Onda Z refere-se a um sistema de rádio usado por muitos dispositivos domésticos inteligentes. A casa inteligente é uma tecnologia essencial do século 21 que pode ajudá-lo a sempre conectar uma extremidade do seu sistema doméstico à outra. As tecnologias Z-Wave e ZigBee são dois padrões principais que podem ser usados para dispositivos inteligentes, iluminação inteligente, controle de automação, equipamentos de aquecimento e segurança.
O que é tecnologia Z-Wave?
A onda Z foi inicialmente desenvolvida em 1999 por uma empresa dinamarquesa conhecida como Zensys. É um simples, substituto econômico e versátil para sistemas de automação residencial. Desde o seu desenvolvimento, obteve rapidamente o apoio de mais de 700 marcas e empresas de eletrônicos domésticos, como Huawei, ADT, Inteligência Samsung, LG, Elétrica geral, Agosto, SMIC, e Ingersoll Rand. Atualmente, acabou 2,600 vários produtos certificados Z-Wave no mercado, tudo construído para interoperação.
Como funciona o Z-Wave?
A rede Z-wave foi especialmente construída para conectar lar inteligente dispositivos e hubs inteligentes. A tecnologia Z-wave pode ser encontrada em switches inteligentes, termostatos, sensores, etc. Ele pode conectar dispositivos em uma casa de tamanho apropriado, embora use muito menos energia do que Bluetooth e Wi-Fi normais.
Como a tecnologia Zigbee, Z-Wave se conecta a dispositivos usando uma topologia de grade. Isso implica que, em vez de cada dispositivo ter que se conectar diretamente a um roteador ou hub, dispositivos que usam a tecnologia Z-Wave podem transmitir pacotes de dados de um lado para outro entre os dispositivos. Portanto, quando a distância entre uma lâmpada Z-Wave e o hub é grande, o sinal ainda pode ser transmitido para o local desejado, passando pelos sensores e pelos dispositivos.
Este arranjo torna o Z-Wave mais flexível, até um pouco mais lento que o Wi-Fi. Seu alcance de rede aumenta significativamente quando muitos dispositivos Z-Wave são instalados. Além disso, a instalação de muitos dispositivos torna a tecnologia Z-Wave mais robusta, pois existem muitas técnicas para transmitir pacotes de dados de um ponto a outro.
Onda Z vs Zigbee
As frequências operacionais do Z-Wave variam de 800 para 900 MHz, enquanto o Zigbee pode até funcionar totalmente em 2.4 GHz. Isso implica que os dispositivos habilitados com Z-Wave têm uma taxa de transmissão de dados muito menor do que os dispositivos habilitados com ZigBee.. Além disso, Z-wave suporta menor transmissão de dados de 9.6-10 KBPS, enquanto o Zigbee pode suportar transmissões de até 250 KBPS.
No entanto, Os dispositivos Z-Wave têm uma possibilidade muito pequena de interferência externa, enquanto os dispositivos Zigbee têm uma possibilidade mais significativa. As tecnologias Z-wave e Zigbee adicionam dispositivos às suas redes implementando topologias de rede mesh. Apenas menos de 232 dispositivos podem ser suportados em uma rede Z-wave, mas Redes Zigbee pode suportar mais 65,000 dispositivos. No caso de um proprietário, tendo mesmo 232 unidades são mais do que suficientes para administrar uma casa inteiramente.
A criptografia AES de 128 bits é usada de forma segura e sem hackers nas redes Z-Wave e ZigBee. Com a segurança absoluta sendo uma contradição, é essencial perceber que ambas as redes adotam métodos semelhantes para a segurança do usuário final. Adicionalmente, a gama de dispositivos Z-Wave é de cerca de 30 metros, enquanto os dispositivos Zigbee têm um alcance limitado de menos de 20 metros.
Além do mais, é essencial saber que o Zigbee Consortium executa e gerencia a tecnologia Zigbee padrão disponível, enquanto a empresa de dispositivos Sigma possui propriedade privada da tecnologia Z-Wave. Portanto, eles têm controles mais rígidos que garantem a compatibilidade do dispositivo com muitos controladores.
Z-Wave versus Wi-Fi
Os benefícios do Wi-Fi para automação
O Wi-Fi tem múltiplas vantagens quando usado para automação residencial. Dispositivos Wi-Fi podem ser colocados em qualquer lugar da sala sem a preocupação de tropeçar nas cordas necessárias para correr. A sistematização com uma rede Wi-Fi pode ajudar a liberar portas do roteador para outros dispositivos quando um ou mais dispositivos estão conectados ao roteador.
Os sistemas de automação residencial baseados na rede Wi-Fi são tão confiáveis quanto redes sem fio. A automação é reduzida sempre que uma rede Wi-Fi cai com frequência.
Os benefícios do Z-Wave para automação
Sobre a questão de saber se o Z-Wave é mais adequado para automação do que o Wi-Fi? Acredite ou não, é mais fácil configurar uma rede Z-Wave do que Wi-Fi, pois não há preocupação com a interferência do sinal Wi-Fi doméstico.
A maioria dos dispositivos Z-Wave pode adicionar novos dispositivos direta e rapidamente a um sistema doméstico, pois eles podem detectar uns aos outros automaticamente. Além disso, a rede Z-Wave é mais flexível, e milhares de dispositivos diferentes podem funcionar em frequências Z-Wave. Por isso, é mais fácil estabelecer o melhor dispositivo para suas necessidades.
Compatibilidade é mais uma coisa que a rede Z-Wave não pode contestar com Wi-Fi. Dispositivos que usam a rede Z-wave são compatíveis com versões anteriores. Por isso, dispositivos mais antigos são compatíveis com o sistema atual, e espera-se que quaisquer novos dispositivos desenvolvidos sejam compatíveis com as configurações já existentes.
Z-wave é automatizado com Wi-Fi.
Os sistemas de automação residencial podem ser configurados usando Z-Wave e Redes Wi-Fi. De sistemas de segurança a eletrodomésticos inteligentes, iluminação e controles de portas de garagem, ambas as redes podem ser usadas para conectar-se a praticamente qualquer dispositivo eletrônico.
Se sua casa já possui uma rede Wi-Fi, nenhuma configuração ou custo extra é necessário. Dispositivos de automação residencial habilitados para Wi-Fi são mais baratos do que dispositivos habilitados para Z-Wave, embora surjam vários problemas quando muitos dispositivos estão conectados a uma rede Wi-Fi simultaneamente.
Os sistemas de onda Z são mais caros, mas eliminam problemas relacionados à interferência, pois funcionam em um comprimento de onda relativamente diferente dos sinais Wi-Fi.
Quais dispositivos usam Z-Wave?
A tecnologia Z-wave foi inicialmente projetada para controle sem fio de casas inteligentes, concentrando-se no controle de iluminação comercial e residencial. Ele transforma alguns dispositivos autônomos em dispositivos de rede inteligentes, facilitando assim o controle e monitoramento sem fio. A tecnologia Z-Wave é amplamente utilizada para detectores de fumaça, controle remoto, controle de luz, segurança e controle climático, eletrodomésticos, fechaduras, e sensores de segurança. Além disso, também pode ser usado em medidores inteligentes para oferecer a taxa de consumo de dados para monitoramento doméstico de HVAC.
Quão segura é a tecnologia Z-Wave?
A rede Z-Wave é realmente muito segura. Ele atribui a cada dispositivo um ID de rede exclusivo. Como cada sistema de controle possui um ID diferente que é controlado automaticamente, nenhuma parte externa pode controlar os dispositivos.
Sempre que um nível de segurança extra for necessário, como fechaduras de portas e outros dispositivos de segurança, Z-Wave protege e protege os dados do dispositivo usando uma técnica de criptografia AES128 mais avançada. O método de criptografia Z-Wave AES é usado pela maioria dos produtos executados em uma rede Z-Wave.
Introdução ao protocolo de comunicação Z-Wave
Dados de controle curtos são transferidos consistentemente entre unidades de nó. De baixo para cima, seus protocolos são categorizados em cinco camadas: a camada física, Camada MAC, camada de transporte, camada de roteamento, e camada de aplicação. O papel da camada MAC é estabelecer, manter, e encerrar quaisquer conexões de informações sem fio entre dispositivos. Completamente, realiza verificação de quadro, controla o acesso ao canal, e reserva-se a gestão dos horários.
A camada de mídia adota os mecanismos de prevenção de colisões (Crocodilo CSMA CA) e acesso múltiplo de detecção de portadora para aumentar a confiabilidade da transmissão de dados. Ele também impede que outros nós transfiram sinais quando os nós estão disponíveis para compartilhar informações. Por outro lado, a camada de transporte é usada principalmente para oferecer transmissão de dados consistente entre nós. Seus principais papéis são; verificação de quadro, retransmissão, controle de fluxo, e verificação de quadro.
A camada de roteamento controla o roteamento do quadro de dados entre os nós. Também, garante que os quadros de dados possam ser transferidos repetidamente entre vários nós, verifica a topologia de uma rede, e mantém a tabela de roteamento. A camada de aplicação é responsável pela execução e descriptografia das instruções na rede Z-Wave. Suas principais funções são; HomeID e sem atribuição de ID, Decodificação de Manchester, replicação do controlador de rede, reconhecimento de instrução, e controle de carga útil para quadros recebidos e transferidos.
Introdução da frequência Z-Wave
A camada física
A onda Z é uma tecnologia sem fio que enfatiza a aplicação de taxas baixas. Suas taxas de transmissão estão entre 9,6kbit/s e 40Kbit/s. O anterior é mais do que satisfatório para transferir comandos de controle, enquanto o último pode oferecer mecanismos de segurança de rede mais avançados. Possui uma faixa de frequência operacional flexível na banda ISM de 900 MHz, 908.42MHz nos Estados Unidos, e 868,42 MHz na Europa. Apenas relativamente poucos dispositivos operam efetivamente nessas bandas.
Zigbee e Bluetooth usam a banda de 2,4 GHz, que está ficando cada vez mais lotado, e a intrusão é inevitável. Portanto, a tecnologia Z-Wave garante uma comunicação confiável, embora sua taxa de consumo de energia seja relativamente menor. Ele incorpora uma chaveamento de mudança de frequência (FSK) modo de comunicação sem fio mais adequado para redes domésticas inteligentes. Os nós alimentados por baterias são mantidos principalmente em estado de suspensão, onde eles frequentemente acordam, para monitorar se há alguma informação que precisa receber. Os nós usam dois No comuns. 7 baterias com duração de até 10 anos.
Ele garante que o aplicativo tenha estabilidade a longo prazo, permitindo assim ao utilizador fugir à preocupação de carregamentos recorrentes e substituição da piscina elétrica. Z-Wave possui um sistema menos complexo que o ZigBee e é menor que o Rede Bluetooth. Requer pequeno armazenamento, e seu protocolo é simples. O protocolo de um módulo Z-Wave padrão é capturado por uma memória flash integrada de 32 KB, enquanto o mesmo módulo ZigBee precisa de cerca de 128 KB para ser usado. Bluetooth requer um módulo relativamente grande. Por isso, Os módulos Z-Wave são mais baratos que os módulos ZigBee ou Bluetooth.
A rede Z-Wave suporta no máximo 4 rotas niveladas e tem uma capacidade única de cerca de 232 nós, muito menos que o ZigBee 65,535. Z-Wave não pode construir redes em grande escala em uma aplicação universal em comparação com ZigBee. Também, a rede Z-Wave pode usar tecnologia de nó virtual para se comunicar com outros tipos de redes.
A camada MAC
A camada MAC controla o meio sem fio na rede Z-wave. A codificação Manchester é adotada pelo fluxo de dados, que consiste na cabeça do quadro, cauda do quadro, dados do quadro, e código anterior. Os dados do quadro compreendem uma parte do quadro que é passada para a camada de transporte. Todas as informações são transmitidas através do modo little-endian.
Embora a camada MAC seja autônoma da frequência sem fio, médio, e técnica de modulação, é necessário que o sinal binário completo ou os dados do quadro sejam facilmente obtidos a partir dos fluxos de bits codificados ou decodificados em Manchester ao receber informações. Um bloco de dados de 8 bits é usado para transmitir dados. A parte mais significativa (MSB) é o primeiro bit de dados a ser transmitido. Os dados são criptografados em Manchester para obter um sinal livre de DC.
Na camada MAC, um mecanismo para evitar conflitos impede que os nós transfiram informações quando outros nós enviam dados. O mecanismo de prevenção de colisão é implementado colocando os nós que não estão transferindo informações em modo de recepção e suspendendo as comunicações caso a camada MAC esteja na fase de recepção.. Todos os tipos de nós possuem um mecanismo ativo para evitar colisões. As transmissões de quadros são sempre atrasadas alguns milissegundos sempre que o meio está ocupado.
O CSMA/CA forma o núcleo do mecanismo de prevenção de colisão MAC. O CSMA/CA compreende três mecanismos; o intervalo entre quadros, portadora ouvindo, e espera aleatória. Cada nó usa o algoritmo de acesso distribuído do Carrier Sense Multiple Access (CSMA) para torná-lo totalmente completo para que o canal atinja a transmissão com precisão. O ACK (Reconhecimento) mecanismo ou o mecanismo de handshake duplo é usado no modo CSMA/CA. O quadro ACK é enviado imediatamente sempre que o receptor obtém o quadro correto. O quadro é enviado com sucesso quando o remetente recebe o quadro de confirmação.
Os dados são transmitidos em uma transmissão atrasada quando o intervalo do quadro é menor ou igual ao tempo ocioso da mídia. O mecanismo de escuta da portadora constitui a base do CSMA/CA. O monitoramento da portadora física é feito na camada física, detectando os sinais válidos da antena.. A detecção de sinais válidos mostra que o monitoramento da portadora física considerou o canal ocupado. Além disso, O monitoramento da portadora MAC é realizado na camada MAC, detectando o domínio de intertenacidade do quadro MAC..
As informações são transmitidas apenas quando há um canal ocioso. Um canal ocupado executa o algoritmo de backoff onde o canal é detectado novamente para evitar travamentos entre a mídia compartilhada. Vários nós estão aguardando o meio. Todos os nós enviam dados quando o meio está ocioso, levando assim a múltiplas colisões. Por isso, CSMA/CA controla o envio de frames de cada nó usando o tempo de espera aleatório.
A camada de transporte
A camada de transporte é usada para transmitir dados confiáveis entre nós. Inclui verificação de quadro, controle de fluxo, retransmissão, e confirmação de quadro. Além disso, a camada de transporte consiste em três tipos de quadros. Eles são;
Frame Unicast – É direcionado para um nó definido. O quadro Unicast responde com um quadro de resposta ACK quando o nó de destino efetivamente recebe o quadro. Por outro lado, o quadro Unicast é reenviado quando danificado ou perdido. O quadro de retransmissão encontra atrasos aleatórios para evitar colisões com outros sistemas. O atraso inesperado deve ser sempre constante com o comprimento máximo do quadro transferido e a duração necessária para obter o quadro de resposta. Os quadros Unicast também desligam opcionalmente o mecanismo de resposta em sistemas que não precisam de uma transmissão confiável.. Um quadro de resposta é um tipo de quadro unicast na rede Z-Wave com um campo de dados de comprimento O.
Quadros multicast – Os quadros multicast são transferidos na rede a partir de nós 1 para 232. O destino do quadro multicast especifica todos os nós de destino sem transmitir um quadro discreto para cada nó. Os quadros multicast não podem ser usados em sistemas que necessitam de comunicações confiáveis, pois não respondem ativamente.. Quando os frames multicast precisam de confiabilidade, quadros unicast devem segui-los.
Quadro de transmissão – O quadro de transmissão é transferido para todos os nós da rede. O quadro não recebe resposta de nenhum nó. Semelhante ao quadro multicast, o quadro de transmissão não pode ser usado em sistemas que precisam de comunicação confiável. Além disso, o quadro de transmissão deve ser seguido por um quadro unicast caso o quadro de transmissão exija confiabilidade.
Soluções Onda Z
Dispositivos como impressoras, desktops, notebooks, e as microondas consomem energia mesmo quando não estão em uso, representando assim quase 20% de todas as contas mensais de energia em uma casa. É constantemente difícil desligar o termostato ao sair de casa. Os produtos Z-Wave podem ajudá-lo a se tornar ecológico rapidamente, pois são desenvolvidos para economizar energia e custos diários em sua casa.
Os produtos da onda Z são diferentes dos demais porque interagem por meio de uma rede coesa malha de rede que permite o acesso e conexão de todos os dispositivos através de um único aplicativo portátil. Usando um aplicativo que gerencia cuidadosamente toda a sua casa inteligente, você pode desligar todos os dispositivos que consomem mais energia em menos de um segundo em praticamente qualquer local. Algumas das maneiras pelas quais a tecnologia Z-Wave pode ser usada para minimizar as contas de energia nas residências são;
- Iluminação Inteligente – Mude para uma iluminação que detecte movimento para impedir que as luzes consumam energia quando todos estão ausentes. Você pode estabelecer um programa de iluminação que liga e desliga automaticamente as luzes dependendo da hora do dia. Adicionalmente, você pode ajustar automaticamente o brilho de suas luzes usando sensores de luz.
- Termostato Inteligente – Um telefone celular pode ser usado para controlar um termostato inteligente. Ele pode ser usado para economizar energia quando estiver fora de casa de forma eficiente e ligá-lo automaticamente antes de chegar em casa. O termostato inteligente desliga automaticamente quando a janela está aberta, garantindo assim que nenhuma energia desnecessária seja usada. Esses termostatos se autorregulam mecanicamente com base nas configurações de temperatura do hub inteligente, para que o usuário não se preocupe em ligar e desligar o termostato.
- Plugues Inteligentes – Os plugues inteligentes usam a rede Z-Wave e oferecem anéis tingidos na parte externa e mudanças de cor com base nos níveis de uso de energia para permitir ao usuário monitorar o uso. Um plugue inteligente desliga automaticamente sempre que há excesso de trabalho no uso de energia. Dispositivos que desperdiçam energia e todos os produtos tecnológicos que consomem energia podem ser controlados usando tomadas inteligentes, desligando-os sempre que não estiverem em uso.
A história da onda Z
A tecnologia Z-wave foi desenvolvida por uma empresa dinamarquesa conhecida como Zensys. Dois engenheiros dinamarqueses fundaram a empresa no final da década de 1990. A Zensys passou de criadora de soluções de automação residencial a fornecedora de comunicações técnicas. A empresa oferece suporte técnico para empresas que projetam soluções para controle interoperável. Fornecedores em todo o mundo reconhecem a tecnologia Z-wave pela sua interoperabilidade e confiabilidade, construindo assim o maior ecossistema compatível.
A empresa Zensys trouxe o primeiro hardware ao mercado em 2003. Ele combinou um transceptor padrão e um microcontrolador (Atmel). A expansão desta plataforma de hardware levou ao crescimento das gerações subsequentes de chips 100 (2003), 200 (2005), 300 (2007), 400 (2009) e o mais recente 500 (2012).
Outro marco na história do Z-Wave foi realizado em 2005 após a formação do Aliança Z-Wave. Esta aliança visa reunir empresas que fabricam produtos compatíveis com a tecnologia Z-Wave. Por 2008, sobre 100 empresas de manufatura aderiram à aliança. A Z-Wave Alliance tem se sustentado cada vez mais para melhorar os padrões e gerenciar eventos promocionais globais, como feiras comerciais.
O Consórcio Z-Wave também é responsável por manter a interoperabilidade de diversos dispositivos baseados no protocolo Z-Wave. Isto é conseguido através do estabelecimento de um sistema de verificação crítico e de uma valiosa base de código-fonte pré-embalada para garantir que os dispositivos marcados com o logotipo Z-Wave atendam aos 3 requisitos da Z-Wave Alliance. Esses requisitos são; excelente eficiência, conformidade com as especificações do protocolo de comunicação, e experiência de usuário confiável.
Estado do mercado para produtos Z-Wave
O mercado dos EUA é o maior alvo para produtos Z-wave. Sobre 70% daqueles que usam produtos Z-Wave são dos Estados Unidos, enquanto o outro 25% estão na Europa e 5% estão baseados na China. Sendo os EUA uma nação comparativamente desenvolvida, muitas pessoas no país adotaram prontamente a tecnologia Z-Wave. Isso ocorre porque a maioria das casas nas cidades americanas são grandes; portanto, é um desafio mover-se de uma sala para outra, apagando as luzes.
Além disso, já que os Estados Unidos são um país grande, segurança é sua principal preocupação; portanto, eles têm serviços de sistema de segurança muito maduros. Em empresas de segurança, a segurança a jusante e a montante de toda a cadeia é perfeita, independentemente de se tratar de uma construção, produtos, ou serviço pós-venda. Com base nisso, sistemas domésticos inteligentes podem melhorar implementações significativas para empresas de segurança. As casas inteligentes são mais prevalentes nos Estados Unidos, pois as pessoas que vivem lá ficam mais do que felizes em adotar esta nova tecnologia em suas casas..
