Z-Wave: Cos’è e come funziona

La maggior parte delle persone che ha a che fare con il settore della domotica o, più in generale, della tecnologia wireless sicuramente conosce bene Wi-Fi e Bluetooth, ma forse non tutti hanno abbastanza informazioni su Z-Wave che è diventata una tecnologia wireless sempre più popolare per la connessione di dispositivi intelligenti e per i sistemi di sicurezza domestica.

Se, dunque, siete appassionati di domotica o se avete in programma di creare una casa smart, vale la pena di approfondire l’argomento.

In questa guida vi daremo tutte le informazioni su cos’è e come funziona Z-Wave, come si differenzia rispetto ad altre tecnologie, i suoi pregi e difetti; insomma, tutto quello che c’è da sapere per essere più esperti nel tema o per poter decidere consapevolmente se Z-Wave potrebbe essere adatta alle vostre esigenze di automazione domestica.

Z-Wave: Che cos’è?

Z-Wave (sito ufficiale) è un protocollo di comunicazione wireless utilizzato principalmente nei sistemi domotici.

Per i meno esperti, il protocollo di comunicazione wireless è una specie di linguaggio (fatto, quindi, di regole e usi standard) che le applicazioni o i programmi utilizzano per comunicare in modalità wireless tra di loro.

È stato sviluppato per la prima volta da una start-up di nome Zen Sys fondata da due ingegneri danesi.

Nel 2008 è stata acquisita da Sigma Design e, rendendosi conto dell’enorme potenziale di questa tecnologia, varie aziende hanno deciso di unirsi formando la G wave Alliance che attualmente conta più di 300 aziende con più di 1500 dispositivi che supportano 40 milioni di applicazioni in tutto il mondo. Si tratta, perciò, di una tecnologia ampiamente collaudata ed utilizzata.

Come funziona Z-Wave?

Proviamo a capire meglio come funziona questo protocollo nel dettaglio: Z-Wave opera con un sistema di instradamento alla sorgente.

Ma che significa? In pratica, se un dispositivo vuole comunicare con un altro che si trova alla fine del collegamento ma non riesce a raggiungerlo direttamente, non fa altro che comunicare al prossimo dispositivo più vicino a lui trasmettendo il messaggio. Questo lo passerà al suo vicino e così via fino ad arrivare al destinatario finale.

I vari snodi possono essere aggiunti alla rete di massa tramite il metodo del peering e allo stesso modo possono essere rimossi. Una rete Z-Wave può avere fino a 232 snodi e funziona su frequenze diverse nei vari paesi a seconda delle normative in essi vigenti.

La rete creata da Z-Wave viene controllata da un dispositivo controller che può essere portatile e dotato di un chip Z-Wave integrato oppure può essere un controller Z-Wave autonomo. Ad ogni modo, se prendiamo come esempio un sistema di accensione di luci in casa, il controller invierà il comando al primo interruttore e questo lo trasmetterà al secondo, continuando così fino ad attivare tutte le luci.

Il meccanismo può essere applicato a quasi tutti i dispositivi elettronici, anche quelli che potrebbero non sembrarci particolarmente ‘intelligenti’ come una lavatrice o un frigorifero.

In caso di attività sospette, Z-Wave ci avvisa con un allarme.

Z-Wave 500 o Z-Wave Plus?

Per capire la differenza tra questi due protocolli è necessario conoscere un po’ la storia di Z-Wave che, nel corso del tempo, è stata soggetta ad una continua evoluzione volta a migliorarne le prestazioni e a risolvere problemi precedenti.

La prima serie era la Z-Wave 100, per poi diventare 200, 300, 400 e 500. Inizialmente la velocità di trasmissione dei dati era di soli 9.600 bit al secondo per poi arrivare ai 100K della serie 500.

Contestualmente, la portata è divenuta più lunga, la sensibilità RF è migliorata, la potenza è diminuita per limitare l’assorbimento energetico, le periferiche sono aumentate ed è stato introdotto il motore di crittografia AES.

Anche i problemi che si erano presentati nelle serie iniziali, come i chip difettosi della serie 200, i problemi di alimentazione e il firmware OTP della serie 400 che non poteva essere aggiornato, sono stati risolti; la serie 500 presenta molti FLASH e soprattutto la possibilità di aggiornare il firmware nel dispositivo anche dopo che è stato installato sul campo utilizzando l’aggiornamento OTA (Over-The-Air).

Rimasti scottati dall’aura maledetta che sembrava incombere sulle varie serie di Z-Wave corrispondenti ai numeri pari (la 200 e la 400), gli sviluppatori hanno deciso di saltare la serie 600 e passare dalla 500 direttamente alla Z-Wave Plus nel 2014.

C’è da chiarire però che, nonostante la Z-Wave Plus presenti notevoli differenze rispetto alla versione precedente, la cosa straordinaria è che tutti i miglioramenti introdotti nel tempo sono al 100% compatibili con le versioni precedenti e ciò significa che il chip di un dispositivo comprato quando esisteva solo la versione 100, è ancora compatibile con quelli di nuova generazione.

Andiamo, dunque, a vedere i vantaggi di Z-Wave plus rispetto alla versione 500:

• Funzionalità: è capace di eseguire elaborazioni di dati molto più complesse;
• Durata della batteria: l’uso che se ne può fare è molto più prolungato in quanto la sua batteria ha una durata maggiore del 50%;
• Capacità di rilevamento: il suo raggio di rilevamento è molto maggiore in quanto riesce a captare frequenze più lontane di circa 60 metri;
• Elaborazione dati: il rilevamento e l’elaborazione dei dati sono molto più efficienti visto che la sua larghezza di banda è maggiore del 250%;
• Canali F: la versione plus ha 3 nuovi canali che non solo migliorano notevolmente la rilevazione e la connettività, ma semplificano molto le operazioni di installazione di nuovi dispositivi.

Probabilmente l’unico aspetto negativo che possiamo trovare nella Z-Wave plus è che non si possono usare dispositivi certificati Z-Wave Plus con le precedenti versioni del protocollo.

Inoltre, considerati tutti gli aspetti positivi di Z-Wave Plus, non vi sorprenderà sapere che è anche più costoso; la differenza non è enorme e se avete la possibilità di spendere un po’ più, ne vale sicuramente la pena dato che vi offre maggiore connettività, funzionalità e affidabilità.

Le principali caratteristiche di Z-Wave

Approfondiamo ulteriormente l’argomento analizzando le caratteristiche del protocollo Z-Wave:

• Semplice: aggiungere Z-Wave a un dispositivo è molto semplice perché basta collegarlo a un modulo Z-Wave e aggiungerlo alla sua rete.
• Modulare: nel corso del tempo puoi aggiungere al tuo sistema domotico altri dispositivi senza effettuare nessuna modifica.
• Fai da te: non essendo un sistema di controllo che richiede costosi e complicati cablaggi, Z-Wave si adatta benissimo al fai da te.
• Versatile: questo protocollo può essere aggiunto a quasi ogni dispositivo elettrico presente in casa in modo da poterli controllare anche in nostra assenza.
• Intelligente: Z-Wave ti permette di fare piccoli miracoli come chiedere alla porta del garage di accendere le luci in casa, farti informare dalla serratura sul momento in cui i tuoi figli rientrano in casa e tante altre magie che rendono la tua vita molto più semplice e, soprattutto, sicura.

Vantaggi e svantaggi di Z-Wave

Entriamo più nel dettaglio e andiamo ad analizzare i vantaggi e gli svantaggi di Z-Wave.

Per quanto riguarda i vantaggi abbiamo:

• Facilità d’implementazione: non richiede cablaggi sofisticati e non c’è necessità di ricablaggio perché i dispositivi comunicano in modalità wireless e sono per la maggior parte a batteria.
• Basse interferenze: rispetto a Wi-Fi e Bluetooth, Z-Wave soffre molto meno di problemi di interferenza radio e ostruzioni fisiche perché opera con una banda 900 MHz mentre gli altri utilizzano la banda 2,4 GHz.
• Copertura di rete: utilizzando una banda con frequenze inferiori rispetto agli altri, gli conferisce anche il vantaggio di avere una copertura maggiore (circa 90 metri) e che può attraversare la maggior parte degli oggetti solidi (soprattutto pareti e pavimenti).
• Rete mesh: questa caratteristica può espandere ulteriormente la portata perché permette di aggiungere altri dispositivi che funzionano da ripetitori e più questi sono numerosi, più la rete si rafforza.
• Efficienza energetica: Z-Wave ha un’efficienza ideale per i piccoli dispositivi intelligenti alimentati a batteria in quanto si tratta di un’alternativa di potenza molto inferiore rispetto a quella Wi-Fi ma al contempo con un’ottima portata.
• Interoperabilità: il protocollo Z-Wave è di proprietà esclusiva di un’unica azienda e questo assicura l’aderenza di tutti i dispositivi agli standard, eliminando così qualsiasi problema di compatibilità.

Passiamo ora agli svantaggi:

• Trasmissione dei dati: Z-Wave non è adatto per lo streaming e i trasferimenti di dati di grandi dimensioni perché è progettato principalmente per la bassa latenza di piccoli pacchetti di dati a una velocità fino a 100 kilobit al secondo.
• Numero dei nodi: supporta solo fino a 232 nodi e il numero di hub consentiti è di 4.
• Topologia ad albero: questo protocollo supporta solo una struttura di topologia ad albero, che presenta alcuni svantaggi tra cui la difficoltà di configurazione, problemi di prestazioni corrispondenti a un numero maggiore di nodi, suscettibilità ad un intenso traffico di rete e lunghezza limitata di un segmento.
• Costo di implementazione: pur essendo relativamente poco costoso da implementare, il sistema Z-Wave comporta un aumento di spesa quando si espande la copertura di rete.
• Problemi di sicurezza: sebbene Z-Wave sia intrinsecamente protetto, necessita comunque dell’intervento di un esperto per renderlo meno vulnerabile all’hacking che può compromettere la privacy e la sicurezza di una rete.
• Sistema chiuso: non ci sono risorse open source che consentano agli utenti di implementare le proprie correzioni e modifiche perché tutti gli aggiornamenti al protocollo e al software o firmware dei dispositivi abilitati dipendono da Z-Wave Alliance.

Z-Wave o Zigbee?

La competizione tra i due protocolli Z-Wave e Zigbee è ormai leggendaria tanto che nel web si trovano opinioni estremamente contrastanti. Noi vogliamo proporvi una comparazione oggettiva basata su una serie di fattori, lasciando a voi decidere quale delle due è più adatta per voi.

• Configurazione di rete: entrambe utilizzano la rete mesh wireless, cioè una rete peer-to-peer in cui i nodi comunicano tra loro senza alcun ordine gerarchico, quindi da questo punto di vista sono esattamente uguali.
• Tipo di protocollo: Z-Wave è uno standard proprietario, cioè è posseduta da un’unica azienda, la Silicon Labs, e questo da una parte è un vantaggio perché l’ente ha potuto imporre il rispetto delle sue regole a tutti i produttori di device Z-Wave che, quindi, lavorano in modo molto affidabile tra loro, ma d’altra parte la mancanza di competizione con altri prodotti simili implica un prezzo maggiore. Zigbee, invece, è un open standard quindi tutte le aziende possono produrre chip Zigbee e questo comporta un minor prezzo, ma per contro questi device possono presentare problemi di compatibilità.
• Sicurezza: entrambi fanno affidamento sulla crittografia AES128 che è considerata intaccabile e dunque assicurano un alto livello di sicurezza.
• Consumo: entrambi i protocolli sono estremamente efficienti dal punto di vista energetico quindi le loro batterie durano un anno o persino più, e ambedue presentano la funzione sleep che elimina il consumo quando non sono in uso.
• Frequenza: Z-Wave and Zigbee sono protocolli di comunicazione a radiofrequenza senza fili, ma la frequenza su cui viaggiano le onde è diversa nei due standard: Z Wave opera nella banda inferiore a 1GHz e ciò significa che non interferirà mai con il Wi-Fi e altre tecnologie wireless che operano nella banda a 2,4 GHz, come Bluetooth, Zigbee, ecc. Le onde radio Zigbee invece viaggiano a 2,4 GHz, che è la stessa frequenza con cui viaggia il Wi-Fi e ciò potrebbe causare alcuni problemi.
• Portata: la capacità di raggiungere ogni angolo della casa e persino un rilevatore di presenza esterno è di fondamentale importanza. In media i dispositivi Z Wave hanno una portata interna di circa 9 piedi e i dispositivi Zigbee di circa 75-100 metri. In ogni caso, in tutti e due i protocolli la porta può essere estesa aggiungendo più device e, dunque, più snodi.
• Velocità: sebbene per i prodotti intelligenti la velocità non sia così importante visto che trasmettono una piccola quantità di dati, c’è da considerare che Z-Wave viaggia sui 100 Kbps mentre Zigbee sui 250 Kbps, quindi è molto più veloce.
• Device supportati: qui il confronto è schiacciante perché Zigbee supporta più di 65.000 dispositivi mentre Z-Wave ne regge solo 232, ma per la domotica della casa quest’ultimo numero è molto più che sufficiente.
• Presenza sul mercato: Zigbee ha oggi sul mercato circa 3.500 prodotti interoperabili certificati rispetto a Z Wave che ne ha 3.200. Inoltre Zigbee ha venduto in tutto il mondo 300 milioni di prodotti certificati mentre Z-Wave ne ha venduti solo 100 milioni.
• Requisiti dell’Hub: entrambi i protocolli richiedono un hub per funzionare, tra cui i più popolari sono Samsung SmartThings, Hubitat Elevation e Wink Hub 2 e tutti sono compatibili sia con Z-Wave che con Zigbee, dunque non bisogna preoccuparsene.

Conclusioni e considerazioni finali

Se siete arrivati a leggere fin qui, siete dei veri esperti di Z-Wave e avete in mano tutte le carte per decidere se è il protocollo giusto per entrare nel futuro e trasformare la vostra casa in un’aiutante ideale che semplifica la vostra vita e vi regala il tempo prezioso che vi manca.