در مطلب «شبکه‌های کوتاه‌ برد و اینترنت اشیا (IoT)» برخی از پروتکل‌های برد کوتاه معرفی شدند. در این مطلب «شبکه زی‌ویو (Z-Wave)» را به‌طور دقیق‌تر بررسی می‌کنیم.

پروتکل زی‌ویو (Z-Wave) یک پروتکل تجاری است که در درجه اول برای شبکه‌های خانه هوشمند استفاده می‌شود و امکان اتصال تجهیزات هوشمند و تبادل دستورها و داده‌ها بین آن‌ها را به‌وجود می‌آورد. این پروتکل با اتصال دوطرفه از طریق شبکه مش، موجب به‌وجود آمدن اتصالات کم هزینه و با کیفیت در اتوماسیون ساختمان می‏‌شود. زی‌ویو (Z-Wave) در مقایسه با وای‌فای (WiFi) کم‏‌مصرف‌تر و در مقایسه با بلوتوث بلند بردتر است. کاربرد شبکه زی‌ویو (Z-Wave) به نوعی شبیه به شبکه زیگ‌بی (ZigBee) است با این تفاوت که شبکه‌‌ زیگ‌بی پروتکل باز بوده و شرکت‌های مختلف می‌توانند چیپ‌ها و تراشه‌های آن را تولید کنند. در صورتی که در شبکه زی‏‌ویو (Z-Wave) این‌گونه نیست.

تاریخچه زی‌ویو (Z-Wave)

پروتکل زی‌ویو (Z-Wave) که توسط شرکت دانمارکی Zensys ارایه شده بود، کار خود را به‌عنوان سیستم کنترل روشنایی و در هوشمندسازی ساختمان آغاز کرد. هدف این شرکت رسیدن به یک راهکار ساده و ارزان برای پروتکل ساختمان هوشمند بود. اتحادیه زی‌ویو (Z-Wave) متشکل از ۳۰۰ تولیدکننده مستقل دستگاه است که در سال ۲۰۱۴ بیش از ۱۱۰۰ نوع محصول مختلف تایید شده را در سراسر جهان عرضه کردند. این محصولات تمامی نیازهای اتوماسیون ساختمان مسکونی و تجاری را پوشش می‌دهند.

زی‌ویو (Z-Wave) چگونه کار می‌کند؟

یک شبکه زی‌ویو (Z-Wave) شامل دستگاه‏‌های انتهایی اینترنت اشیا (IoT) و کنترل‏کننده‌های اولیه می‌شود. کنترل‏‌کننده اولیه که به عنوان هاب خانه هوشمند نیز شناخته می‌شوند، تنها دستگاه در شبکه زی‌ویو است که به اینترنت متصل می‌شود. این کنترل‏‌کننده اولیه یا هاب، از طریق نرم‌افزار کاربردی (Application) خانه هوشمند که روی یک موبایل هوشمند، تبلت و یا کامپیوتر نصب شده است، دستورات را از کاربر گرفته و به دستگاه انتهایی در شبکه منتقل می‌کند.

پروتکل زی‌ویو (Z-Wave) روی باند فرکانسی ۹۰۸٫۴۲ مگاهرتز در آمریکا و ۸۶۸٫۴۲ مگاهرتز در اروپا کار می‌کند. در مقایسه با دیگر تجهیزات الکتریکی خانه مانند تلفن بی‌سیم، این پروتکل از اختلال با باند ۲٫۴ گیگاهرتز که مربوط به وای‌فای (WiFi) و بلوتوث (Bluetooth) است، جلوگیری می‏‌کند.

نرخ انتقال اطلاعات در شبکه زی‌ویو (Z-Wave) پایین و حدود ۹٫۶، ۴۰ و یا ۱۰۰ کیلوبایت بر ثانیه است. در شبکه زی‌ویو (Z-Wave)، لایه فیزیکی و کنترل دسترسی به رسانه (MAC) بر اساس استاندارد جهانی ITU-T G.9959 تعریف شده است و پروتکل از مودولاسیون GFSK و کدنویسی منچستر استفاده می‌کند.

هر شبکه زی‌ویو (Z-Wave) با یک ID شبکه و هر دستگاه انتهایی با یک ID گره شناسایی می‌شود. به این ترتیب هیچ دو وسیله‌ای یک ID مشترک ندارند. طور مثال ID شبکه مختص یک خانه هوشمند نمی‌تواند دستگاه‌های مشابه در خانه‌ای دیگر را کنترل کند.

در این شبکه ارتباط بین تجهیزات در فاصله ۳۰ تا ۱۰۰ متر برقرار می‌شود. به‌علت وجود دیوارها و مصالح ساختمانی دیگر، محدوده عملکرد شبکه زی‌ویو حتی به ۱۵ متر و یا کمتر از آن نیز می‌رسد.

معماری شبکه زی‌ویو

شبکه زی‌ویو (Z-Wave) از توپولوژی شبکه مش (mesh) پشتیبانی می‌کند و یک کنترل‌کننده اولیه به همراه چند کنترل‏‌کننده فرعی وظیفه برقراری ارتباط امن بین دستگاه‏‌ها را به عهده می‏‌گیرند. در چنین شبکه‌ای دستگاه‌ها می‌توانند با یکدیگر توسط گره‌های میانی ارتباط برقرار کنند و به این ترتیب موانع ارتباطی و نقاط کور از بین می‌رود.

فناوری زی‌ویو شامل سه لایه می‌شود: لایه رادیویی، لایه شبکه و لایه نرم‌افزار. این سه لایه با هم در ارتباط هستند تا منجر به شبکه‌ای قدرتمند و امن شوند.

لایه رادیویی: در این لایه مسیری که سیگنال بین شبکه و لایه سخت‌افزاری طی می‌کند، تعریف می‌شود. این لایه شامل فرکانس، رمزگذاری و دسترسی سخت‌افزار می‌شود.
لایه شبکه: در لایه شبکه چگونگی تبادل داده‌ها بین دستگاه‌‏ها یا گره‌ها مشخص می‌شود. وظایف این لایه شامل آدرس‌دهی، سازماندهی شبکه، مسیریابی و غیره می‌شود.
لایه نرم‌افزار: در این لایه پیام‌ها و دستوراتی که باید به دستگاه‏‌ها دیگر ارسال شود، تعریف می‏‌شود.

لایه شبکه در فناوری زی‌ویو (Z-Wave) برای انتقال داده بین دستگاه‌های متفاوت خود شامل سه زیر لایه می‌شود:

لایه کنترل دسترسی به رسانه (MAC): در این لایه سخت‏‌افزار ارتباط بی‏‌سیم دستگاه کنترل می‏‌شود. دسترسی به این لایه برای کاربر نهایی وجود ندارد.
لایه انتقال: در این لایه انتقال پیام و ارتباط بی‏‌سیم بدون نقص با دستگاه دیگر را کنترل می‏‌کند. کاربر نهایی امکان تغییر در عملکرد این لایه را ندارد ولی می‌‏تواند نتایج عملکرد آن را مشاهده کند.
لایه مسیریابی: قابلیت شبکه مش در زی‌ویو (Z-Wave) در این لایه محقق می‌‏شود. امکان مش‌‏بندی در شبکه منجر به افزایش رنج شبکه‌‏های PAN می‏‌شود. در این لایه رسیدن پیام به دستگاه مقصد در شبکه مش تضمین می‌‏شود.

سری مطالب آشنایی با شبکه‌های کوتاه‌ برد

همچنین برای آشنایی با شبکه‌های LPWAN به مطلب «شبکه‌های LPWAN (دوربرد با توان پایین) و اینترنت اشیا (IoT)» مراجعه کنید.

برخی منابع:

https://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/Z-Wave

https://www.vesternet.com/resources/technology-indepth/understanding-z-wave-networks