Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Z-волны )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Z-Wave - это протокол беспроводной связи, используемый в основном для домашней автоматизации . Это ячеистая сеть, использующая низкоэнергетические радиоволны для связи от прибора к прибору [1], позволяющая осуществлять беспроводное управление бытовыми приборами и другими устройствами, такими как управление освещением, системы безопасности, термостаты, окна, замки, бассейны и гараж. открыватели дверей. [2] [3] Как и другие протоколы и системы, предназначенные для рынка автоматизации дома и офиса, системой Z-Wave можно управлять через Интернет со смартфона, планшета или компьютера, а также локально через интеллектуальный динамик, беспроводной брелок., или настенная панель со шлюзом Z-Wave или центральным устройством управления, служащим одновременно контроллером концентратора и порталом наружу. [2] [4] Z-Wave обеспечивает взаимодействие на уровне приложений между системами управления домом различных производителей, которые входят в его альянс. Растет число совместимых продуктов Z-Wave; более 1700 в 2017 году [5] и более 2600 к 2019 году [6].

История [ править ]

Протокол Z-Wave был разработан Zensys, датской компанией, базирующейся в Копенгагене , в 1999 году. [7] [8] [9] В том же году Zensys представила потребительскую систему управления освещением, которая превратилась в Z-Wave как запатентованную. система на кристалле (SoC) протокол домашней автоматизации на нелицензируемой полосе частот в диапазоне 900 МГц. [10] Его набор микросхем серии 100 был выпущен в 2003 году, а его серия 200 - в мае 2005 года [2] с чипом ZW0201, обеспечивающим высокую производительность при низкой стоимости. [11] Его чип серии 500, также известный как Z-Wave Plus, был выпущен в марте 2013 года с четырехкратным объемом памяти, улучшенным радиусом действия беспроводной связи и увеличенным временем автономной работы. [12]Технология начала завоевывать популярность в Северной Америке примерно в 2005 году, когда пять компаний, включая Danfoss , Ingersoll-Rand и Leviton Manufacturing , приняли Z-Wave. [9] Они сформировали Z-Wave Alliance, цель которого - продвигать использование технологии Z-Wave, при этом все продукты компаний, входящих в альянс, совместимы. [8] [9] В 2005 году Bessemer Venture Partners возглавили третий посевной раунд для Zensys на сумму 16 миллионов долларов. [9] В мае 2006 года Intel Capital объявила об инвестировании в Zensys через несколько дней после того, как Intel присоединилась к Z-Wave Alliance. [11] В 2008 году Zensys получила инвестиции от Panasonic., Cisco Systems , Palamon Capital Partners и Sunstone Capital. [9]

Z-Wave была приобретена Sigma Designs в декабре 2008 года. [9] [13] После приобретения штаб-квартира Z-Wave в США во Фремонте, Калифорния, была объединена со штаб-квартирой Sigma в Милпитасе, Калифорния . [9] [14] В рамках изменений права на товарный знак Z-Wave были сохранены в США компанией Sigma Designs и приобретены дочерней компанией Aeotec Group в Европе. [15] [16] 23 января 2018 года Sigma объявила о планах продажи технологии Z-Wave и бизнес-активов компании Silicon Labs за 240 миллионов долларов [17], и продажа была завершена 18 апреля 2018 года.[18]

В 2005 году на рынке было шесть продуктов, в которых использовалась технология Z-Wave. К 2012 году, когда технология умного дома становилась все более популярной, в США было доступно около 600 продуктов, использующих технологию Z-Wave. [8] По состоянию на январь 2019 года насчитывалось более 2600 совместимых продуктов, сертифицированных Z-Wave. [6]

Совместимость [ править ]

Совместимость Z-Wave на уровне приложений гарантирует, что устройства могут обмениваться информацией, и позволяет всему аппаратному и программному обеспечению Z-Wave работать вместе. Его технология беспроводной ячеистой сети позволяет любому узлу напрямую или косвенно общаться с соседними узлами, контролируя любые дополнительные узлы. Узлы, находящиеся в пределах досягаемости, напрямую взаимодействуют друг с другом. Если они не находятся в пределах досягаемости, они могут связываться с другим узлом, находящимся в пределах досягаемости, для доступа и обмена информацией. [3]В сентябре 2016 года некоторые части технологии Z-Wave стали общедоступными, когда тогдашний владелец Sigma Designs выпустил общедоступную версию уровня взаимодействия Z-Wave с программным обеспечением, добавленным в библиотеку с открытым исходным кодом Z-Wave. Доступность с открытым исходным кодом позволяет разработчикам программного обеспечения интегрировать Z-Wave в устройства с меньшими ограничениями. Безопасность Z-Wave S2, Z / IP для передачи сигналов Z-Wave по IP-сетям и промежуточное ПО Z-Ware - все с открытым исходным кодом по состоянию на 2016 год [19].

Стандарты и Z-Wave Alliance [ править ]

Z-Wave Alliance был основан в 2005 году как консорциум компаний, которые обеспечивают управление подключенными устройствами через приложения на смартфонах, планшетах или компьютерах с использованием технологии беспроводной ячеистой сети Z-Wave. Альянс представляет собой официальную ассоциацию, ориентированную как на расширение Z-Wave, так и на постоянную совместимость любого устройства, использующего Z-Wave. [4] [8] [20]

В октябре 2013 года была объявлена ​​новая программа сертификации протоколов и совместимости под названием Z-Wave Plus, основанная на новых функциях и более высоких стандартах взаимодействия, объединенных вместе и необходимых для системы серии 500 на кристалле (SoC), и включающая некоторые функции, которые были ранее применены. доступен с 2012 года для SoC серии 300/400. [21] В феврале 2014 года первый продукт был сертифицирован Z-Wave Plus. [22] Альянс стремится создать для умного дома безопасную ячеистую сеть, работающую на различных платформах. [23]

Z-Wave разработан для обеспечения надежной связи и работы между устройствами и объектами с поддержкой датчиков от различных производителей в Z-Wave Alliance, который состоит из более чем 700 членов. [5] Основными членами альянса являются ADT Corporation , Assa Abloy , Jasco, Leedarson, LG Uplus , Nortek Security & Control, Ring , Silicon Labs , SmartThings , Trane Technologies и Vivint . [24]

В 2016 году Альянс запустил программу обучения сертифицированных установщиков Z-Wave, чтобы дать установщикам, интеграторам и дилерам инструменты для развертывания сетей и устройств Z-Wave в жилых и коммерческих помещениях. В том же году Альянс анонсировал Z-Wave Certified Installer Toolkit (Z-CIT), устройство для диагностики и устранения неполадок, которое можно использовать во время настройки сети и устройства, а также может работать как инструмент удаленной диагностики. [25]

Z-Wave Alliance поддерживает программу сертификации Z-Wave. Сертификация Z-Wave состоит из двух компонентов: техническая сертификация, управляемая через Silicon Labs , и рыночная сертификация, управляемая через Z-Wave Alliance. [26]

Технические характеристики [ править ]

Радиочастоты [ править ]

Z-Wave разработан для обеспечения надежной передачи небольших пакетов данных с малой задержкой на скорости до 100 кбит / с. [27] Пропускная способность составляет 40 кбит / с (9,6 кбит / с при использовании старых микросхем) и подходит для приложений управления и датчиков, [28] в отличие от Wi-Fi и других систем беспроводной локальной сети на основе IEEE 802.11 , которые предназначены в первую очередь для высоких скоростей передачи данных. . Расстояние связи между двумя узлами составляет около 30 метров (40 метров с микросхемой серии 500), а возможность передачи сообщений между узлами до четырех раз обеспечивает достаточное покрытие для большинства жилых домов. Модуляция - это частотная манипуляция (FSK) с манчестерским кодированием . [28]

Z-Wave использует нелицензированный промышленный, научный и медицинский ( ISM ) диапазон Part 15 . [29] Он работает на частоте 868,42 МГц в Европе, на частоте 908,42 МГц в Северной Америке и использует другие частоты в других странах в зависимости от их правил. [3] Этот диапазон конкурирует с некоторыми беспроводными телефонами и другими устройствами бытовой электроники, но позволяет избежать помех Wi-Fi , Bluetooth и другим системам, которые работают в переполненном диапазоне 2,4 ГГц . [4] Нижние уровни, MAC и PHY, описаны в ITU-T G.9959 и полностью обратно совместимы. В 2012 году Международный союз электросвязи(ITU) включил уровни Z-Wave PHY и MAC в качестве опции в свой стандарт G.9959 для беспроводных устройств ниже 1 ГГц. Скорости передачи данных включают 9600 бит / с и 40 кбит / с с выходной мощностью 1 мВт или 0 дБм. [3] Чипы приемопередатчика Z-Wave поставляются Silicon Labs .

Таблица используемых частот в различных частях мира: [30]

Настройка сети, топология и маршрутизация [ править ]

Z-Wave использует архитектуру ячеистой сети с маршрутизацией от источника . Mesh-сети также известны как беспроводные одноранговые сети . В таких сетях устройства используют беспроводной канал для отправки управляющих сообщений, которые затем ретранслируются соседними устройствами в виде волны. Поэтому исходное устройство, желающее передать, известно как инициатор. Отсюда и название - произвольная маршрутизация сетки, инициированная источником. В начале 1990-х годов было предложено несколько протоколов ячеистой маршрутизации, инициируемых источником. Первыми из них были специальная дистанционная векторная маршрутизация по требованию (AODV) и динамическая маршрутизация от источника (DSR). [31]

Устройства могут связываться друг с другом, используя промежуточные узлы для активного обхода домашних препятствий или мертвых зон радиосвязи, которые могут возникнуть в многолучевой среде дома. [28] Сообщение от узла A к узлу C может быть успешно доставлено, даже если два узла находятся за пределами диапазона, при условии, что третий узел B может связываться с узлами A и C. Если предпочтительный маршрут недоступен, отправитель сообщения будет пробовать другие маршруты, пока не будет найден путь к узлу C. Следовательно, сеть Z-Wave может охватывать гораздо больше, чем радиус действия отдельного устройства; однако с несколькими из этих скачков может возникнуть небольшая задержка между управляющей командой и желаемым результатом. [32]

Самая простая сеть - это одно управляемое устройство и первичный контроллер. В любое время можно добавить дополнительные устройства, а также вторичные контроллеры, включая традиционные портативные контроллеры, контроллеры брелоков, контроллеры настенных выключателей и приложения для ПК, предназначенные для управления и контроля сети Z-Wave. Сеть Z-Wave может включать в себя до 232 устройств, с возможностью преодоления сетей , если требуется большее количество устройств. [3]

Устройство должно быть «включено» в сеть Z-Wave, прежде чем им можно будет управлять через Z-Wave. Этот процесс (также известный как «спаривание» и «добавление») обычно достигается нажатием последовательности кнопок на контроллере и на устройстве, добавляемом к сети. Эту последовательность нужно выполнить только один раз, после чего устройство всегда распознается контроллером. Аналогичным образом можно удалить устройства из сети Z-Wave. Контроллер изучает уровень сигнала между устройствами во время процесса включения, поэтому архитектура ожидает, что устройства будут в предполагаемом конечном местоположении, прежде чем они будут добавлены в систему. Обычно контроллер имеет небольшую внутреннюю резервную батарею., позволяя временно отключить его и доставить к новому устройству для сопряжения. Затем контроллер возвращается в свое обычное место и снова подключается.

Каждая сеть Z-Wave идентифицируется идентификатором сети, а каждое устройство дополнительно идентифицируется идентификатором узла. Идентификатор сети (также называемый домашним идентификатором) - это общий идентификатор всех узлов, принадлежащих одной логической сети Z-Wave. Идентификатор сети имеет длину 4 байта (32 бита) и назначается каждому устройству первичным контроллером, когда устройство «включено» в Сеть. Узлы с разными идентификаторами сети не могут взаимодействовать друг с другом. ID узла - это адрес отдельного узла в сети. Идентификатор узла имеет длину 1 байт (8 бит) и должен быть уникальным в своей сети. [33]

Чип Z-Wave оптимизирован для устройств с батарейным питанием, и большую часть времени остается в режиме энергосбережения, чтобы потреблять меньше энергии, и просыпается только для выполнения своей функции. [10] В ячеистых сетях Z-Wave каждое устройство в доме передает беспроводные сигналы по дому, что приводит к низкому энергопотреблению, позволяя устройствам работать годами без необходимости замены батарей. [19] Для того, чтобы устройства Z-Wave могли маршрутизировать нежелательные сообщения, они не могут находиться в спящем режиме. Поэтому устройства с батарейным питанием не предназначены для повторителей. Мобильные устройства, такие как пульты дистанционного управления, также исключаются, поскольку Z-Wave предполагает, что все устройства с поддержкой ретранслятора в сети остаются в исходном обнаруженном положении.

Безопасность [ править ]

Z-Wave основан на запатентованном дизайне, поддерживаемом Sigma Designs в качестве основного поставщика микросхем, но бизнес-подразделение Z-Wave было приобретено Silicon Labs в 2018 году. [18] [3] В 2014 году Mitsumi стала лицензированным вторым поставщиком. для чипов серии Z-Wave 500. [34] Несмотря на то, что был проведен ряд академических и практических исследований в области безопасности систем домашней автоматизации, основанных на протоколах Zigbee и X10 , исследования все еще находятся в зачаточном состоянии для анализа уровней стека протоколов Z-Wave, что требует разработки устройства захвата радиопакетов. устройство и соответствующее программное обеспечение для перехвата сообщений Z-Wave. [35] [36]Ранняя уязвимость была обнаружена в дверных замках Z-Wave с шифрованием AES, которые можно было удаленно использовать для разблокировки дверей без знания ключей шифрования, и из-за измененных ключей последующие сетевые сообщения, такие как «дверь открыта», будут игнорироваться установленным контроллером сети. Уязвимость возникла не из-за недостатка в спецификации протокола Z-Wave, а из-за ошибки реализации производителем дверных замков. [35]

17 ноября 2016 года альянс Z-Wave Alliance объявил о более строгих стандартах безопасности для устройств, получивших сертификат Z-Wave со 2 апреля 2017 года. Известный как Security 2 (или S2), он обеспечивает повышенную безопасность для устройств умного дома, шлюзов и концентраторов. . [23] [37] Он поддерживает стандарты шифрования для передачи между узлами и предписывает новые процедуры сопряжения для каждого устройства с уникальными PIN- кодами или QR-кодами на каждом устройстве. Новый уровень аутентификации предназначен для предотвращения взлома хакерами контроля над незащищенными или плохо защищенными устройствами. [38] [39] Согласно Z-Wave Alliance, новый стандарт безопасности является наиболее передовым из доступных на рынке устройств и контроллеров, шлюзов и концентраторов для умного дома. [40]Но из-за обратной совместимости устройства S2 по-прежнему уязвимы во время процесса сопряжения. [41]

Оборудование [ править ]

Микросхема для узлов Z-Wave - ZW0500, построенная на микроконтроллере Intel MCS-51 с внутренней системной частотой 32 МГц. ВЧ-часть микросхемы содержит приемопередатчик GisFSK для программно выбираемой частоты. При напряжении питания 2,2-3,6 вольт он потребляет 23 мА в режиме передачи. [28] Его функции включают шифрование AES-128, беспроводной канал 100 кбит / с, одновременное прослушивание на нескольких каналах и поддержку USB VCP. [42]

Сравнение с другими протоколами [ править ]

Для беспроводных сетей умного дома существует множество технологий, претендующих на то, чтобы стать стандартом выбора. Wi-Fi потребляет много энергии, а Bluetooth ограничен по дальности сигнала и количеству устройств. Другие сетевые стандарты, конкурирующие с Z-Wave, включают Wi-Fi HaLow , Bluetooth 5, Insteon , Thread и ZigBee.. Z-Wave имеет большой рабочий диапазон на открытом воздухе: 90 метров (снаружи) и 24+ метра (в помещении). Insteon теоретически может адресовать большое количество устройств - 17,7 миллиона (по сравнению с 65000 ZigBee и 232 Z-Wave). Thread имеет высокую скорость передачи данных 250 кбит / с. Z-Wave имеет лучшую совместимость, чем ZigBee, но ZigBee имеет более высокую скорость передачи данных. Thread и Zigbee работают на загруженной стандартной частоте Wi-Fi 2,4 ГГц, в то время как Z-Wave работает на частоте 908 МГц в США, что снижает уровень шума и увеличивает зону покрытия. Все три являются ячеистыми сетями. [43] [44]Z-Wave MAC / PHY глобально стандартизирован Международным союзом электросвязи как радио ITU 9959, а спецификации Z-Wave Interoperability, Security (S2), Middleware и Z-Wave over IP были выпущены в общественное достояние в 2016 году. делает Z-Wave очень доступным для разработчиков Интернета вещей . [44]

См. Также [ править ]

  • Белкин Вемо
  • Bluetooth 5
  • Insteon
  • Thread (сетевой протокол)
  • UPB
  • Вай фай
  • Wi-Fi HaLow
  • Зигби
  • X10 (отраслевой стандарт)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гарольд Старк, «Полное руководство по созданию собственного умного дома в 2017 году», Forbes , 22 мая 2017 г.
  2. ^ a b c Оливер Кавен, "Zensys 'Z-Wave Technology", журнал PC , 8 января 2005 г.
  3. ^ a b c d e f Лу Френзель, "В чем разница между ZigBee и Z-Wave?" Электронный дизайн , 29 марта 2012 г.
  4. ^ a b c «Сделайте свой тупой дом умнее с помощью автоматизации Z-Wave» . Цифровые тенденции . 2013-11-07 . Проверено 12 марта 2016 .
  5. ^ a b Роджер Пинк, «ZigBee против Z-Wave для Интернета вещей», Electronics 360, 4 мая 2017 г.
  6. ^ a b «Z-Wave Alliance принимает интерактивный павильон умного дома на выставке CES 2019» . nbc-2.com . Проверено 9 января 2019 .
  7. ^ "Что такое Z-Wave?" . lifewire.com . Проверено 9 января 2019 .
  8. ^ a b c d Эми Вестервельт , "Могут ли умные дома сохранять здоровье людей?" Forbes , 21 марта 2012 г.
  9. ^ Б с д е е г Дэвид Эрлих, "Sigma Designs Покупка Smart Network микрочипов Zensys," GigaOm , 18 декабря 2008.
  10. ^ a b Оливье Херсент, Дэвид Босвартик и Омар Эллуми, Интернет вещей: ключевые приложения и протоколы , Западный Суссекс: John Wiley & Sons , глава 8, 2012.
  11. ^ Б Патрик Мэннион, "фонды Intel Z-Wave разработчик Zensys," EE Times , 1 мая 2006.
  12. ^ Майкл Браун, «Sigma Designs объявляет о выпуске нового семейства продуктов для управления домом Z-Wave», TechHive, 19 марта 2013 г.
  13. ^ "Эпизод 151 - Обсуждение Z-Wave с исполнительным директором Митчем Кляйном" . HomeTech.fm . Проверено 7 марта 2017 .
  14. Кевин Дж. О'Брайен, «Дом будущего еще через несколько лет», New York Times , 5 сентября 2012 г.
  15. ^ "Z-WAVE Торговая марка SILICON LABS" . Торговые марки Justia . Justia. 10 декабря 2002 . Проверено 30 июня 2020 .
  16. ^ "Товарный знак ЕС 010262351" . EUIPO . Ведомство интеллектуальной собственности Европейского Союза . Проверено 23 февраля 2020 года .
  17. ^ "Sigma Designs, Inc. объявляет о плане продажи своего бизнеса Z-Wave за 240 миллионов долларов | Sigma Designs" . Sigma Designs . Проверено 27 марта 2018 .
  18. ^ a b «Silicon Labs завершает приобретение Z-Wave бизнеса Sigma Designs» . Silicon Labs . Проверено 23 апреля 2018 .
  19. ^ a b Джеймс Морра, "Z-Wave Specifications Go Open-Source", Electronic Design , 7 сентября 2016 г.
  20. Брайан X. Чен, «Смартфоны становятся пультом дистанционного управления жизни», New York Times , 11 января 2013 г.
  21. ^ «Sigma Designs и Z-Wave Alliance представляют новую программу сертификации Z-Wave Plus ™ - Z-Wave Alliance» . 22 октября 2013 г.
  22. ^ «Контроллер клапана Leak Gopher Z-Wave» .
  23. ^ a b Лаура Гамильтон, «Z-Wave Alliance объявляет о члене правления и новом мандате по безопасности», журнал CED , 22 декабря 2016 г.
  24. ^ "Компании-члены Z-Wave Alliance - Z-Wave Alliance" . Z-Wave Альянс . Проверено 30 июня 2020 .
  25. ^ «Z-Wave Certified Installer Toolkit» . резидентские системы.com . Проверено 9 января 2019 .
  26. ^ «Получите сертификат Z-Wave» . silabs.com . Проверено 9 января 2019 .
  27. ^ «О технологии Z-Wave» . Март 2013 . Проверено 13 мая 2013 .
  28. ^ a b c d Галеев Михаил Т. (02.10.2006). «Захват Z-волны | Встроенный» . embedded.com . Проверено 26 июля 2015 .
  29. ^ Интернет, Sigma Designs. «Z-Wave: Домашний контроль» . www.sigmadesigns.com . Архивировано из оригинала на 2014-07-17 . Проверено 12 марта 2016 .
  30. ^ «Территории» . products.z-wavealliance.org . Проверено 9 января 2019 .
  31. ^ Джонсон, D .; Ю. Ху; Д. Мальц (февраль 2007 г.). «RFC 4728: Протокол динамической маршрутизации от источника (DSR) для мобильных Ad Hoc сетей для IPv4» . IETF . Проверено 19 марта 2018 года .
  32. ^ Лафлин, Томас (2012-11-22). "Рождественские огни Z-Wave" . Томас Лафлин . Проверено 3 декабря 2012 года . Немного дальше, и я бы увидел замедление контроля над любым устройством в сети. Мы действительно заставили его работать на высоте около 130 футов, но устройству потребовалось около 3 минут, чтобы получить сообщение о включении / выключении.
  33. ^ «Понимание Z-Wave сетей, узлов и устройств» . Vesternet.com. Архивировано из оригинала на 2012-12-13 . Проверено 19 ноября 2012 .
  34. ^ «Z-Wave становится стандартом для различных источников по мере роста глобального рынка систем управления домом », sigmadesigns.com, 2 января 2014 г.
  35. ^ a b Фулади, Бехранг; Ганун, Саханд (2013). «Оценка безопасности беспроводного протокола Z-Wave» (PDF) . Sense Post.
  36. ^ Пикод, Жан-Мишель; Лебрен, Арно; Демай, Джонатан-Кристофер (2014). «Предоставление программно-определяемого радио сообществу тестирования на проникновение» (PDF) . BlackHat USA.
  37. ^ Уильям Вонг, «Q&A: S2's Impact on Z-Wave and IoT Security», Electronic Design , 17 января 2017 г.
  38. Ry Crist, «Гаджеты для умного дома Z-Wave объявляют о новых стандартах безопасности Интернета вещей», CNET , 17 ноября 2016 г.
  39. Ry Crist, «Ваши умные домашние гаджеты Z-Wave стали еще безопаснее», CNET, 3 апреля 2017 г.
  40. ^ Кен Бриодаг, «Обязательная реализация безопасности для устройств Z-Wave IoT начинает действовать », IoT Evolution, 4 апреля 2017 г.
  41. ^ Брюстер, Томас. «Базовый взлом Z-Wave раскрывает до 100 миллионов умных домашних устройств» . Forbes . Проверено 9 декабря 2020 .
  42. ^ "Z-Wave 500 series", Aeotc.com. Доступ 30 июля 2017 г.
  43. ^ Кевин Пэрриш, «ZigBee, Z-Wave, Thread и WeMo: в чем разница?» Руководство Тома, 14 июля 2015 г.
  44. ^ a b Брэндон Льюис, «Z-Wave открывается по мере завершения битвы за подключение умного дома», Embedded Computing Design, 2 сентября 2016 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Официальный веб-сайт