Công Nghệ Z-Wave Trong Nhà Thông Minh: Ưu Điểm Và Ứng Dụng

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà thông minh, Z-Wave được biết đến như một giao thức truyền thông không dây tiên tiến, chuyên dụng cho việc tạo lập mạng liên kết giữa các thiết bị thông minh. Điều này cho phép chúng tương tác và trao đổi dữ liệu cũng như lệnh điều khiển một cách hiệu quả.

Nhờ vào cơ chế giao tiếp hai chiều kết hợp với hệ thống xác nhận tin nhắn trên mạng lưới, Z-Wave không chỉ giảm thiểu các vấn đề tiềm ẩn về năng lượng mà còn cung cấp một giải pháp kết nối không dây tối ưu với chi phí thấp. So với Wi-Fi, Z-Wave tiêu thụ ít năng lượng hơn; và khi đối chiếu với Bluetooth, nó lại mang lại phạm vi kết nối rộng lớn hơn.

Cách thức hoạt động của Z-Wave

Trong hệ thống Z-Wave, chúng ta thường thấy sự kết hợp giữa các thiết bị thuộc Internet vạn vật (IoT) và một bộ điều khiển trung tâm, thường được biết đến là trung tâm nhà thông minh. Đặc biệt, trung tâm này là thành phần duy nhất trong mạng Z-Wave có khả năng kết nối trực tiếp với mạng internet. Khi có lệnh được gửi từ ứng dụng nhà thông minh trên các thiết bị di động như điện thoại, máy tính bảng hoặc máy tính cá nhân, trung tâm Z-Wave sẽ chịu trách nhiệm định tuyến lệnh này đến thiết bị mục tiêu trong mạng, với khả năng quản lý lên đến 232 thiết bị, bao gồm cả trung tâm.

Dựa trên cơ chế mạng lưới định tuyến nguồn, tín hiệu Z-Wave có khả năng truyền dẫn thông qua nhiều thiết bị Z-Wave trung gian để đạt đến thiết bị mục tiêu mà người dùng muốn điều khiển. Một mạng Z-Wave có thể hỗ trợ tối đa bốn bước nhảy giữa các thiết bị.

Giao thức Z-Wave chạy trên dải tần 908,42 MHz tại Mỹ và 868,42 MHz tại Châu Âu. Dù có khả năng gây ra nhiễu cho một số thiết bị điện tử gia đình, ví dụ như điện thoại không dây, nhưng nó đã được thiết kế để tránh xa khỏi dải tần 2,4 GHz – nơi mà Wi-Fi và Bluetooth thường hoạt động.

Về khả năng truyền tải, Z-Wave có khả năng xử lý dữ liệu ở các tốc độ 9,6 kbps, 40 kbps và 100 kbps. Cả hai lớp PHY và MAC của Z-Wave đều tuân theo tiêu chuẩn vô tuyến quốc tế ITU-T G.9959. Giao thức này sử dụng điều chế GFSK cùng với mã hóa Manchester. Thêm vào đó, nó tích hợp mã hóa AES 128-bit, hỗ trợ IPv6 và có khả năng hoạt động trên nhiều kênh.

Từ góc độ xác thực và ủy quyền, mỗi mạng Z-Wave có một ID mạng riêng biệt, trong khi mỗi thiết bị trong mạng được xác định bởi một ID nút. Điều này đảm bảo rằng một ngôi nhà trang bị Z-Wave không thể tác động lên các thiết bị của một ngôi nhà khác có cùng trang bị.

Trong hệ thống Z-Wave, khoảng cách giao tiếp giữa các thiết bị thường nằm trong phạm vi từ 98 đến 328 feet. Cụ thể, Dòng 500 cho phép kết nối ở khoảng cách 130 feet, trong khi Dòng 700 mở rộng phạm vi lên đến 328 feet. Tuy nhiên, các vật cản như tường và vật liệu xây dựng khác có thể hạn chế phạm vi này. Để đạt được hiệu suất tối ưu, khuyến nghị đặt các thiết bị Z-Wave cách nhau không quá 50 feet.

Để tăng cường độ phủ sóng, việc sử dụng bộ lặp Z-Wave, một thiết bị trung gian, hoặc các thiết bị hoạt động trên nguồn điện trực tiếp – không dựa vào pin – có thể giúp tín hiệu vượt qua các vật cản và đạt được mục tiêu. Với tối đa bốn bước nhảy, phạm vi kết nối có thể đạt tới 600 feet.

Về mặt năng lượng, một số thiết bị thuộc Dòng Z-Wave 700 có thể hoạt động lên đến 10 năm chỉ với một pin dạng đồng xu. Trong khi đó, nhiều thiết bị khác sử dụng pin có thể duy trì hoạt động trong một năm hoặc thậm chí lâu hơn.

>>> Tham khảo: Top 10 Web Hosting Giá Tốt Nhất – Nhanh Nhất 2023 

Lịch sử – quá trình hình thành vá phát triển của Z-Wave

Bắt nguồn từ tầm nhìn của Zensys, một công ty Đan Mạch, giao thức sóng Z này chỉ là một giải pháp kiểm soát ánh sáng dành cho người tiêu dùng. Tuy nhiên, nó nhanh chóng tiến hóa thành một giao thức mạng lưới tự động hóa gia đình, được xây dựng trên nền tảng hệ thống trên chip (SoC) độc đáo. Zensys đã định hướng tạo ra một giải pháp thay thế, đơn giản và tiết kiệm hơn so với các giao thức nhà thông minh hiện hành. Vào năm 2008, Sigma Designs Inc. đã tiến hành mua lại Zensys.

Trong quá trình phát triển, chipset 100 Series được giới thiệu vào năm 2001, tiếp theo là 200 Series vào năm 2005. Đến năm 2013, 500 Series, hay còn gọi là Z-Wave Plus, ra mắt với nhiều cải tiến đáng kể: tăng 50% thời gian sử dụng pin, mở rộng 67% phạm vi hoạt động, và băng thông tăng trưởng 250%. Ngoài ra, tính năng plug-and-play và việc cập nhật qua mạng cũng trở nên tiêu biểu.

Liên minh Z-Wave, một tổ chức bao gồm các nhà lãnh đạo ngành, nhà sản xuất và nhà tích hợp, ra đời vào năm 2005. Mục tiêu của họ là mở rộng và phát triển giao thức sóng Z này. Sự ra đời của Liên minh bắt đầu từ một cuộc họp giữa các đại diện từ Intermatic Inc., Leviton Manufacturing Co. Inc., Wayne Dalton, Danfoss, Universal Electronics và Zensys, nhằm thảo luận về tương lai của tự động hóa gia đình. Hiện tại, Liên minh có hơn 700 thành viên, bao gồm D-Link Systems Inc., Honeywell International Inc., LG Electronics, Verizon và nhiều doanh nghiệp khác.

Trong năm 2016, một bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực công nghệ Z-Wave đã diễn ra. Sigma Designs đã quyết định mở rộng truy cập đến một số công nghệ Z-Wave, chuyển chúng thành mã nguồn mở. Điều này cho phép một lớp mới của khả năng tương tác được thêm vào thư viện Z-Wave. Mục tiêu chính là mang đến cho cộng đồng các nhà phát triển, nhà sản xuất, những người yêu thích công nghệ và cả học giả khả năng tìm hiểu, sử dụng và đánh giá hoạt động của Z-Wave mà không cần phải là thành viên của Z-Wave Alliance hoặc sở hữu bộ công cụ phát triển Z-Wave. Trước đó, việc truy cập vào thông tin chi tiết về Z-Wave đòi hỏi một thỏa thuận bảo mật và chỉ dành riêng cho các thành viên của Liên minh giao thức sóng Z này.

Không chỉ vậy, Sigma Designs cũng đã công bố một số thông số kỹ thuật quan trọng trong cùng năm đó. Điển hình là thông số bảo mật Z-Wave S2, thông số kỹ thuật cho việc truyền dẫn Z-Wave qua mạng IP và phần mềm trung gian Z-Ware.

Trong năm 2017, Sigma Designs đã tiết lộ Z-Wave SmartStart – một sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực tự động hóa nhà thông minh. Đây là sự kết hợp tinh tế giữa giao thức Z-Wave và các lớp phần mềm cổng Z-Wave, giúp việc triển khai mạng gia đình Z-Wave trở nên mượt mà hơn. Điểm đặc biệt là việc cấu hình sẵn cho phép các thiết bị tự động kết nối khi được kích hoạt, giảm thiểu sự can thiệp thủ công từ người dùng.

Tại Triển lãm Điện tử Tiêu dùng 2018, Sigma Designs đã giới thiệu Dòng 700, dự kiến sẽ được tung ra thị trường vào cuối năm. Điểm nổi bật của phiên bản này là khả năng truyền tín hiệu giữa các thiết bị lên tới hơn 328 feet và một phạm vi mạng ấn tượng hơn 1.312 feet. Đáng chú ý, Dòng 700 được trang bị bộ xử lý Arm Cortex SoC 32 bit, thay vì sử dụng nền tảng Intel MCS-51/8051 8 bit như các phiên bản trước.

Vào năm 2018, một diễn biến quan trọng khác đã xảy ra khi Sigma Designs quyết định chuyển giao Z-Wave cho Silicon Labs.

Về tính năng Bảo mật của công nghệ không dây Z-Wave

Z-Wave, từ khi ra đời, đã phải đối mặt với nhiều chỉ trích về khả năng bảo mật của mình. Dù đã tích hợp mã hóa AES, nhưng đã có một số vụ việc liên quan đến sự cố bảo mật trong giao thức sóng Z này, chủ yếu xuất phát từ việc triển khai không chính xác của các nhà sản xuất hoặc họ đã bỏ qua việc áp dụng các biện pháp bảo mật được đề xuất ban đầu.

Tại hội nghị Black Hat 2013, một nhóm chuyên gia bảo mật đã minh chứng việc sử dụng công cụ Z-Force để phát hiện ra những sai sót nghiêm trọng trong việc triển khai bảo mật của Z-Wave. Họ đã tiết lộ cách thức tấn công vào các khóa cửa sử dụng Z-Wave với mã hóa AES. Điều đáng chú ý là vấn đề này không phải xuất phát từ giao thức sóng Z này mà từ phía nhà sản xuất khóa cửa. Để khắc phục, Sigma Designs đã nâng cao tiêu chuẩn bảo mật trong quá trình chứng nhận sản phẩm của họ.

Trong hội thảo ShmooCon 2016, hai chuyên gia bảo mật đã minh chứng việc áp dụng công cụ kiểm tra thâm nhập EZ-Wave mã nguồn mở để tấn công và gây hỏng các thiết bị thông minh chứng nhận Z-Wave. Qua quá trình nghiên cứu, họ xác định chỉ có 9 trên tổng số 33 thiết bị được kiểm tra hỗ trợ mã hóa AES. Phản ứng trước điều này, Liên minh Z-Wave đã đưa ra quy định bắt buộc sử dụng mã hóa AES 128 cho việc chứng nhận thiết bị.

Từ tháng 4 năm 2017, Liên minh Z-Wave đã yêu cầu tất cả thiết bị chứng nhận Z-Wave phải tuân thủ Khung Bảo mật 2 (S2). Điều này đã thay đổi quy trình từ ba bước trong Khung S0 trước đó sang một bước trong S2.

Để ngăn chặn các cuộc tấn công từ người dùng giữa, từ chối dịch vụ và tấn công bằng phương pháp thử và sai trên thiết bị Z-Wave, S2 áp dụng thuật toán mã hóa Diffie-Hellman trên đường cong elip và đòi hỏi mã QR hoặc mã PIN ở mức thiết bị để xác minh. S2 cũng đã nâng cấp giao tiếp đám mây bằng việc định tuyến toàn bộ lưu lượng Z-Wave thông qua kết nối TLS 1.1 an toàn.

Vào tháng 5 năm 2018, đội nghiên cứu từ Pen Test Partners đã phát hiện ra một lỗ hổng trong giao thức Z-Wave, được đặt tên là Z-Shave, đã tồn tại suốt 5 năm và ảnh hưởng đến khoảng 100 triệu hệ thống trên chip (SoC) do hơn 2.400 nhà sản xuất cung cấp.

Khi tiến hành cuộc tấn công, một thiết bị bị đánh lừa, nghĩ rằng thiết bị đối tác không hỗ trợ Khung Bảo mật S2 của Z-Wave. Kết quả là, nó tự động giảm cấp bảo mật xuống Khung S0 để duy trì khả năng tương thích. Do S0 sử dụng một khóa mã hóa cố định, tin tặc nếu đủ gần có thể giả mạo và chiếm quyền kiểm soát, ví dụ như mở một khóa thông minh.

Tuy nhiên, Silicon Labs đã phản bác việc cuộc tấn công này có thể thực hiện dễ dàng, chỉ ra rằng nó đòi hỏi phải tiếp cận vật lý gần thiết bị trong giai đoạn khởi tạo hoặc cài đặt lại. Điều này ngụ ý rằng bất kỳ cuộc tấn công nào sẽ cần sự hiện diện của người dùng và họ phải biết rằng thiết bị đang hoạt động trên Khung S0. Hơn nữa, công ty cũng thông báo rằng họ đang tiến hành cập nhật thông số kỹ thuật để đảm bảo rằng mỗi khi có sự giảm cấp bảo mật xuống S0, người dùng sẽ nhận được cảnh báo và phải xác nhận trước khi tiếp tục hoạt động.

So sánh Z-Wave và Zigbee

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà thông minh, Z-Wave và Zigbee đều là những giao thức truyền thông hàng đầu. Cả hai đều tận dụng lợi thế của mạng lưới và sử dụng tín hiệu vô tuyến công suất tiết kiệm, tầm ngắn, và đều được mã hóa bằng AES. Tuy nhiên, giữa chúng tồn tại một số điểm khác biệt quan trọng.

Z-Wave vận hành trên băng tần 908,42 MHz, trong khi Zigbee hoạt động ở băng tần 2,4 GHz. Dù tần số cao hơn của Zigbee cho phép truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn – từ 40 đến 250 kbps so với Z-Wave, có tốc độ từ 9,6 đến 100 kbps – điều này lại ảnh hưởng đến phạm vi tín hiệu. Z-Wave có phạm vi lên tới 98 feet, trong khi Zigbee chỉ khoảng 32 feet. Zigbee, dưới sự quản lý của Zigbee Alliance, là một tiêu chuẩn mở và chip Zigbee có thể được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Trong khi đó, chip Z-Wave chủ yếu được cung cấp bởi Silicon Labs.

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà thông minh, Zigbee thường được đánh giá là có độ phức tạp cao hơn do sự đa dạng của các giao thức mà nó cung cấp. Ví dụ, Zigbee đưa ra các tiêu chuẩn cho các ứng dụng như năng lượng thông minh, quản lý sức khỏe, và các cổng kết nối, mà trước đây thường gặp khó khăn trong việc tương tác với nhau. Tuy nhiên, việc ra mắt Zigbee 3.0 đã nhằm mục đích đơn giản hóa và khắc phục những khó khăn này.

Về mặt mạng lưới, Zigbee không giới hạn số lượng bước nhảy và có khả năng hỗ trợ lên tới hơn 65.000 thiết bị. Trong khi đó, Z-Wave, với giới hạn ở bốn bước nhảy, chỉ có thể hỗ trợ tối đa 232 thiết bị.

Một điểm đáng chú ý là nhiều trung tâm điều khiển nhà thông minh hiện đại, như Samsung SmartThings và Wink Hub, đã tích hợp hỗ trợ cho cả hai tiêu chuẩn này. Điều này cho phép thiết bị Zigbee và Z-Wave tương tác và giao tiếp một cách linh hoạt, giúp người dùng không cần phải lựa chọn giữa hai tiêu chuẩn này.

FAQ – Câu hỏi thường gặp