Z-WAVE, Scelte Tecniche

Buongiorno e ben ritrovati dopo questo lungo stop a cavallo tra il 2019 e il 2020. Anche se tardivi, auguri a tutti per il nuovo anno. In linea con il discorso iniziato su Z-wave, vorrei quest’oggi addentrarmi un po’ in più  nella tecnologia motivando alcune scelte ed evidenziandone i vantaggi.

 

Frequenza

Ho precedentemente scritto della frequenza radio su cui Z-Wave colloca il proprio canale di comunicazione. La sua scelta è giustificata dal compromesso ritenuto accettabile tra portata, capacità di penetrazione, banda disponibile ed energia necessaria alle comunicazioni. Semplificando, e facendo riferimento teorico all’idea di strada, si può dire che 

-       la portata ci indica quanto lontano siamo capaci di trasferire una informazione (lunghezza della strada)

-       la capacità di penetrazione indica quanto il nostro segnale è immune alle attenuazioni dovute ad esempio alle pareti (qui è un po’ più complicato fare un parallelo con le strade ma probabilmente si può associare tale capacità a quanto una strada sia “capace” di addentrarsi in un territorio superando montagne, valli, fiumi….ogni genere di ostacolo)

-       la banda invece ci indica quante informazioni siamo in grado di trasferire sul nostro canale (larghezza della strada)

Tornando quindi alle frequenze, in generale, si osserva che frequenze più basse risentono meno delle attenuazioni, hanno buone portate ma piccole bande. Viceversa Frequenze più alte vengono fortemente attenuate dagli ostacoli, hanno portate limitate ma bande più ampie. Accanto a questi parametri non può essere trascurata la necessità energetica per effettuare le operazioni di interesse. Gli studi, hanno mostrato che per il caso in esame, l’ottimo è da ritenersi nella fascia tra gli 840 e i 928 Mhz. Su queste frequenze  le richieste energetiche  per la comunicazioni sono accettabili e la banda è sufficiente a sostenere il contenuto informativo previsto (ricordo che non si intende fare video streaming ma trasferire informazioni riguardo allo stato di sensori ed ai parametri ambientali rilevati)

La seguente immagine schematizza quanto finora descritto.

                                                                                        

In definitiva e per la precisione, in Europa la frequenza adottata è di 868,62MHz.

Per avere una idea di quale sia il quadro a livello globale possiamo invece far riferimento alla seguente tabella.

                                                                                            

Topologia

Se l’idea di comunicazione lascia pensare ad ampie aree da coprire, da quanto scritto al precedente paragrafo pare ci si stia limitando a situazioni ben più risicate. Non è così. Ci viene in soccorso la topologia delle reti generate dal protocollo che si configura in reti a maglia o mesh network.

All’interno di queste reti si possono individuare due tipi di nodi: Master e Slave. Tuttavia la peculiarità di questo tipo di rete è che tutti i nodi hanno la possibilità di comunicare con tutti gli altri seguendo specifici percorsi che non passano necessariamente da un nodo prioritario. Questa proprietà conferisce alla rete due caratteristiche importanti:

1.      la distanza di comunicazione non è limitata al raggio di azione di 2 soli componenti

        

                          

Facendo riferimento alla figura qui su, in cui l’area grigia è quella di azione del nodo Master mentre quelle individuate dai cerchi vuoti sono le aree di azione degli altri nodi, si capisce che il nodo Master ricade all’interno dell’intersezione dei raggi di azione dei nodi slave 2-3-4. Per comunicare con il nodo 6, fuori dal suo raggio di azione, il nodo 1 potrà però agilmente sfruttare la posizione del nodo 2 che farà da ponte instradando l’informazione.

2.      la comunicazione tra due componenti può avvenire seguendo più di un percorso.

 

Nella pratica questo conferisce alla rete una solidità maggiore rispetto alle topologie classiche poiché l’eventuale fuori servizio di un nodo non pregiudica la comunicazione tra gli altri essendo possibili più percorsi per il trasferimento delle informazioni.

Il dispositivo master è tipicamente il controllore del network. Ha memoria della tabella di routing

                                                                                

ovvero della tabella in cui sono registrate tutte le associazioni tra i nodi appartenenti alla rete. Conosce, quindi, tutti i percorsi per raggiungere un qualsiasi punto della rete partendo da un qualsiasi altro. Il controllore è in grado di individuare il percorso più efficace per trasferire informazioni tra un nodo ed un altro. Nel caso intervenga qualche difficoltà, può selezionare un percorso alternativo o mettere in atto tecniche di verifica e recupero dell’informazione.

Se ben strutturate, si capisce come le mesh network risultino in topologie robuste e funzionali. In più si intuisce come il ruolo del controllore non sia vitale per tutte le funzioni. Sfruttando il meccanismo della associazione diretta, è possibile mettere direttamente in comunicazione tra loro dispositivi slave. Questo consente loro di continuare a funzionare e assolvere ai propri compiti anche in assenza del controllore (è questo ad esempio il caso delle reti configurate con controllori mobili a batteria).

 

Nell’ambito dei componenti Master e Slave, esistono 2 categorie da tener presente: i nodi alimentati da rete elettrica principale e i nodi alimentati a batteria.

NB: Una terza categoria è rappresentata dai nodi ibridi ovvero alimentati da rete principale ma dotati di batteria tampone che rappresenta una sintesi ottimizzata dei 2 precedenti.

Vi invito sin d’ora a pensare a queste reti come ad un nuvola di punti tridimensionale.

                                                                                                 

Nella loro spazialità devono esere considerate per comprendere i meccanismi di comunicazione adottati e quindi riuscire a ottimizzarne  il funzionamento.

Nel prossimo articolo scenderò più a fondo in questi argomenti.

MaP