آشنایی با سیستم هوشمند بی سیم Z-Wave

Z-Wave یک استاندارد یا پروتکل هوشمندسازی بی سیم (Wireless) برای تجهیزات برق ساختمان می باشد. این استاندارد به صورت یگ شبکه مش (Mesh Network) عمل میکند و با بکارگیری امواج رادیویی کم مصرف ارتباط بی سیم (Wireless) بین دو دستگاه فرستنده و گیرنده برقرار می شود. به کمک این استاندارد میتوان تجهیزات روشنایی، پرده برقی، سرمایش/ گرمایش، قفل برقی، صوتی و امنیتی را به سادگی کنترل و نظارت کرد.

به کمک این استاندارد میتوان تجهیزات هوشمند را با انواع موبایل، تبلت و لپ تاپ کنترل کرد و در صورت اتصال به شبکه جهانی اینترنت می توانیم از هر نقطه دنیا سیستم را نظارت و کنترل کنیم. امکان کنترل این سیستم از طریق سایر دستگاهها نظیر دستیارهای صوتی Alexa, Google Home و نمایشگرهای دیواری نیز مقدور است. در این سیستم میتوان از محصولات برندهای مختلف جهت هوشمندسازی استفاده کرد و لذا محدود به یک برند یا محصول خاص نیستید. تا پایان سال ۲۰۱۹ میلادی بیش از ۲۶۰۰ محصول هوشمند تحت استاندارد Z-Wave در سراسر دنیا تولید و عرضه شده است.

شبکه مش (Mesh Network) چیست؟

شبکه مش راهکاری جالب برای قابلیت ارتباط بی سیم بین دو دستگاه می باشد. مزیت استفاده از آن در اتوماسیون‌های ساختمانی 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 صرف‌نظر از هر اتفاقی، همواره سروقت خواهید رسید. کاهش و افت سیگنال از نگرانی های سیستم های بی سیم است، دستگاه‌های بیسیم Z-Wave سیگنال را افزایش داده و به دستگاه بعدی می‌فرستند (Hopping)  بنابراین حتی اگر یک دستگاه خاموش باشد شبکه به‌سادگی مسیر دیگری را برای رسیدن به هدف جایگزین می‌کند.

تاریخچه Z-Wave

این پروتکل توسط یک شرکت دانمارکی با نام Zensys در سال ۱۹۹۹ بوجود آمد. در آن سال این شرکت یک دستگاه کنترل روشنایی با استاندارد Z-Wave معرفی کرد که به صورت بی سیم و با فرکانس ۹۰۰ MHz کار می کرد.

در سال ۲۰۰۳ چیپ الکترونیکی یا میکروپروسسور جدیدی با نام سری ۱۰۰ تولید و در سال ۲۰۰۵ سری پیشرفته تر آن با نام سری ۲۰۰ روانه بازار گردید. چیپ پیشرفته ZW0201 با عملکردی بهتر و قیمت مناسب تر عرضه شد. در سال ۲۰۱۵ چیپ ارتقای یافته جدید با نام سری ۵۰۰ که به نام Z-Wave Plus نیز شناخته می شد روانه بازار شد. این چیپ جدید با حافظه ای ۴ برابر بیشتر، رنج وایرلس قوی تر و طول عمر باطری بیشتر تولید گردید.

این استاندارد در سال ۲۰۰۵ در آمریکای شمالی مقبولیت پیدا کرد و ۵ کمپانی آمریکایی که مهمترین آنهاDanfoss, Ingersoll- Rand, Leviton,  بودند اتحاد Z-Wave را تشکیل دادند و محصولاتی را تولید کردند که با هم منطبق بوده و مشتریان میتوانستند در یک پروژه از ترکیب آنها استفاده کنند.

در می سال ۲۰۰۶ بخش سرمایه گذاری های شرکت آمریکایی اینتل (Intel Capital) خبر از سرمایه گذاری با شرکت Zensys را کرد و به فاصله چند روز بعد به اتحاد Z-Wave Alliance پیوست. در سال ۲۰۰۸ بار دیگر شرکتهای CISCO Systems, Panasonic, Sunstone Capital, Palamon Capital Partners نیز تصمیم به سرمایه گذاری در Zensys را کردند و بدین ترتیب زمینه رشد بیشتر این استاندارد را فراهم ساختند.

به یکباره در دسامبر سال ۲۰۰۸ شرکت Sigma Designs امتیاز استاندارد Z-Wave را خریداری کرد. پس از این اتفاق دفتر مرکزی استاندارد Z-wave در شهر Fremont ایالت متحده با دفتر شرکت Sigma Design در شهر کالیفرنیا ادغام شدند تا کلیه موضوعات و طرحهای توسعه در کنترل شرکت سیگما درآید. در نهایت در سال ۲۰۱۸ طی یک معامله جاه طلبانه شرکت Sigma امتیاز استاندارد Z-Wave را به ارزش ۲۴۰ میلیون دلار به شرکت Silicon Labs فروخت. این شرکت یکی از بزرگترین طراحان و تولیدکنندگان نیمه هادی (Semiconductors) در دنیاست که محصولات آن برای تولید تجهیزات اینترنت اشیا (IoT) و اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین شرکت Silicon Labs عضو انجمن و اتحادیه سایر استانداردها و پروتکلهای بی سیم نظیر Zigbee, WiFi, Thread, Bluetooth نیز می باشد.

قابلیت تعامل

یکی از مهمترین ویژگی های استاندارد Z-Wave قابلیت تعامل (Interoperability) آن است. یعنی کلیه ورژنها و نسخه های قدیمی و جدید محصولات چه سخت افزاری و یا نرم افزاری می توانند بدون مشکل با هم ارتباط برقرار کنند و از این بابت محدودیتی وجود ندارد. فناوری شبکه مش (Mesh Network) این امکان را می دهد که هر دستگاه یا نود (اصطلاحی شبکه ای) با دستگاه یا نود مجاور خود به صورت مستقیم یا غیر مستقیم ارتباط برقرار سازد. بدین معنی که اگر دستگاهی به عنوان فرستده سیگنالی را ارسال کند و گیرنده در محدوده سیگنال بی سیم قرار داشته باشد اطلاعات به صورت مستقیم از فرستده به گیرنده می رسد. اما چنانچه فاصله فرستنده و گیرنده زیاد باشد و یا گیرنده در دسترس مستقیم فرستنده نباشد آنگاه سایر دستگاهها به عنوان تقویت کننده یا بازنشر دهند (repeater) عمل کرده و سیگنال را به صورت غیر مستقیم از فرستنده به دست گیرنده می رسانند.

در سال ۲۰۱۶ شرکت Sigma Designs به منظور توسعه و تولید بیشتر محصولات تحت استاندارد Z-Wave در سطح دنیا اقدام به ارائه نسخه باز (Open Source) قسمتهایی از نرم افزار آن کرد.

انجمن یا اتحاد Z-Wave

در سال ۲۰۰۵ اتحاد Z-Wave با نام Z-Wave Alliance در قالب کنسرسیومی از شرکتهای تولیدکننده تاسیس شد. این اتحاد با دو هدف گسترش و توسعه استاندارد Z-Wave و تضمین منطبق بودن محصولات تولیدی با یکدیگر بوجود آمد. در حال حاضر بیش از ۷۰۰ عضو در اتحاد Z-Wave وجود دارند که اعضای اصلی آن شامل برندها و موسساتی نظیر ADT Corporation, Alarm.com, Assa Abloy, Fibaro, Huawei, Ingersoll Rand, Jasco, Leedarson, LG Uplus, Nortek Security, Silicon Labs, Smartthing (Samsung) می باشند.

صدور گواهی نامه برای محصولات به عهده اتحاد Z-Wave است. گواهی نامه ها فنی و تجاری می باشند. گواهی نامه های فنی توسط مجموعه Silicon Labs و گواهی نامه های تجاری توسط خود اتحاد Z-Wave صادر می گردند.

مزایای اصلی Z-Wave

• ایمنی بالا: به دلیل اختصاص شناسه (ID) منحصر به فرد برای هر محصول در شبکه Z-Wave امکان دسترسی، خرابکاری و یا کنترل آن توسط سایر سیستمها و کنترلرهای مرکزی وجود ندارد.
• تاخیر بسیار کم: Z-Wave استانداردی قابل اطمینان و با تاخیر بسیار کم (Low Latency) در انتقال بی سیم دیتا می باشد. سرعت انتقال دیتا حداکثر ۱۰۰ کیلو بیت بر ثانیه می باشد که برای انتقال داده در هوشمندسازی ساختمان مناسب است.
• مصرف کم باطری: بخش قابل توجهی از محصولات این استاندارد با باطری کار میکنند و نیازی به سیم کشی ندارند. به همین دلیل این استاندارد به گونه ای طراحی شده که مصرف باطری بسیار کم باشد و اینگونه ادعا می شود که هر دستگاه تا ۷ سال بدون نیاز به تعویض باطری کار میکند.
• عدم تداخل: یکی از نگرانی ها در سیستم های بی سیم تداخل امواج و سیگنالهاست. در سیستم Z-Wave تداخلی با سایر استانداردهای بی سیم نظیر WiFi, Zigbee و سایر فناوری های بی سیم با فرکانس ۴ GHz وجود نخواهد داشت.
• قابلیت تعامل: یکی از ویژگی های مهم این استاندارد قابلیت انطباق و تعامل نسخه های قدیمی و جدید محصولات با یکدیگر می باشد. لذا به راحتی میتوان از یک ترموستات جدید استفاده کنیم بدون اینکه نیاز به تغییر در سایر قسمتهای پروژه باشد.
• شبکه مش: همانطور که قبلاً اشاره شد این استاندارد به صورت یک شبکه مش عمل میکند و لذا هر دستگاه به عنوان تقویت کننده یا باز نشر دهنده امواج عمل میکنند. بدین ترتیب انتقال سیگنال از فرستنده به گیرنده تضمین شده است.

فرکانس رادیویی

در نسخه های قدیمی سیستم Z-Wave سرعت انتقال داده ۴۰ کیلوبیت بر ثانیه بود. در حالیکه با توسعه این سیستم در حال حاضر سرعت انتقال دیتا به ۱۰۰ کیلوبیت بر ثانیه رسیده است. این سرعت انتقال دیتا برای هوشمندسازی ساختمان بسیار کارآمد است. حداکثر فاصله بین دو دستگاه برای انتقال مستقیم سیگنال بی سیم ۳۰ متر است (در پردازنده های جدید سری ۵۰۰ این فاصله به ۴۰ متر افزایش یافته است). همچنین یک سیگنال تا ۴ مرتبه بین دستگاهها یا نوده انتقال می یابد و لذا پوشش بیسیم بسیار مطلوبی رابرای یک واحد مسکونی فراهم می سازد.

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. با توجه به محدوده فرکانسی پایین این استاندارد، هیچگونه تداخلی با سیستمهای رنج بالا نظیر WiFi, Bluetooth و سایر دستگاهها و سیستمهای در رنج ۲.۴ GHz نخواهد داشت. در سال ۲۰۱۲ اتحادیه بین المللی سیستمهای مخابراتی با نام International Communication Union (ICU) محدوده فرکانسی پروتکل Z-Wave را در استاندارد بین المللی G.9959 و مخصوص سیگنالهای زیر ۱ GHz قرار داد.

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

مقایسه با سایر استانداردها

می خواهیم استاندارد یا پروتکل Z-Wave را با سایر استانداردهای بی سیم مقایسه کنیم:

WiFi: سرعت انتقال به مراتب بالاتری دارد اما مصرف برق آن بیشتر است.

Bluetooth: تعداد دستگاهها و سرعت انتقال سیگنال آن پایین تر است.

Zigbee: شباهت های بسیار زیادی با Z-Wave دارد اما قابلیت تعامل Z-Wave به مراتب بیشتر است. اما سرعت انتقال دیتا در Zigbee بیشتر می باشد. همچنین این استاندارد در رنج فرکانسی بالا و در محدوده ۲.۴ GHz کار میکند. برای همین نویز پذیری کمتری دارد.