Z-Wave es un protocolo de comunicaciones inalámbricas que se utiliza principalmente para la automatización del hogar . Es una red de malla que utiliza ondas de radio de baja energía para comunicarse de un aparato a otro, [1] lo que permite el control inalámbrico de aparatos residenciales y otros dispositivos, como control de iluminación, sistemas de seguridad, termostatos, ventanas, cerraduras, piscinas y garaje abridores de puertas. [2] [3] Al igual que otros protocolos y sistemas destinados al mercado de la automatización del hogar y la oficina, un sistema Z-Wave se puede controlar a través de Internet desde un teléfono inteligente, tableta o computadora, y localmente a través de un altavoz inteligente o un mando inalámbrico., o un panel montado en la pared con una puerta de enlace Z-Wave o un dispositivo de control central que actúa como controlador de concentrador y portal al exterior. [2] [4] Z-Wave proporciona la capa de aplicación interoperabilidad entre sistemas de control doméstico de diferentes fabricantes que forman parte de su alianza. Hay un número creciente de productos Z-Wave interoperables; más de 1.700 en 2017, [5] y más de 2.600 en 2019. [6]
Estándar internacional | Rango de radiofrecuencia de 800-900 MHz |
---|---|
Desarrollado por | Zensys |
Introducido | 1999 |
Industria | Automatización del hogar |
Alcance físico | 100 metros |
Historia
El protocolo Z-Wave fue desarrollado por Zensys, una empresa danesa con sede en Copenhague , en 1999. [7] [8] [9] Ese año, Zensys introdujo un sistema de control de luz para el consumidor, que evolucionó a Z-Wave como propiedad sistema en un protocolo de automatización del hogar de chip (SoC) en una banda de frecuencia sin licencia en el rango de 900 MHz. [10] Su conjunto de chips de la serie 100 se lanzó en 2003, y su serie 200 se lanzó en mayo de 2005, [2] con el chip ZW0201 que ofrece un alto rendimiento a bajo costo. [11] Su chip de la serie 500, también conocido como Z-Wave Plus, fue lanzado en marzo de 2013, con cuatro veces más memoria, rango inalámbrico mejorado y mayor duración de la batería. [12] La tecnología comenzó a hacerse popular en América del Norte alrededor de 2005, cuando cinco empresas, incluidas Danfoss , Ingersoll-Rand y Leviton Manufacturing , adoptaron Z-Wave. [9] Formaron la Z-Wave Alliance, cuyo objetivo es promover el uso de la tecnología Z-Wave, con todos los productos de las empresas de la alianza interoperables. [8] [9] En 2005, Bessemer Venture Partners lideró una tercera ronda semilla de $ 16 millones para Zensys. [9] En mayo de 2006, Intel Capital anunció que estaba invirtiendo en Zensys, unos días después de que Intel se uniera a Z-Wave Alliance. [11] En 2008, Zensys recibió inversiones de Panasonic , Cisco Systems , Palamon Capital Partners y Sunstone Capital. [9]
Z-Wave fue adquirida por Sigma Designs en diciembre de 2008. [9] [13] Después de la adquisición, la sede de Z-Wave en Estados Unidos en Fremont, California se fusionó con la sede de Sigma en Milpitas, California . [9] [14] Como parte de los cambios, los intereses de la marca registrada en Z-Wave fueron retenidos en los Estados Unidos por Sigma Designs y adquiridos por una subsidiaria de Aeotec Group en Europa. [15] [16] El 23 de enero de 2018, Sigma anunció que planeaba vender la tecnología Z-Wave y los activos comerciales a Silicon Labs por $ 240 millones, [17] y la venta se completó el 18 de abril de 2018. [18]
En 2005, había seis productos en el mercado que utilizaban tecnología Z-Wave. Para 2012, a medida que la tecnología del hogar inteligente se estaba volviendo cada vez más popular, había aproximadamente 600 productos que utilizaban la tecnología Z-Wave disponibles en los EE. UU. [8] En enero de 2019, hay más de 2600 productos interoperables certificados por Z-Wave. [6]
Interoperabilidad
La interoperabilidad de Z-Wave en la capa de aplicación asegura que los dispositivos puedan compartir información y permite que todo el hardware y software de Z-Wave trabajen juntos. Su tecnología de red de malla inalámbrica permite que cualquier nodo se comunique con los nodos adyacentes directa o indirectamente, controlando cualquier nodo adicional. Los nodos que están dentro del rango se comunican directamente entre sí. Si no están dentro del alcance, pueden conectarse con otro nodo que esté dentro del alcance de ambos para acceder e intercambiar información. [3] En septiembre de 2016, ciertas partes de la tecnología Z-Wave se pusieron a disposición del público, cuando el entonces propietario Sigma Designs lanzó una versión pública de la capa de interoperabilidad de Z-Wave, con el software agregado a la biblioteca de código abierto de Z-Wave. La disponibilidad de código abierto permite a los desarrolladores de software integrar Z-Wave en dispositivos con menos restricciones. La seguridad S2 de Z-Wave, Z / IP para transportar señales Z-Wave a través de redes IP y el middleware Z-Ware son todos de código abierto a partir de 2016. [19]
Estándares y la alianza Z-Wave
La Z-Wave Alliance se estableció en 2005 como un consorcio de empresas que fabrican dispositivos conectados controlados a través de aplicaciones en teléfonos inteligentes, tabletas o computadoras que utilizan la tecnología de red de malla inalámbrica Z-Wave. La alianza es una asociación formal centrada tanto en la expansión de Z-Wave como en la interoperabilidad continua de cualquier dispositivo que utilice Z-Wave. [4] [8] [20]
En octubre de 2013, se anunció un nuevo protocolo y un programa de certificación de interoperabilidad llamado Z-Wave Plus, basado en nuevas características y estándares de interoperabilidad más altos agrupados y requeridos para el sistema de la serie 500 en un chip (SoC), e incluyendo algunas características que habían sido disponible desde 2012 para los SoC de la serie 300/400. [21] En febrero de 2014, el primer producto fue certificado por Z-Wave Plus. [22] La alianza tiene como objetivo crear para el hogar inteligente una red de malla segura que funcione en diferentes plataformas. [23]
Z-Wave está diseñado para lograr una comunicación y operación confiables entre dispositivos y objetos habilitados para sensores de varios fabricantes en Z-Wave Alliance, que consta de más de 700 miembros. [5] Los miembros principales de la alianza incluyen ADT Corporation , Assa Abloy , Jasco, Leedarson, LG Uplus , Nortek Security & Control, Ring , Silicon Labs , SmartThings , Trane Technologies y Vivint . [24]
En 2016, la Alianza lanzó un programa de capacitación para instaladores certificados por Z-Wave para brindarles a los instaladores, integradores y distribuidores las herramientas para implementar redes y dispositivos Z-Wave en sus trabajos residenciales y comerciales. Ese año, Alliance anunció el Z-Wave Certified Installer Toolkit (Z-CIT), un dispositivo de diagnóstico y resolución de problemas que se puede utilizar durante la configuración de la red y el dispositivo y que también puede funcionar como una herramienta de diagnóstico remoto. [25]
Z-Wave Alliance mantiene el programa de certificación Z-Wave. La certificación Z-Wave tiene dos componentes: la certificación técnica, gestionada a través de Silicon Labs , y la certificación de mercado, gestionada a través de Z-Wave Alliance. [26]
Características técnicas
Frecuencias de radio
Z-Wave está diseñado para proporcionar una transmisión confiable y de baja latencia de pequeños paquetes de datos a velocidades de datos de hasta 100 kbit / s. [27] El rendimiento es de 40 kbit / s (9,6 kbit / s con chips antiguos) y es adecuado para aplicaciones de control y sensores, [28] a diferencia de Wi-Fi y otros sistemas de LAN inalámbrica basados en IEEE 802.11 que están diseñados principalmente para altas velocidades de datos. . La distancia de comunicación entre dos nodos es de unos 30 metros (40 metros con chip de la serie 500) y, con la capacidad de mensajes para saltar hasta cuatro veces entre nodos, ofrece suficiente cobertura para la mayoría de las casas residenciales. La modulación es codificación por desplazamiento de frecuencia (FSK) con codificación Manchester . [28]
Z-Wave utiliza la banda industrial, científica y médica ( ISM ) sin licencia de la Parte 15 . [29] Opera a 868,42 MHz en Europa, a 908,42 MHz en Norteamérica y usa otras frecuencias en otros países dependiendo de sus regulaciones. [3] Esta banda compite con algunos teléfonos inalámbricos y otros dispositivos electrónicos de consumo, pero evita la interferencia con Wi-Fi , Bluetooth y otros sistemas que operan en la concurrida banda de 2,4 GHz . [4] Las capas inferiores, MAC y PHY, están descritas en ITU-T G.9959 y son totalmente compatibles con versiones anteriores. En 2012, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) incluyó las capas Z-Wave PHY y MAC como una opción en su estándar G.9959 para dispositivos inalámbricos por debajo de 1 GHz. Las velocidades de datos incluyen 9600 bps y 40 kbps, con una potencia de salida de 1 mW o 0 dBm. [3] Los chips transceptores Z-Wave son suministrados por Silicon Labs .
Cuadro de frecuencias utilizadas en diversas partes del mundo: [30]
Frecuencia en MHz | Utilizado en |
---|---|
865,2 | India |
869 | Rusia |
868,4 | China, Singapur, Sudáfrica |
868.40, 868.42, 869.85 | Países de la CEPT (Europa y otros países de la región), Guayana Francesa |
908.40, 908.42, 916 | Estados Unidos, Canadá, Argentina, Guatemala, Bahamas, Jamaica, Barbados, México, Bermudas, Nicaragua, Bolivia, Panamá, Islas Vírgenes Británicas, Surinam, Islas Caimán, Trinidad y Tobago, Colombia, Islas Turcas y Caicos, Ecuador, Uruguay |
916 | Israel |
919,8 | Hong Kong |
919,8, 921,4 | Australia, Nueva Zelanda, Malasia, Brasil, Chile, El Salvador, Perú |
919–923 | Corea del Sur |
920–923 | Tailandia |
920–925 | Taiwán |
922–926 | Japón |
Configuración de red, topología y enrutamiento
Z-Wave utiliza una arquitectura de red de malla enrutada en origen . Las redes de malla también se conocen como redes inalámbricas ad hoc . En tales redes, los dispositivos utilizan el canal inalámbrico para enviar mensajes de control que luego son retransmitidos por dispositivos vecinos en forma de onda. Por lo tanto, el dispositivo fuente que desea transmitir se conoce como iniciador. De ahí el nombre de enrutamiento ad hoc de malla iniciado por la fuente. Se propusieron varios protocolos de enrutamiento de malla iniciados por la fuente a principios de la década de 1990. Los primeros fueron el enrutamiento por vector de distancia ad hoc bajo demanda (AODV) y el enrutamiento de origen dinámico (DSR). [31]
Los dispositivos pueden comunicarse entre sí mediante el uso de nodos intermedios para enrutar activamente y sortear obstáculos domésticos o puntos muertos de radio que pueden ocurrir en el entorno de trayectos múltiples de una casa. [28] Un mensaje del nodo A al nodo C se puede entregar con éxito incluso si los dos nodos no están dentro del rango, siempre que un tercer nodo B pueda comunicarse con los nodos A y C. Si la ruta preferida no está disponible, el originador del mensaje intente otras rutas hasta que encuentre una ruta al nodo C. Por lo tanto, una red Z-Wave puede extenderse mucho más que el alcance de radio de una sola unidad; sin embargo, con varios de estos saltos puede introducirse un ligero retraso entre el comando de control y el resultado deseado. [32]
La red más simple es un solo dispositivo controlable y un controlador primario. Se pueden agregar dispositivos adicionales en cualquier momento, al igual que los controladores secundarios, incluidos los controladores de mano tradicionales, los controladores de llavero, los controladores de interruptor de pared y las aplicaciones de PC diseñadas para la gestión y el control de una red Z-Wave. Una red Z-Wave puede constar de hasta 232 dispositivos, con la opción de puentear redes si se requieren más dispositivos. [3]
Un dispositivo debe estar "incluido" en la red Z-Wave antes de poder controlarlo a través de Z-Wave. Este proceso (también conocido como "emparejar" y "agregar") generalmente se logra presionando una secuencia de botones en el controlador y en el dispositivo que se agrega a la red. Esta secuencia solo debe realizarse una vez, después de lo cual el controlador siempre reconoce el dispositivo. Los dispositivos se pueden eliminar de la red Z-Wave mediante un proceso similar. El controlador aprende la intensidad de la señal entre los dispositivos durante el proceso de inclusión, por lo que la arquitectura espera que los dispositivos estén en su ubicación final prevista antes de que se agreguen al sistema. Por lo general, el controlador tiene una pequeña batería de respaldo interna , lo que permite desconectarlo temporalmente y llevarlo a la ubicación de un nuevo dispositivo para emparejarlo. Luego, el controlador se devuelve a su ubicación normal y se vuelve a conectar.
Cada red Z-Wave se identifica mediante un ID de red y cada dispositivo se identifica además con un ID de nodo. El ID de red (también llamado ID de inicio) es la identificación común de todos los nodos que pertenecen a una red lógica Z-Wave. La identificación de red tiene una longitud de 4 bytes (32 bits) y es asignada a cada dispositivo, por el controlador primario, cuando el dispositivo está "incluido" en la red. Los nodos con diferentes ID de red no se pueden comunicar entre sí. El ID de nodo es la dirección de un solo nodo en la red. El ID de nodo tiene una longitud de 1 byte (8 bits) y debe ser único en su red. [33]
El chip Z-Wave está optimizado para dispositivos que funcionan con baterías, y la mayor parte del tiempo permanece en modo de ahorro de energía para consumir menos energía, y se despierta solo para realizar su función. [10] Con las redes de malla Z-Wave, cada dispositivo de la casa envía señales inalámbricas por toda la casa, lo que resulta en un bajo consumo de energía, lo que permite que los dispositivos funcionen durante años sin necesidad de reemplazar las baterías. [19] Para que las unidades Z-Wave puedan enrutar mensajes no solicitados, no pueden estar en modo de suspensión. Por lo tanto, los dispositivos que funcionan con baterías no están diseñados como unidades repetidoras. Los dispositivos móviles, como los controles remotos, también están excluidos ya que Z-Wave asume que todos los dispositivos con capacidad de repetidor en la red permanecen en su posición original detectada.
Seguridad
Z-Wave se basa en un diseño patentado, respaldado por Sigma Designs como su principal proveedor de chips, pero la unidad de negocios Z-Wave fue adquirida por Silicon Labs en 2018. [18] [3] En 2014, Mitsumi se convirtió en una segunda fuente con licencia. para chips de la serie Z-Wave 500. [34] Aunque ha habido una serie de investigaciones de seguridad académicas y prácticas en sistemas de automatización del hogar basados en los protocolos Zigbee y X10 , la investigación aún está en su infancia para analizar las capas de pila de protocolos Z-Wave, lo que requiere el diseño de una captura de paquetes de radio. dispositivo y software relacionado para interceptar las comunicaciones Z-Wave. [35] [36] Se descubrió una vulnerabilidad temprana en las cerraduras de las puertas Z-Wave cifradas con AES que podrían explotarse de forma remota para desbloquear puertas sin el conocimiento de las claves de cifrado, y debido a las claves cambiadas, los mensajes de red posteriores, como en " puerta abierta ", sería ignorada por el controlador establecido de la red. La vulnerabilidad no se debió a una falla en la especificación del protocolo Z-Wave, sino a un error de implementación por parte del fabricante de la cerradura de la puerta. [35]
El 17 de noviembre de 2016, Z-Wave Alliance anunció estándares de seguridad más estrictos para los dispositivos que recibieron la certificación Z-Wave a partir del 2 de abril de 2017. Conocido como Security 2 (o S2), proporciona seguridad avanzada para dispositivos domésticos inteligentes, gateways y hubs. . [23] [37] Refuerza los estándares de cifrado para las transmisiones entre nodos y exige nuevos procedimientos de emparejamiento para cada dispositivo, con códigos PIN o QR únicos en cada dispositivo. La nueva capa de autenticación está destinada a evitar que los piratas informáticos tomen el control de dispositivos no seguros o mal protegidos. [38] [39] Según Z-Wave Alliance, el nuevo estándar de seguridad es la seguridad más avanzada disponible en el mercado para dispositivos y controladores domésticos inteligentes, puertas de enlace y concentradores. [40] Pero debido a la compatibilidad con versiones anteriores , los dispositivos S2 siguen siendo vulnerables durante el proceso de emparejamiento. [41]
Hardware
El chip para los nodos Z-Wave es el ZW0500, construido alrededor de un microcontrolador Intel MCS-51 con un reloj de sistema interno de 32 MHz. La parte de RF del chip contiene un transceptor GisFSK para una frecuencia seleccionable por software. Con una fuente de alimentación de 2,2 a 3,6 voltios, consume 23 mA en modo de transmisión. [28] Sus características incluyen cifrado AES-128, un canal inalámbrico de 100 kbps, escucha simultánea en múltiples canales y soporte USB VCP. [42]
Comparación con otros protocolos
Para las redes inalámbricas domésticas inteligentes , existen numerosas tecnologías que compiten para convertirse en el estándar de elección. Wi-Fi consume mucha energía y Bluetooth está limitado en rango de señal y cantidad de dispositivos. Otros estándares de red que compiten con Z-Wave incluyen Wi-Fi HaLow , Bluetooth 5, Insteon , Thread y ZigBee . Z-Wave tiene un amplio rango de funcionamiento al aire libre a 90 metros (exterior) y más de 24 metros (interior). En teoría, Insteon puede abordar una gran cantidad de dispositivos en 17,7 millones (en comparación con los 65.000 de ZigBee y los 232 de Z-Wave). Thread tiene una velocidad de transmisión de datos rápida a 250 kbps. Z-Wave tiene una mejor interoperabilidad que ZigBee, pero ZigBee tiene una velocidad de transmisión de datos más rápida. Thread y Zigbee operan en la concurrida frecuencia estándar Wi-Fi de 2.4 GHz, mientras que Z-Wave opera a 908 MHz en los EE. UU., Lo que ha reducido el ruido y un área de cobertura mayor. Los tres son redes de malla. [43] [44] El MAC / PHY de Z-Wave está estandarizado globalmente por la Unión Internacional de Telecomunicaciones como radio ITU 9959, y las especificaciones de Interoperabilidad, Seguridad (S2), Middleware y Z-Wave sobre IP de Z-Wave se publicaron en el dominio público en 2016, lo que hace que Z-Wave sea altamente accesible para los desarrolladores de Internet de las cosas . [44]
Ver también
- Belkin Wemo
- Bluetooth 5
- Insteon
- Hilo (protocolo de red)
- UPB
- Wifi
- Wi-Fi HaLow
- Zigbee
- X10 (estándar de la industria)
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enlaces externos
- Página web oficial