Что такое протокол Z-Wave и его роль в решениях для автоматизации умного дома


По мере роста приложений, основанных на беспроводных сенсорных сетях, домашней автоматизации и Интернете вещей, потребность в альтернативном протоколе связи, помимо обычных протоколов Bluetooth, Wi-Fi и GSM, становилась очевидной. Несколько технологий, таких как Zigbee и Bluetooth Low Energy (BLE), были разработаны в качестве альтернативы этим протоколам, но одной выдающейся технологией, разработанной специально для приложений домашней автоматизации, была технология Z-Wave. В сегодняшней статье мы рассмотрим технические особенности протокола Z-wave, его отличительные особенности, стандарт и его преимущества по сравнению с другими аналогичными протоколами.

Протокол Z-Wave в решениях для автоматизации умного дома

Что такое Z-Wave

Z-Wave — это протокол беспроводной связи, разработанный в первую очередь для использования в приложениях домашней автоматизации. Он был разработан в 1999 году компанией Zensys из Копенгагена как модернизация созданной ими системы управления освещением для потребителей. Он был разработан для обеспечения надежной передачи небольших пакетов данных с малой задержкой с использованием низкоэнергетических радиоволн со скоростью передачи данных до 100 кбит/с и пропускной способностью до 40 кбит/с (9,6 кбит/с при использовании старых чипов) и подходит для применения в системах управления и датчиков.

Логотип Z-Wave

Основываясь на топологии ячеистой сети и работая в нелицензированном диапазоне частот ISM 800–900 МГц (фактическая частота варьируется), устройства на базе Z-Wave способны достигать расстояния связи до 40 метров с дополнительной возможностью передачи сообщений по сети между 4 узлами. Все эти функции делают его подходящим протоколом связи для приложений домашней автоматизации, таких как управление освещением, термостаты, управление окнами, замками, устройствами открывания гаражных ворот и многих других, избегая при этом проблемных перегрузок, связанных с Wi-Fi и Bluetooth из-за использования ими диапазонов 2,4 ГГц и 5 ГГц.

Как работает протокол Z-Wave?

Чтобы понять работу протокола Z-Wave, давайте проанализируем его по трем основным разделам, а именно: архитектура системы Z-Wave, передача/прием данных, а также маршрутизация и подключение к Интернету.

Архитектура системы Z-Wave

Каждая сеть Z-wave состоит из двух широких категорий устройств;

  1. Контроллер/Мастер(ы).
  2. Ведомые/подчиненные устройства ("рабы")

Мастер обычно служит хостом сети Z-Wave, к которому могут быть подключены другие устройства (подчиненные). Обычно он поставляется с предварительно запрограммированным NetworkID (иногда называемым HomeID ), который назначается каждому подчиненному устройству (у которого нет заранее запрограммированного идентификатора), когда они добавляются в сеть посредством процесса, называемого «включением». Помимо HomeID, каждому устройству, добавленному в сеть Z-wave, контроллер обычно назначает идентификатор, называемым NodeID. NodeID уникален в каждой сети (для каждого HomeID), поэтому он используется для адресации и в первую очередь распознавания каждого устройства в конкретной сети.

Включение по своей сути похоже на то, как маршрутизатор назначает IP-адреса устройствам в своей сети, в то время как главные устройства аналогичны маршрутизаторам/шлюзам/концентраторам устройств, с той лишь разницей, что главные устройства связаны с ячеистыми устройствами в сети. Чтобы удалить узлы из сети Z-Wave , выполняется процесс, называемый «Исключение». Во время исключения домашний идентификатор и идентификатор узла удаляются с устройства. Устройство сбрасывается в заводское состояние по умолчанию (контроллеры имеют собственный Home ID, а подчиненные устройства не имеют Home ID).

Упомянутые выше HomeID и NodeID — это две системы идентификации, определенные протоколом Z-wave для упрощения организации сети Z-wave.

HomeID — это общий идентификатор всех узлов, входящих в конкретную сеть Z-Wave, а NodeID — это адреса отдельных узлов в сети.

HomeID обычно заранее запрограммированы и уникальны, и они определяют конкретную сеть Z-wave. Их длина составляет 32 бита, что означает, что можно создать до 4 миллиардов (2^32) различных HomeID и разных сетей Z-wave. С другой стороны, идентификатор узла имеет длину всего лишь байт (8 бит), что означает, что в сети может быть до 256 (2^8) узлов.

Помимо обеспечения простой адресации узлов, система идентификации помогает предотвратить помехи в сетях Z-wave, поскольку два узла с разными HomeID не могут взаимодействовать, даже если у них одинаковый NodeID. Это означает, что вы можете развернуть две сети z-wave "бок о бок" и при этом они не будут создавать электромагнитных помех друг другу.

Передача, прием и маршрутизация данных

В типичных беспроводных сетях центральный контроллер/ведущий имеет прямое беспроводное соединение «один к одному» с узлами сети. Каким бы полезным ни было такое соглашение для этих протоколов, оно создает ограничение на передачу данных, потому что «Устройство А» не сможет взаимодействовать с «Устройством Б», если произойдет разрыв связи между любым из них и ведущим устройством. Однако это не относится к технологии Z-wave благодаря топологии Mesh-сети и способности узлов Z-wave пересылать и повторять сообщения другим узлам. Это гарантирует, что связь может быть установлена ​​с каждым узлом в сети, даже если они не находятся в прямой зоне действия контроллера. Чтобы лучше это понять, рассмотрим следующий рисунок.

Топология Mesh-сети в технологии Z-wave

На этом рисунке показано, что контроллер может напрямую связываться с устройствами 1, 2 и 4, в то время как узел 6 находится за пределами его радиодиапазона. Однако из-за особенностей, описанных ранее, узел 2 примет статус ретранслятора/пересылки и расширит зону действия контроллера до узла 6, так что любое сообщение, направляющееся на узел 6, будет проходить через узел 2. Узлы, подобные узлу 2, в больших сетях называются маршрутизаторами и способствуют гибкости и надежности сетей Z-wave. Чтобы определить, по какому из маршрутов должны пройти сообщения, чтобы достичь определенного узла, сети Z-wave используют инструмент, называемый таблицей маршрутизации.

Таблица маршрутизации в сетях Z-wave

Каждый узел в сети Z-wave может определять другие узлы (называемые соседями) в своей зоне прямого беспроводного покрытия, и во время включения или позже узел информирует контроллер об этих соседях. Используя список соседей каждого узла, контроллер создает таблицу маршрутизации, которая используется для сопоставления маршрутов с узлами, находящимися за пределами зоны действия беспроводной сети контроллера.

Важно отметить, что не все узлы можно настроить в качестве серверов пересылки (маршрутизаторов). Протокол Z-wave позволяет только подключенным узлам (не питающимся от батареи) выступать в качестве «узлов маршрутизации» поскольку функции маршрутизации увеличивают энергопотребление узла, что негативным образом сказывается на длительности его работы от батареи.

Подключение к Интернету

Используя недавний подход «Шлюз/Агрегатор» с использованием других протоколов, системой Z-Wave можно управлять через Интернет с помощью шлюза Z-Wave или устройства-контроллера (главного), выступающего одновременно в качестве контроллера-концентратора и портала для внешнего доступа. Примером этого является шлюз Delock 78007 Z-Wave®.

Шлюз Delock 78007 Z-Wave®

Альянс Z-Wave

Хотя первые устройства на базе Z-wave были выпущены еще в 1999 году, технология не получила широкого распространения до 2005 года, когда группа компаний, включая гигантов домашней автоматизации Leviton, Danfoss и Ingersoll-Rand, внедрила Z-Wave и сформировала альянс под названием Альянс Z-Wave.

Альянс был создан для содействия использованию и совместимости технологии Z-Wave и устройств на ее основе. В соответствии с этим альянс разрабатывает и поддерживает стандарт Z-wave, а также сертифицирует все устройства на базе Z-Wave, чтобы гарантировать их соответствие этому стандарту. Альянс начинался с 5 компаний-членов, но сейчас насчитывает более 600 компаний, производящих более 2600 устройств, сертифицированных Z-Wave.

Разница между Z-Wave и другими протоколами

Чтобы понять, почему имеет смысл иметь протокол связи, такой как Z-wave, мы сравним его с некоторыми другими протоколами связи, используемыми в домашней автоматизации, в том числе Bluetooth, Wi-Fi и Zigbee.​

Z-wave против Bluetooth

Наиболее выраженное преимущество Z-Wave перед Bluetooth — это дальность действия. Z-waves имеют фактически большую зону покрытия, чем Bluetooth. Кроме того, сигналы Bluetooth подвержены помехам и прерываниям, поскольку они отправляют и получают информацию в диапазоне 2,4 ГГц, тем самым конкурируя за полосу пропускания с устройствами на базе Wi-Fi, использующими тот же диапазон частот.

С Z-wave каждый ретранслятор сигнала Z-wave работает вместе, чтобы сделать сеть более мощной, а не замедлять или зашумлять сеть. Таким образом, чем больше у вас устройств, тем легче создать надежную сеть, способную обходить препятствия.

Z-wave против Wi-Fi

Как и Bluetooth, сети на основе Wi-Fi также подвержены помехам, прерываниям и проблемам, связанным с диапазоном, и поэтому в таких обстоятельствах работают хуже сетей на основе Z-wave.

Помимо конкуренции за полосу пропускания с устройствами Bluetooth, устройства Wi-Fi также конкурируют друг с другом, и это может повлиять на мощность сигнала и скорость сети в домах, где множество устройств основаны на Wi-Fi. Это не относится к Z-wave, поскольку сеть процветает с добавлением в сеть новых устройств.

Однако устройства на базе Wi-Fi имеют свои преимущества по сравнению с Z-waves. Они могут отправлять более "тяжелую" информацию, например, потоки HD-видео и многое другое, в то время как сети на основе Z-wave могут обрабатывать небольшие потоки данных, такие как данные датчиков или инструкции по включению/выключению лампочки.

Z-wave против Zigbee

Zigbee — это еще одна беспроводная технология, и, как и Z-wave, она была разработана с учетом домашней автоматизации и близлежащих беспроводных сенсорных сетей. Как и Z-wave, он основан на топологии сети Mesh, и каждое устройство в сети Zigbee помогает усилить сигнал. Однако, в отличие от Z-wave, он работает в диапазоне частот 2,4 ГГц, что означает, что он также конкурирует за полосу пропускания с Wi-Fi и Bluetooth, а также может быть подвержен помехам и проблемам со скоростью сети, связанными с ними.

Еще одно отличие, значение которого я оставлю на ваше усмотрение, заключается в том, что, хотя Z-Wave является запатентованной технологией (хотя есть планы сделать программное обеспечение открытым исходным кодом), Zigbee имеет открытый исходный код.

Преимущества и недостатки Z-Wave

Как и все остальное, Z-Wave имеет как преимущества, так и недостатки. Мы обсудим их один за другим.

Плюсы Z-Wave

  1. Возможность поддержки 232 устройств в теории и не менее 50 на практике.
  2. Сигналы могут распространяться на расстояние до 50 футов в помещении, учитывая препятствия, и на расстояние до 100 футов без препятствий. Этот охват значительно расширяется за пределами помещения. Поскольку четыре перехода между устройствами еще больше расширяют радиус действия, покрытие не будет проблемой в обширных подключенных домах.
  3. В альянс Z-wave входят до 600 производителей, производящих более 2600 сертифицированных устройств для обеспечения совместимости.
  4. Меньше помех благодаря использованию диапазона ISM.
  5. Меньше мертвых зон по сравнению с другими сетями благодаря надежной ячеистой топологии.
  6. Он доступен и прост в использовании.

Минусы Z-Wave

В отличие от некоторых других протоколов связи, Z-Wave был специально разработан для использования в приложениях домашней автоматизации, поэтому он был адаптирован к потребностям приложений и не имеет очень незначительных недостатков. Однако допустимое количество устройств в 50 вместо предполагаемых 232 может стать проблемой в домах, где необходимо развернуть более 50 устройств.

Кроме того, его неспособность поддерживать передачу больших потоков данных делает его не очень полезным в таких приложениях, как видеонаблюдение, где мегабайты данных должны передаваться между конечными устройствами.

Заключение

Протокол Z-wave для домашней автоматизации является тем же, чем является LoRa для более широкого ландшафта Интернета вещей. Самым большим преимуществом, которое он имеет перед всеми другими протоколами в нише домашней автоматизации, является тот факт, что он был специально разработан для этой ниши. Это означает, что он, как правило, в этой нише будет работать лучше, чем другие протоколы, разработанные для более широкого использования, и будет работать относительно хорошо, по крайней мере, для 80% приложений в этой нише.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
35 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *