Kľúčové vlastnosti a výhody Z-Wave 2

Ak ste sa len teraz začali venovať domácej automatizácii a inteligentnej domácnosti, tak je pravdepodobné, že o Z-Wave ste maximálne iba počuli. V lepšom prípade ste už prezerali nejaké produkty, ktoré mali v názve označenie Z-Wave. V tom prípade ste si pravedepodobne položili otázku: Čo je Z-Wave?

Ak je to tak, môžeme Vás uistiť, že ste na správnom mieste. V našom článku nižšie vám skúsime detailne a zrozumiteľne vysvetliť, čo presne Z-Wave znamená, prečo je dôležité, ako to funguje a ako to môže ovplyvniť vaše plány pri riešení inteligentnej domácnosti.

Čo je Z-Wave?

Z-Wave je komunikačný protokol určený na domácu automatizáciu a diaľkové ovládanie:

„Z-Wave systém zahŕňa viac ako 2400 vzájomne kompatibilných produktov od viac ako 700 svetových výrobcov.  Tieto produkty vzájomne spolupracujú vďaka striktným pravidlám potrebným na získanie  Z-Wave certifikácie, ktorú vykonajú nezávislé testovacie inštitúcie“

Aliancia Z-Wave

Pravdepodobne z tejto definície ste viac zmätený, skúsime to popísať stručne a zrozumiteľne: 

„Z-Wave je bezdrôtový komunikačný protokol na báze nízko-energetických rádiových vĺn, pomocou ktorých jednotlivé zariadenia dokážu vzájomne komunikovať.“

Z-Wave je jednou z troch najrozšírenejších rádiových protokolov, ktoré sú Z-Wave, ZigBee a WiFi.

Spomedzi spomínaných protokolov, Z-Wave je energeticky najúspornejší a technologicky môže mať lepší dosah ako ostatné protokoly. Z toho dôvodu sa dostal do najlepšej trojky. Okrem toho je podstatné spomenúť aj skutočnosť, že Z-Wave zaručuje obojsmernú komunikáciu. To znamená, že ak zariadenie dostane signál aby sa zapol, po zapnutí pošle naspäť potvrdenie, že príkaz zopnutia bol úspešný.

O rádiovej frekvencii

Z-Wave používa bezdrôtové frekvenčné pásmo okolo 900MHz. Vzhľadom nato, že dané pásmo v jednotlivých regiónoch sveta má iné povolené frekvencie, Z-Wave v Amerike  je 908,42MHz ale v Európe má 868,42MHz.

Vzhľadom na danú skutočnosť každý výrobca používa čipy v tých frekvenciách, pre ktoré krajiny chce daný produkt predávať. Práve preto nie je možné zahrnúť do Európskeho systému nejaký spínač, alebo senzor, ktorý sa predáva v Amerike.

Výhoda používania frekvenčného pásma okolo 900MHz je v tom, že nie je frekventovaná. Keďže všetky iné hlavné bezdrôtové technológie (WiFi, Bluetooth, ZigBee) používajú frekvenčné pásmo 2,4GHz znamená, že Z-Wave má pomerne čisté, ničím nerušujúce pásmo.  Konečný dopad je teda v kvalite komunikácie bez interferencie.

Vzhľadom na použité frekvenčné pásmo, Z-Wave nedokáže komunikovať také množstvo dát naraz ako WiFi, ale na druhej strane má lepší dosah. Pri komunikácií sa používajú malé dátové pakety (balíky) do 100kbit/sekúnd.

Komunikačný príkon je okolo 40-56kbit/sekúnd, čo v podstate nie je veľké množstvo dát nato, aby sa niekde na ceste „stratilo“ ale dosť nato, aby akýkoľvek senzor, alebo aktor dokázal odoslať, alebo prijímať dáta / príkaz. Typ použitej komunikačnej modulácie je FSK (frequency-shift keying).

História Z-Wave

Ako sa vyvíjala technológia Z-Wave?

Ako každá technológia, aj Z-Wave prešla technologickým pokrokom.

V roku 2003 bola uvedená prvá verzia – séria 100. Následne v roku 2005 bola na trh uvedená séria 300, ktorá mala väčší výkon a nižšiu výrobnú cenu.

Séria 300 bola natoľko úspešná, že trvalo až 8 rokov aby sa uviedla na trh ďalšia verzia – séria 500 nazývaná aj ako Z-Wave Plus alebo Gen5, séria 500 prekonala sériu 300, keďže prinášala 4x väčšiu pamäť, lepší výkon, zvýšený dosah za nižšiu spotrebu.

Bolo to ideálne vylepšenie hlavne pre bezdrôtové senzory, ktoré tak dokázali fungovať na jedno nabitie až 2 roky.

Bezpečnostný štandard

Koncom roka 2016 Aliancia Z-Wave ohlásila prísnejší bezpečnostný štandard pre zariadenia, ktoré boli certifikované od 2. Apríla 2017 – bezpečnosť 2 alebo „S2“.

Štandard S2 posilňuje úroveň šifrovania komunikácie pri prenose dát medzi uzlami a nariaďuje nové párovacie postupy pre každé zariadenie s jedinečným kódom PIN alebo QR. Účelom novej bezpečnostnej vrstvy je zabrániť hackerom prevziať kontrolu nad nezabezpečenými alebo zle zabezpečenými zariadeniami. Podľa Aliancie Z-Wave nový bezpečnostný štandard je najpokročilejším zabezpečením dostupným na trhu.

Koncom roka 2018 Silicon Labs ohlásil najnovšiu verziu Z-Wave – sériu 700 (ďalšie názvy sú aj: Gen7 a Z-Wave Plus V2). Samozrejme ako doteraz, tak aj séria 700 má svoje vylepšenia v porovnaní s predchodcom v podobe lepšieho výkonu, dosahu a nižšej spotreby. Zníženie spotreby je až taký drastický, že Silicon Labs tvrdí, že na jednu gombíkovú batériu senzor dokáže fungovať až 10 rokov.

Nový Z-Wave 700 čip

Nový čip od Z-Wave garantuje 10 ročnú výdrž batérie vo vašich senzoroch.

Viac o Z-Wave čipe

Pri vývoji novších verzií je najdôležitejšia skutočnosť, že ktorákoľvek novšia verzia musela byť plne kompatibilná so všetkými  predchádzajúcimi verziami (backwards compatibility).

To zaručuje, že aj keď máte staršie zariadenie, vždy dokážete pripojiť na centrálnu jednotku, ak keď tá podporuje už novší protokol. Tým pádom nikdy nestratíte podporu daného zariadenia.

Z-Wave ako sieťový mesh systém

Bezdrôtová technológia Z-Wave na jednu centrálnu jednotku podporuje maximálne 232 zariadení. Také množstvo zariadení vysoko vystačuje pre rodinné domy, veď ak by ste mali všetky žalúzie, svetlá a zabezpečujúci systém integrovaný, ani pri väčších domoch by ste nemali viac ako cca. 50 zariadení. Takže dostať sa na 232 zariadení nie je jednoduché.

Štandardne pri bezdrôtových systémoch (typické pre WiFi), čím viac zariadení máte, tým viac máte sieť preplnenú a narazíte na problematiku nekvality a nespoľahlivosti pri komunikácii.

Práve preto každý sieťový špecialista vám povie, že ak môžete, snažte sa dom stavať tak, aby ste mali čo najviac sieťových zariadení pripojených cez ethernetový kábel.

Takáto problematika však pri Z-Wave bezdrôtovej technológie nie je. Prečo? Lebo Z-Wave používa sieťový mesh. Pýtate sa čo to je sieťový mesh? Vysvetlíme:

Sieťový mesh je technológia, kde zariadenie, ktoré je súčasťou siete funguje ako opakovač aby vytváral stabilnejšiu sieť. To znamená, že  komunikácia nemusí prebiehať výlučne len medzi routerom a koncovým zariadením (alebo naopak – tak ako to je pri WiFi), ale do komunikácie môže vstúpiť ďalšie „medzi“ zariadenie, aby bolo zabezpečené, že sa signál zaručene dostane od bodu A do bodu B. Aj keď celkovo prechádza cez 3-4 zariadení. Dokonca je možné, aby signál išiel nie z alebo do Routera, ale len medzi zariadeniami.

Aké výhody má sieťový mesh?

Stabilný signál
Signál sa zaručene dostane do bodu určenia. Ak by signál nedorazil z miesta odosielania (A) do miesta určenia (B), zariadenia, ktoré sú medzi bodom A a B, by preposlali (opakovali) signál, až kým zariadenie B nepošle potvrdenie, že dostal signál a vykonal príkaz.

Viac zariadení
Čím viac zariadení máte, tým máte stabilnejšiu sieť. Určite vám to dáva zmysel, veď stačí uvažovať nad tým, že ak medzi centrálnou jednotkou a koncovým zariadením máte 10 ďalších zariadení, tak máte 11 možných ciest ako sa dostať z bodu A do bodu B: 1 cesta priamo a 10 cez niektorý z možných opakovačov.

Široké pokrytie
Keďže Z-Wave signál môže skočiť maximálne 4-krát, pri použití dostatočných aktívnych zariadení celkové pokrytie je pomerne veľké – ďaleko prekoná akékoľvek bežné požiadavky. Z-Wave Plus zariadenie má v exteriéri dosah až 100 metrov a v interiéri až 30 metrov (v závislosti od konštrukcie budovy). Ak daný dosah vynásobíme číslom 4, tak vo vnútri budovy systém môže mať až 120m priamy dosah. Také veľké budovy už nie sú rodinné domy…

Na to, aby zariadenie moholo fungovať ako opakovač, musí byť trvalo zapnuté v elektrike. Toto je základná technologická požiadavka, ktorú všetci výrobcovia musia spĺňať. Prečo? Lebo len tak sa zaručí, že akékoľvek zariadenie (od ktoréhokoľvek výrobcu), ktoré je určené na zapojenie do elektrickej siete (bez ohľadu nato, či je to silnoprúd, slaboprúd, alebo USB napájanie) dokáže neustále „počúvať“Z-Wave komunikáciu a v prípade potreby reagovať na požiadavku.

Práve preto zariadenia, ktoré sú napájané batériou nie sú opakovačmi. Batériové zariadenia potrebujú šetriť výkon, aby umožnili dlhý výkon až 2 roky. Preto zvyčajne tieto zariadenia spia, a len keď sú aktívne zobudené, komunikujú navzájom. Toto zobudenie v anglickej terminológie sa volá Wake-up.

V mesh sieti každé zariadenie je uzol. Centrálna riadiaca jednotka je hlavný komunikačný uzol, trvalo zapojené zariadenia sú opakovacími uzlami a batériové zariadenia sú koncové uzle.

Vzájomná komunikácia (interoperability) medzi uzlami

A každým sa už stalo, že aj keď 2 zariadenia od dvoch výrobcov používali rovnakú bezdrôtovú komunikačnú frekvenciu (zvyčajne 433MHz), zariadenia sa vzájomne nevideli a nebolo možné ich prepojiť – vytvoriť synergický efekt. So Z-Wave to tak nie je.

Jediný výrobca

Spoločnosť Sigma Designs bola dlhé roky jediný výrobca komunikačného čipu Z-Wave.

V roku 2016 vydala verejnú verziu vrstvy vzájomnej komunikácie Z-Wave, pričom softvér bol pridaný do open-source knižnice Z-Wave. Prečo to malo význam?

Ak existuje iba jediný výrobca komunikačného čipu, tak je zaručené, že dve zariadenia od dvoch nezávislých výrobcov budú vedieť spolupracovať.

Najbezpečnejší bezdrôtový protokol na trhu

Z-Wave je založený na patentovanom dizajne, ktorú Sigma Design podporovala dlhé roky (ako sme vám písali, od 2018 Z-Wave vlastní Silicon Labs). V roku 2014 spoločnosť Mitsumi sa stal druhým licencovaným výrobcom pre čipy série 500.

Aj keď existuje niekoľko akademických a praktických bezpečnostných výskumov domácej automatizácie na báze bezdrôtových protokolov (nie len Z-Wave, ale hlavne ZigBee a X10), celý výskum na analýzu vrstiev protokolu Z-Wave  je ešte len v plienkach, keďže to vyžaduje dôkladnú analýzu a vytvorenie takého zariadenia, ktoré dokáže zachytiť a zasiahnuť do komunikačných paketov (balíkov).   

Skorá zraniteľnosť bola zistená v jednom, AES-enkryptovanom Z-Wave zámku, pomocou ktorej bolo možné na diaľku ovládať zámok a otvoriť dvere bez nutnosti vedieť šifrovací kľúč. Dokonca zmeneným šifrovacím kľúčom následná sieťová komunikácia (ako napr. „dvere sú otvorené“) bola ignorovaná a tak centrálna riadiaca jednotka ani o tom nevedela. Prečo je Z-Wave stále najbezpečnejším komunikačným protokolom?

Táto zraniteľnosť toho špecifického zámku nebola spôsobená chybou v špecifikácií protokolu Z-Wave, ale chybnou implementáciou Z-Wave protokolu do aplikačnej vrstvy výrobcom. Skratka, výrobca spravil chybu a to len dokazuje, že Z-Wave ako protokol sa nedá „hacknúť“.

Doteraz iba jedna (ne)zraniteľnosť

V roku 2018 firma Pen Test Partners, ktorá sa zaoberá testovaním rôznych technológií, potvrdila, že dokázali hacknúť staršiu, slabšiu verziu Z-Wave, čo im umožnil získať trvalí prístup nad zariadením.

„Z-Wave používa zdieľaný sieťový kľúč na zabezpečenie prenosu. Tento zdieľaný kľúč sa vymieňa medzi centrálnou riadiacou jednotkou a uzlom (koncovým bodom) keď zariadenie sa spáruje do systému. Zdieľaný kľúč sa používa na ochranu komunikácie medzi zariadeniami a na zabránenie hackerom zneužívať pripojené zariadenia.“

Ako sme vám spomenuli, už v roku 2016 Aliancia Z-Wave uviedola silnejší bezpečnostný štandard S2 práve pre opravu zistenej problematiky.  Takže aliancia reagovala skôr, ako by niekto o danej zraniteľnosti vôbec mohol vedieť.

Firma Pen Test Partners dodala, že bezpečnostnú komunikáciu S2 nie je možné hacknúť. Oni síce hackli zariadenie, ktoré podporoval úroveň S2, ale to len preto, lebo zistili, že také zariadenie podporuje párovanie aj s bezpečnosťou S0 (čo je jasné, lebo Z-Wave ako protokol je spätne kompatibilný).

Keďže pri S0 sa nepoužíva jedinečný bezpečnostný kód koncového zariadenia, ale zdieľaný bezpečnostný kód, Pen Test Partners dokázala pri procese párovania „vypočuť“ bezdrôtovú komunikáciu a naučiť sa ako komunikáciu reprodukovať.

Najpodstatnejšia informácia je však tá, že firma dokázala hacknúť Z-Wave komunikáciu iba vtedy, keď koncové zariadenie sa pridávalo do siete ale nedokázali hacknúť sieť pri bežnom fungovaní.

Na hacknutie by útočník musel mať „odpočúvanie“ neustále zapnuté a čakať na chvíľu, keď sa ďalšie zariadenie páruje. Nehovoriac o tom, že pri párovaní by útočník musel byť pomerne blízko párovacieho procesu – nie je možné danú komunikáciu zachytiť pri väčšej vzdialenosti. Aliancia Z-Wave reagovala nasledovne:

 „Zdieľaný kľúč je možný zachytiť iba pri párovaní zariadenia do systému. Proces výmeny kľúča sa deje iba počas počiatočného procesu párovania v trvaní niekoľko milisekúnd.

Okrem toho majiteľ domu alebo odborník na inštaláciu musí byť prítomný pri procese pridávania (proces nie je možné spustiť automaticky) a keď by sa aj niekto pokúsil o „odpočúvanie“ zdieľaného kľúča, majiteľ dostane od centrálnej riadiacej jednotky upozornenie, že úroveň zabezpečenia sa zmenila.“

Povedzme si pravdu, keď riešite smart home systém a postupne rozširujete, aká je pravdepodobnosť, že si niekto zoberie námahu, energiu, financie a čas a bude čakať týždne alebo mesiace len nato, aby zachytil niekoľko milisekundovú komunikáciu niekde blízko párovania…asi nulová. Aj preto je Z-Wave najbezpečnejší komunikačný protokol na svete.

Ako funguje Z-Wave

Z-Wave systém funguje na troch vrstvách:

Zariadenia medzi sebou komunikujú cez aplikačnú vrstvu. Skutočnosť, že všetky vrstvy spolupracujú je dôvodom prečo Z-Wave je spoľahlivý bezdrôtový protokol.

Z-Wave zariadenia zvyčajne patria medzi jedným z troch typov:

• Aktory – zariadenia, ktoré sa dajú ovládať a sú použité na ovládanie stavu, spínanie
• Ovládače – zariadenia, ktoré slúžia na vytvorenie a ovládanie celej Z-Wave siete
• Senzory – zariadenia, ktoré hlásia analógový, alebo digitálny stav niečoho

Aktorov a senzorov je možné do systému pridať a odobrať pomocou centrálnej riadiacej jednotky. Pridanie sa volá inclusion a odstránenie exclusion. Je to veľmi jednoduchý a rýchly krok, kde je potrebné:

1. spustiť centrálnu jednotku do režimu pridania

2. spustiť režim pridania na koncovom bode

3. párovanie prebehne a zariadenie máte v systéme

Sieť ako celok pri úvodnej konfigurácie centrálnej jednotky dostane svoje sieťové ID a všetky zariadenia, ktoré do siete pridáte, dostanú svoje ID (Node ID). Táto funkcionalita zabezpečí, že nebudete mať konflikt so systémom vášho suseda a že všetky diskrétne zariadenia sú aj bezpečné a izolované od externých vplyvov.

Z-Wave zariadenia je možné ovládať rôznymi spôsobmi ako napr:

1. Príkazy cez centrálnu jednotku
   • Smartfónom
   • Tabletom
   • Cez PC alebo Mac
   • Hlasom
   • Cez automatizované príkazy
2. Príkazy pomocou prepojených zariadení
   • Diaľkovým ovládačom
   • Pomocou vzájomného prepojenia
3. Priame ovládanie – fyzicky napr. vypínačom

Príkazy cez centrálnu jednotku

Centrálna riadiaca jednotka je zariadenie, ktoré sa používa na vytváranie celej domácej siete a na ovládanie danej siete. Je to v podstate mozog, čo riadi celé telo rovnako ako ľudské telo. Do centrálnej jednotky sa dá pripojiť rôznymi spôsobmi a dať signál na zmenu stavu určitého zariadenia alebo na spustenie scény (automatizácie, pravidla), kde viac zariadení sa nastaví na určitý stav (napr. scéna kino).

Príkazy pomocou prepojených zariadení (asociácia)

Výhoda Z-Wave nie je len to, že zariadenia je možné ovládať, alebo že čím viac zariadení máte, tým stabilnejšiu sieť máte, ale aj v tom, že niektoré zariadenia je možné logicky prepojiť – asociovať – aby fungovali navzájom bez potreby riadiaceho príkazu od centrálnej jednotky.

Pri asociácií 2 zariadenia sa priamo prepoja a všetok komunikácia, potrebnej na vykonanie daného úkonu bude prebiehať medzi nimi, bez nutnosti zásahu centrálnej jednotky. Samozrejme akákoľvek zmena je hlásená aj do centrálnej jednotky a vy tak viete, ak nejaké zariadenie sa zoplo kvôli inému zariadeniu.

Výhodou toho riešenia je v tom, že aj keď centrálna jednotka by sa stala nefunkčnou, komunikácia medzi zariadeniami stále prebieha. Typickým príkladom je napr:

• Zapnutie svetla
  pri zistenom pohybe
• Otváranie
  brány pri stlačení tlačidla na kľúčenke
• Otvorenie
  alebo zatvorenie žalúzií pri východe / západe slnka
• Prepojenie
  dvoch vypínačov aby ovládali jedno svetlo (zapojenie č. 5)

Priame ovládanie

Je to jednoduchá forma ovládanie, typicky pri svetlách alebo žalúziách. Pod vypínačom sa nainštaluje spínacie relátko a ten ovláda svetlo. Akákoľvek zmena na vypínači dáva signál relátku, aby zmenil stav. Je to logické riešenie, ale skúsime vám krátko zhrnúť prečo také riešenie je lepšie, ako komplikované káblové ovládanie, čo je typické pri drahých a náročných systémoch:

Relátko je bezprostredne umiestnené pod vypínačom a priamo ovláda dané zariadenie. To znamená, že nech sa stane čokoľvek so systémom, vypínanie svetla vypínačom bude stále fungovať tak, ako to očakávate. Ak by ste mali drahé káblové ovládanie, ihneď po výpadku systému by ste darmo skúšali vypnúť alebo zapnúť svetlo, nič by sa nestalo. Teraz si predstavte, že ráno sa ponáhľate do práce a neviete otvoriť bránu…

Kto používa Z-Wave?

Ako sme vám v tomto článku spomenuli, Z-Wave zariadenia dokážu komunikovať navzájom. Hlavnou výhodou je to, že akékoľvek zariadenie od jedného výrobcu zaručene spolupracuje so zariadením druhého výrobcu – všetko vďaka Aliancie Z-Wave.

Aliancia Z-Wave sa môže pochváliť s viac ako 700 členmi a viac ako 3 200 certifikovanými výrobkami týchto značiek po celom svete. Na trhu je ohromujúcich 100 miliónov zariadení so Z-Wave, čo je pokrytie 70% trhu smart home.

Aký je prínos Z-Wave pre inteligetnú domácnosť?

Aj keď Zwave umožňuje bezproblémové nastavenie vašej inteligentnej domácnosti, dobrá vec je v tom, že v skutočnosti nemusíte robiť nič extra, aby ste systém využili na bežné záležitosti. Zariadenia od rôznych výrobcov v systéme sa vzájomne nájdu a vytvoria silnejšiu, stabilnejšiu sieť.

Je to len výlučne na vás, či chcete vaše vedomosti o systéme dvihnúť na ďalšiu úroveň napr. priamym prepojením dvoch zariadení alebo stačí vám jednoduché ovládanie pomocou aplikácie.

Nástup inteligentných hlasových asistentov asistentov – ako sú Amazon Echo alebo Google Home – znamená, že sa nemusíte príliš starať o to, aké bezdrôtové protokoly doma použijete. Aj keď existujú určité výhody, ak všetky vaše zariadenia fungujú na jednom protokole, realita je taká, že je vysoko nepravdepodobné, že všetky zariadenia doma budete mať len Zwave. Hlavne preto, lebo Zwave je protokol s nízkou spotrebou a nízkym dátovým prenosom, čo vám nestačí nato, aby ste mali napr. HD video z videovrátnika alebo z kamier.

Najpodstatnejšie je, aby ste vybrali takú centrálnu riadiacu jednotku, ktorá dokáže zlúčiť všetky vami preferované protokoly a dokáže splniť všetky vaše požiadavky na ovládanie, automatizáciu a komfort.

Na záver by sme chceli vám zhrnúť 10 kľúčových vlastností a výhod systému Zwave, ako aj 3 hlavných odporúčaní pri výbere zariadení.

Kľúčové vlastnosti a výhody

Naše odporúčania

1. Pred výberom mozgu systému dôkladne preštudujte aké funkcionality daná jednotka ponúka: ovládanie, prispôsobenie, automatizačné scenáre, podporované protokoly,…
2. Pred výberom koncového bodu preštudujte, načo všetko dané zariadenie môže slúžiť – je cenovo efektívnejšie, ak kúpite multisenzor, ktoré sleduje aj pohyb a aj množstvo svetla, keďže jediným zariadením môžete pokryť aj potreby zabezpečenia ako aj potreby automatizácie osvetlenia.
3. Overte podporu zariadenia v centrálnej jednotke – aj keď Zwave vám zaručuje s najväčšou pravdepodobnosťou, že zariadenie budete vedieť použiť v centrálnej jednotke, môže sa stať, že dané zariadenie nie je plne podporované a tak napr. farebné žiarovku budete vedieť ovládať len ako spínač na svetlo.

Máte záujem o inštaláciu?

Ak nemáte čas sa venovať inštalácii a prispôsobovaniu systému, oslovte profesionála, ktorý to na mieru všetko za vás pripraví.

Mám záujem o cenovú ponuku