Tutorial del protocolo de comunicación Z-Wave para hogares inteligentes

En este tutorial, aprenderás cómo funciona el protocolo de comunicación Z-Wave para hogares inteligentes, los datos técnicos clave y las redes de malla Z-Wave

En este tutorial, aprenderás cómo funciona el protocolo de comunicación Z-Wave para hogares inteligentes.

Después de los hechos técnicos clave, echamos un vistazo más de cerca a las redes de malla Z-Wave y por qué se utilizan en los hogares inteligentes.

Si quieres incluir dispositivos de seguridad en tu casa, como cámaras de seguridad, en este tutorial te explico por qué deberías utilizar la serie 700 de Z-Wave en el futuro.


Introducción al protocolo de comunicación Z-Wave

Z-Wave es un protocolo de comunicación doméstico inteligente muy popular que no se basa en el protocolo WiFi para la comunicación, sino que utiliza radiofrecuencia inalámbrica para construir una red con dispositivos inteligentes.

En 1990, Z-Wave fue desarrollado por la empresa danesa Zensys porque crearon un sistema de control de iluminación para el consumidor y necesitaban un protocolo de comunicación. Para promover la tecnología Z-Wave, cinco empresas formaron el Alianza Z-Wave en 2005. Sigma Designs en 2008 y Laboratorios de silicio en 2018, adquirió Z-Wave más tarde. Desde 2005, Z-Wave Alliance tiene más de 700 miembros.

No solo está aumentando el número de empresas de la alianza a lo largo de los años, sino que también se está disparando el número de productos Z-Wave. En 2005 había 6 productos en el mercado y en 2012 el número aumentó a 600 debido a la creciente popularidad de los dispositivos domésticos inteligentes. Hoy en día existen más de 2.400 productos Z-Wave interoperables en el mercado.

La interoperabilidad es una de las principales ventajas de Z-Wave sobre otros protocolos de comunicación domésticos inteligentes como ZigBee. Esta interoperabilidad se logra a través de un programa de certificación de 2 pasos:

  1. En primer lugar, todos los dispositivos inteligentes obtienen la certificación técnica a través de Silicon Labs porque todos los chips Z-Wave son producidos solo por Silicon Labs.
  2. En el segundo paso, solo se pueden vender productos con certificación de mercado de Z-Wave Alliance. Durante este proceso, se prueba que el dispositivo es compatible con otros dispositivos inteligentes Z-Wave.

La siguiente tabla muestra los principales datos técnicos sobre el protocolo de comunicación del hogar inteligente Z-Wave:

CriteriosOnda Z
Rango de operación100 pies / 30 metros
Número máximo de dispositivos teóricamente232
Tasa de datos9,6-100 kB/s
Frecuencia850-916 MHz (US)
Tipo de redMalla
Necesita hubs
Tiempo de conexión a la red30 ms
Encriptación y autenticación de datosEstándar de encriptación avanzado (AES-128)
Máximo de cocinas en red de malla4
TecnologíaFrecuencia de radio
Número de productos interoperables3200

¿Qué es una red de malla Z-Wave?

La siguiente imagen muestra un ejemplo de una red de malla Z-Wave que puede tener hasta 232 dispositivos y podría ampliarse aún más con un puente de red. Un puente de red es un dispositivo de red de computadoras que conecta múltiples redes como si fueran una sola red.

Red de malla Z-Wave

En una red de malla, todos los dispositivos se conectan directa, dinámica y no jerárquicamente a tantos otros nodos como sea posible. Por lo tanto, una red de malla puede extenderse mucho más allá del alcance de una sola unidad, que es de alrededor de 100 pies / 30 metros. Pero tenga en cuenta que cuanto mayor sea la distancia, mayor será el retraso entre las señales y, por ejemplo, una luz se enciende con un retraso notable.

Por ejemplo, en la imagen de arriba, el esclavo en la habitación no está dentro del alcance del controlador, pero un esclavo de enrutamiento transmite y repite mensajes del cliente al esclavo. Estas retransmisiones pueden tener lugar un máximo de 4 veces. En general, todas las redes de malla son más robustas contra dispositivos fallidos porque es posible que todos los mensajes tomen otra ruta en la red de malla. Por lo tanto, agregar nuevos dispositivos a la red que puedan transportar información entre nodos fortalece toda la red.

Hay tres tipos diferentes de nodos en una red Z-Wave con diferentes funciones y permisos que se describen en la siguiente tabla.

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 VecinosRutaFunción
ControladorConoce a todos los vecinosTiene acceso a la tabla de enrutamiento completaPuede comunicarse con cada dispositivo de la red, si existe la ruta
EsclavoConoce a todos los vecinosNo tiene información sobre la tabla de rutasSólo puede responder al nodo del que ha recibido el mensaje.
Esclavo de enrutamientoConoce a todos los vecinosConoce parcialmente la tabla de enrutamientoPuede responder al nodo del que ha recibido el mensaje y puede enviar mensajes no solicitados a un número de nodos predefinidos de los que tiene una ruta

Fuente: https://www.vesternet.com/pages/understanding-z-wave-networks-nodes-devices

Los dispositivos alimentados por batería no están diseñados para ser esclavos de enrutamiento porque para transferir mensajes a través de la red, los esclavos de enrutamiento no pueden ingresar al modo de espera. Esto reduciría significativamente la duración de la batería del dispositivo.

Una tabla de enrutamiento muestra las conexiones entre los nodos de la red de malla. La siguiente tabla muestra la tabla de enrutamiento para la red Z-Wave de ejemplo.

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 123456
1xx
2xxx
3xxxx
4xxxxxx
5xxxx
6xxx

¿Cómo agregar un dispositivo inteligente a una red de malla Z-Wave?

¿Cómo se asignan claramente los dispositivos inteligentes a una red Z-Wave? Hay dos identificadores diferentes para este propósito.

  1. ID de red: el ID de red, también conocido como ID de hogar, es un identificador único de 32 bits e identifica todos los nodos en una red lógica Z-Wave y es asignado a cada dispositivo por el controlador principal al emparejarse. La identificación de red se asigna a cada controlador durante el proceso de fábrica. Del mismo modo, si hay otro controlador que se une a la red, el controlador hereda la ID de inicio del controlador principal.
  2. ID de nodo: el segundo ID es el ID de nodo y el controlador primario lo asigna a cada nodo. El ID de nodo se asigna solo una vez en la red y tiene una longitud de 8 bits.

La siguiente imagen muestra cómo una red Z-Wave está construida por dos controladores y dos esclavos.

Z-Wave agrega dispositivos a la red

Antes de la creación de la red, los controladores tienen diferentes ID de inicio y un ID de nodo de 1. Los salvas no tienen un ID de inicio y tampoco un ID de nodo.
Una vez que se selecciona el controlador primario, la ID de inicio del controlador primario se escribe en todas las ráfagas, así como en el controlador secundario. El ID de nodo se establece en una dirección única para cada esclavo y controlador por el controlador primario.

Antes de conectar un nuevo dispositivo a la red Z-Wave, el dispositivo debe recortarse una vez. Dado que el controlador de red mide la intensidad de la señal del nuevo dispositivo y optimiza la tabla de enrutamiento de la red con la intensidad de la señal, el nuevo dispositivo debe compararse con el lugar final, donde estará el dispositivo en el futuro. De lo contrario, la tabla de enrutamiento no se optimizará y, por lo tanto, la intensidad de la señal y la confiabilidad de la red pueden verse reducidas.

Introducción a la radiofrecuencia Z-Wave

Otra ventaja de Z-Wave es la frecuencia de radio utilizada. Z-Wave utiliza diferentes frecuencias de funcionamiento según el condado o la región. Pero independientemente del país, la frecuencia de operación no está en el espectro de WiFi (2.4GHz / 5GHz) y Bluetooth y por lo tanto la señal es más confiable.

La siguiente tabla muestra la frecuencia de radio Z-Wave utilizada según el país. La tabla también muestra el voltaje residencial y la frecuencia neta.

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País/RegiónFrecuencia de onda ZTensión residencialFrecuencia
Brasil919,8 MHz, 921,4 MHz127 V, 220 V60 Hz
Canadá908,4 MHz, 916 MHz120 V60 Hz
CEPT (UE)868,4 MHz, 869,85 MHz230 V, 240 V, 220 V50 Hz
China868,4 MHz220 V50 Hz
Hong Kong919,8 MHz220 V50 Hz
India865,2 MHz230 V50 Hz
Japón922,5 MHz, 923,9 MHz, 926,3 MHz100 V50 Hz, 60 Hz
Corea del Sur920,9 MHz, 921,7 MHz, 923,1 MHz230 V60 Hz
Estados Unidos908,4 MHz, 916 MHz120 V60 Hz

Comparación de diferentes series Z-Wave

Durante todos los años de desarrollo del protocolo de comunicación doméstica inteligente Z-Wave, Zensys (serie 300), Sigma Designs (serie 500) y posteriormente Silicon Labs (serie 700) han lanzado diferentes series de chips de hardware.

La serie 700 se lanzó en abril de 2019 y mejoró la serie 500, especialmente en términos de consumo de energía y seguridad. La comunicación inalámbrica de la serie 700 utiliza un 64% menos de energía, por lo que la duración máxima de la batería se extiende a 10 años.

Las 3 capas opcionales de seguridad que ofrece la serie 500 ahora son obligatorias, lo que convierte a Z-Wave, en mi opinión, en el mejor protocolo de comunicación doméstica inteligente para dispositivos relacionados con la seguridad.

El procesador de la serie 700 también es un ARM Cortex y aumenta la potencia del procesador en un 18% en comparación con la serie 500.

Si desea comprar un dispositivo doméstico inteligente que incluya la serie 700, asegúrese de que el Z-Wave Gen7 aparezca en las especificaciones del producto. Una de las primeras empresas certificadas de la serie 700 es Aeotec. Los primeros dispositivos Gen7 de Aeotec son el Range Extender 7 y el Sensor de puerta empotrado 7.
Si está interesado en los detalles técnicos de las diferentes series Z-Wave, encontrará las especificaciones en la siguiente tabla.

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Plataforma de hardwareSerie 300Serie 500Serie 700
CPU / MCUNúcleo de CPU 8051 optimizadoNúcleo de CPU 8051 optimizadoARM® Cortex M4
Velocidad de la CPU / MCU16 MHz32 MHz39 MHz
Memoria2 kB16 kB64 kB
Memoria flash32 kB128 kB512 kB
GeckoNoNo
Filtro SAWNoOpcionalIncorporado
Número de pines GPIO101432
Temperatura ambiente de funcionamiento-15 a 85°C-10 a 85°C-40 a 85°C
Dimensiones del chipset (mm)12,5 x 13,6 x 2,413,6 x 12,5 x 1,99 x 9 x 1,21
Uso de la energía
Consumo de energía activo36 mA35 mA12,5 mA
Consumo de energía en modo de espera2,5 uA1 uA1 uA
Uso de energía de seguridad50% menos
Compatible con la célula de monedasNoNo
Duración máxima de la batería1 año1,5 años10 años
Seguridad inalámbrica
Clave de redOpcional
Encriptación AES-128 bitsNoOpcionalSiempre
ECDHNoOpcionalSiempre
S2NoOpcionalSiempre
SmartStartNoOpcionalSiempre
Prevención de ataques del hombre en el medioNoOpcionalSiempre
Rendimiento inalámbrico
Potencia de salida DBM (TX)-2,5 dBmSerie 300 +2,5dBMhasta +13 dBm
Sensibilidad de rango (RX)-102 dBm / -98 dBmhasta -103 dBm con filtro de sierra-97,5 dBm
Velocidad inalámbrica9,6 / 40 kbit/s9,6 / 40 / 100 kbit/s9,6 / 40 /100 kbit/s
Alcance inalámbrico máximo en exteriores (Directo)hasta 100 metroshasta 150 metrosmás de 200 metros
Alcance inalámbrico máximo en exteriores (Max Hop/Repeat)hasta 400 metroshasta 600 metrosmás de 800 metros
Alcance inalámbrico máximo en interiores (Directo)más de 30 metroshasta 75 metroshasta 100 metros
Alcance inalámbrico máximo en interiores (Max Hop/Repeat)más de 120 metroshasta 300 metroshasta 400 metros
Características específicas de Z-Wave
Incluido enN/AGen5Gen7
Z-Wave PlusNo
Compatibilidad hacia atrásSí, con la serie 100Sí, serie 100 a 300.Sí, serie 100 a 500.
Inclusión en toda la redNoOpcional
Marcos del exploradorNo
Cálculo avanzado de la diversidad de rutasNo
Flores (Despertar con rayos)OpcionalOpcionalSiempre
Actualizaciones del firmware Z-Wave de la OTANoOpcionalSiempre
LanzamientoMayo 2005Marzo 2013Abril 2019

Fuente: https://aeotec.com/z-wave-home-automation/z-wave-700-series.html

Si tiene alguna pregunta sobre Z-Wave, los protocolos de comunicación del hogar inteligente en general, o cualquier otra pregunta, deje un comentario y responderé sus preguntas lo antes posible.

Y si está interesado en otros protocolos de comunicación para el hogar inteligente, consulte el tutorial para ZigBee y MQTT.


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