ワイヤレスセンサーネットワーク、ホームオートメーション、およびIoTに基づくアプリケーションが増加するにつれて、通常のBluetooth、Wi-Fi、およびGSMプロトコルに加えて代替の通信プロトコルの必要性が明らかになりました。ZigbeeやBluetoothLow Energy（BLE）などのいくつかのテクノロジーが代替として開発されましたが、ホームオートメーションアプリケーションに特に役立つために開発された傑出したテクノロジーの1つはZ-Waveでした。今日の記事では、Z-waveの技術、差別化機能、標準などについて説明します。
Z-Waveとは
Z-Waveは、主にホームオートメーションアプリケーションで使用するために開発されたワイヤレス通信プロトコルです。これは、1999年にコペンハーゲンを拠点とするZensysによって、彼らが作成した民生用照明制御システムのアップグレードとして開発されました。これは、最大40kbit / s（古いチップを使用すると9.6kbit / s）のスループットで、最大100kbit / sのデータレートで低エネルギー電波を使用して小さなデータパケットの信頼性の高い低遅延送信を提供するように設計されています。制御およびセンサーアプリケーションに適しています。
メッシュネットワークトポロジに基づいて、ライセンスのない800〜900MHz（実際の周波数は異なります）のISM周波数帯域内で動作するZ-Waveベースのデバイスは、最大40メートルの通信距離を達成でき、メッセージをホップアップする機能も追加されています。最大4ノード間。これらの機能はすべて、照明制御、サーモスタット、窓制御、ロック、ガレージドア開閉装置などのホームオートメーションアプリケーションに適した通信プロトコルであり、Wi-FiやBluetoothの使用による問題のある混雑を回避します。 2.4GHzおよび5GHz帯域。
Z-Waveプロトコルはどのように機能しますか？
Z-Waveプロトコルの動作を理解するために、3つの主要なセクション、つまりZ-Waveシステムアーキテクチャ、データ送受信、およびインターネットへのルーティングと接続で主題を分析しましょう。
Z-Waveシステムアーキテクチャ：
すべてのZ-waveネットワークは、2つの広いカテゴリのデバイスで構成されています。
- コントローラー/マスター
- 奴隷
マスターは通常、他のデバイス（スレーブ）を接続できるZ-Waveネットワークのホストとして機能します。通常、「包含」と呼ばれるプロセスを介してネットワークに追加されるときに、各スレーブ（事前にプログラムされたIDは付属していません）に割り当てられる事前にプログラムされたNetworkID（HomeIDと呼ばれることもあります）が付属しています。 HomeIDに加えて、Z-waveネットワークに追加されたすべてのデバイスに対して、NodeIDと呼ばれるIDが通常コントローラーによって割り当てられます。NodeIDは、このように、アドレスするために使用され、主に特定のネットワーク上の各デバイスを認識し（各HOMEID用）すべてのネットワーク上で一意です。
インクルージョンは、ルーターがネットワーク上のデバイスにIPアドレスを割り当てる方法と意図が似ていますが、マスターはルーター/ゲートウェイ/デバイスハブに似ていますが、唯一の違いは、マスターとネットワーク内のスレーブとのメッシュ関係です。Z-Waveネットワークからノードを削除するために、「除外」と呼ばれるプロセスが実行されます。除外中、ホームIDとノードIDはデバイスから削除されます。デバイスは工場出荷時のデフォルト状態にリセットされます（コントローラーには独自のホームIDがあり、スレーブにはホームIDがありません）。
上記のHomeIDとNodeIDは、Z-waveネットワークを簡単に編成するためにZ-waveプロトコルによって定義された2つの識別システムです。
HomeIDは、特定のZ-Waveネットワークの一部であるすべてのノードの共通IDであり、NodeIDはネットワーク内の個々のノードのアドレスです。
HomeIDは通常、事前にプログラムされた一意であり、特定のZ-waveネットワークを定義します。それらは32ビットの長さで提供されます。つまり、最大40億（2 ^ 32）の異なるHomeIDと異なるZ-waveネットワークを作成することが可能です。一方、ノードIDは、長さが1バイト（8ビット）であるため、ネットワーク内に最大256（2 ^ 8）個のノードを含めることができます。
許容からAsides容易ノードのアドレス指定は、識別システムは異なるHomeIDsを持つ2つのノードは、それらが同一のNodeIDがあっても通信できないので、Z波ネットワークにおける干渉を防止するのに役立ちます。これは、ネットワークAからの干渉チャーターがBによって受信されることなく、 2つのz-waveネットワークを並べて展開できることを意味します。
データの送信、受信、およびルーティング：
一般的なワイヤレスネットワークでは、中央コントローラー/マスターはネットワーク内のノードに直接1対1のワイヤレス接続を持っています。この配置はこれらのプロトコルに役立つだけでなく、データ送信に関する制限が発生し、いずれかとマスターの間のリンクが切断された場合、「デバイスA」が「デバイスB」と対話できなくなります。ただし、メッシュネットワークトポロジと、Z-waveノードがメッセージを他のノードに転送および繰り返す機能があるため、これはZ-waveには当てはまりません。これにより、ノードがコントローラーの直接の範囲内にない場合でも、ネットワーク内のすべてのノードと通信できるようになります。これをよりよく理解するために、以下の画像を検討してください。
Z波ネットワークの図は、ノード6が無線範囲外にあるときに、コントローラーがデバイス1、2、および4と直接通信できることを示しています。ただし、前述の機能により、ノード2はリピーター/フォワーダーステータスを想定し、コントローラーの範囲をノード6に拡張して、ノード6に向かうメッセージがノード2を通過するようにします。大規模ネットワークのノード2などのノードルートと呼ばれ、Z-waveネットワークの柔軟性と堅牢性に貢献します。メッセージが特定のノードに到達するために移動するルートを決定するために、Z-waveネットワークはルーティングテーブルと呼ばれるツールを使用します。
Z-waveネットワーク内のすべてのノードは、直接ワイヤレスカバレッジエリア内の他のノード（ネイバーと呼ばれる）を判別でき、包含中またはそれ以降、ノードはこれらのネイバーについてコントローラーに通知します。コントローラは、各ノードのネイバーのリストを使用して、コントローラの直接ワイヤレス範囲外にあるノードにルートをマッピングするために使用されるルーティングテーブルを作成します。
すべてのノードをフォワーダーとして構成できるわけではないことに注意することが重要です。Z-waveプロトコルでは、プラグインされている（バッテリー駆動ではない）ノードのみが「ルーティングノード」として機能できます。
インターネットへの接続：
他のプロトコルによる最近の「ゲートウェイ/アグリゲーター」アプローチを使用すると、ハブコントローラーと外部へのポータルの両方として機能するZ-Waveゲートウェイまたはコントローラー（マスター）デバイスを使用して、インターネット経由でZ-Waveシステムを制御できます。この例はDelockある78007 Z-WAVE（登録商標）ゲートウェイ。
Z-Waveアライアンス
最初のZ-waveベースのデバイスは早くも1999年にリリースされましたが、ホームオートメーションの巨人であるLeviton、Danfoss、Ingersoll-Randなどの企業グループがZ-Waveを採用し、提携を結んだ2005年まで、このテクノロジーは実際には普及しませんでした。 Z-Waveアライアンスと呼ばれます。
アライアンスは、Z-Waveテクノロジーとそれに基づくデバイスの使用と相互運用性を促進するために結成されました。これに沿って、アライアンスはZ-wave標準を開発および維持し、すべてのZ-Waveベースのデバイスが標準に準拠していることを保証します。アライアンスは5つのメンバー企業から始まりましたが、現在では600を超える企業が2600を超えるZ-Wave認定デバイスを製造しています。
Z-Waveと他のプロトコルの違い
Z-waveのような別の通信プロトコルを使用することが理にかなっている理由を理解するために、ホームオートメーションで使用される他のいくつかの通信プロトコルと比較します。Bluetooth、WiFi、およびZigbee
Z-waveとBluetooth：
Bluetoothに対するZ-Waveの最も顕著な利点は範囲です。Z-waveは、Bluetoothよりも効果的に広いカバレッジエリアを持っています。また、Bluetooth信号は、2.4GHz帯域で情報を送受信するため、干渉や割り込みが発生しやすく、同じ周波数帯域を使用するWiFiベースのデバイスと帯域幅を競合します。
Z-waveを使用すると、ネットワークの速度を低下させたりノイズを発生させたりするのではなく、すべてのZ-wave信号リピーターが連携してネットワークを強化します。これにより、デバイスが多いほど、バイパス可能な堅牢なネットワークを簡単に作成できます。障害物。
Z-waveとWiFi：
Bluetoothと同様に、WiFiベースのネットワークも干渉、割り込み、および範囲関連の問題の影響を受けやすく、そのため、これらの状況ではZ-waveベースのネットワークより下で動作します。
Bluetoothデバイスと帯域幅を奪い合うだけでなく、WiFiデバイスも互いに競合します。これは、多くのデバイスがWiFiに基づいている家庭の信号強度とネットワーク速度に影響を与える可能性があります。ネットワークにデバイスを追加することでネットワークが繁栄するため、これはZ-waveには当てはまりません。
ただし、WiFiベースのデバイスには、Z-waveと比較して利点があります。Z-waveベースのネットワークはセンサーデータや電球のオン/オフの指示などの小さなバイトのデータを処理できますが、HDビデオストリームなどのより大きな情報を送信できます。
Z-waveとZigbee：
Zigbeeは別のワイヤレステクノロジーであり、Z-waveと同様に、ホームオートメーションと近くのワイヤレスセンサーネットワークを念頭に置いて設計されました。Z-waveと同様に、メッシュネットワークトポロジに基づいており、Zigbeeネットワーク上の各デバイスが信号の強化に役立ちます。ただし、Z-waveとは異なり、2.4GHzの周波数帯域で動作するため、WiFiやBluetoothと帯域幅を奪い合い、干渉やネットワーク速度の問題が発生する可能性があります。
Z-Waveはプロプライエタリ技術であるのに対し（ソフトウェアをオープンソースにする計画はありますが）、Zigbeeはオープンソースであるという事実が、私があなたに決定を任せるもう1つの違いです。
Z-Waveの長所と短所
すべてのものと同様に、Z-Waveには長所と短所の両方があります。それらについて次々に議論します。
Z-Waveの長所
いくつかのZ波の利点が挙げられます。
- 理論的には232台、実際には少なくとも50台のデバイスをサポートする能力。
- 信号は屋内で最大50フィート伝わるため、障害物を許容し、最大100フィートを遮るものがありません。この範囲はかなり屋外に広がっています。デバイス間の4つのホップによって範囲がさらに拡大されるため、接続された家が広大な場合でもカバレッジは問題になりません。
- Z-waveアライアンスは、互換性を確保するために2600を超える認定デバイスを製造する最大600のメーカーで構成されています。
- 使用されているISMバンドによる干渉が少ない。
- 堅牢なメッシュトポロジのおかげで、他のネットワークと比較してデッドスポットが少なくなります
- 手頃な価格で使いやすいです。
短所Z-Wave
他のいくつかの通信プロトコルとは異なり、Z-Wavesはホームオートメーションアプリケーションで使用するために特別に設計されたため、アプリケーションのニーズに合わせて調整されており、欠点はほとんどありません。ただし、想定上の232ではなく50のデバイスの実行可能な制限は、50を超えるデバイスを展開する必要がある家庭では課題となる可能性があります。
また、大量のデータの転送を維持できないため、ビデオ監視など、エンドデバイス間でメガバイトのデータをストリーミングする必要があるアプリケーションではあまり役に立ちません。
結論
Z-waveは、ホームオートメーションにとって、LoRaがより広範なIoTランドスケープにとって何であるかを示しています。ホームオートメーションのニッチにおける他のすべてのプロトコルに対する最大の利点は、そのニッチ向けに設計されているという事実です。これは、一般に、幅広い消費向けに設計された他のプロトコルよりもパフォーマンスが高く、そのニッチのアプリケーションの少なくとも80％で比較的良好に機能することを意味します。