Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、Thread、Z-Wave、Matter は、スマートホームでデバイスが互いに通信する方法です。これらは、通常、無線プロトコル、通信規格、および無線技術として説明されます。それらはどのように動作しますか?何がそれらを互いに異ならせていますか?それらの間にはより良いプロトコルがありますか?この記事では、これらの質問に答え、それらを活用してメリットを得る方法を包括的に理解します。
Wi-Fi とは？
Wi-Fi は Wireless Fidelity の略で、デバイスをネットワークに接続し、無線で通信できるようにする無線通信技術です。これは IEEE 802.11 規格に基づいており、無許可の無線周波数帯域（通常は 2.4 GHz または 5 GHz）で動作します。
Wi-Fi は、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、スマートテレビ、スマートホームデバイスなどのデバイスが、ローカルエリアネットワーク (LAN) またはインターネットに無線で接続できるようにします。高速データ転送を提供し、ユーザーはケーブルを接続することなく、オンラインサービスへのアクセス、ウェブ閲覧、ストリーミングメディア、ファイル転送を行うことができます。
Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave、Bluetooth - どのような違いがありますか？
Wi-Fi を選択して、幅広い互換性、高帯域幅、およびインターネットへの直接接続を実現する
Wi-Fi はどこにでもあります。ほとんどの家庭には Wi-Fi があり、すべての Wi-Fi スマートデバイスには Wi-Fi を介して通信する機能が組み込まれています。WiFi の伝送帯域幅は最大数百 Mbps で、高画質ビデオ、無損失オーディオ、高精度画像を伝送できます。無線ルーターがあれば、それを接続して高画質ビデオ、無損失オーディオ、高精度画像を伝送できます。Wi-Fi はインターネットに接続されているため、スマートフォン、タブレット、またはラップトップを使用して、世界中のどこからでも家中のさまざまなスマートデバイスを制御および監視できます。
ただし、Wi-Fi は非常に多くの電力を消費します。Wi-Fi は、強力な伝送能力と壁貫通能力を備えています。最も強力なパフォーマンスを備えていますが、WiFi の消費電力は非常に高く、電池駆動のデバイスには適しておらず、プラグインデバイスに適しています。
何がBluetoothですか？
Bluetoothは、短距離で固定および移動デバイス間でデータを交換し、パーソナルエリアネットワークを構築するために使用される短距離無線技術標準です。2.4GHzの周波数帯を使用し、伝送範囲は50～150メートルです。Bluetooth 5は、さまざまな伝送範囲に対応するために、2Mbps、1Mbps、500kbps、125kbpsの4種類のデータレートを提供します。Bluetoothの技術規格には、ERP 1～3の3つの送信電力レベルと、空曠空間での100メートル、10メートル、1メートルの範囲が含まれます。最も普及しているのは第2類（10メートル）で、異なる部屋や異なる階にあるデバイスを接続することができます。
Bluetooth技術では、データは1MHzの帯域幅を持つ79個のチャネルの1つ（最も古いBluetooth 1.0規格の場合）にデータパケットの形で送信され、最大721kbpsの伝送速度が保証されます。最新のBluetooth 4.0規格（BLE）は、40個のチャネルと2MHzの帯域幅により、最大3Mbpsのデータ伝送速度を実現しています。
低消費電力Bluetoothはスマートホームでどのような役割を果たしますか？
スマートホームデバイスは、標準的なBluetoothよりも消費電力の少ない低消費電力Bluetooth（BLE）を使用します。これは、デバイスのほとんどが低消費電力状態にあるためです。
低消費電力Bluetoothは、スマートデバイスの操作において、採用が容易で、幅広い互換性を持つという利点があります。たとえば、スマートフォンにPhilips Hue Bluetoothアプリをインストールすれば、スマートディスプレイやHue Bridgeなどのスマートハブを購入することなく、最大10個のHueスマートLED電球を制御することができます。
スマートホームにおける Wi-Fi
特性比較
Zigbee とは？
Zigbee は、2002 年に設立された非営利団体 Zigbee Alliance によって維持および更新される無線ネットワーク規格です。Apple、Amazon、Google などの巨人から Belkin、Huawei、IKEA、Intel、Qualcomm、Signify などの多数のブランドまで、400 以上のテクノロジー企業がこの規格をサポートしています。
Zigbee 規格は、屋内では約 82 ～ 109 ヤード/75 ～ 100 メートル、屋外では約 328 ヤード/300 メートルの距離でデータをブロードキャストできます。つまり、大規模な家庭でも強力で安定したカバレッジを簡単に提供できます。
Zigbee はスマートホームでどのように動作しますか？
Zigbee は、スマートスピーカーから電球、またはスイッチから電球など、スマートホームデバイス間で指令を送信します。この信号は、どのメーカーが製造したかに関係なく、受信デバイスによって送信および理解されます。彼らはすべて Zigbee をサポートしているため、同じ言語を話します。
Zigbee はメッシュネットワークとして動作します。つまり、同じ Zigbee ネットワークに接続されているデバイス間で指令を送信できます。理論上、各デバイスはノードとして機能し、他のすべてのデバイスにデータを送受信し、指令データのさらなる伝播を支援します。これにより、スマートホームネットワークはより広い範囲をカバーできます。
Zigbee ネットワークのメッシュ構造は、ネットワークに障害点がないことも意味します。たとえば、自宅に Zigbee に対応するスマート電球がたくさんある場合、それらをすべて同時に点灯したい場合があります。これらの電球のいずれかが正常に動作しない場合でも、メッシュは指令がネットワーク内の他のすべての電球に確実に伝達されるようにします。
Zigbee は Wi-Fi ほど一般的ではないかもしれませんが、驚くほど多くの製品で使用されています。Zigbee Alliance には 35 か国から 400 以上のメンバーがいます。同アライアンスによると、現在までに 3 億個以上の Zigbee 認証製品と 2,500 種類以上の製品が生産されています。
Zigbee アライアンス
Zigbee メッシュネットワーク
Z-Wave とは？
Z-Wave は、接続されたデバイス間でデータを送信するための無線通信プロトコルです。Zigbee と同様に、Z-Wave はメッシュネットワーク技術を使用し、デバイスが相互に通信して相互接続されたネットワークを形成できるようにします。Z-Wave は、Wi-Fi や Zigbee よりも低い周波数で動作するため、同じ周波数帯での競争が少なく、他の無線デバイスからの干渉の可能性が低減され、デバイスの信頼性が直接向上します。Z-Wave ネットワークは、「コントローラー」と 1 つまたは複数の「従属デバイス」で構成されます。
Z-Wave コントローラー（通常は Z-Wave ハブと呼ばれる）は次の目的に使用されます。
ネットワークの開始と構築
Z-Wave ネットワークへのデバイスの追加または削除
Z-Wave ネットワークを家庭の Wi-Fi ネットワークにブリッジする
Z-Wave はどのようにスマートホームの接続に役立ちますか?
Z-Wave 従属デバイスは、スマートロックやセンサーなどのスマートホームデバイスです。Zigbee と同様に、主電源で動作する Z-Wave デバイスはメッシュネットワークの中継器として機能するため、Z-Wave スマートプラグやセンサーを追加するたびに、メッシュネットワークの信頼性と範囲が広がります。
Z-Wave が人気のある理由の 1 つは、その相互運用性です。これは、異なるブランド間で情報を交換して活用する能力です。つまり、Z-Wave ロゴが付いたスマートデバイスは、どの会社が製造したデバイスかに関係なく、他の Z-Wave 対応デバイスとシームレスに連携できます。
Z-Wave メッシュネットワーク
Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave の違い
Zigbee は、Wi-Fi と Z-Wave とは異なる機能を持ち、それぞれに長所と短所があります。以下に、それぞれの違いを詳しく説明します。
可用性：
Wi-Fi は、ルーターを通じて広く普及している 2.4 GHz 帯域で動作するため、最も広く利用されています。同様に、Zigbee も 2.4 GHz 帯域で動作します。これは、世界中の製品に同じチップを使用して製造できるため、製造プロセスが簡素化されます。
一方、Z-Wave 製品は、政府が割り当てた特定の周波数帯でのみ通信できます。米国では Z-Wave 製品は 908 MHz を、ヨーロッパでは 868 MHz を使用します。その他多くの地域でも、異なる周波数帯が割り当てられています。多くの製造業者は、米国とヨーロッパ向けの Z-Wave 製品のみを製造しています。
相互運用性：
ほとんどの Wi-Fi は、特に同じネットワークプロトコルを使用する場合は、相互運用性があります。一部のメーカーは、独自の企業統合を提供しています。Amazon や Google などの大企業は、スマートスピーカーやその他のスマートホーム製品などの Wi-Fi 統合を提供しています。
すべての Z-Wave 製品は、Sigma Design などの単一の組織によって認証されているため、相互運用性があります。認証プロセス全体を通して、すべての製品が Z-Wave エコシステム全体と互換性があることが確認されます。この大規模な相互運用性により、Z-Wave は業界での採用率を急速に向上させました。現在、市場には 3,000 種類以上の Z-Wave 認証製品があると推定されています。
一方、Zigbee は、相互運用性標準の実装に失敗したため、大きな打撃を受けました。Zigbee は、特に初期の段階で、多くの詐欺行為に直面しました。2007 年には、相互運用性を向上させ、詐欺行為を防ぐために Zigbee Pro 標準が導入されました。現在、Zigbee 3.0 製品は非常に優れた相互運用性を備えています。
可計算性：
Wi-Fi は、Zigbee や Z-Wave と比べて、Amazon、Google、Apple といった主要 3 つのプラットフォームで唯一サポートされているスマートホーム技術です。さらに、複数の技術に対応するハブを追加することで、より柔軟で効率的な機能を実現できます。Wi-Fi は非常に知名度の高い技術であるため、多くの企業が製品に簡単に統合できます。
**Zigbee は、Vera や SmartThings などの多数の多機能ハブでサポートされています。さらに、多くのオープンソースソフトウェアも Zigbee デバイスをサポートしています。しかし、Zigbee の可計算性は、Wi-Fi デバイスよりも確実に低くなります。一方、Z-Wave は、ほとんどの多機能ハブと家庭用ソフトウェアでサポートされています。しかし、Amazon や Google のスマートスピーカーは Z-Wave をサポートしていません。
| 技術 | 通信速度 | 消費電力 | 通信距離 | メッシュネットワーク | 障害物への強さ | 用途 |
| Wi-Fi | 高速 | 高 | 長距離 | 不可 | 弱い | インターネット接続、動画ストリーミング、ファイル転送 |
| Zigbee | 中速 | 低 | 長距離 | 可 | 弱い | スマートホームデバイス、センサーネットワーク |
| Z-Wave | 低速 | 低 | 長距離 | 可 | 強い | スマートホームデバイス、セキュリティシステム |
| Bluetooth | 低速 | 低 | 短距離 | 不可 | 強い | モバイルデバイス間のデータ転送 |
Thread とは？
Thread は、IoT デバイス専用に構築されたワイヤレスプロトコルです。このプロトコルは、デバイスの動作速度を向上させ、故障ポイントを減らし、消費電力を抑え、デバイス間の通信をよりスムーズにするように設計されています。
Thread は、802.15.4 無線技術を使用する低電力、低帯域幅のメッシュネットワークプロトコルです。これは、既存のスマートホームプロトコルである Zigbee や Z-Wave と似ていますが、中央ハブやブリッジを必要としない点が異なります。代わりに、Thread デバイスは直接相互通信できます。中間者を排除することで、Thread は特に大規模なネットワークにおいて高速化できます。
さらに、他の低電力スマートホームプロトコルとは異なり、Thread は IP ベースです。つまり、スマートフォン、タブレット、コンピューター、Wi-Fi ルーターなどの他の IP ベースデバイスに直接接続できます。
拡張可能な低電力メッシュ
Thread はスマートホームでどのように動作しますか?
Thread は、低遅延の IoT 低電力プロトコルをサポートするように最初から設計されています。これがその目的です。スマートホームで使用される多くの他の技術は、他のアプリケーションを最適化するように設計されています。たとえば、Bluetooth は当初、有線の代替品として設計されました。Thread は、長時間休眠し、起動し、単一のパケットを送信し、その後再び休眠状態に戻ってできる限り長い間バッテリーを保存したいデバイス向けに設計されています。
Thread の直接通信機能と、大規模な処理能力 (250 台以上のデバイス) は、低遅延を実現することを意味します。Silicon Labs が実施したベンチマークテストでは、Thread は Zigbee や Bluetooth を遅延テストで打ち負かしました。これは、特に多数のデバイスを持つ大規模なネットワークにおいて顕著でした。Thread メッシュはルーティングメッシュとして使用できます。つまり、デバイスはネットワーク内の他のすべてのデバイスの最適なルートを積極的に検索します。この効率は、直接電力消費量の削減と遅延の削減につながります。メッシュネットワークとして、Thread は自己修復機能を備えています。1 台のルーター (サイドバーを参照) が切断された場合、別のルーターがその不足を補い、ネットワークが故障しないようにします。
ネットワークエコシステムの共存：Matter は、既存の IoT 標準を統合する統一規格です。
Matter とは？
Matter は、2019 年に Project Connected Home Over IP（Project Chip）によって作成されたスマートホーム規格です。これは、インターネットプロトコル (IP) ベースの無線技術を使用する新しいオープンソース規格であり、Wi-Fi ルーターは、接続された各デバイスに IP アドレスを割り当てるためにこの技術を使用します。現在、接続標準アライアンス (CSA)（旧称 Zigbee アライアンス）によって維持されています。この規格は免版税であり、デバイスとプラットフォーム間の相互運用性を促進します。Matter は 2022 年 11 月に正式にリリースされました。
Matter は、Thread、Wi-Fi、イーサネットなど、さまざまな物理層プロトコル上で動作するアプリケーション層プロトコルです。Matter の目標は、スマートホームデバイス間の相互運用性と互換性を達成するための統一規格を提供することです。これは、デバイス間の通信と相互作用の方法を定義し、さまざまなブランドや種類のスマートホームデバイス間のシームレスな連携を可能にします。
Matter はどのような問題を解決できますか？
汎用規格の確立：IoT デバイスはすでに長年存在していますが、独自のカテゴリに分類されています。それらを統合する汎用規格が存在せず、これは克服すべき最大の障壁の 1 つです。Zigbee、Z-Wave、Bluetooth、Wi-Fi など、スマートホームおよび IoT デバイスのワイヤレス接続空間は過密になり、その発展を阻害しています。
継続的なネットワーク接続：以前の IoT デバイスは、すべての処理をクラウドに完全に依存していました。そのため、ネットワーク接続が失われると、これらのデバイスは役に立たなくなりました。Matter は、デバイスがオフラインで動作できるようにし、クラウドやさまざまなクラウドサービスへの継続的なアクセスを必要としません。クラウドへの依存度を低減することで、デバイスのセキュリティも向上します。これは、スマートロックやセキュリティカメラなどの機密性の高いハードウェアにとって重要です。
Matter にはどのような問題がありますか？
完璧なものはありません。Matter は以前の規格よりも優れていますが、いくつかの欠点もあります。新しい規格の導入は、広範な採用に依存します。Matter 対応のスマートデバイスの数は増えています。Eve、Meross Nanoleaf、Hue、Comcast、Tuya などのブランドは、Matter 対応の新しいソリューションを更新または作成しています。新しいデバイスやアクセサリを購入する際は、Matter スマートホームバッジを探してください。既存のデバイスが Matter アップデートに対応しているかどうかを知りたい場合は、製造元の Web サイトを参照してください。
結論
Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、Thread、Z-Wave、Matter はすべて、スマートホームで使用される重要な通信プロトコルです。各プロトコルには独自の特性と利点があり、さまざまなデバイスの要件とユースケースに対応します。
ますます多くの企業が Thread と Matter の陣営に加わり、独自の製品エコシステムに組み込むにつれて、これらの 2 つの技術は徐々にスマートホームデバイスの主流の標準になるでしょう。ただし、市場には依然として他の通信プロトコルを使用するスマートホームデバイスが数多く存在することに注意する必要があります。そのため、近い将来、さまざまな通信技術が共存し、特定のデバイスの種類やユースケースで合理的に使用される可能性があります。しかし、全体的な傾向は、Thread と Matter がスマートホーム産業で重要な役割を果たし、徐々に首選になるということです。
