Z-Wave

RadiofrequentiesEdit

Z-Wave is ontworpen voor betrouwbare, low-latency transmissie van kleine datapakketjes met datasnelheden tot 100kbit/s. De doorvoersnelheid is 40kbit/s (9,6kbit/s bij gebruik van oude chips) en geschikt voor besturings- en sensortoepassingen, in tegenstelling tot Wi-Fi en andere op IEEE 802.11 gebaseerde draadloze LAN-systemen die primair zijn ontworpen voor hoge datasnelheden. De communicatieafstand tussen twee nodes is ongeveer 30 meter (40 meter met 500-serie chip), en met de mogelijkheid om tot vier keer te hoppen tussen nodes, geeft het voldoende dekking voor de meeste woonhuizen. Modulatie is frequency-shift keying (FSK) met Manchester codering.

Z-Wave maakt gebruik van de Part 15 vergunningsvrije industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) band. Hij werkt op 868,42 MHz in Europa, op 908,42 MHz in Noord-Amerika en gebruikt andere frequenties in andere landen, afhankelijk van hun regelgeving. Deze band concurreert met sommige draadloze telefoons en andere consumentenelektronica, maar voorkomt interferentie met Wi-Fi, Bluetooth en andere systemen die op de overvolle 2,4 GHz-band werken. De onderste lagen, MAC en PHY, worden beschreven door ITU-T G.9959 en zijn volledig achterwaarts compatibel. In 2012 heeft de Internationale Telecommunicatie Unie (ITU) de Z-Wave PHY en MAC lagen als optie opgenomen in haar G.9959 standaard voor draadloze apparaten onder 1 GHz. De datasnelheden omvatten 9600 bps en 40 kbps, met een uitgangsvermogen van 1 mW of 0 dBm. De Z-Wave-transceiverchips worden geleverd door Silicon Labs.

Tabel van gebruikte frequenties in verschillende delen van de wereld:

Netwerk instellen, topologie en routingEdit

Z-Wave maakt gebruik van een source-routed mesh-netwerkarchitectuur. Mesh-netwerken zijn ook bekend als draadloze ad-hoc netwerken. In dergelijke netwerken gebruiken apparaten het draadloze kanaal om besturingsberichten te verzenden, die vervolgens door naburige apparaten op een golfachtige manier worden doorgegeven. Het bronapparaat dat wil zenden staat daarom bekend als de initiator. Vandaar de naam “source-initiated mesh ad hoc routing”. Er zijn in het begin van de jaren negentig verschillende door de bron geïnitieerde mesh-routeringsprotocollen voorgesteld. De vroegere waren Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) en Dynamic Source Routing (DSR).

Devices kunnen met elkaar communiceren door gebruik te maken van intermediaire knooppunten om actief rond huishoudelijke obstakels of radiostillekken te navigeren en te omzeilen die zich in de multipath-omgeving van een huis kunnen voordoen. Een bericht van node A naar node C kan met succes worden afgeleverd, zelfs als de twee nodes zich niet binnen bereik bevinden, op voorwaarde dat een derde node B kan communiceren met nodes A en C. Als de voorkeursroute niet beschikbaar is, zal de opsteller van het bericht andere routes proberen totdat een pad naar node C is gevonden. Daarom kan een Z-Wave netwerk veel verder reiken dan het radiobereik van een enkel apparaat; met meerdere van deze hops kan echter een kleine vertraging worden geïntroduceerd tussen het besturingscommando en het gewenste resultaat.

Het eenvoudigste netwerk bestaat uit een enkel bedienbaar apparaat en een primaire controller. Extra apparaten kunnen op elk moment worden toegevoegd, evenals secundaire controllers, waaronder traditionele handbedieningen, key-fob controllers, wandschakelaarcontrollers en pc-applicaties die zijn ontworpen voor beheer en bediening van een Z-Wave-netwerk. Een Z-Wave netwerk kan bestaan uit maximaal 232 apparaten, met de mogelijkheid om netwerken te overbruggen als er meer apparaten nodig zijn.

Een apparaat moet worden “opgenomen” in het Z-Wave netwerk voordat het kan worden bediend via Z-Wave. Dit proces (ook bekend als “pairing” en “toevoegen”) wordt meestal bereikt door het indrukken van een reeks knoppen op de controller en op het apparaat dat wordt toegevoegd aan het netwerk. Deze reeks hoeft slechts eenmaal te worden uitgevoerd, waarna het apparaat altijd door de controller wordt herkend. Apparaten kunnen uit het Z-Wave netwerk worden verwijderd door een vergelijkbaar proces. De controller leert de signaalsterkte tussen de apparaten tijdens het opnameproces, dus de architectuur verwacht dat de apparaten zich op de beoogde definitieve locatie bevinden voordat ze aan het systeem worden toegevoegd. De controller heeft meestal een kleine interne batterijreserve, zodat hij tijdelijk kan worden losgekoppeld en naar de locatie van een nieuw apparaat kan worden gebracht om te worden gekoppeld. De controller wordt dan teruggebracht naar zijn normale locatie en opnieuw aangesloten.

Elk Z-Wave netwerk wordt geïdentificeerd door een Netwerk ID, en elk apparaat wordt verder geïdentificeerd door een Node ID. De Network ID (ook wel Home ID genoemd) is de gemeenschappelijke identificatie van alle nodes die behoren tot een logisch Z-Wave netwerk. De Netwerk ID heeft een lengte van 4 bytes (32 bits) en wordt toegewezen aan elk apparaat, door de primaire controller, wanneer het apparaat wordt “opgenomen” in het Netwerk. Nodes met verschillende Netwerk ID’s kunnen niet met elkaar communiceren. De Node ID is het adres van een enkel knooppunt in het netwerk. De Node ID heeft een lengte van 1 byte (8 bits) en moet uniek zijn in zijn netwerk.

De Z-Wave chip is geoptimaliseerd voor apparaten die op batterijen werken, en blijft het grootste deel van de tijd in een energiebesparende modus om minder energie te verbruiken, en wordt alleen wakker om zijn functie uit te voeren. Met Z-Wave mesh-netwerken kaatst elk apparaat in huis draadloze signalen rond in het huis, wat resulteert in een laag stroomverbruik, waardoor apparaten jarenlang kunnen werken zonder batterijen te moeten vervangen. Om ervoor te zorgen dat Z-Wave-apparaten ongevraagde berichten kunnen doorsturen, mogen ze niet in de slaapstand staan. Daarom zijn op batterijen werkende apparaten niet ontworpen als repeater-units. Mobiele apparaten, zoals afstandsbedieningen, zijn ook uitgesloten omdat Z-Wave ervan uitgaat dat alle apparaten met repeaters in het netwerk op hun oorspronkelijke gedetecteerde positie blijven staan.

SecurityEdit

Z-Wave is gebaseerd op een eigen ontwerp, ondersteund door Sigma Designs als de primaire chipverkoper, maar de Z-Wave business unit werd in 2018 overgenomen door Silicon Labs. In 2014 werd Mitsumi een gelicentieerde tweede bron voor Z-Wave 500-serie chips. Hoewel er een aantal academische en praktische beveiligingsonderzoeken zijn geweest naar domoticasystemen op basis van Zigbee- en X10-protocollen, staat het onderzoek nog in de kinderschoenen om de Z-Wave-protocolstacklagen te analyseren, waarvoor het ontwerp van een apparaat voor het vastleggen van radiopakketten en gerelateerde software nodig is om Z-Wave-communicatie te onderscheppen. In een vroeg stadium werd een kwetsbaarheid ontdekt in AES-gecodeerde Z-Wave-deursloten die op afstand konden worden misbruikt om deuren te ontgrendelen zonder kennis van de encryptiesleutels, en door de gewijzigde sleutels zouden daaropvolgende netwerkberichten, zoals “deur is open”, worden genegeerd door de gevestigde controller van het netwerk. De kwetsbaarheid was niet te wijten aan een fout in de Z-Wave-protocolspecificatie, maar was een implementatiefout van de fabrikant van het deurslot.

Op 17 november 2016 kondigde de Z-Wave Alliance strengere beveiligingsnormen aan voor apparaten die vanaf 2 april 2017 Z-Wave-certificering ontvangen. Deze staat bekend als Security 2 (of S2) en biedt geavanceerde beveiliging voor smart home-apparaten, gateways en hubs. Het versterkt de encryptienormen voor transmissies tussen nodes en stelt nieuwe koppelingsprocedures verplicht voor elk apparaat, met unieke PIN- of QR-codes op elk apparaat. De nieuwe verificatielaag is bedoeld om te voorkomen dat hackers de controle over onbeveiligde of slecht beveiligde apparaten overnemen. Volgens de Z-Wave Alliance is de nieuwe beveiligingsstandaard de meest geavanceerde beveiliging die op de markt beschikbaar is voor smart home-apparaten en controllers, gateways en hubs. Maar vanwege achterwaartse compatibiliteit zijn S2-apparaten nog steeds kwetsbaar tijdens het koppelingsproces.

HardwareEdit

De chip voor Z-Wave nodes is de ZW0500, gebouwd rond een Intel MCS-51 microcontroller met een interne systeemklok van 32 MHz. Het RF-gedeelte van de chip bevat een GisFSK-transceiver voor een softwarematig instelbare frequentie. Met een voedingsspanning van 2,2-3,6 volt verbruikt hij 23 mA in zendmodus. De functies omvatten AES-128 encryptie, een 100kbps draadloos kanaal, gelijktijdig luisteren op meerdere kanalen, en USB VCP ondersteuning.

Vergelijking met andere protocollenEdit

Voor smart home draadloze netwerken zijn er tal van technologieën die concurreren om de standaard van keuze te worden. Wi-Fi verbruikt veel stroom, en Bluetooth is beperkt in signaalbereik en aantal apparaten. Andere netwerkstandaarden die met Z-Wave concurreren zijn Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread en ZigBee. Z-Wave heeft een groot werkbereik in de open lucht van 90 meter (buiten) en 24+ meter (binnen). Insteon kan theoretisch een groot aantal apparaten aanspreken met 17,7 miljoen (vergeleken met ZigBee’s 65.000 en Z-Wave’s 232). Draad heeft een snelle datatransmissiesnelheid van 250 kbps. Z-Wave heeft een betere interoperabiliteit dan ZigBee, maar ZigBee heeft een snellere datatransmissiesnelheid. Thread en Zigbee werken op de drukke Wi-Fi-standaardfrequentie van 2,4 GHz, terwijl Z-Wave in de VS op 908 MHz werkt, wat minder ruis en een groter dekkingsgebied heeft. Alle drie zijn mesh-netwerken. De Z-Wave MAC/PHY is wereldwijd gestandaardiseerd door de International Telecommunications Union als ITU 9959 radio, en de Z-Wave Interoperability, Security (S2), Middleware en Z-Wave over IP specificaties zijn allemaal vrijgegeven in het publieke domein in 2016, waardoor Z-Wave zeer toegankelijk is voor Internet of Things ontwikkelaars.