و حداکثر 232 دستگاه را پشتیبانی می کند.

امروزه بسیاری از هاب خانه های هوشمند، از جمله Samsung SmartThings و Wink Hub از هر دو استاندارد پشتیبانی می کنند و به دستگاه های Zigbee و Z Wave اجازه می دهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، بنابراین نیازی به انتخاب یکی از دیگری نیست.

مزایای پروتکل Z Wave :

  • نصب و راه اندازی ساده و قابلیت افزودن تجهیزات و امکانات جدید
  • ﻣﺼﺮف انرژی ﺑﺴﯿﺎر ﭘﺎﯾﯿﻦ و عدم نیاز به کابل کشی هوشمند
  • سهولت استفاده از سیستم بخصوص برای کودکان و سالمندان
  • مناسب برای ترکیب با سایر وسایل به دلیل اندازه کوچک سخت افزار
  • ﻫﺰﯾﻨﻪ ﮐﻢ ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﻣﺠﺘﻤﻊ ﺳﺎزی ﺷﺪن ﺑﺮ روی ﯾﮏ تراشه
  • عدم تداخل با وسایل بی سیم به دلیل عملکرد پروتکل روی فرکانس خاص
  • امکان کنترل از طریق ارسال پیامک، ریموت کنترل، پنل لمسی، تبلت، اینترنت و موبایل

معایب پروتکل Z Wave :

  • عدم قابلیت استفاده در سیستم‌های جامع مدیریت ساختمان
  • محدودیت تنوع گسترده قطعات و گستره کنترلی آن‌ها
  • عدم کارکرد مناسب در محیط‌های پر نویز و مسافت‌های طولانی
  • نداﺷﺘﻦ ﻣﮑﺎﻧﯿﺴﻤﯽ ﺑﺮای ﺗﻀﻤﯿﻦ اﻣﻨﯿﺖ داده‌ﻫﺎ در ارﺗﺒﺎﻃﺎت
  • حداکثر232 وسیله را می توان با این پروتکل با هم متصل کرد

فهرست مطالب

مقالات مرتبط
آموزش ھوشمندسازی ساختمان (BMS) – قسمت چهارم
اموزش هوشمندسازی(BMS) – قسمت سوم
آموزش ھوشمند سازی ساختمان (BMS) – قسمت دوم
آموزش هوشمند سازی ساختمان (BMS) – قسمت اول
BMS چیست؟ مزایای سیستم هوشمند ساختمان

اشتراک گذاری :

اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در whatsapp
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در email

2 پاسخ

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.