Z-Wave là một giao thức truyền thông không dây được sử dụng chủ yếu để tự động hóa gia đình.
Nó là một mạng lưới sử dụng sóng vô tuyến năng lượng thấp để liên lạc từ thiết bị này sang thiết bị khác, cho phép điều khiển không dây các thiết bị dân dụng như:

• Điều khiển ánh sáng.
• Hệ thống an ninh.
• Bộ điều khiển nhiệt độ.
• Các cảm biến cửa.
• Khóa cửa điện tử.
• Rèm, mành.
• Cổng cửa nhà để xe.

Giống như các giao thức và các hệ thống khác, Z-Wave nhằm vào thị trường tự động hóa gia đình, các văn phòng vừa và nhỏ. Hệ thống Z-Wave có thể được điều khiển thông qua Internet từ điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc máy tính để bàn và mạng nội bộ thông qua loa thông minh, keyfob không dây hoặc bảng điều khiển treo tường với thiết bị điều khiển trung tâm đóng vai trò là bộ điều khiển chính và là cổng thông tin kết nối ra bên ngoài.

Trong giao thức Z-Wave, lớp ứng dụng (Application) cung cấp khả năng tương tác giữa các thiết bị điều khiển trong gia đình với các thiết bị đến từ các nhà sản xuất khác nhau, và đã hình thành nên Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị Z-Wave với hơn 700 công ty thành viên (https://z-wavealliance.org).

Ngày nay, càng có nhiều sản phẩm Z-Wave hình thành, tạo nên một hệ sinh thái phong phú với hơn:

• 1.700 sản phẩm vào năm 2017.
• Hơn 2.600 sản phẩm vào năm 2019.
• Hiện nay năm 2020 với hơn 3.000 sản phẩm đến từ 700 công ty trong liên minh Z-Wave (https://z-wavealliance.org/z-wave_alliance_member_companies).

Lịch sử ra đời

• Giao thức Z-Wave được phát triển bởi Zensys, một công ty Đan Mạch có trụ sở tại Copenhagen vào năm 1999. Năm đó, Zensys giới thiệu hệ thống điều khiển ánh sáng tiêu dùng, được phát triển thành Z-Wave như một hệ thống độc quyền trên giao thức tự động hóa gia đình dùng chip (SoC) trên dải tần 900 MHz.
• Bộ chip 100 series của hãng được phát hành vào năm 2003, và bộ 200 series của nó được phát hành vào tháng 5 năm 2005, với chip ZW0201 cung cấp hiệu suất cao với chi phí thấp.

• Đến chip 500 series, còn được gọi là Z-Wave Plus, được phát hành vào tháng 3 năm 2013, với bộ nhớ gấp bốn lần, phạm vi không dây cùng tuổi thọ pin được cải thiện hơn.

• Công nghệ này bắt đầu phổ biến ở Bắc Mỹ vào khoảng năm 2005, khi các công ty bao gồm Danfoss, Ingersoll-Rand và Leviton Manufacturing áp dụng Z-Wave. Họ cùng nhau thành lập Liên minh Z-Wave, với mục tiêu là thúc đẩy việc sử dụng công nghệ này cùng với tất cả các sản phẩm của các công ty trong liên minh có thể tương tác với nhau.
• Vào tháng 5 năm 2006, Intel Capital thông báo rằng họ đang đầu tư vào Zensys, vài ngày sau khi Intel gia nhập Liên minh Z-Wave.
• Năm 2008, Zensys nhận được các khoản đầu tư từ Panasonic, Cisco Systems, Palamon Capital Partners và Sunstone Capital.
• Z-Wave được Sigma Designs mua lại vào tháng 12 năm 2008. Sau khi mua lại, trụ sở của Z-Wave tại Fremont, California đã được hợp nhất với trụ sở của Sigma tại Milpitas, California. Ngoài ra còn có một số thay đổi như quyền lợi nhãn hiệu của Z-Wave được Sigma Designs giữ lại tại Hoa Kỳ, và một số khác được mua lại bởi một công ty con của Tập đoàn Aeotec ở Châu Âu.
• Vào ngày 23 tháng 1 năm 2018, Sigma thông báo họ có kế hoạch bán công nghệ Z-Wave và tài sản kinh doanh cho Silicon Labs với giá 240 triệu đô la, và việc mua bán này hoàn tất vào ngày 18 tháng 4 năm 2018.

 

• Hiện nay, Silicon Labs đã cho ra đời bộ công cụ phát triển nền tảng Z-Wave 700 series, bao gồm tất cả các công cụ phần cứng và phần mềm cần thiết để nhúng công nghệ Z-Wave vào sản phẩm của bạn.

Khả năng tương tác

• Khả năng tương tác của Z-Wave ở lớp ứng dụng đảm bảo rằng các thiết bị có thể chia sẻ thông tin cho nhau và cho phép tất cả phần cứng, phần mềm của Z-Wave hoạt động cùng nhau.

• Công nghệ mạng lưới không dây này của Z-Wave cho phép bất kỳ nút mạng nào cũng có thể nói chuyện với các nút lân cận một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, và có thể bổ sung một nút bất kỳ khác vào cùng hệ thống.
• Các nút nằm trong phạm vi giao tiếp trực tiếp với nhau, nếu không nằm trong phạm vi phủ sóng, nó có thể liên kết với một nút khác nằm trong phạm vi của cả hai để truy cập và trao đổi thông tin.

• Vào tháng 9 năm 2016, một số mã nguồn của công nghệ Z-Wave đã được công bố công khai bởi chủ sở hữu là Sigma Designs, với phần mềm được thêm vào thư viện mã nguồn mở của Z-Wave. Nhằm tăng tính khả dụng của nguồn mở cho phép các nhà phát triển phần mềm tích hợp Z-Wave vào các thiết bị với ít hạn chế hơn.

• Bảo mật S2 của Z-Wave, Z/IP để truyền tín hiệu Z-Wave qua mạng IP và phần mềm trung gian Z-Ware đều là mã nguồn mở tính đến năm 2016.

Tiêu chuẩn và Liên minh Z-Wave

• Z-Wave Alliance (https://z-wavealliance.org) được thành lập vào năm 2005 với tư cách là một liên hiệp các công ty sản xuất các thiết bị được kết nối và điều khiển thông qua các ứng dụng trên điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc máy tính sử dụng công nghệ mạng lưới không dây Z-Wave. Liên minh là một hiệp hội chính thức tập trung vào cả việc mở rộng Z-Wave và khả năng tương tác liên tục của bất kỳ thiết bị nào sử dụng Z-Wave.
• Vào tháng 10 năm 2013, một chương trình chứng nhận giao thức và khả năng tương tác mới được gọi là Z-Wave Plus đã được công bố, dựa trên các tính năng mới và các tiêu chuẩn tương tác cao hơn được kết hợp với nhau. Yêu cầu đối với hệ thống Z-Wave Plus là dùng chip 500 series trên một con chip (SoC), và nó cũng có tính năng tương thích ngược lại cho các chip SoC dòng 300/400 đã có sẵn từ năm 2012.
• Vào tháng 2 năm 2014, sản phẩm đầu tiên đã được chứng nhận bởi Liên minh Z-Wave Plus, nhằm mục đích tạo ra cho ngôi nhà thông minh một mạng lưới an toàn hoạt động trên các nền tảng khác nhau.
• Z-Wave được thiết kế để đạt được giao tiếp và hoạt động đáng tin cậy giữa các thiết bị và đối tượng hỗ trợ cảm biến từ các nhà sản xuất khác nhau trong Liên minh Z-Wave, bao gồm hơn 700 công ty thành viên. Các thành viên chính của liên minh bao gồm ADT Corporation, Assa Abloy, Jasco, Leedarson, LG Uplus, Nortek Security & Control, Ring, Silicon Labs, SmartThings, Trane Technologies và Vivint.

• Vào năm 2016, Alliance đã triển khai chương trình Đào tạo người cài đặt được chứng nhận Z-Wave nhằm cung cấp cho người cài đặt, nhà tích hợp và đại lý các công cụ để triển khai mạng và thiết bị Z-Wave cho cư dân và thương mại hóa sản phẩm của họ. Năm đó, Liên minh đã công bố bộ Kit công cụ trình cài đặt được chứng nhận Z-Wave (Z-Wave Certified Installer Toolkit), một thiết bị giúp chẩn đoán và khắc phục sự cố có thể được sử dụng trong quá trình thiết lập mạng, và thiết bị cũng có thể hoạt động như một công cụ chẩn đoán từ xa.

• Chứng nhận Z-Wave Alliance có hai thành phần: chứng nhận kỹ thuật, được quản lý thông qua Phòng thí nghiệm Silicon Lab và Chứng nhận thương mại, được quản lý thông qua Z-Wave Alliance.

Đặc điểm kỹ thuật và tần số vô tuyến

• Z-Wave được thiết kế để cung cấp khả năng truyền tải các gói dữ liệu nhỏ có độ trễ thấp, đáng tin cậy với tốc độ dữ liệu lên đến 100kbit/s. Băng thông là 40kbit/s (9,6kbit/s sử dụng chip cũ) và thích hợp cho các ứng dụng điều khiển và cảm biến.
• Không giống như Wi-Fi và các hệ thống mạng LAN không dây dựa trên IEEE 802.11 khác được thiết kế chủ yếu cho tốc độ dữ liệu cao. Khoảng cách giao tiếp giữa hai nút là khoảng 20 mét (40 mét với chip 500 series), nó cung cấp đủ vùng phủ sóng cho hầu hết các ngôi nhà.
• Z-Wave sử dụng Mục 15 không được cấp phép ở băng tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM). Nó hoạt động ở tần số 868,42 MHz ở Châu Âu, ở 908,42 MHz ở Bắc Mỹ và sử dụng các tần số khác ở các quốc gia khác tùy theo quy định của quốc gia đó. Băng tần này cận kề với một số điện thoại không dây (890 – 960 MHz) và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác, nhưng tránh nhiễu với Wi-Fi, Bluetooth và các hệ thống khác hoạt động trên băng tần 2,4 GHz.
• Các lớp dưới, MAC và PHY, được ITU-T G.9959 mô tả và hoàn toàn tương thích ngược. Vào năm 2012, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã xác nhận các lớp Z-Wave PHY và MAC như một tùy chọn trong tiêu chuẩn G.9959 cho các thiết bị không dây dưới 1 GHz. Tốc độ dữ liệu bao gồm 9.600 bps và 40 kbps, với công suất đầu ra là 1 mW hoặc 0 dBm.
• Các chip thu phát Z-Wave chỉ có một mình Silicon Labs cung cấp nên tính tương thích về giao thức là cực kỳ cao.
• Bảng tần số Z-Wave được cấp phép sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới:

Thiết lập mạng, cấu trúc liên kết và định tuyến

• Z-Wave sử dụng kiến ​​trúc mạng lưới định tuyến nguồn. Mạng lưới này còn được gọi là mạng không dây AD HOC (wireless ad hoc networks – WANET). Trong các mạng như vậy, các thiết bị sử dụng kênh không dây để gửi các thông báo điều khiển, sau đó được chuyển tiếp bởi các thiết bị lân cận theo kiểu sóng. Do đó, thiết bị nguồn muốn truyền được gọi là thiết bị khởi tạo. Có một số giao thức định tuyến lưới do nguồn khởi tạo được đề xuất trong giai đoạn đầu những năm 1990, những cái trước đó là Định tuyến vectơ khoảng cách theo yêu cầu đặc biệt (AODV) và Định tuyến nguồn động (DSR).

• Các thiết bị có thể giao tiếp với nhau bằng cách sử dụng các nút trung gian để chủ động định tuyến xung quanh và vượt qua các chướng ngại vật trong nhà hoặc các điểm chết vô tuyến có thể xảy ra trong môi trường nhiều vật cản của một ngôi nhà. Một thông báo từ nút A đến nút C có thể được gửi thành công ngay cả khi hai nút không nằm trong phạm vi, với điều kiện là nút B có thể giao tiếp với các nút A và C. Nếu tuyến kết nối chính bị mất hoặc lỗi, các thiết bị trong hệ thống sẽ thử các tuyến khác cho đến khi tìm thấy một đường dẫn đến nút C. Do đó, mạng Z-Wave có thể trải rộng hơn nhiều so với phạm vi vô tuyến của một đơn vị thiết bị. Tuy nhiên, với một số bước nhảy như thế này, có thể có độ trễ nhỏ giữa lệnh điều khiển và thiết bị cần điều khiển, ngoài ra các thiết bị Z-Wave không được thiết kế để có thể đi xuyên qua 4 thiết bị để về bộ điều khiển trung tâm.

• Mạng Z-Wave cơ bản nhất là gồm một thiết bị và một bộ điều khiển chính. Các thiết bị bổ sung sẽ được thêm vào bất kỳ lúc nào, như thiết bị điều khiển chiếu sáng, các cảm biến, bộ điều khiển cầm tay truyền thống, bộ điều khiển key-fob… và các ứng dụng trên PC được thiết kế để quản lý và điều khiển mạng Z-Wave. Một mạng Z-Wave gồm tối đa 232 thiết bị, ngoài ra nếu yêu cầu nhiều thiết bị hơn có thể mở rộng bằng cách thêm nhiều bộ điều khiển trung tâm.

• Một thiết bị phải được “đưa vào” mạng Z-Wave trước khi nó có thể được điều khiển thông qua bộ điều khiển trung tâm. Quá trình này (còn được gọi là “ghép nối” và “thêm”) thường đạt được bằng cách nhấn một chuỗi các nút trên bộ điều khiển trung tâm và trên thiết bị cần được thêm vào mạng. Trình tự này chỉ cần thực hiện một lần, sau đó thiết bị luôn được bộ điều khiển nhận dạng. Có thể xóa thiết bị khỏi mạng Z-Wave bằng quy trình tương tự. Bộ điều khiển sẽ tìm hiểu cường độ tín hiệu giữa các thiết bị trong quá trình đưa vào, do đó người thiết kế luôn hy vọng các thiết bị sẽ ở gần nhất có thể so với bộ điều khiển trung tâm khi chúng được “ghép nối” vào hệ thống. Thông thường, bộ điều khiển trung tâm cho phép rút phích cắm tạm thời (nếu có pin dự phòng) và đưa đến vị trí của thiết bị mới để ghép nối, sau đó được đưa trở lại vị trí bình thường và được kết nối trở lại.

• Mỗi mạng Z-Wave được xác định bằng ID trong mạng và mỗi thiết bị được nhận dạng thêm bằng ID của thiết bị. ID trong mạng (còn được gọi là Home ID) là nhận dạng chung của tất cả các nút thuộc một mạng Z-Wave logic. ID mạng có độ dài 4 byte (32 bit) và được bộ điều khiển chính gán cho mỗi thiết bị, khi thiết bị được “đưa” vào mạng. Các nút có ID mạng khác nhau không thể giao tiếp với nhau. Node ID là địa chỉ của một nút trong mạng. ID node có độ dài 1 byte (8 bit) và phải là duy nhất trong mạng của nó.
• Chip Z-Wave được tối ưu hóa cho các thiết bị sử dụng pin và phần lớn thời gian vẫn ở chế độ tiết kiệm năng lượng để tiêu thụ ít năng lượng nhất, thiết bị dùng pin chỉ thức dậy để thực hiện chức năng của nó. Với mạng lưới Z-Wave, mỗi thiết bị trong nhà phát tín hiệu không dây xung quanh nhà, dẫn đến tiêu thụ điện năng thấp, cho phép các thiết bị hoạt động trong nhiều năm mà không cần thay pin. Để các thiết bị Z-Wave có thể định tuyến liên tục, chúng không thể ở chế độ ngủ, do đó các thiết bị hoạt động bằng pin không được thiết kế như bộ lặp. Các thiết bị di động, chẳng hạn như điều khiển từ xa, cũng bị loại trừ vì Z-Wave giả định rằng tất cả các thiết bị có khả năng lặp lại trong mạng vẫn ở vị trí được phát hiện ban đầu của chúng.

 

Bảo mật trong hệ thống Z-Wave

• Chip Z-Wave dựa trên một thiết kế độc quyền, được hỗ trợ bởi Sigma Designs với tư cách là nhà cung cấp chip chính của mình, nhưng đã được Silicon Labs mua lại vào năm 2018.
• Năm 2014, Mitsumi trở thành nguồn thứ hai được cấp phép cho các chip dòng Z-Wave 500. Mặc dù đã có một số nghiên cứu trên lý thuyết và thực tiễn về bảo mật  của các hệ thống tự động hóa gia đình dựa trên giao thức Zigbee và X10, tuy nhiên nghiên cứu vẫn còn sơ khai để phân tích các lớp giao thức Z-Wave (protocol stack layers). Yêu cầu thiết kế một thiết bị bắt gói tin vô tuyến liên quan và phần mềm chặn liên lạc Z-Wave đã phát hiện ra một lỗ hổng ban đầu đã được phát hiện trong ổ khóa cửa Z-Wave được mã hóa AES, điều đó có thể được hacker khai thác từ xa để mở khóa cửa mà không cần biết về khóa mã hóa. Lỗ hổng bảo mật không phải do lỗ hổng trong đặc điểm kỹ thuật của giao thức Z-Wave mà là lỗi triển khai của nhà sản xuất khóa cửa.

• Vào ngày 17 tháng 11 năm 2016, Z-Wave Alliance đã công bố các tiêu chuẩn bảo mật mạnh mẽ hơn cho các thiết bị, Chứng nhận Z-Wave này có hiệu lực kể từ ngày 2 tháng 4 năm 2017 và được gọi là Security 2 (hoặc S2). Nó cung cấp bảo mật nâng cao cho các thiết bị nhà thông minh, bộ định tuyến và bộ điều khiển trung tâm. Security 2 đem lại các tiêu chuẩn mã hóa cho việc truyền giữa các nút và yêu cầu các quy trình ghép nối mới cho mỗi thiết bị, với mã PIN hoặc mã QR duy nhất trên mỗi thiết bị, lớp xác thực mới cũng nhằm ngăn chặn tin tặc chiếm quyền kiểm soát các thiết bị không an toàn hoặc bảo mật kém.

• Theo Z-Wave Alliance, tiêu chuẩn bảo mật mới là tiêu chuẩn bảo mật tiên tiến nhất hiện có trên thị trường cho các thiết bị và bộ định tuyến, bộ điều khiển trung tâm.

Phần cứng chip Z-Wave

• Các thiết bị dùng chip 500 series hay còn được gọi là Z-Wave Plus:
  – Được xây dựng dựa trên vi điều khiển Intel MCS-51 với xung nhịp hệ thống bên trong là 32 MHz.
  – Phần RF của chip chứa bộ thu phát GisFSK với phần mềm có thể cho phép lựa chọn tần số.
  – Nguồn điện cung cấp cho chip từ 2,2-3,6 volt, nó tiêu thụ 23mA ở chế độ phát.
  – Các tính năng của nó bao gồm mã hóa AES-128, khả năng truyền tải 100kbps, nhận đồng thời trên nhiều kênh và hỗ trợ USB VCP.

• Hiện nay Silicon labs đã phát triển thành công chip 700 series với nhiều ưu điểm nổi bật hơn (Đang cập nhật)

So sánh giữa Z-Wave với các giao thức khác

Đối với mạng không dây cho nhà thông minh, có rất nhiều công nghệ cạnh tranh để trở thành tiêu chuẩn được lựa chọn.

• Wi-Fi tiêu thụ rất nhiều năng lượng.
• Bluetooth bị giới hạn về phạm vi tín hiệu và số lượng thiết bị.

• Các tiêu chuẩn mạng khác cạnh tranh với Z-Wave bao gồm Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread và ZigBee.
  – Z-Wave có phạm vi hoạt động ở bán kính không có vật cản tầm 90 mét (ngoài trời) và 20 mét (trong nhà).
  – Về mặt lý thuyết, Insteon có thể xử lý một khối lượng lên đến 17,7 triệu thiết bị (so với 65.000 của ZigBee và 232 thiết bị của Z-Wave).
  – Thread có tốc độ truyền dữ liệu nhanh ở 250 kbps.
  – Z-Wave có khả năng tương tác tốt hơn ZigBee nhưng ZigBee lại có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn.
  – Thread và Zigbee hoạt động trên tần số chuẩn Wi-Fi là 2,4 GHz nên dễ bị can nhiễu do có quá nhiều thiết bị cùng làm việc trên tần số này, trong khi Z-Wave hoạt động ở tần số 850 – 920 MHz đã giảm được nhiễu và vùng phủ sóng lớn hơn.
  – Cả ba giao thức đều là mạng mesh.
  – Z-Wave MAC/PHY được tiêu chuẩn hóa toàn cầu bởi Liên minh Viễn thông Quốc tế dưới tên gọi radio ITU 9959 và các thông số kỹ thuật về khả năng tương tác, bảo mật (S2).
  – Phần mềm trung gian và các thông số kỹ thuật của Z-Wave đều được công khai từ năm 2016. Giúp cho các nhà phát triển Internet of Things có thể thông qua giao thức tcp/ip, api… để tiếp cận với Z-Wave nhằm tích hợp chúng vào chung trong một sản phẩm.

(Dịch từ wikipedia)