Z-Wave

Frequências de rádioEditar

Z-Wave foi concebida para fornecer uma transmissão fiável e de baixa latência de pequenos pacotes de dados a taxas de dados até 100kbit/s. O débito é de 40kbit/s (9,6kbit/s usando chips antigos) e adequado para aplicações de controlo e sensor, ao contrário de Wi-Fi e outros sistemas LAN sem fios baseados em IEEE 802.11 que são concebidos principalmente para altas taxas de dados. A distância de comunicação entre dois nós é de cerca de 30 metros (40 metros com chip da série 500), e com capacidade de saltar até quatro vezes entre nós, dá cobertura suficiente para a maioria das casas residenciais. A modulação é a tecla de mudança de frequência (FSK) com codificação Manchester.

Z-Wave utiliza a banda industrial, científica e médica (ISM) não licenciada da Parte 15. Funciona a 868,42 MHz na Europa, a 908,42 MHz na América do Norte e utiliza outras frequências noutros países, dependendo da sua regulamentação. Esta banda concorre com alguns telefones sem fios e outros dispositivos electrónicos de consumo, mas evita interferências com Wi-Fi, Bluetooth e outros sistemas que operam na banda de 2,4 GHz, que é muito frequentada. As camadas inferiores, MAC e PHY, são descritas pela ITU-T G.9959 e são totalmente compatíveis com as versões anteriores. Em 2012, a União Internacional de Telecomunicações (UIT) incluiu as camadas PHY e MAC da onda Z como opção na sua norma G.9959 para dispositivos sem fios abaixo de 1 GHz. As taxas de dados incluem 9600 bps e 40 kbps, com potência de saída a 1 mW ou 0 dBm. Os chips transceiver Z-Wave são fornecidos pela Silicon Labs.

p>Tabela de frequências utilizadas em várias partes do mundo:

919.8

Coreia do Sul

Configuração de rede, topologia e encaminhamentoEdit

Z-Wave utiliza uma arquitectura de rede de malha de origem. As redes em malha são também conhecidas como redes ad hoc sem fios. Em tais redes, os dispositivos utilizam o canal sem fios para enviar mensagens de controlo que são depois retransmitidas por dispositivos vizinhos de forma ondulada. O dispositivo fonte que pretende transmitir é, portanto, conhecido como o iniciador. Assim, o nome da fonte iniciadora do roteamento ad hoc em malha. Houve vários protocolos de roteamento de malhas iniciados pela fonte propostos no início dos anos 90. Os primeiros foram o Roteamento Vectorial Ad hoc à Distância a Pedido (AODV) e o Roteamento de Fonte Dinâmico (DSR).

Os dispositivos podem comunicar uns com os outros utilizando nós intermédios para rotear e contornar activamente obstáculos domésticos ou pontos mortos de rádio que possam ocorrer no ambiente multipath de uma casa. Uma mensagem do nó A ao nó C pode ser entregue com sucesso mesmo que os dois nós não estejam dentro do alcance, desde que um terceiro nó B possa comunicar com os nós A e C. Se a rota preferida não estiver disponível, o originador da mensagem tentará outras rotas até ser encontrado um caminho para o nó C. Portanto, uma rede de Onda Z pode abranger muito mais do que o alcance do rádio de uma única unidade; contudo, com vários destes lúpulos pode ser introduzido um ligeiro atraso entre o comando de controlo e o resultado desejado.

A rede mais simples é um único dispositivo controlável e um controlador primário. Podem ser adicionados dispositivos adicionais em qualquer altura, bem como controladores secundários, incluindo controladores manuais tradicionais, controladores de chave-fob, controladores de interruptor de parede e aplicações de PC concebidas para gestão e controlo de uma rede Z-Wave. Uma rede Z-Wave pode consistir em até 232 dispositivos, com a opção de redes em ponte se forem necessários mais dispositivos.

Um dispositivo deve ser “incluído” na rede Z-Wave antes de poder ser controlado via Z-Wave. Este processo (também conhecido como “emparelhamento” e “adição”) é normalmente conseguido premindo uma sequência de botões no controlador e no dispositivo a ser adicionado à rede. Esta sequência só precisa de ser executada uma vez, após o que o dispositivo é sempre reconhecido pelo controlador. Os dispositivos podem ser removidos da rede Z-Wave através de um processo semelhante. O controlador aprende a força do sinal entre os dispositivos durante o processo de inclusão, assim a arquitectura espera que os dispositivos estejam na sua localização final pretendida antes de serem adicionados ao sistema. Tipicamente, o controlador tem uma pequena bateria de reserva interna, permitindo que seja desligada temporariamente e levada para o local de um novo dispositivo para emparelhamento. O controlador é então devolvido ao seu local normal e reconectado.

p>Cada rede de Onda Z é identificada por um ID de Rede, e cada dispositivo é ainda identificado por um ID de Nodo. O ID da Rede (também chamado Home ID) é a identificação comum de todos os nós pertencentes a uma rede lógica de Onda Z. O ID da Rede tem um comprimento de 4 bytes (32 bits) e é atribuído a cada dispositivo, pelo controlador primário, quando o dispositivo é “incluído” na Rede. Os nós com diferentes IDs de Rede não podem comunicar uns com os outros. O ID do nó é o endereço de um único nó na rede. O Node ID tem um comprimento de 1 byte (8 bits) e deve ser único na sua rede.

O chip Z-Wave está optimizado para dispositivos alimentados por bateria, e a maior parte do tempo permanece num modo de poupança de energia para consumir menos energia, acordando apenas para desempenhar a sua função. Com as redes em malha Z-Wave, cada dispositivo na casa salta sinais sem fios em torno da casa, o que resulta num baixo consumo de energia, permitindo que os dispositivos funcionem durante anos sem necessidade de substituir as baterias. Para que as unidades Z-Wave sejam capazes de encaminhar mensagens não solicitadas, não podem estar em modo de sono. Por conseguinte, os dispositivos operados a pilhas não são concebidos como unidades repetidoras. Os dispositivos móveis, tais como controlos remotos, também estão excluídos, uma vez que Z-Wave assume que todos os dispositivos com capacidade de repetição na rede permanecem na sua posição original detectada.

SecurityEdit

Z-Wave baseia-se num design proprietário, suportado pela Sigma Designs como seu principal fornecedor de chips, mas a unidade de negócios Z-Wave foi adquirida pela Silicon Labs em 2018. Em 2014, a Mitsumi tornou-se uma segunda fonte licenciada para os chips da série Z-Wave 500. Embora tenha havido uma série de pesquisas académicas e práticas de segurança sobre sistemas de domótica baseados nos protocolos Zigbee e X10, a pesquisa está ainda na sua infância para analisar as camadas de pilha do protocolo Z-Wave, exigindo a concepção de um dispositivo de captura de pacotes de rádio e software relacionado para interceptar as comunicações Z-Wave. Uma vulnerabilidade precoce foi descoberta nas fechaduras de portas Z-Wave encriptadas em AES que poderiam ser exploradas remotamente para destrancar portas sem o conhecimento das chaves de encriptação, e devido às chaves alteradas, as mensagens de rede subsequentes, como em “porta está aberta”, seriam ignoradas pelo controlador estabelecido da rede. A vulnerabilidade não se devia a uma falha na especificação do protocolo Z-Wave, mas sim a um erro de implementação por parte do fabricante de fecho de portas.

A 17 de Novembro de 2016, a Z-Wave Alliance anunciou padrões de segurança mais fortes para dispositivos que recebem a Certificação Z-Wave a partir de 2 de Abril de 2017. Conhecida como Segurança 2 (ou S2), fornece segurança avançada para dispositivos domésticos inteligentes, gateways e hubs. Acede a padrões de encriptação para transmissões entre nós, e obriga a novos procedimentos de emparelhamento para cada dispositivo, com códigos PIN ou QR únicos em cada dispositivo. A nova camada de autenticação destina-se a evitar que os hackers assumam o controlo de dispositivos não seguros ou pouco seguros. De acordo com a Z-Wave Alliance, o novo padrão de segurança é a segurança mais avançada disponível no mercado para dispositivos e controladores domésticos inteligentes, gateways e hubs. Mas devido à compatibilidade retroativa, os dispositivos S2 ainda são vulneráveis durante o processo de emparelhamento.

HardwareEdit

O chip para nós Z-Wave é o ZW0500, construído em torno de um microcontrolador Intel MCS-51 com um relógio de sistema interno de 32 MHz. A parte RF do chip contém um transceptor GisFSK para uma frequência seleccionável por software. Com uma fonte de alimentação de 2,2-3,6 volts, consome 23mA em modo de transmissão. As suas características incluem encriptação AES-128, um canal sem fios a 100kbps, audição simultânea em múltiplos canais, e suporte USB VCP.

Comparação com outros protocolosEdit

Para redes sem fios domésticas inteligentes, há numerosas tecnologias a competir para se tornar o padrão de escolha. O Wi-Fi consome muita energia, e o Bluetooth é limitado no alcance do sinal e no número de dispositivos. Outros padrões de rede que competem com Z-Wave incluem Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread e ZigBee. O Z-Wave tem um longo alcance operacional ao ar livre a 90 metros (exterior) e 24+ metros (interior). Insteon pode teoricamente abordar um grande número de dispositivos a 17,7 milhões (em comparação com os 65.000 ZigBee e os 232 Z-Wave). O Thread tem uma taxa de transmissão de dados rápida a 250 kbps. O Z-Wave tem melhor interoperabilidade do que o ZigBee, mas o ZigBee tem uma taxa de transmissão de dados mais rápida. Thread e Zigbee operam na frequência padrão Wi-Fi ocupada de 2,4 GHz, enquanto o Z-Wave opera a 908 MHz nos EUA, o que tem reduzido o ruído e uma maior área de cobertura. Todas as três são redes em malha. O Z-Wave MAC/PHY é globalmente padronizado pela União Internacional de Telecomunicações como rádio ITU 9959, e as especificações Z-Wave Interoperabilidade, Segurança (S2), Middleware e Z-Wave sobre IP foram todas lançadas no domínio público em 2016, tornando o Z-Wave altamente acessível aos programadores de Internet das Coisas.