Zigbee prieš Z-Wave: išmaniojo namo ryšio pagrindinių protokolų apžvalga

Šiuolaikinis išmanusis namas – tai tarpusavyje sujungtų įrenginių simfonija, kurioje kiekvienas prietaisas bendrauja belaidžiu ryšiu, siekdamas sukurti patogumo, saugumo ir efektyvumo aplinką. Šio sudėtingo tinklo centre slypi komunikacijos protokolai, kurie valdo, kaip šie įrenginiai sąveikauja. Tarp labiausiai paplitusių ir įtakingiausių yra Zigbee ir Z-Wave. Kiekvienam, norinčiam sukurti išties integruotą išmanųjį namą, būtina suprasti šių dviejų pamatinių technologijų niuansus. Šis išsamus vadovas skirtas demistifikuoti Zigbee ir Z-Wave, pateikiant globalią perspektyvą apie jų architektūrą, našumą ir tinkamumą įvairioms išmaniųjų namų programoms.

Išmaniųjų namų komunikacijos pagrindų supratimas

Prieš pradedant tiesioginį palyginimą, svarbu suprasti pagrindines belaidžio ryšio koncepcijas daiktų interneto (IoT) srityje. Išmanieji namų įrenginiai naudoja belaidžius protokolus duomenims siųsti ir gauti, taip įgalindami nuotolinį valdymą, automatizavimą ir jutiklių grįžtamąjį ryšį. Šie protokolai nustato tokius aspektus kaip:

• Dažnių juostos: Radijo dažniai, naudojami ryšiui, turintys įtakos veikimo atstumui ir trikdžiams.
• Tinklo topologija: Kaip įrenginiai yra išdėstyti ir bendrauja vienas su kitu (pvz., žvaigždės, tinklinė).
• Duomenų perdavimo sparta: Greitis, kuriuo gali būti perduodama informacija.
• Energijos suvartojimas: Būtinas baterijomis maitinamiems įrenginiams.
• Sąveikumas: Skirtingų gamintojų įrenginių gebėjimas veikti kartu.
• Saugumas: Priemonės, skirtos apsaugoti duomenis ir užkirsti kelią neautorizuotai prieigai.

Nors Zigbee ir Z-Wave yra skirti mažos galios, mažos duomenų perdavimo spartos programoms, tokioms kaip namų automatizavimas, jie šiuos aspektus vertina su skirtingomis filosofijomis ir techniniais įgyvendinimais. Tai lemia skirtingas stiprybes ir silpnybes, todėl vienas protokolas gali būti tinkamesnis už kitą, priklausomai nuo konkrečių poreikių ir prioritetų.

Zigbee: atviras standartas plačiam sąveikumui

Zigbee yra IEEE 802.15.4 pagrindu sukurta belaidė technologija, garsėjanti savo atviro standarto pobūdžiu ir plačiu pritaikymu tarp daugybės gamintojų. Valdomas „Connectivity Standards Alliance“ (anksčiau „Zigbee Alliance“), Zigbee yra sukurtas būti labai lankstus ir keičiamo dydžio, palaikantis platų programų spektrą – nuo paprastų jutiklių tinklų iki sudėtingų namų automatizavimo sistemų.

Pagrindinės Zigbee savybės:

• Dažnis: Visame pasaulyje daugiausia veikia 2,4 GHz ISM juostoje. Nors šią juostą naudoja ir Wi-Fi bei Bluetooth, Zigbee naudoja pažangias kanalų keitimo ir trikdžių mažinimo technikas. Kai kuriuose regionuose naudojamos kitos dažnių juostos (pvz., 915 MHz Šiaurės Amerikoje ir Australijoje, 868 MHz Europoje), tačiau 2,4 GHz juosta yra labiausiai paplitusi išmaniųjų namų programoms.
• Tinklo topologija: Zigbee išsiskiria tuo, kad palaiko kelias tinklo topologijas, ypač tinklinį tinklą (mesh networking). Zigbee tinkliniame tinkle įrenginiai gali bendrauti vienas su kitu, perduodami signalus iš vieno įrenginio kitam. Tai žymiai padidina tinklo veikimo atstumą ir patikimumą, nes duomenys gali rasti alternatyvius kelius, jei tiesioginis ryšys nepasiekiamas. Zigbee tinklo įrenginiai gali būti maršrutizatoriai (kurie plečia tinklą), galutiniai įrenginiai (kurie sunaudoja minimaliai energijos ir bendrauja tik tada, kai yra aktyvūs) arba koordinatoriai (kurie valdo tinklą).
• Duomenų perdavimo sparta: Paprastai siūlo iki 250 kbps duomenų perdavimo spartą 2,4 GHz juostoje. To daugiau nei pakanka mažiems duomenų paketams, kuriais keičiasi išmanieji namų įrenginiai, tokie kaip jutikliai, jungikliai ir termostatai.
• Energijos suvartojimas: Sukurtas itin mažam energijos suvartojimui, todėl idealiai tinka baterijomis maitinamiems įrenginiams, tokiems kaip judesio jutikliai, durų/langų jutikliai ir išmaniosios spynos.
• Sąveikumas: Kaip atviras standartas, Zigbee skatina aukštą skirtingų gamintojų įrenginių sąveikumo lygį, su sąlyga, kad jie atitinka Zigbee specifikacijas ir profilius (pvz., Zigbee Home Automation - ZHA, Zigbee Light Link). Tai gali supaprastinti heterogeniškos išmaniųjų namų ekosistemos kūrimo procesą.
• Saugumas: Zigbee turi integruotas patikimas saugumo funkcijas, įskaitant AES-128 šifravimą, užtikrinantį, kad ryšys tarp įrenginių yra apsaugotas.

Zigbee privalumai:

• Atviras standartas: Skatina didesnį sąveikumą ir platesnį įrenginių pasirinkimą.
• Tinklinis tinklas: Suteikia puikų veikimo atstumą, patikimumą ir pertekliškumą.
• Mažas energijos suvartojimas: Idealus baterijomis maitinamiems įrenginiams.
• Keičiamo dydžio: Gali palaikyti didelį įrenginių skaičių tinkle.
• Subrendusi ekosistema: Gerai įsitvirtinęs standartas su didžiuliu suderinamų įrenginių asortimentu.

Zigbee trūkumai:

• Galimi trikdžiai: Veikimas perkrautoje 2,4 GHz juostoje gali sukelti trikdžius su Wi-Fi ir Bluetooth įrenginiais.
• Sudėtingumas pradedantiesiems: Zigbee tinklo nustatymas ir valdymas gali reikalauti specialaus šakotuvo (hub) ar šliuzo (gateway).
• Ribotas natyvus IP palaikymas: Zigbee įrenginiai iš esmės nebendrauja tiesiogiai internetu (IP pagrįstais tinklais) be šliuzo.

Z-Wave: patentuotas standartas specializuotam ryšiui

Z-Wave, sukurtas „Sigma Designs“ (dabar priklauso „Silicon Labs“), yra patentuotas belaidžio ryšio protokolas, skirtas specialiai namų automatizavimui. Jis veikia kitoje dažnių juostoje nei Zigbee, o tai yra pagrindinis skirtumas. Z-Wave dėmesys specializuotam radijo dažniui ir struktūrizuotai ekosistemai prisidėjo prie jo patikimumo ir naudojimo paprastumo reputacijos.

Pagrindinės Z-Wave savybės:

• Dažnis: Z-Wave veikia sub-gigahercų radijo dažnių juostose, kurios skiriasi priklausomai nuo regiono. Pavyzdžiui, Šiaurės Amerikoje jis naudoja 908,42 MHz, o Europoje – 868,42 MHz. Tai yra didelis pranašumas, nes išvengiama perkrautos 2,4 GHz juostos, sumažinant Wi-Fi ir Bluetooth įrenginių trikdžių tikimybę.
• Tinklo topologija: Z-Wave taip pat naudoja tinklinio tinklo (mesh networking) topologiją. Panašiai kaip ir Zigbee, Z-Wave įrenginiai gali veikti kaip kartotuvai (repeaters), praplečiant tinklo veikimo atstumą ir užtikrinant, kad signalai pasiektų savo tikslą. Maksimalus šuolių (hops) skaičius Z-Wave tinkliniame tinkle paprastai yra septyni.
• Duomenų perdavimo sparta: Siūlo mažesnę duomenų perdavimo spartą nei Zigbee, paprastai apie 9,6, 40 arba 100 kbps. Išmaniųjų namų programoms šios spartos yra daugiau nei pakankamos komandoms siųsti ir būsenos atnaujinimams gauti.
• Energijos suvartojimas: Z-Wave taip pat sukurtas mažam energijos suvartojimui, todėl tinka baterijomis maitinamiems įrenginiams.
• Sąveikumas: Nors Z-Wave yra patentuotas, „Z-Wave Alliance“ užtikrina aukštą sąveikumo lygį Z-Wave ekosistemoje. Įrenginiai, sertifikuoti kaip „Z-Wave Plus“ ar „Z-Wave Certified“, yra sukurti taip, kad sklandžiai veiktų su kitais sertifikuotais Z-Wave įrenginiais ir šakotuvais. Ši kontroliuojama aplinka gali lemti labiau nuspėjamą ir stabilesnę vartotojo patirtį.
• Saugumas: Z-Wave įdiegė savo saugumo standartus, o „Z-Wave Plus“ pasižymi patobulintomis saugumo funkcijomis, tokiomis kaip AES-128 šifravimas (S2 Security framework), kuris laikomas labai saugiu išmaniųjų namų programoms.

Z-Wave privalumai:

• Sumažinti trikdžiai: Veikia specializuotoje sub-gigahercų dažnių juostoje, sumažinant kitų belaidžių įrenginių trikdžius.
• Patikimumas: Patentuotas pobūdis ir griežtas sertifikavimo procesas gali lemti didesnį įrenginių patikimumą ir mažiau sąveikumo problemų Z-Wave ekosistemoje.
• Naudojimo paprastumas: Dažnai giriamas už paprastą nustatymą ir patikimą veikimą.
• Specializuota ekosistema: Gerai apibrėžta ekosistema, valdoma „Z-Wave Alliance“.

Z-Wave trūkumai:

• Patentuotas pobūdis: Gali lemti didesnes įrenginių kainas ir labiau ribotą pasirinkimą, palyginti su atvirais standartais.
• Mažesnė duomenų perdavimo sparta: Nors pakankama išmaniųjų namų užduotims, netinka didelės spartos programoms.
• Regioniniai dažnių skirtumai: Z-Wave įrenginiai yra specifiški regionui dėl skirtingų dažnių paskirstymo, o tai reiškia, kad Šiaurės Amerikoje įsigytas Z-Wave įrenginys neveiks Europoje ir atvirkščiai.
• Ribotas natyvus IP palaikymas: Kaip ir Zigbee, Z-Wave reikalauja šliuzo prisijungimui prie IP pagrįstų tinklų.

Zigbee prieš Z-Wave: tiesioginis palyginimas

Siekiant geriau iliustruoti skirtumus ir padėti priimti pagrįstą sprendimą, palyginkime Zigbee ir Z-Wave pagal pagrindinius parametrus:

Savybė	Zigbee	Z-Wave
Protokolo standartas	IEEE 802.15.4 (atviras standartas)	Patentuotas
Dažnių juosta	Daugiausia 2,4 GHz (pasauliniu mastu); taip pat 915 MHz (ŠA/AU), 868 MHz (ES)	Sub-gigahercų (pvz., 908,42 MHz ŠA, 868,42 MHz ES)
Trikdžių potencialas	Didesnis (dalijasi 2,4 GHz su Wi-Fi/Bluetooth)	Mažesnis (specializuotas dažnis)
Tinklo topologija	Tinklinė, žvaigždės, medžio	Tinklinė
Maksimalus įrenginių skaičius tinkle	65 000+ (teoriškai)	232 įrenginiai tinkle
Duomenų perdavimo sparta	Iki 250 kbps	9,6, 40 arba 100 kbps
Energijos suvartojimas	Itin mažas	Mažas
Sąveikumas	Aukštas (tarp gamintojų, besilaikančių standartų)	Aukštas (Z-Wave sertifikuotoje ekosistemoje)
Saugumas	AES-128 šifravimas	AES-128 šifravimas (S2 Security)
Veikimo atstumas (tipinis patalpoje)	30-100 pėdų (9-30 metrų)	30-100 pėdų (9-30 metrų)
Įrenginio kaina	Paprastai mažesnė	Paprastai didesnė

Kada rinktis Zigbee:

Zigbee yra puikus pasirinkimas išmaniųjų namų entuziastams, kurie teikia pirmenybę:

• Maksimaliam įrenginių pasirinkimui: Jei norite prieigos prie plačiausio įvairių prekių ženklų išmaniųjų namų produktų asortimento, Zigbee atviro standarto pobūdis yra didelis pranašumas.
• Didelio ir patikimo tinklo kūrimui: Tinklinio tinklo galimybės ir teorinis palaikymas dideliam įrenginių skaičiui daro Zigbee idealiu didesniems namams ar sudėtingoms automatizavimo sistemoms.
• Ekonomiškumui: Zigbee įrenginiai dažnai yra pigesni dėl atviro standarto ir didesnės konkurencijos.
• Išmaniajam apšvietimui: Zigbee yra ypač populiarus išmaniojo apšvietimo sistemose, kurias naudoja daugelis pagrindinių prekių ženklų, tokių kaip Philips Hue ir IKEA Trådfri.

Pasaulinis pavyzdys: Europoje, kur plačiai paplitęs išmanusis apšvietimas, namų savininkas gali pasirinkti Zigbee pagrindu veikiančią apšvietimo sistemą dėl jos lengvo plėtimo ir prieinamų įvairių gamintojų lempučių bei jungiklių.

Kada rinktis Z-Wave:

Z-Wave yra pageidaujamas protokolas vartotojams, kurie vertina:

• Patikimumą ir minimalius trikdžius: Jei jūsų namuose yra daug Wi-Fi įrenginių arba gyvenate tankiai apgyvendintoje vietoje, kur 2,4 GHz trikdžiai yra problema, Z-Wave specializuotas dažnis siūlo stabilesnį ryšį.
• Paprastumą ir lengvą nustatymą: Supaprastintas sertifikavimo procesas dažnai reiškia labiau nuspėjamą ir patogesnę vartotojo patirtį, ypač tiems, kurie yra naujokai išmaniųjų namų technologijų srityje.
• Specializuotą išmaniųjų namų ekosistemą: Z-Wave patentuotas pobūdis reiškia, kad ekosistema yra griežtai kontroliuojama, o tai dažnai lemia mažiau suderinamumo problemų Z-Wave standarto viduje.
• Išmaniuosius saugumo įrenginius: Z-Wave dažnai naudojamas išmaniosioms spynoms, jutikliams ir apsaugos sistemoms dėl jo suvokiamo patikimumo.

Pasaulinis pavyzdys: Metropolinėje zonoje, tokioje kaip Singapūras, kur Wi-Fi perkrova gali būti didelė, gyventojas gali pasirinkti Z-Wave sistemą savo išmaniosioms durų spynoms ir langų jutikliams, kad užtikrintų patikimą veikimą, be trikdžių iš kaimyninių tinklų.

Šakotuvų ir šliuzų vaidmuo

Tiek Zigbee, tiek Z-Wave reikalauja centrinio šakotuvo (hub) ar šliuzo (gateway), kad galėtų prisijungti prie jūsų namų Wi-Fi tinklo ir interneto. Šis šakotuvas veikia kaip vertėjas, leidžiantis jūsų išmaniajam telefonui ar balso asistentui (pvz., Amazon Alexa ar Google Assistant) bendrauti su Zigbee ar Z-Wave įrenginiais. Populiarūs šakotuvai apima SmartThings, Hubitat ir Amazon Echo Plus (kuris turi integruotą Zigbee šakotuvą). Šakotuvo pasirinkimas taip pat gali turėti įtakos jūsų sprendimui, nes kai kurie šakotuvai gali geriau palaikyti vieną protokolą nei kitą arba siūlyti sklandų abiejų integravimą.

Ateitis: Matter ir standartų konvergencija

Svarbu pripažinti naujo ryšio standarto Matter atsiradimą, kuriuo siekiama suvienyti išmaniųjų namų ekosistemą. Matter yra sukurtas ant esamų IP pagrįstų protokolų, tokių kaip Wi-Fi ir Thread (kuris susijęs su Zigbee), ir naudoja Bluetooth LE paleidimui. Nors Matter sukurtas būti protokolu-agnostiškas, tikimasi, kad daugelis esamų Zigbee įrenginių taps suderinami su Matter per programinės įrangos atnaujinimus arba prisijungus prie Matter palaikančio tilto, kuris verčia jų komandas. Z-Wave taip pat tiria integracijos su Matter kelius.

Šis vystymasis rodo ateitį, kurioje skirtumai tarp Zigbee ir Z-Wave galutiniam vartotojui gali tapti mažiau svarbūs, nes atsiranda bendra kalba. Tačiau šiuo metu jų individualių stiprybių supratimas išlieka būtinas kuriant patikimą ir pritaikytą išmaniųjų namų patirtį.

Veiksmingos įžvalgos jūsų išmaniajam namui kurti

• Įvertinkite savo poreikius: Ar teikiate pirmenybę apšvietimo automatizavimui, saugumui, ar plačiam įrenginių asortimentui? Tai padės jums pasirinkti protokolą.
• Patikrinkite įrenginių suderinamumą: Prieš perkant įrenginius, patikrinkite, ar jie naudoja Zigbee ar Z-Wave ir ar jie yra suderinami su jūsų pasirinktu šakotuvu.
• Atsižvelkite į savo aplinką: Jei jūsų namuose yra didelis Wi-Fi srautas, Z-Wave gali pasiūlyti stabilesnę patirtį.
• Pradėkite nuo mažo: Pradėkite nuo kelių įrenginių ir suderinamo šakotuvo, kad susipažintumėte su technologija, prieš žymiai plečiant savo išmanųjį namą.
• Ieškokite sertifikatų: Z-Wave atveju ieškokite Z-Wave Plus sertifikuotų įrenginių. Zigbee atveju užtikrinkite, kad įrenginiai atitiktų bendrus profilius, tokius kaip ZHA.
• Būkite informuoti: Stebėkite Matter vystymąsi ir kaip jis veikia jūsų esamus ir būsimus išmaniuosius namų įrenginius.

Išvada

Tiek Zigbee, tiek Z-Wave yra subrendę, patikimi ir mažos galios belaidžiai protokolai, kurie sudaro daugelio išmaniųjų namų sistemų pagrindą. Zigbee, su savo atviro standarto požiūriu, siūlo platų sąveikumą ir didžiulę įrenginių ekosistemą, todėl yra ekonomiškas pasirinkimas plačiam automatizavimui. Z-Wave, kita vertus, suteikia labiau kontroliuojamą, patentuotą aplinką, dažnai užtikrinančią didesnį patikimumą ir sumažintus trikdžius dėl savo specializuotos dažnių juostos. Optimalus pasirinkimas priklauso nuo jūsų konkrečių prioritetų, esamos tinklo infrastruktūros ir norimo išmaniųjų įrenginių asortimento. Suprasdami jų skirtingas savybes, galite užtikrintai sukurti išmanųjį namą, kuris yra ir protingas, ir sklandžiai sujungtas, nepriklausomai nuo jūsų geografinės vietos.