Z-Wave: cos’è, come funziona e tutto quello che devi sapere

Che tu sia un appassionato di domotica o semplicemente una persona curiosa non fa differenza: probabilmente avrai sentito parlare almeno una volta dello Z-Wave.

Non a caso, è uno dei protocolli di comunicazione più utilizzati nella domotica, che è presente nella maggior parte dei dispositivi dell’Internet of Things, ovvero l’insieme di oggetti “intelligenti” che hanno il compito di semplificarci la vita.

Ma come funziona esattamente questa tecnologia? E perché è così popolare? Non preoccuparti, in questo articolo scopriremo insieme tutto ciò che c’è da sapere sul protocollo Z-Wave e quali sono le principali differenze con gli altri standard di comunicazione degli oggetti della domotica.

Cos’è lo Z-Wave?

La domotica è quel campo della tecnologia che ha il compito di automatizzare le cose in base alle nostre esigenze, rendendo difatto la nostra vita molto più semplice. Lo Z-Wave è una tecnologia che ha il compito di far comunicare efficacemente tra loro i dispositivi che ne fanno parte.

Più precisamente, lo Z-Wave è un protocollo di comunicazione wireless a basso consumo energetico per i dispositivi intelligenti che crea una rete mesh e utilizza algoritmi di routing per la trasmissione crittografata dei dati, garantendo quindi la sicurezza del sistema.

Per i meno esperti, un protocollo di comunicazione è un insieme di regole e standard che consentono a dispositivi diversi di scambiarsi informazioni in modo coerente e affidabile, che segue specifiche regole per la formattazione dei dati, i metodi di trasmissione e le procedure di gestione degli errori.

Z-Wave è stato sviluppato nel 2001 da una società danese di nome Zensys. Nel 2008, Sigma Designs ha acquistato Zensys e ha continuato a sviluppare e migliorare il protocollo Z-Wave. Nel 2018, Silicon Labs ha acquisito la divisione Smart Home di Sigma Designs, che includeva Z-Wave. Successivamente, varie aziende, capendo il potenziale di questa tecnologia, si sono unite per svilupparlo e migliorarlo, formando la G wave Alliance.

Attualmente, Z-Wave è uno dei principali protocolli utilizzati per la creazione di reti di dispositivi intelligenti a bassa potenza, tanto che molti produttori implementano questo protocollo nei loro dispositivi.

Cos’è lo Z-wave Plus?

Lo Z-Wave Plus è una versione migliorata e aggiornata dello standard Z-Wave originale, introdotta nel marzo del 2013. Include una serie di miglioramenti al protocollo che ne aumentano l’affidabilità, la velocità e la capacità.

Ecco alcune delle principali differenze tra Z-Wave “standard”e Z-Wave Plus:

• Miglioramento delle prestazioni: Z-Wave Plus offre una maggiore velocità di trasmissione dei dati rispetto alla versione originale, arrivando fino a 9,6 o 40 kbps. Inoltre, la copertura wireless è stata migliorata, consentendo una maggiore distanza di trasmissione tra i dispositivi;
• Maggiore affidabilità: Z-Wave Plus utilizza un algoritmo di ripetizione dei dati migliorato per aumentare l’affidabilità della trasmissione di quest’ultimi. Inoltre, include una funzione di auto-riparazione della rete, che consente di riparare automaticamente quelli danneggiati nella rete;
• Maggiore efficienza energetica: Z-Wave Plus include nuove funzionalità per aumentare l’efficienza energetica dei dispositivi, come il supporto per il risparmio energetico in sleep mode e la possibilità di utilizzare una maggiore gamma di tensioni di alimentazione. Inoltre, i dispositivi con la nuova versione, consumano fino al 64% di energia in meno;
• Maggiore sicurezza: Z-Wave Plus include nuove funzionalità per aumentare la sicurezza della rete, come il supporto alla crittografia AES-128.

In generale lo Z-Wave Plus è solamente un’evoluzione delle prime versioni, che consente di avere i vantaggi di cui abbiamo parlato.

Come funziona lo Z-Wave?

Prima di capire il funzionamento completo di questa tecnologia, vedendo come i dispositivi della rete Z-Wave cooperino a seconda dei ruoli che hanno, è bene osservare qualche specifica tecnica:

La frequenza di trasmissione su cui funziona lo Z-Wave è molto meno trafficata della più nota 2.4GHz, banda utilizzata ad esempio dal Wi-Fi. Ciò si traduce in una concreta riduzione delle interferenze nella trasmissione dei dati, che migliora il funzionamento della rete nel suo complesso.

La rete Z-Wave si basa su un sistema mesh, ovvero i dispositivi fungono da ripetitori, che aiutano a estendere la portata della rete e a migliorare l’affidabilità della comunicazione. In una rete di questo tipo, ogni dispositivo è in grado di comunicare direttamente con il controller principale e con gli altri dispositivi Z-Wave sulla rete.

In pratica, questo significa che se un dispositivo si trova troppo lontano dal controller, per comunicare direttamente con esso, può utilizzare un altro dispositivo Z-Wave come ripetitore per amplificare e ripetere il segnale, facendo sì che avvenga la comunicazione.

Insomma, anche se un singolo dispositivo si trova al di fuori della portata diretta del controller, può comunque comunicare con esso, facendo fare ai suoi pacchetti di dati “più salti” su altri dispositivi Z-Wave, fino a raggiungere la destinazione. Ciò aumenta la copertura e la robustezza della rete.

Per capire bene come questo sistema funzioni, devi sapere quali sono i dispositivi che ne fanno parte e che ruolo hanno. Si dividono i due principali categorie:

• Controller: I controller Z-Wave (come i gateway o gli hub) sono dispositivi che hanno la capacità di gestire la rete, in particolare tengono traccia dell’indirizzo di tutti i dispositivi connessi e calcolano i percorsi per la trasmissione dei segnali. Sono in grado di comunicare queste informazioni ai dispositivi slave, facendo sì che i segnali che trasmettono seguano il percorso stabilito;
• Slave: Gli slave Z-Wave sono dispositivi che non hanno la capacità di calcolare i percorsi per la trasmissione dei segnali all’interno della rete. Funzionano principalmente come “unità operative”. Sono a tutti gli effetti quelli che compiono le operazioni che vogliamo dalla domotica, come controllare l’accensione e lo spegnimento delle luci, rilevare la temperatura interna ed esterna e così via.

Ogni volta che un nuovo dispositivo si aggiunge alla rete, gli viene assegnato un indirizzo univoco e e si stabilisce una connessione sicura con il controller. Un singolo controller, è in grado di gestire fino a 232 slave. Una volta che si è formata, la rete permette la comunicazione tra i dispositivi, che avviene attraverso pacchetti di dati chiamati “frame“.

Ogni frame contiene informazioni sull’indirizzo del dispositivo destinatario, nonché i dati da trasmettere. I dispositivi utilizzano un algoritmo di routing dinamico per determinare il percorso più efficiente per la trasmissione dei dati. Ciò significa, come accennato nella spiegazione del sistema mesh, che se un dispositivo non è in grado di comunicare direttamente con il controller, può utilizzare uno o più dispositivi intermedi per raggiungerlo.

I dispositivi slave (sensori, lampadine, telecamere, serrature ecc…) possono parlare solamente con il controller, non avendo la possibilità di connettersi a internet,

Il controller invece, oltre a svolgere i compiti di cui abbiamo parlato, permette di fare da “ponte” tra la rete Z-Wave e altre tipologie di network, come il Wi-Fi. I nostri dispositivi, come telefoni, tablet PC o smart speaker, non sono infatti in grado di comunicare nativamente con i dispositivi che integrano unicamente Z-Wave.

Senza il controller, la rete Z-Wave sarebbe isolata e impossibilitata a comunicare con il mondo esterno, diventando difatto inutile. Quel dispositivo, che può essere un hub o un gateway, integra al suo interno sia questo protocollo che altri tipi di connettività, come il Wi-Fi, permettendoci quindi di gestire la rete da i nostri dispositivi. All’interno di una rete ce ne possono essere fino a 4.

Ad esempio, se chiediamo ad Alexa di accendere una lampadina smart (che funziona tramite Z-Wave), essa invierà l’informazione al cloud, che la comunicherà al controller, che a sua volta la farà ricevere alla lampadina interessata, accendendo la luce.

Vantaggi e svantaggi dello Z-Wave

Questo protocollo è stato progettato per i dispositivi domotici e usarlo comporta diversi vantaggi:

• Affidabilità: La tecnologia di rete mesh utilizzata dallo Z-Wave consente ai dispositivi di comunicare tra loro in modo affidabile, poiché anche in caso di problemi la connessione tra i dispositivi funzionanti è garantita. Inoltre più dispositivi vi si aggiungono, più la rete si rafforza;
• Semplicità d’implementazione: Usare dei dispositivi Z-Wave è semplicissimo, in quanto la stragrande maggioranza funziona a batteria e in modalità wireless, non c’è quindi bisogno di fare complicati cablaggi;
• Basso consumo energetico: Lo Z-Wave si adatta perfettamente ai dispositivi a bassa potenza, come quelli a batteria, consumando poca energia ma garantendo una buona estensione della copertura della rete e una banda più che sufficiente, permettendo quindi ai device di scambiarsi i dati di cui hanno bisogno senza problemi;
• Interoperabilità: La possibilità di utilizzare Z-Wave non è limitata a un’unica azienda, il che rende semplice l’integrazione della tecnologia nei dispositivi di varie marche, eliminando difatto i problemi di compatibilità;
• Sicurezza: Lo Z-Wave utilizza un sistema di crittografia robusto per garantire che solo i dispositivi autorizzati possano accedere alla rete e che i dati scambiati siano protetti da interferenze esterne;
• Copertura del segnale: La copertura del segnale è più che sufficiente per qualsiasi sistema domotico (fino a 100 metri all’interno e fino a 30 metri all’aperto), e, considerando anche che ciascun dispositivo della rete funge da ripetitore, tutti i punti della casa sono facilmente raggiungibili;
• Espandibilità: Considerando che ogni controller supporta fino a un massimo di 232 dispositivi, è possibile espandere la rete Z-Wave senza limitazioni, rendendola più stabile con ogni dispositivo aggiunto, grazie alla tecnologia mesh;
• Salubrità: Dotare la nostra casa di dispositivi Z-Wave non aumenta lo smog elettromagnetico (“inquinamento” provocato dai segnali wireless, certe volte dannoso per la salute dell’uomo), infatti i dispositivi che usano questo protocollo hanno emissioni molto basse.

Abbiamo visto i numerosi vantaggi che questa tecnologia offre, tuttavia, è necessario sapere anche quali siano le limitazioni:

• Sistema chiuso: Non esiste una comunità open source per Z-Wave, quindi gli utenti non possono apportare personalizzazioni o modifiche al protocollo, al software o al firmware dei dispositivi. Tutte le modifiche e gli aggiornamenti devono essere infatti effettuati attraverso la Z-Wave Alliance. Ciò può essere uno svantaggio per gli “smanettoni” che desiderano poter avere maggiore controllo e possibilità di personalizzazione sui propri dispositivi;
• Punti vulnerabili: Nonostante il sistema mesh usato da Z-Wave sia stabile, efficiente e robusto, l’intera rete dipende dal controller, che in caso di rottura o malfunzionamento, farà crollare l’intera rete. Tuttavia è possibile aggiungerne fino a 4, in modo che, anche se uno ha un malfunzionamento, gli altri possano prendere subito il suo posto;
• Larghezza di banda: Nonostante lo Z-Wave sia perfetto per le comunicazioni effettuate da dispositivi a bassa potenza (come sensori, lampadine ecc…), potrebbe non essere sufficiente per applicazioni che richiedono grandi quantità di dati, come lo streaming.

Lo Z-Wave e gli altri protocolli della domotica

Le tre tecnologie più utilizzate nella domotica sono senza dubbi lo Z-Wave, lo ZigBee e il Wi-Fi. Se sei indeciso su quale utilizzare per proiettare la tua casa verso il futuro con l’aiuto della domotica, un piccolo confronto fra questi protocolli ti sarà di sicuro utile a capirne le principali differenze e i punti a favore di ciascuno.

Come abbiamo parlato nel corso di questo articolo, lo Z-Wave è un protocollo di comunicazione a bassa potenza progettato per l’utilizzo in ambienti domestici e industriali. Utilizza una tecnologia di rete mesh, in cui ogni dispositivo può fungere da ripetitore, consentendo un’ampia copertura e una maggiore affidabilità rispetto ad altri protocolli. Inoltre, Z-Wave è progettato per consumare poco, diventando di conseguenza ideale per i dispositivi a batteria.

Anche lo ZigBee è stato progettato appositamente per la domotica. Utilizza una tecnologia di rete mesh simile a Z-Wave, ma è stato studiato per supportare una maggiore quantità di dispositivi e per lavorare con una maggiore velocità di trasmissione dei dati. Tuttavia, a causa delle migliori prestazioni, lo ZigBee richiede un maggiore dispendio energetico.

Infine, il Wi-Fi è un protocollo di comunicazione wireless a lunga portata utilizzato principalmente per la connessione a internet. A differenza di Z-Wave e Zigbee, il Wi-Fi non utilizza una tecnologia di rete mesh e richiede un router per la connessione a internet. Inoltre, non è progettato per essere a basso consumo energetico, quindi non è adatto per l’utilizzo con dispositivi a batteria. Si presta invece perfettamente per usi che richiedono grandi quantità di dati, come lo streaming o il download di file.