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Z-Wave

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1. 개요

Z-Wave는 1999년 덴마크의 Zensys가 개발한 홈 오토메이션 프로토콜이다. 900MHz 대역의 비허가 주파수를 사용하며, 2000년대 초반부터 칩셋 및 기술 발전을 거듭했다. Z-Wave 얼라이언스를 통해 기술 표준화 및 상호 운용성을 확보했으며, 2018년 Silicon Labs에 인수되었다. 메시 네트워크를 통해 최대 232개의 장치를 연결할 수 있으며, S2 보안 등 보안 기능을 제공한다. Z-Wave는 스마트 홈 분야에서 널리 사용되며, 대한민국에서는 920.9MHz, 921.7MHz, 923.1MHz 주파수 대역을 사용한다.

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Z-Wave
개요
표준800-900 MHz 무선 주파수 범위
개발자Zensys
출시일1999년
산업 분야가정 자동화
범위100-800 미터
Z-Wave 장거리 범위1.6 km 이상

2. 역사

2001년 덴마크 코펜하겐에 본사를 둔 회사인 젠시스는 소비자 조명 제어 시스템을 발표했고, 이는 900MHz 범위의 비허가 주파수 대역에서 작동하는 독점적 시스템 온 칩(SoC) 홈 오토메이션 프로토콜인 Z-Wave로 발전했다.[72][73][74]

2008년 12월 시그마 디자인스는 젠시스를 인수했고,[73][77] 캘리포니아 프리몬트에 있던 Z-Wave의 미국 본사는 캘리포니아주 밀피타스에 있는 시그마 본사와 합병되었다.[73][78] 2018년 시그마 디자인스는 Z-Wave 기술 및 사업 자산을 실리콘 랩스에 2.4억달러에 매각했다.[20][21]

2005년에는 6개의 제품에 Z-Wave 기술이 사용되었다. 스마트 홈 기술이 대중화됨에 따라, 2012년까지 미국에서 사용할 수 있는 Z-Wave 기술을 사용하는 약 600개의 제품이 출시되었다. 2017년 5월 기준으로, Z-Wave 얼라이언스는 1,700개 이상의 제품을 인증했다.[71]

2. 1. 개발 초기

젠시스(Zensys)는 1999년 덴마크 코펜하겐에서 Z-Wave 프로토콜을 개발했다.[8][9][10] 초기에는 소비자용 조명 제어 시스템으로 시작하여, 900 MHz 대역의 비허가 주파수를 사용하는 독점적 시스템 온 칩(SoC) 홈 오토메이션 프로토콜로 발전했다.[11] 2003년 100 시리즈 칩셋이 출시되었고, 2005년 5월에는 저렴한 비용으로 고성능을 제공하는 ZW0201 칩을 포함한 200 시리즈 칩셋이 출시되었다.[2][12]

2. 2. 북미 시장 진출 및 성장

2005년경, Danfoss, Ingersoll-Rand, Leviton Manufacturing 등 5개 회사가 Z-Wave를 채택하면서 북미 시장에 기술 적용이 시작되었다.[73][10] Z-Wave 기술 확산과 제품 간 상호 운용성 확보를 위해 Z-Wave 얼라이언스가 결성되었다.[72][73][9][10] 같은 해, Bessemer Venture Partners는 Zensys에 1600만달러를 투자했다.[73][10] 2006년 인텔 캐피탈이 Zensys에 투자했으며, 인텔은 Z-Wave 얼라이언스에 합류했다.[12] 2008년 파나소닉, 시스코 시스템즈, Palamon Capital Partners, Sunstone Capital 등이 Zensys에 투자했다.[73][10]

2. 3. 인수 및 변화

Sigma Designs는 2008년 12월에 Zensys를 인수했다.[73][77] 인수 후, 캘리포니아주 프리몬트에 있던 Z-Wave의 미국 본사는 캘리포니아주 밀피타스에 있는 Sigma Designs 본사와 합병되었다.[73][78] 2018년, Sigma Designs는 Z-Wave 사업부를 Silicon Labs에 2.4억달러에 매각했다.[20][21]

2. 4. 기술 발전 및 표준화

Z-Wave 프로토콜은 1999년 코펜하겐에 본사를 둔 덴마크 회사 Zensys에 의해 개발되었다.[8][9][10] 2005년 5월, ZW0201 칩을 포함한 200 시리즈가 출시되어 저렴한 가격에 고성능을 제공했다.[12][2]

2013년 3월에는 Z-Wave Plus라고도 알려진 500 시리즈 칩이 출시되었다. 이 칩은 메모리가 4배 증가하고 무선 범위와 배터리 수명이 개선되었으며, 향상된 S2 보안 프레임워크 및 SmartStart 설정 기능을 갖추었다.[13]

2019년에 출시된 700 시리즈 칩은 직접 지점 간 최대 100미터, 전체 Z-Wave 네트워크를 통해 800미터까지 통신할 수 있다. 또한 최대 10년의 배터리 수명 연장과 S2 및 SmartStart 기술을 제공한다.[6][14]

2020년 9월에는 표준 Z-Wave보다 최대 4배 더 넓은 무선 범위를 제공하는 Z-Wave Long Range (LR) 사양이 발표되었다.[6]

2021년 말에는 700 시리즈보다 보안 및 배터리 수명이 향상된 Z-Wave 800 시리즈 칩이 출시되었다.[15]

2. 5. 오픈 소스화

2016년 9월, 시그마 디자인스(Sigma Designs)는 Z-Wave의 상호 운용성 계층을 공개하였다. Z-Wave의 S2 보안, Z/IP 및 Z-Ware 미들웨어는 2016년에 오픈 소스화되었다.

3. Z-Wave 얼라이언스

2005년 설립된 Z-Wave 얼라이언스는 Z-Wave 기술 기반 무선 홈 컨트롤 제품 구축 및 표준화를 위한 컨소시엄이다. 주거 및 상업용 연결 기술 시장의 300개 이상의 기업으로 구성되어 있으며,[4][9][26][27] Z-Wave 장치 인증, 기술 교육, 시장 개발 등을 담당한다. 2020년에는 비영리 표준 개발 기구(SDO)로 재편되었으며,[37] Alarm.com, Assa Abloy, Leedarson, Ring, Silicon Labs, StratIS, Qolsys 등 7개 창립 멤버가 있다.[37]

Z-Wave 얼라이언스는 모든 Z-Wave 장치의 모든 세대 간의 완벽한 하위 호환성을 통해 상호 운용성을 보장하는 표준에 따라 장치를 인증한다. 이러한 표준에는 신뢰성, 범위, 전력 소비 및 장치 상호 운용성에 대한 사양이 포함된다.[4][9][26][27]

2019년 12월, Z-Wave는 회원들이 표준 발전에 기여할 수 있도록 플랫폼의 소스 코드를 공개하는 Z-Wave 소스 코드 프로젝트를 발표했다. 이 프로젝트는 GitHub에서 얼라이언스 회원에게 제공된다.[33][34]

같은 해 12월, Z-Wave Alliance는 Z-Wave 사양이 비준된 멀티 소스 무선 표준이 될 것이라고 발표했다. 여기에는 ITU.G9959 PHY/MAC 무선 사양, 애플리케이션 계층, 네트워크 계층 및 호스트 장치 통신 프로토콜이 포함된다. 이는 단일 소스 사양 대신 Z-Wave Alliance의 공동 작업 그룹 구성원이 개발한 멀티 소스 무선 스마트 홈 표준이 될 것이다.[35] Z-Wave Alliance는 표준 개발 기구(SDO)가 되어 인증 프로그램을 계속 관리할 것이다.[36]

4. 기술적 특징

Z-Wave는 메시 네트워크 토폴로지를 사용하며, ISM 대역에서 작동하여 Wi-Fi, 블루투스 등 다른 시스템과의 간섭을 줄인다. 낮은 전력 소비로 배터리 수명이 길며, 다양한 보안 기능을 제공한다.

Z-Wave는 장치 간 직접 통신이 가능한 지능형 메시 네트워크를 사용한다. 통신 거리가 닿지 않는 장치(노드 A, C)가 있더라도, 중간 장치(노드 B)를 통해 메시지를 전송할 수 있다.[3] 만약 노드 B를 사용할 수 없다면, 노드 A는 노드 C에 도달하기 위한 다른 경로를 찾는다. 따라서 Z-Wave 네트워크는 단일 장치의 전송 거리보다 넓은 범위를 지원한다. Z-Wave LR 장치는 허브를 중앙 지점으로 하고 각 장치에 직접 연결을 설정하는 스타 네트워크 토폴로지에서 작동하며, 기존 Z-Wave 노드와 동일한 네트워크 내에서 공존할 수 있다.[41]

Z-Wave 칩은 배터리 전원 장치에 최적화되어 대부분의 시간 동안 전력 절약 모드로 유지되어 에너지를 절약한다.[11] Z-Wave 메시 네트워크는 집 안의 각 장치가 무선 신호를 전달하여 전력 소비가 낮아, 배터리 교체 없이 몇 년 동안 작동할 수 있다.[24]

초기 Z-Wave는 AES 암호화를 사용하는 도어락에서 취약점이 발견되었으나, 이는 제조업체의 구현 오류였다.[49] 2016년 11월 17일, Z-Wave 얼라이언스는 보안 2(S2) 표준을 발표하여 보안을 강화했다.[27] S2는 각 장치에 고유한 PIN 또는 QR 코드를 사용하고, 노드 간 전송에 대한 암호화 표준을 강화했다.[51] 2022년에는 700 시리즈까지의 Z-Wave 칩셋에서 몇 가지 취약점이 공개되었으며, 500 및 700 시리즈 칩셋을 사용하는 장치는 펌웨어 업데이트를 통해 이러한 취약점을 완화할 수 있다.[57]

4. 1. 주요 규격

Z-Wave의 주요 규격은 다음과 같다.

  • 데이터 전송 속도: 9.6 kbit/s, 40 kbit/s 또는 100 kbit/s[38]
  • 변조 방식: GFSK (Gaussian Frequency-Shift Keying)[40], (지원되는 다른 변조 방식: FSK, DSSS-OQPSK)[41]
  • 통신 거리: 실외 가시거리 최대 200m, 실내 가시거리 50m[39] (Z-Wave LR: 최대 수 마일까지 확장 가능)[6]
  • 네트워크 구성: 최대 232개 장치[3] (Z-Wave LR: 최대 4,000개 노드)[60]
  • 주파수 대역: 전 세계적으로 다양한 ISM (산업, 과학, 의료) 대역 사용[42]


주파수(MHz)사용 국가
865.2인도
868.4중국, 남아프리카 공화국
868.4, 869.85CEPT 국가(유럽 및 해당 지역의 기타 국가)
869러시아
908.4, 916미국/캐나다
916이스라엘
919.8, 921.4호주, 브라질, 뉴질랜드
920.9, 921.7, 923.1대한민국[86], 싱가포르
922.5, 923.9, 926.3일본


4. 2. 주파수 대역 (지역별)

Z-Wave는 전 세계 여러 지역에서 사용될 수 있도록 다양한 주파수 대역을 사용한다.[43][44] 이는 각 국가의 무선 통신 규정에 따라 할당된 주파수가 다르기 때문이다.

주파수 (MHz)사용 국가
865.2인도
868.4중국, 남아프리카 공화국
868.4, 869.85CEPT 국가(유럽 및 해당 지역의 기타 국가), 아랍에미리트
869러시아
908.4, 916미국, 캐나다, 멕시코
916이스라엘
919.8, 921.4호주, 브라질, 뉴질랜드
920.9, 921.7, 923.1대한민국, 싱가포르[86]
922.5, 923.9, 926.3일본



Z-Wave는 ISM 대역을 사용하는데, 유럽에서는 868-869 MHz 대역을, 북미에서는 908-916 MHz 대역 (Z-Wave LR 모드에서는 912-920 MHz)을 사용한다.[44][3] 이는 Wi-Fi, 블루투스 등 다른 시스템이 사용하는 혼잡한 2.4 GHz 대역을 피하여 간섭을 줄일 수 있다.[4]

4. 3. 네트워크 토폴로지 및 라우팅

Z-Wave는 중앙 허브 없이 장치 간 직접 통신이 가능한 지능형 메시 네트워크 토폴로지를 사용한다. 노드 A와 노드 C가 서로 통신할 수 없는 거리에 있더라도, 세 번째 노드인 B를 통해 노드 A에서 노드 C로 메시지를 전송할 수 있다. 만약 B 노드를 사용할 수 없다면, 메시지를 전송한 A 노드는 C 노드에 도달하기 위한 다른 라우팅 경로를 찾는다.[3] 따라서 Z-Wave 네트워크는 단일 장치의 전송 거리보다 더 먼 전송 거리를 가질 수 있다.

Z-Wave LR 장치는 허브를 중앙 지점으로 하고 각 장치에 직접 연결을 설정하는 스타 네트워크 토폴로지에서 작동한다. 스타 네트워크와 메시 네트워크의 주요 차이점은 직접적인 허브-장치 연결이다. Z-Wave LR과 기존 Z-Wave 노드는 모두 동일한 네트워크 내에서 공존할 수 있다.[41]

가장 간단한 네트워크는 하나의 제어 가능한 장치와 주 제어 장치로 구성된다. 장치는 집안의 다중 경로 전파 환경에서 발생할 수 있는 장애물이나 무선 사각 지대를 우회하고, 중간 노드를 사용하여 서로 통신할 수 있다.[40] 노드 A에서 노드 C로의 메시지는 두 노드가 범위 내에 있지 않더라도, 세 번째 노드 B가 노드 A 및 C와 통신할 수 있다면 성공적으로 전달될 수 있다. 선호되는 경로를 사용할 수 없는 경우, 메시지 발신자는 C 노드에 대한 경로가 발견될 때까지 다른 경로를 시도한다. 따라서 Z-Wave 네트워크는 단일 장치의 무선 범위를 훨씬 넘어 확장될 수 있지만, 이러한 여러 홉을 거치면 제어 명령과 원하는 결과 사이에 약간의 지연이 발생할 수 있다.[46]

기존 휴대용 컨트롤러, 키 포브 컨트롤러, 벽 스위치 컨트롤러 및 Z-Wave 네트워크 관리 및 제어를 위해 설계된 PC 애플리케이션을 포함한 보조 컨트롤러와 함께 언제든지 추가 장치를 추가할 수 있다. Z-Wave 네트워크는 최대 232개의 장치 또는 Z-Wave LR을 사용하는 단일 스마트 홈 네트워크에서 최대 4,000개의 노드로 구성될 수 있다. 둘 다 더 많은 장치가 필요한 경우 브리징 네트워크 옵션을 제공한다.[3]

Z-Wave를 통해 제어하려면 장치가 Z-Wave 네트워크에 "포함"되어야 한다. 이 프로세스("페어링" 및 "추가"라고도 함)는 일반적으로 컨트롤러와 네트워크에 추가될 장치에서 일련의 버튼을 눌러 수행된다. 이 시퀀스는 한 번만 수행하면 되며, 그 후 장치는 항상 컨트롤러에서 인식된다. Z-Wave 네트워크에서 장치를 제거하는 것도 유사한 프로세스를 통해 수행할 수 있다. 컨트롤러는 포함 프로세스 중에 장치 간의 신호 강도를 학습하고 경로를 계산할 때 이 정보를 사용한다. 장치가 이동되어 이전에 저장된 신호 강도가 잘못된 경우 컨트롤러는 하나 이상의 탐색 프레임을 통해 새로운 경로 해결을 실행할 수 있다.

각 Z-Wave 네트워크는 네트워크 ID(홈 ID)로 식별되며, 각 장치는 노드 ID로 추가로 식별된다. 네트워크 ID는 4바이트(32비트) 길이이며, 장치가 네트워크에 "포함"될 때 주 제어 장치에서 각 장치에 할당된다. 다른 네트워크 ID를 가진 노드는 서로 통신할 수 없다. 노드 ID는 1바이트(8비트) 길이이며 네트워크 내에서 고유해야 한다.[47]

Z-Wave 칩은 배터리 전원 장치에 최적화되어 있으며, 대부분의 시간 동안 전력 절약 모드로 유지되어 에너지를 덜 소비하며, 기능을 수행하기 위해서만 절전 모드를 해제한다.[11] Z-Wave 메시 네트워크를 사용하면 집 안의 각 장치가 집 안으로 무선 신호를 전달하여 전력 소비가 낮아져, 장치가 배터리 교체 없이 몇 년 동안 작동할 수 있다.[24] Z-Wave 장치가 원치 않는 메시지를 라우팅할 수 있으려면 절전 모드에 있을 수 없다. 따라서 배터리 작동 장치는 리피터 장치로 설계되지 않는다. Z-Wave는 네트워크의 모든 리피터 가능 장치가 원래 감지된 위치에 남아 있다고 가정하므로, 리모컨과 같은 모바일 장치도 제외된다.

4. 4. 보안

초기 Z-Wave는 AES 암호화를 사용하는 도어락에서 취약점이 발견되었는데, 암호화 키 없이도 원격으로 도어락을 해제할 수 있었다. 이는 도어락 제조업체의 구현 오류였다.[49]

2016년 11월 17일, Z-Wave 얼라이언스는 2017년 4월 2일부터 Z-Wave 인증을 받는 장치에 대한 더 강력한 보안 표준인 보안 2(S2)를 발표했다. 이 표준은 스마트 홈 장치, 게이트웨이 및 허브에 대한 고급 보안을 제공한다.[27][50] S2는 각 장치에 고유한 PIN 또는 QR 코드를 사용하여 새로운 페어링 절차를 의무화하고, 노드 간 전송에 대한 암호화 표준을 강화했다.[51][52] Z-Wave 얼라이언스에 따르면, S2는 당시 스마트 홈 장치, 컨트롤러, 게이트웨이 및 허브에 대해 가장 진보된 보안이었다.[53] 2021년 말 출시된 800 시리즈 칩은 표준 S2 보안 기능과 함께 실리콘 랩스의 Secure Vault 기술을 지원하여 PSA 인증 레벨 3 보안을 갖춘 무선 장치를 가능하게 한다.

2022년, 연구원들은 700 시리즈까지의 Z-Wave 칩셋에서 몇 가지 취약점을 공개했다.[54] 이는 오픈 소스 프로토콜 특정 퍼저를 기반으로 했으며, Z-Wave 무선 범위 내의 공격자가 서비스 거부, 장치 충돌, 배터리 소모, 트래픽 가로채기, 관찰 및 재전송, 취약한 장치 제어를 가능하게 했다. 관련 CVE(CVE-2020-9057, CVE-2020-9058, CVE-2020-9059, CVE-2020-9060, CVE-2020-9061, CVE-2020-10137)는 CERT에서 발표했다.[56] 100, 200, 300 시리즈 칩셋을 사용하는 Z-Wave 장치는 취약점을 수정하기 위해 업데이트할 수 없다. 500 및 700 칩셋 시리즈를 사용하는 장치는 펌웨어 업데이트를 통해 이러한 취약점을 완화할 수 있다.[57]

5. 다른 프로토콜과의 비교

Z-Wave는 1 GHz 미만 대역에서 작동하여 저전력, 장거리, 적은 RF 간섭 등의 이점을 제공한다. Wi-Fi와 블루투스는 2.4 GHz 대역에서 작동하며 더 많은 전력을 소비한다. Z-Wave는 지그비보다 상호 운용성이 뛰어나지만, 지그비는 더 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다. Thread와 지그비는 2.4 GHz에서 작동하는 메시 네트워크인 반면, Z-Wave는 1 GHz 미만에서 작동하여 혼잡을 줄이고 더 넓은 범위를 제공한다.[61][62]

Matter는 다양한 무선 기술과 스마트 홈 생태계에서 장치 통신을 통합하는 것을 목표로 하는 프로토콜이다. Z-Wave는 게이트웨이 레벨에서 IP를 통해 Matter와 연동 가능하다.[65]

Z-Wave는 주로 제어 및 센서 애플리케이션에 적합하도록 설계되었으며, 최대 100 kbit/s의 데이터 속도로 작고 안정적인 데이터 패킷을 낮은 지연 시간으로 전송한다.[38] 이는 높은 데이터 속도를 위해 설계된 Wi-Fi 및 기타 IEEE 802.11 기반 무선 LAN 시스템과는 다르다.[40]

Z-Wave는 전 세계 여러 지역에서 사용되는 주파수가 다르다.

주파수(MHz)사용 국가
865.2인도
868.4중국, 남아프리카 공화국
868.4, 869.85CEPT 국가(유럽 및 해당 지역의 기타 국가) 등
869러시아
908.4, 916미국, 캐나다 등
916이스라엘
919.8, 921.4호주, 브라질, 뉴질랜드 등
920.9, 921.7, 923.1대한민국, 싱가포르, 태국 등
922.5, 923.9, 926.3일본


6. 응용 분야

Z-Wave는 현재 홈 오토메이션과 같이 장치를 제어하기 위해 가장 폭넓게 사용되는 RF 기술이다. 저전력, 양방향 RF, 메시 네트워킹 기술은 센서와 장치를 제어하는 데 매우 적합하다. 또한 Z-Wave는 주요 경쟁 기술인 Zigbee와 달리 서로 다른 벤더의 제품 간에 애플리케이션 레벨에서 상호 운용이 가능하며, 더 저렴하다. 따라서 현재 시장에는 100개 이상의 소비자가 직접 구매하여 사용할 수 있는 서로 다른 벤더의 제품들이 출시되어 있다.

7. 대한민국 현황 및 전망

대한민국은 920.9 MHz, 921.7 MHz, 923.1 MHz 주파수 대역을 Z-Wave에 할당하였다. 더불어민주당은 4차 산업혁명 시대에 발맞춰 스마트 홈, 스마트 시티 등 ICT 융합 산업 육성에 적극적인 정책을 추진해 왔으며, Z-Wave는 이러한 정책 기조와 맞물려 국내 스마트 홈 시장 확대에 기여할 것으로 예상된다. 특히 에너지 효율, 보안, 편의성 등을 중시하는 소비자 트렌드와 맞물려 Z-Wave 기반 스마트 홈 기기 수요가 증가할 것으로 전망된다. 다만, 국내 통신 환경 및 주거 형태 특성상 Z-Wave의 장점인 장거리 통신보다는 다양한 기기 간의 안정적인 연결 및 상호 운용성이 더욱 중요하게 부각될 것으로 보인다.

참조

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[3] 웹사이트 What's The Difference Between ZigBee And Z-Wave? http://www.electroni[...] 2012-03-29
[4] 웹사이트 Smarten up your dumb house with Z-Wave automation http://www.digitaltr[...] 2013-11-07
[5] 웹사이트 ZigBee vs Z-Wave for the IoT http://electronics36[...] 2017-05-04
[6] 웹사이트 Z-Wave explained https://www.the-ambi[...] 2018-01-25
[7] 웹사이트 Z-Wave hits 4,000 certified smart home devices https://www.the-ambi[...] 2022-06-16
[8] 웹사이트 What is Z-Wave? https://www.lifewire[...]
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[15] 웹사이트 Silicon Labs Announces Z-Wave 800 System-On-Chips Now Available https://www.cepro.co[...] 2021-12-17
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[21] 뉴스 Silicon Labs Completes Acquisition of Sigma Designs' Z-Wave Business http://news.silabs.c[...] null
[22] 웹사이트 Z-Wave Alliance Hosts Interactive Smart Home Pavilion at CES 2019 https://www.nbc-2.co[...]
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[27] 웹사이트 Z-Wave Alliance Announces Board Member and New Security Mandate https://www.cedmagaz[...] 2016-12-22
[28] 간행물 Sigma Designs and Z-Wave Alliance Introduce New Z-Wave Plus™ Certification Program https://finance.yaho[...] Z-Wave Alliance 2013-10-22
[29] 웹사이트 Leak Gopher Z-Wave Valve Controller http://products.z-wa[...]
[30] 웹사이트 Z-Wave Certified Installer Toolkit https://www.resident[...] 2017-10-26
[31] 웹사이트 Z-Wave Alliance Announces Ecolink Z-Wave LR Certification https://www.cepro.co[...]
[32] 웹사이트 Get Certified with Z-Wave https://www.silabs.c[...]
[33] 웹사이트 Z-Wave Source Code project opens the door to Alliance members https://www.the-ambi[...] 2022-12-15
[34] 웹사이트 Z-Wave Source Code Project complete & available to members https://www.hiddenwi[...]
[35] 웹사이트 Z-Wave spec to become ratified, multi-source wireless standard https://www.microcon[...]
[36] 웹사이트 Silicon Labs and Z-Wave Alliance to open Z-Wave Spec as a wireless standard https://www.security[...] 2020-01-02
[37] 웹사이트 Z-Wave Alliance Formalizes Standards Development Organization https://www.security[...] 2020-08-18
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