Z-Wave je bezdrátový protokol pro chytrou domácnost, který místo přeplněného pásma 2,4 GHz používá frekvenci pod jedním gigahertzem. Najde se hlavně u zámků, čidel zabezpečení a centrálních jednotek, tedy tam, kde má spolehlivost přednost před cenou. Rozhoduje hlavně to, jak přísně protokol vynucuje kompatibilitu mezi značkami, kolik zařízení jedna síť unese a proč se právě k zámkům hodí líp než leccos jiného, co se dá do dveří namontovat.

Pásmo pod gigahertzem, které nesdílí frekvenci s Wi-Fi

Z-Wave pracuje v pásmu pod 1 GHz, v Evropě a Británii na frekvenci 868,42 MHz, v Severní Americe na 908,42 MHz. Domácí Wi-Fi ani Zigbee toto pásmo nepoužívají, takže si Z-Wave o kanál nesoutěží se sousedním routerem ani s mikrovlnkou.

Nižší frekvence má i druhý praktický důsledek. Signál lépe prochází zdmi a stropy než na 2,4 GHz, takže síť bývá stabilnější i v domě s víc podlažími nebo silnějšími zdmi. Cenou za tuhle vlastnost je regionální rozdělení, zařízení koupené v Evropě je nastavené na tamní frekvenci na úrovni hardwaru a v Severní Americe fungovat nebude, ani po přeflashování softwaru. Kdo kupuje zařízení mimo český e-shop nebo z ciziny, si proto musí ověřit, že jde o evropskou verzi, jinak se se zdejší sítí nespáruje vůbec.

Méně přeplněné pásmo má ještě jeden efekt. Zatímco na 2,4 GHz se dnes tlačí Wi-Fi, Bluetooth i řada dalších domácích zařízení najednou, na frekvenci kolem 868 MHz sdílí prostor jen málo dalších technologií. Riziko, že síť zpomalí nebo vypadne kvůli cizímu provozu v okolí, je proto u Z-Wave menší než u protokolů běžících ve stejném pásmu jako domácí router.

Mesh síť s pevným limitem 232 zařízení

Stejně jako Zigbee funguje Z-Wave jako mesh síť, ve které si napájená zařízení mezi sebou přeposílají signál dál. Centrála, tedy hub nebo řídicí jednotka, drží síťové klíče a řídí, kdo se do sítě smí přidat. Rozdíl je v tom, že u Z-Wave je limit počtu zařízení pevná součást specifikace, ne jen teoretický strop daný adresováním. Klasická Z-Wave síť unese maximálně 232 zařízení a do tohoto počtu se počítá i samotná centrála, reálně tedy jde o 231 dalších prvků k ní. Na rozdíl od protokolů s teoretickým stropem v desítkách tisíc adres, kde limit v praxi určuje paměť konkrétního hubu, je 232 pevná hranice specifikace samotné.

Pro naprostou většinu domácností to nepředstavuje problém, běžná instalace se pohybuje v řádu jednotek až nižších desítek zařízení. Až u rozsáhlejších projektů, typicky víc bytů v jednom domě na jedné centrále, se limit stává reálným tématem k řešení. Trasu signálu navíc u klasického Z-Wave nepočítá každé zařízení samo za sebe, ale centrála. Ta si u jednotlivých zařízení pamatuje nejlepší cestu a tu jim při komunikaci předá, takže zařízení jen sledují pokyn, ne aby si samo hledalo cestu jako u jiných mesh sítí. Počet skoků mezi centrálou a koncovým zařízením je omezený na čtyři, aby výpočet zvládl i jednoduchý procesor v centrále. V praxi to znamená, že u rozlehlejšího domu se signál musí dostat k nejvzdálenějšímu zařízení přes maximálně tři další prvky po cestě.

Zabezpečení S2 a šifrování AES-128

Z-Wave zařízení dnes musí projít bezpečnostním rámcem S2, který je od dubna 2017 povinnou součástí certifikace. Nahradil starší rámec S0, u kterého byla nejslabším místem právě chvíle párování nového zařízení do sítě.

S2 i S0 šifrují komunikaci pomocí AES-128, rozdíl je ve výměně klíčů. S2 používá k prvnímu předání klíče asymetrickou kryptografii, díky které klíč neputuje sítí v podobě, kterou by šlo jednoduše odposlechnout, jak se to za určitých okolností mohlo stát u S0. Tahle změna byla hlavním důvodem, proč Z-Wave Alliance S2 udělala povinným pro všechna nová certifikovaná zařízení. Šifrování samo o sobě ale opět neznamená bezpečnou domácnost. Nejslabším místem zůstává výchozí heslo k aplikaci centrály, neaktualizovaný firmware a fyzický přístup ke dveřím, ke kterým je zámek připevněný. Přehled základních kroků, jak celou domácnost zabezpečit, popisuje text o zabezpečení chytré domácnosti.

Certifikace, která vynucuje kompatibilitu mezi značkami

Z-Wave vychází ze standardu ITU-T G.9959, mezinárodně uznávané specifikace fyzické a linkové vrstvy. Specifikaci dnes spravuje sdružení Z-Wave Alliance, čipy vyrábí a vyvíjí firma Silicon Labs, která technologii koupila v roce 2018 od původního tvůrce Sigma Designs. Od roku 2019 se specifikace postupně otevírá i dalším výrobcům čipů a softwarových vrstev, dřív šlo o technologii jednoho dodavatele.

Klíčový rozdíl proti volnějším protokolům je v certifikaci. Aby zařízení smělo nést označení Z-Wave, musí projít testováním, které ověřuje nejen správnou komunikaci, ale i to, že zařízení funguje se všemi ostatními certifikovanými kusy bez ohledu na značku. Vzájemná funkčnost mezi výrobci je tak vynucená specifikací, ne ponechaná na tom, co si konkrétní hub sám rozhodne pustit dovnitř. V praxi to znamená, že Z-Wave zámek jedné značky se s centrálou jiné značky spáruje s vyšší jistotou, že bude fungovat rovnou a bez omezení funkcí. Na certifikaci se ale pořád vyplatí spoléhat s rezervou. Konkrétní pokročilé funkce, jako je hlášení stavu baterie nebo automatické zamykání po čase, se mezi výrobci mohou lišit i přes společný protokol.

Certifikační proces testuje víc než jen to, jestli zařízení odešle a přijme správnou zprávu. Ověřuje se i chování v mesh síti, zapojení do procesu párování a shoda s bezpečnostním rámcem S2. Zařízení, které certifikací neprojde, nesmí nést logo Z-Wave, i kdyby technicky používalo stejné frekvenční pásmo.

Řada 700 a 800: novější čipy a delší dosah

Z-Wave prošel několika generacemi čipů, poslední dvě jsou řada 700 a řada 800. Řada 800 z roku 2021 přinesla oproti předchozí generaci vyšší odolnost proti rušení, delší výdrž baterií u koncových zařízení a základ pro takzvaný Z-Wave Long Range. Z-Wave Long Range mění architekturu sítě, místo mesh sítě s přeposíláním signálu přes routery jde o přímé spojení každého zařízení s centrálou, podobně jako hvězdicová síť. Výhodou je výrazně delší dosah bez nutnosti mít mezi zařízením a centrálou další napájené prvky, nevýhodou je, že zařízení v tomto režimu signál pro ostatní nepřeposílá a funguje jen s centrálou vybavenou čipem řady 800. Zařízení v tomto režimu navíc nespadají pod klasický limit 232 kusů, protože jde o jinou síťovou topologii se samostatným adresním prostorem.

Pro běžnou domácnost zůstává klasický mesh režim dostačující. Long Range dává smysl spíš u větších pozemků, kde má centrála pokrýt vzdálenou bránu nebo vedlejší budovu bez nutnosti tahat signál přes řetězec opakovačů.

Kdo si kupuje první Z-Wave centrálu, udělá dobře, když sáhne rovnou po řadě 800. Zpětná kompatibilita se staršími zařízeními zůstává zachovaná, takže se dá kombinovat se sadou koupenou dřív, a zároveň má domácnost připravenou infrastrukturu pro případné budoucí zařízení na Long Range, aniž by musela centrálu za pár let měnit znovu.

Proč je Z-Wave silné právě u zámků

U zámku rozhoduje spolehlivost víc než u žárovky. Když nezareaguje světlo, je to nepříjemnost, když nezareaguje zámek, člověk stojí přede dveřmi. Kombinace vlastností Z-Wave se právě téhle roli hodí.

Sub-gigahertzové pásmo lépe prochází dveřní zárubní a přilehlou zdí, takže signál mezi zámkem a centrálou má menší šanci vypadnout kvůli materiálu dveří samotných. Vynucená certifikace zase znamená, že si člověk může koupit zámek jiné značky, než jakou má zbytek domácnosti, a spolehnout se, že se s existující centrálou domluví bez skrytých omezení. Nízká spotřeba pomáhá u baterie, na které zámek běží měsíce až roky, v závislosti na frekvenci používání a typu baterie. Zabezpečovací rámec S2 je navíc navržený tak, aby ho certifikace vyžadovala u citlivých kategorií zařízení včetně zámků přednostně.

Zámek na Z-Wave stále zůstává citlivé zařízení, u kterého platí obecná pravidla pro chytré zámky bez ohledu na protokol. Než se koupí, vyplatí se zjistit, kam jdou přístupové kódy a historie odemykání, jestli zámek jde ovládat i bez cloudu výrobce a co se stane s přístupem, když vypadne internet nebo baterie. Mechanický klíč jako záloha zůstává rozumná pojistka i u nejlépe zabezpečeného chytrého zámku.

Notifikace při odemknutí je funkce, kterou u zámku ocení hlavně domácnosti s dětmi nebo s pravidelným úklidem či hlídáním zvířat. Přijde na telefon zpráva, kdo a kdy dveře odemkl, aniž by musel nikdo doma fyzicky kontrolovat. Rychlost a spolehlivost, se kterou se tahle informace k centrále dostane, je přímý důsledek stejných vlastností protokolu, které zámek drží spárovaný, tedy nízké spotřeby, mesh sítě s předvídatelnou trasou a stabilního pásma bez rušení Wi-Fi.

Kde jinde se Z-Wave hodí kromě zámků

Stejná logika jako u zámků platí i u dalších zařízení, kde jde hlavně o zabezpečení a spolehlivost. Dveřní a okenní čidla, detektory kouře a úniku vody nebo sirény bývají na Z-Wave časté právě proto, že jejich selhání se pozná až ve chvíli, kdy je nejvíc potřeba.

Detektor úniku vody, který nezareaguje kvůli výpadku sítě, může znamenat rozdíl mezi malou kaluží a vytopeným bytem sousedů. Sub-gigahertzové pásmo s menší náchylností k rušení a certifikovaná mesh síť s předvídatelnou cestou signálu jsou přesně ty vlastnosti, které u podobných zařízení dávají smysl víc než u dekorativního osvětlení, kde občasný výpadek nikoho neohrozí.

Na druhou stranu u zařízení, kde je hlavní prioritou cena a široká nabídka, třeba u obyčejné žárovky do lustru, Z-Wave svou cenovou přirážku obvykle neospravedlní.

Kde má Z-Wave limity

Výhody mají svou cenu. Nabídka Z-Wave zařízení je v Česku užší než u rozšířenějších protokolů a certifikace, která vynucuje kompatibilitu, zároveň zdražuje vývoj i samotná zařízení. U žárovek a jednoduchých zásuvek proto Z-Wave nebývá nejlevnější volba na trhu. Limit 232 zařízení, i když ho běžná domácnost nepřekročí, představuje pevný strop, se kterým se u rozsáhlejších instalací musí počítat dopředu. Přechod na jinou topologii uprostřed už fungující sítě není triviální krok.

Regionální uzamčení frekvence zase znamená, že dovoz zařízení odjinud než z Evropy nedává smysl. Kdo kupuje na zahraničním e-shopu kvůli ceně, riskuje zámek, který se s evropskou sítí vůbec nespáruje.

Rozšiřování sítě a co dělat, když zařízení vypadne

Z-Wave síť se rozšiřuje podobně jako jiné mesh protokoly, tedy přidáváním dalších napájených zařízení, které zároveň fungují jako opakovače signálu. Chytrá zásuvka nebo zapojený modul za vypínačem mezi centrálou a vzdálenější místností dokáže dosah prakticky zdvojnásobit. Proces přidání a odebrání zařízení se u Z-Wave nazývá inclusion a exclusion. Centrála musí být v režimu přidávání ve chvíli, kdy se nové zařízení spáruje, jinak se do sítě nedostane. Když zařízení ze sítě zmizí bez řádného odebrání, třeba se rozbije nebo se vymění, síť si o něm dál pamatuje informace, což může zpomalovat směrování k ostatním zařízením. Řádné odebrání přes exclusion, případně reset centrály jako krajní možnost, tomu předchází.

Když signál k jednomu zařízení pravidelně vypadává, pomáhá stejný postup jako u jiných mesh sítí: přidat napájený prvek blíž k problematickému místu, nebo zařízení přesunout blíž k existujícímu routeru v síti.

Většina centrál nabízí i takzvané léčení sítě, tedy funkci, která nechá všechna zařízení znovu spočítat nejlepší trasu k centrále. Hodí se po větší změně v domácnosti, třeba po přesunu nábytku, výměně routeru nebo přidání víc zařízení najednou. Proces trvá u větší instalace i desítky minut, protože centrála musí postupně otestovat cesty ke každému zařízení zvlášť.

Na co si dát pozor

  • Před nákupem ověřte, že jde o evropskou verzi zařízení na frekvenci 868,42 MHz. Zařízení z jiného regionu se s domácí sítí nespáruje.
  • Katalogový limit 232 zařízení berte jako pevnou hranici specifikace, ne jako orientační číslo. U větší instalace ho zahrňte do plánování dopředu.
  • U zámku vždy zjistěte, kam se ukládají přístupové kódy a historie odemykání a jestli funguje i bez cloudu výrobce.
  • Mechanický klíč nechte jako zálohu i u nejmodernějšího chytrého zámku, pro případ vybité baterie nebo výpadku elektroniky.
  • Zásahy do pevné elektroinstalace, včetně modulů za vypínačem, nechte elektrikáři s oprávněním.
  • Aktualizujte firmware centrály i koncových zařízení, kde to výrobce umožňuje.

Shrnutí

Z-Wave se vyplatí tam, kde má spolehlivost přednost před cenou, tedy hlavně u zámků, čidel zabezpečení a centrálních jednotek. Vynucená certifikace a sub-gigahertzové pásmo dělají ze Z-Wave protokol, u kterého si člověk může koupit zařízení různých značek s větší jistotou, že spolu budou fungovat rovnou.

Kdo zvažuje, jestli se pro konkrétní zařízení hodí spíš Z-Wave, nebo jiný protokol, najde širší přehled v textu Co je Zigbee a v úvodním přehledu systémů chytré domácnosti, který popisuje, jak se protokol a ekosystém vybírají dohromady. Nejjednodušší rozhodovací pravidlo zní takhle: u zařízení, které musí fungovat spolehlivě a jehož výpadek něco ohrozí, se cena za certifikaci a sub-gigahertzové pásmo obvykle vyplatí. U dekorativních a doplňkových zařízení míří rozumná volba jinam.