Что из себя представляет Z-Wave
Поскольку приложения, основанные на беспроводных сенсорных сетях, домашней автоматизации и Интернете вещей (IoT), увеличились в количестве, потребность в альтернативном протоколе связи, помимо обычных протоколов Bluetooth, Wi-Fi и GSM, стала очевидной. Несколько технологий, таких как Zigbee и Bluetooth Low Energy (BLE), были разработаны в качестве альтернативы, но одной выдающейся технологией, разработанной специально для приложений домашней автоматизации, была Z-Wave. В сегодняшней статье мы рассмотрим технические особенности Z-wave, его отличительные характеристики, стандарт и многое другое.
Z-Wave – это протокол беспроводной связи, разработанный в основном для использования в приложениях домашней автоматизации. Он был разработан в 1999 году компанией Zensys, базирующейся в Копенгагене, в качестве модернизации созданной ими системы управления освещением. 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 с использованием старых чипов). Этот протокол подходит для систем управления и датчиков.
Основанные на топологии ячеистой сети и работающие в нелицензируемой полосе 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 в режиме ожидания до 4 узлов. Все эти функции делают его подходящим протоколом связи для приложений домашней автоматизации, таких как управление освещением, термостаты, системы управления окнами, замки, устройства для открывания гаражных ворот и многое другое, избегая проблемных перегрузок, связанных с Wi-Fi и Bluetooth, благодаря использованию ими 2,4 ГГц и 5 ГГц.
Как работает Z-Wave
Чтобы понять работу протокола Z-Wave, давайте проанализируем тему в трех основных разделах, а именно: архитектура системы Z-Wave, передача/прием данных и маршрутизация и подключение к Интернету.
Архитектура Z-Wave
Каждая сеть Z-wave состоит из двух широких категорий устройств: контроллер/master, ведомый/slave. Мастер обычно служит хостом сети Z-Wave, к которой могут быть подключены другие устройства (ведомые). Обычно он поставляется с предварительно запрограммированным NetworkID (иногда называемым HomeID), который назначается каждому ведомому (который не поставляется с предварительно запрограммированным идентификатором), когда они добавляются в сеть посредством процесса, называемого «inclusion». Помимо HomeID, для каждого устройства, добавленного в сеть Z-wave, контроллером назначается идентификатор, называемый NodeID. NodeID уникален в каждой сети (для каждого HomeID), поэтому он используется для адресации и, прежде всего, распознавания каждого устройства в конкретной сети.
Включение (inclusion) аналогично с точки зрения того, как маршрутизатор назначает IP-адреса устройствам в своей сети, в то время как ведущие аналогичны маршрутизаторам/шлюзам/концентраторам устройств, с единственным отличием, состоящим в связи ячеек с ведущими устройствами в сети. Чтобы удалить узлы из сети Z-Wave, выполняется процесс под названием «Исключение» (Exclusion). Во время исключения Home ID и Node ID удаляются с устройства. Устройство сбрасывается до заводского состояния по умолчанию (контроллеры имеют свой собственный идентификатор Home ID, а ведомые устройства не имеют идентификатора Home ID).
Упомянутые выше HomeID и NodeID являются двумя системами идентификации, определенными протоколом Z-wave для упрощения организации сети Z-wave. HomeID – это общая идентификация всех узлов, которые являются частью конкретной сети Z-Wave, в то время как NodeID – это адрес отдельных узлов в сети. HomeID обычно являются запрограммированными и уникальными, и они определяют конкретную сеть Z-wave. Они имеют длину 32 бита, что означает, что можно создать до 4 миллиардов (2 в степени 32) разных HomeID и разных сетей Z-wave. ID узла (NodeID), с другой стороны, составляет всего один байт (8 бит), что означает, что мы можем иметь до 256 (2 в степени 8) узлов в сети.
Помимо простой адресации узлов, система идентификации помогает предотвратить помехи в сетях Z-wave, поскольку два узла с разными HomeID не могут обмениваться данными, даже если у них одинаковый NodeID. Это означает, что вы можете развернуть две сети z-wave бок о бок без влияния друг на друга.
Передача, прием и маршрутизация данных в сети Z-wave
В стандартных беспроводных сетях центральный контроллер/мастер имеет прямое беспроводное соединение один к одному с узлами в сети. Как бы ни была полезна эта схема для этих протоколов, она создает ограничение на передачу данных, так что «Устройство A» не сможет взаимодействовать с «Устройством B», если в соединении между ними и ведущим будет разрыв. Это, однако, не относится к Z-wave благодаря своей 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 непосредственной близости от контроллера. Чтобы лучше понять это, рассмотрите следующее изображение.
Иллюстрация сети Z-wave показывает, что контроллер может напрямую связываться с устройствами 1, 2 и 4, в то время как узел 6 находится за пределами своего радиодиапазона. Однако из-за особенностей, описанных ранее, узел 2 примет состояние ретранслятора и расширит диапазон контроллера до узла 6, так что любое сообщение, направляемое на узел 6, будет проходить через узел 2. Узлы, такие как узел 2 в больших сетях называются маршрутами, и они способствуют гибкости и надежности сетей Z-Wave. Чтобы определить, какой из маршрутов сообщения должны пройти для достижения определенного узла, сети Z-Wave используют инструмент, называемый таблицей маршрутизации.
Каждый узел в сети Z-wave может определять другие узлы (называемые Соседями или Neighbors) в его зоне прямой беспроводной связи, и во время включения или позже узел информирует контроллер об этих соседях. Используя список соседей от каждого узла, контроллер создает таблицу маршрутизации, которая используется для сопоставления маршрутов с узлами, которые находятся за пределами прямого беспроводного диапазона контроллера. Важно отметить, что не все узлы могут быть настроены как серверы для пересылки. Протокол Z-wave позволяет только узлам, которые подключены к электросети (не питаются от батареи), выполнять функции «узлов маршрутизации».
Подключение к интернету в сети Z-wave
Система Z-Wave может управляться через Интернет с использованием шлюза Z-Wave или устройства «Контроллер (мастер)», служащего как хаб-контроллером, так и порталом наружу. Примером этого является шлюз Delock78007 Z-Wave® Gateway.
Альянс Z-Wave
Хотя первые устройства на основе Z-wave были выпущены еще в 1999 году, технология не получила широкого распространения до 2005 года, когда группа компаний, в том числе гиганты домашней автоматизации Leviton, Danfoss и Ingersoll-Rand, приняли Z-Wave и сформировали альянс, который называется альянсом 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 основе Z-Wave, чтобы гарантировать их соответствие стандарту. Альянс начался с 5 компаний-членов, но в настоящее время более 600 компаний производят более 2600 устройств, сертифицированных Z-Wave.
Преимущества и недостатки Z-Wave по сравнению с другими протоколами
Чтобы понять, почему имеет смысл использовать другой протокол связи, например Z-wave, мы сравним его с некоторыми другими протоколами связи, используемыми в домашней автоматизации, включая; Bluetooth, WiFi и Zigbee.
Z-wave и Bluetooth
Наиболее заметным преимуществом Z-Wave над Bluetooth является дальность. Z-Wave имеет фактически большую зону покрытия, чем Bluetooth. Кроме того, сигналы Bluetooth подвержены помехам и прерываниям, поскольку они отправляют и принимают информацию в диапазоне 2,4 ГГц, тем самым конкурируя за полосу пропускания с устройствами на базе WiFi, использующими ту же полосу частот. В случае с Z-wave, вместо того, чтобы делать сеть медленнее или шумнее, каждый повторитель сигнала Z-wave работает совместно, чтобы сделать сеть более надежной, так что чем больше у вас устройств, тем легче создать надежную сеть, способную обходить препятствия.
Z-Wave и WiFi
Как и Bluetooth, сети на основе Wi-Fi также подвержены помехам, прерываниям и проблемам, связанным с диапазоном, и в таких условиях работают хуже сетей на основе Z-Wave. Помимо конкуренции за пропускную способность с устройствами Bluetooth, устройства WiFi также конкурируют друг с другом, и это может повлиять на уровень сигнала и скорость сети в домах, где множество устройств основано на WiFi. Это не относится к Z-wave, так как сеть становится лучше благодаря добавлению в сеть большего количества устройств. Устройства на основе WiFi, однако, имеют преимущество по сравнению с Z-wave. Они могут отправлять более крупную информацию, такую как потоки HD-видео и т. д., в то время как сети на основе Z-Wave способны обрабатывать небольшие байты данных, такие как данные датчиков или инструкции для включения/выключения лампочки.
Z-wave и Zigbee
Zigbee – это еще одна беспроводная технология, которая, как и Z-wave, была разработана для автоматизации дома и работы недалеко от близлежащих беспроводных сенсорных сетей. Как и Z-wave, она основана на топологии ячеистой сети (Mesh), и каждое устройство в сети Zigbee помогает усилить сигнал. Однако, в отличие от Z-wave, она работает в полосе частот 2,4 ГГц, что означает, что она также конкурирует за полосу пропускания с WiFi и Bluetooth, а также может быть подвержена помехам и проблемам скорости сети, связанным с ними. Другое различие заключается в том, что, хотя Z-Wave является проприетарной технологией (хотя есть планы сделать программное обеспечение открытым исходным кодом), Zigbee имеет открытый исходный код.
Заключение
Z-wave для домашней автоматизации – это то же, что LoRa для более широкой сети Интернета вещей (IoT). Самое большое преимущество, которое она имеет над всеми остальными протоколами в нише домашней автоматизации, заключается в том, что она был разработана для этой ниши. Это означает, что данная сеть, как правило, будет работать лучше, чем другие протоколы, которые были разработаны для более широкого потребления, и она будет работать относительно хорошо, по крайней мере, для 80% приложений в этой нише.
© digitrode.ru