Z-wave: на волне автоматизации

См. также

6LoWPAN — IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей
X10 — открытый индустриальный стандарт
ZigBee — спецификация сетевых протоколов регламентированных стандартом IEEE 802.15.4
EnOcean — проприентарная беспроводная технология с низким уровнем энергопотребления для устройств без батареек
INSTEON — двух-сетевая (радиочастотная и передача через линии питания) технология
ONE-NET (англ. One-Net) — первый открытый протокол беспроводной сети передачи данных
англ. DASH7 — Active RFID standard
англ. MyriaNed — low power, biology inspired, wireless technology
англ. OSIAN — Open Source IPv6 Automation Network

Все о Zigbee

Все обсуждения о Зигби должны начинаться и заканчиваться одним важным фактом. В отличие от Z-Wave и подобных технологий, Zigbee – это открытая технология, то есть никто не владеет ею. Вместо этого беспроводное соединение поддерживается и продвигается некоммерческим Zigbee Alliance и его 400 организациями-членами.

Почему это важно? Из-за открытого стандарта Zigbee почти наверняка никуда не денется. Вместо этого она будет продолжать развиваться по мере изменения потребностей ее организаций-членов с течением времени

Для людей, обеспокоенных постоянно меняющейся технологией, это то, что стоит отметить, и что может предложить вам спокойствие.

Как это работает

Zigbee использует сетчатую систему, где информация от одного устройства перепрыгивает на другое с помощью беспроводного сигнала. При этом устройства могут разговаривать друг с другом. Когда выпадает одно устройство, остаются альтернативные маршруты, позволяющие всей системе оставаться в сети. Это движение данных не требует мощных передатчиков, что делает его идеальным решением для ситуаций, которые требуют большого количества автоматизированных продуктов.

Несмотря на то, что Zigbee первоначально разрабатывалась для коммерческого использования, теперь оно является солидным выбором как для жилых, так и для промышленных районов.

Преимущества Zigbee

Простая настройка, не требует центрального концентратора или контроллера
Вы можете контролировать продукты с помощью удаленного или мобильного устройства
Масштабируемость, поддерживает до 65 000 устройств на одной установке
Шифрование AES-128
Скорость 40-250 Кбит/с

Недостатки Zigbee

Не так надежно, как другие системы (например, Wi-Fi)
Стены и другие препятствия могут значительно снизить стабильность передачи

Интеллектуальная домашняя совместимость

В интеллектуальном домашнем пространстве вы найдете много продуктов, совместимых с Zigbee, включая интеллектуальные источники света, переключатели / штепсельные вилки и системы наблюдения. Самая популярная из них – система освещения Philips Hue, которая впервые появилась на рынке в 2012 году.

Вы ищете что-то немного другое? Популярность IKEA 2017 Zigbee – совместимых осветительных приборов также растет.

Как насчет универсальной домашней системы «все-в-одном»? Iris от Lowes предлагает постоянно растущую линейку продуктов для обеспечения безопасности и автоматизации для дома с использованием технологии Zigbee. Samsung SmartThings Hub также работает с Zigbee.

Ищете больше? Comcast, Honeywell, Intel, Kwikset и WeMo также активно поддерживают Zigbee, также, как и популярный обучающий термостат Nest.

Тестовые сценарии

Автоматическое управление освещениемИспользуемые устройства:

Датчик движения AEOTEC Multisensor 6-in-1
FIBARO Dimmer 2
FIBARO RGBW модуль

, Сценарий «Выключить свет через 30 минут, если нет движения» с помощью FIBARO Home Center 2.Сценарий «Выключить свет через 30 минут, если нет движения» с помощью RaZberry.Сценарий «Днем включать свет на 100%, ночью на 20%» с помощью RaZberry.Перенос выключателя в удобное местоИспользуемые устройства:

Выключатель на батарейке Z-Wave.Me Dual Paddle WC
FIBARO Dimmer 2
FIBARO RGBW модуль

Сценарий «ВКЛ/ВЫКЛ бра и светодиодную ленту с выключателя» с помощью FIBARO Home Center 2.Сценарий «ВКЛ/ВЫКЛ бра и светодиодную ленту с выключателя» с помощью RaZberry.Управление климатомИспользуемые устройства:

Устройство управления кондиционером Remotec ZXT-120
Термоголовка на батарею Danfoss Living Connect
Датчик открытия двери/окна FIBARO Door/Window Sensor

Сценарий «При открытии окна выключить кондиционер» с помощью FIBARO Home Center 2.Сценарий «При открытии окна выключить кондиционер» с помощью RaZberry.Охрана помещенияИспользуемые устройства:

Датчик движения AEOTEC Multisensor 6-in-1
Датчик открытия двери/окна FIBARO Door/Window Sensor

Если установлен режим «Дом на охране», при срабатывании любого из датчиков отправлять тревожное сообщение, если установлен режим «Охрана снята», при срабатывании любого из датчиков выключаем кондиционер или управляем освещениемСценарий «Режим комфорт — режим охрана» с помощью FIBARO Home Center 2.Сценарий «Режим комфорт — режим охрана» с помощью RaZberry.

Все о Z-Wave

Z-Wave – это протокол беспроводной связи, разработанный Zensys в 2001 году. Семь лет спустя Sigma Designs приобрела эту запатентованную технологию.

Как и Zigbee, Z-Wave состоит из сетчатой сети, которая для связи использует радиоволны с низким энергопотреблением. Эта технология прежде всего используется для подключения автоматизированного освещения.

В отличие от Zigbee, Z-Wave не является открытой системой и поэтому доступен только клиентам Zensys и Sigma Designs. Хотя это может показаться на первый взгляд ограниченным, на самом деле это одна из самых сильных сторон протокола. Одним из важнейших преимуществ закрытой системы является безопасность. Каждая сеть Z-Wave и ее продукты имеют уникальные идентификаторы, используемые для связи с вашим концентратором, и этот идентификатор добавляет еще один уровень безопасности, который выходит за рамки шифрования AES-128.

Недостатки Z-Wave

Он поддерживает только 232 узла, что значительно меньше, чем 65 000 узлов, поддерживаемых стандартом Zigbee
Относительно медленный, поддерживает только скорость передачи данных до 100 Кбит/с

Насколько закрыта система Z-Wave? Поскольку это закрытая система, существует риск, что Z-Wave может внезапно исчезнуть с рынка. Однако этого, вероятно, не произойдет. В конце концов, Z-Wave Alliance состоял из 450 членов и 1700 сертифицированных продуктов. Другими словами, Z-Wave никуда не денется в ближайшее время.

Интеллектуальная домашняя совместимость

Существует множество умных домашних продуктов с совместимостью с Z-Wave, включая освещение, датчики, интеллектуальные замки, термостаты и многое другое.

Для продуктов безопасности вы не ошибетесь в смарт-замках Schlage или в беспроводной системе Piper all-in-one. Также стоит рассмотреть популярный продукт Z-Wave First Alert 2-in-1 детектор дыма и угарного газа. Термостаты, совместимые с Z-Wave, включают в себя, GoControl и Honeywell, среди прочих.

Какая из них лучше?

Zigbee и Z-Wave – это хорошо зарекомендовавшие себя продукты с собственными наборами плюсов и минусов. Z-Wave часто критикуют за закрытую систему. Однако одним из преимуществ этого является контроль, который он дает домовладельцам. Z-Wave Alliance гарантирует, что каждое устройство Z-Wave соответствует строгим стандартам. Напротив, Zigbee, из-за открытого исходного кода, иногда критикуют по причине отсутствия взаимодействия.

С точки зрения конечных пользователей, я убежден, что большинство людей будут довольны продуктами из любого лагеря. К счастью, все большее число интеллектуальных домашних устройств теперь предлагают более одного стандарта, поэтому вам необязательно делать выбор. Например, концентратор Samsung SmartThings использует оба протокола.

Кроме того, благодаря IFTTT даже интеллектуальные осветительные приборы, которые используют разные стандарты, могут работать вместе. Другими словами, даже если они несовместимы, ваши интеллектуальные решения освещения могут быть связаны друг с другом, используя эту бесплатную службу на основе веб-приложений и сервисов.

Умная домашняя индустрия будет продолжать меняться в течение следующих нескольких лет, поскольку она приобретает популярность. Две вещи, которые почти наверняка не изменятся, – это зависимость отрасли от протоколов Zigbee и Z-Wave, позволяющая устройствам взаимодействовати друг с другом. Каждый из них имеет ряд хорошо зарекомендовавших себя продуктов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

4,3 млрд зашифрованных кодов безопасности для предотвращения клонирования;
Используемый сетевой протокол обеспечивает надежность;
Удаленный мониторинг (через Интернет или мобильный телефон);
Не требует прокладки новых кабелей;
Масштабируем и расширяем в любой момент новыми устройствами;
Может быть построен с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом;
Гарантирует совместимость со всеми устройствами от разных производителей, имеющих соответствующий логотип Z-Wave.

Недостатки

Хотя технология Z-Wave является интересным решением, особенно для уже построенных домов, низкая скорость передачи данных исключает передачу изображений, звука и других данных;
Кроме того, для решений где требуется более 30 устройств, Z-Wave начинает становиться более дорогим, чем кабельные системы;
Из-за своих конструктивных особенностей, такие системы имеют ограниченные масштабы и радиус действия, и требуют использования повторителей или даже кабелей.

Основные требования Z-Wave Plus по сравнению с Z-Wave

время жизни на элементах питания на 50 % больше
дальность действия на 67 % больше
пропускная способность на 250 % больше (100 кбит/с)
обязательное использование трёх каналов радио частот для большей надёжности
режим Plug-n-Play благодаря обязательному использованию Network-wide Inclusion
самолечение сети благодаря обязательному использованию «исследовательского кадра» (Explorer Frame)
стандартизованный формат для обновления устройств по воздуху (OTA)
контроллеро-центрированный подход (все события помимо прочего приходят на контроллер)
обязательная первая группа Ассоциаций для отчётов контроллеру (группа “Life Line“)
обязательное упоминание Z-Wave Plus при продаже
стандартизованное описание режимов включения/исключения и других специфических для Z-Wave терминов в инструкциях

Z Wave устройства

Z Wave оборудование — это огромный ассортимент датчиков, контроллеров и исполнительных устройств, которые можно разделить на два вида.

Типы узлов в сети Z Wave:

Контроллеры. Бывают портативные (можно переносить) и статические (не должны менять своего расположения). Первичный (главный) контроллер необходим для создания и поддержания работоспособности сети: он сохраняет все маршруты сигналов, следит за топологией и узлами, входящими в состав. В сети может находиться только один первичный, в то время как вторичных контроллеров может быть любое количество. В среднем ценовом сегменте пользуется спросом Z Wave Me Hub контроллер, Vera и Fibaro выпускают устройства выше классом, известные своей надёжностью и долговечностью. Иногда используют как контроллер Z Wave (Умный дом) Razberry Pi 3 — бюджетный мини-компьютер с помощью платы расширения RaZberry становится контролирующим устройством.

Дочерние устройства (ДУ). К ДУ относят и датчики (например, danfoss Z Wave датчики для измерения температуры в помещении), и исполнителей (например, Z Wave реле и диммер для управления освещённостью). Раньше выпускались дочерние устройства, которые могут только получать и отвечать на запросы, сейчас в продажу поступают маршрутизирующие ДУ, которые сохраняют в памяти до 4 маршрутов для 5 узлов, наиболее продвинутые ДУ способны запомнить маршруты ко всем узлам, находящимся в составе сети.

Чтобы создать сеть Z Wave, потребуется установить первичный (главный) контроллер, желательно расположить его в центре планируемой сети. После настройки контролера надо последовательно подключить модули с постоянным питанием, ориентируясь на предполагаемые маршруты передачи сигналов. В последнюю очередь добавляют те узлы, которые не участвуют в маршрутизации. Заканчивают развёртывание сети подключением пультов и вторичных контроллеров.

После того, как сеть развёрнута можно настроить сценарии и правила управления для отдельных устройств и сформированных групп.

Настройка и использование

По итогам установки по определенному порту вам открывается достаточно неплохой интерфейс Z-way Server. Как и большинство современных веб-интерфейсов у вас появляется возможность посмотреть список устройств, управлять этими устройствами, добавить устройства, посмотреть комнаты, установить плагины, посмотреть плагины в отдельном маркет-плейсе и так далее.

Небольшая часть многообразного списка доступных устройств

Z-way Server является достаточно полноценным «хабом» для ваших Z-wave устройств.

С помощью него вы можете добавить все ваши устройства в HomeKit, позволить их исследовать Алексе, наверное, даже добавить в Google Home.

MarketPlace на Z-way Server

Веб-интерфейс действительно хорош.

Покопавшись с интерфейсом я решил установить свое первое Z-wave устройство и попробовать его подключить этим устройством стал наиболее банальнейший вариант (и наверное самый распростаненный) — Fibaro Single Switch 2.

Процесс установки Z-wave устройства

И здесь настало мое второе испытание. С помощью веб-интерфейса я так и не смог пройти весь путь настройки до конца. Если вдруг Z-way обнаруживал свитч, то установка прерывалась на 99 % ошибкой. После 4 попыток я решил сделать перерыв, вышел в список устройств и «о чудо»… Я увидел 4 добавленных свитча, при клике на которые даже что-то работало. С задержкой, не каждый раз, но работало… По итогам я удалил все устройства и заново добавил, опять «напоролся» на ошибку, вышел в список устройств, и там (как и в прошлый раз) был более-менее стабильно работающий свитч.

После чего был установлен плагин HomeKit, устройство было добавлено в «Дом», а я на третий день мучений наконец-то смог дальше заниматься своими делами.

Попытка взаимодействовать с устройством… Думаем…

Как подключить умную лампочку?¶

Чтобы подключить умную лампочку:

Отключите лампу.
Запустите процедуру добавления.
Дождитесь окончания подготовки контроллера (быстро мигает).
Когда будет предложено включить лампу, убедитесь, что контроллер мигает медленно.
Включите лампу и не выключайте.
Лампа должна моргнуть и добавиться.

Если этого не произошло в первые 3–5 секунд, быстро включите и выключите лампу три раза (т.е. это надо сделать за 1–2 секунды) и оставьте включённой — лампа должна моргнуть и добавиться.

Если у вас лампа модели Zipato RGBW, то для сброса настроек такой лампы постучите по ней три раза — после этого лампа должна моргнуть и добавиться.

Обзор

Z-Wave — это беспроводная радио технология с низким энергопотреблением, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд с малыми задержками (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обусловлен малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от загруженного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к мероприятиям, уменьшающим возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств — Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth).

Z-Wave предназначен для создания недорогой и энергоэффективной потребительской электроники, в том числе устройств на батарейках, таких как пульты дистанционного управления, датчики дыма, температуры, влажности, движения и других датчиков безопасности.

По состоянию на 2020й год, Z-Wave поддерживается более чем 700 производителями по всему миру и покрывает широкий спектр потребительских и коммерческих продуктов в США, Европе и Азии. Нижние слои протокола, MAC и PHY, описываются ITU-Т G.9959 и полностью обратно совместимы. Радио чипы Z-Wave поставляются компаниями Sigma Designs и Mitsumi. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой. Совместимость подтверждается процессом сертификации Z-Wave или Z-Wave Plus.

В основе решения Z-Wave лежит ячеистая сеть (mesh сеть), в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы. Mesh это самоорганизующаяся сеть с маршрутизацией, зависящей от внешних факторов — например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия.

Некоторые производители продуктов Z-Wave предлагают решения с открытыми исходными кодами или открытым простым API. С 2010 года активно развивается проект под названием Open-ZWave, который предоставляет возможность создавать контроллеры Z-Wave без приобретения SDK от Sigma Designs.

Разработчик протокола Z-Wave — датская компания Zensys, которая с 2008 года принадлежит американской компании Sigma Designs.

Топология и маршрутизация

Каждая Z-Wave сеть определяется идентификатором сети (Network ID) и может включать до 232 узлов, определяемых идентификатором устройства (Node ID).

Network ID (он же Home ID) является общим идентификатором всех узлов, принадлежащих к одной логической Z-Wave сети. Network ID имеет длину 4 байта (32 бит) и присваивается каждому устройству через основной (primary) контроллер, когда устройство подключается к сети. Узлы с различными идентификаторами сети не могут общаться друг с другом.

Node ID представляет собой адрес одного узла в сети. Node ID имеет длину 1 байт (8 бит). Два узла не могут иметь одинаковый Node ID. Таким образом, вы имеете полный контроль над вашей Z-Wave сетью.

Z-Wave использует ячеистую топологию сети с маршрутизацией сообщений от источника (англ. Source routing) и имеет один основной контроллер и ноль или более вторичных контроллеров, которые управляют маршрутизацией и безопасностью. Устройства могут общаться друг с другом с помощью промежуточных узлов и обходить препятствия или мертвые радио-зоны, которые могут возникать. Сообщение от узла A к узлу C может быть успешно доставлено, даже если два узла расположены не в радиус действия связи, это осуществляется с помощью третьего узла B, который может взаимодействовать с узлами А и С. Если предпочтительный маршрут недоступен, отправитель будет пытаться связаться другими маршрутами, пока путь не будет найден к узлу «C». Таким образом, Z-Wave сеть может иметь радиус передачи гораздо больший, чем дальность передачи одного узла. Однако, из-за этих прыжков (hops) может быть получена небольшая задержка между командой управления и желаемым результатом. Для того, чтобы Z-Wave устройства имели возможность маршрутизировать данные ими не запрашиваемые, они не могут находиться в спящем режиме. Таким образом, устройства с питанием от батареек не предназначены в качестве устройств ретрансляции. Z-Wave сеть может включать до 232 устройств с возможностью расширения (bridging) сети, если требуется ещё несколько устройств.

В более поздних версиях Z-Wave, был введен новый механизм исследования топологии сети. Так называемые исследовательские кадры («explorer frames») могут использоваться для восстановления нарушений маршрутов, вызванных перемещением или удалением устройств. Для передачи кадров исследования сети используется принцип дерева принятия решений с отсечением ветвей (англ. pruning), и, следовательно, информация должна достичь целевого устройства, даже без знания топологии передатчиком. Исследовательские кадры используются в качестве последнего варианта на передающем устройстве, когда все другие попытки маршрутизации не удались.

Особенности технологии

Включение света при движении и поддержание постоянной температуры с помощью датчиков и контроллеров — это только вершина айсберга, возможности автоматизации уже сейчас огромны и продолжают расти с новыми сценариями и оборудованием. Протокол Z Wave обладает рядом особенностей, которые позволяют эти возможности воплотить в жизнь:

Технология реализуется за счёт модулей (чипов), которые производители встраивают в оборудование. Функционирует несколько поколений чипов, все они гарантированно совместимы.
Для работы используется довольно свободный диапазон частот (в устройствах, предназначенных для России — это 869 МГц), это минимизирует помехи. При создании домашней сети стоит использовать устройства только одной частоты, необязательно российской.
В сеть можно объединить до 232 устройств, но, как правило, используют 5-100 узлов.
Хотя радиус действия одного узла не больше 50 метров, вся сеть может занимать значительно большие площади за счёт ячеистой структуры — отдельные узлы могут выступать в качестве ретрансляторов и передавать сигнал по цепочке, пока он не дойдёт до точки назначения.

Более 700 производителей разного ценового сегмента используют эту технологию для выпуска продукции, которую можно купить как в магазинах, так и заказать онлайн. При этом в продажу поступают не только отдельные датчики или исполнительные устройства, но и сформированные автоматизированные системы, например, Heatit Z Wave Thermostat.

Для разработки новых изделий на основе этого протокола предназначен специальный набор Development Kit, состоящий из ПО, документации и инструментальных средств разработчика. Для личных проектов разработчики используют платформу Z-Uno (иногда её называют протокол Z Wave + Arduino) — это плата, содержащая передатчик Z Wave программируемая с помощью Arduino IDE.

Радио спецификация

Пропускная способность: 9.6, 40 или 100 кбит/с с полной совместимостью
Модуляция: GFSK, Manchester channel encoding и NRZ
Радиус действия: приблизительно 30 метров в условиях прямой видимости; в помещении уменьшается в зависимости от формы и материала стен. Также зависит от вида антенны.
Частотный диапазон: 869.0 МГц (Россия); 908.42МГц (Соединенные Штаты); 868.42 МГц (Европа и страны CEPT); 919.82 МГц (Гонконг); 921.42 МГц (Австралия / Новая Зеландия)..

В Европе частотная полоса 868 МГц имеет ограничение в 1 % рабочего цикла, таким образом, Z-Wave устройство может передавать только 1 % времени. Z-Wave устройства могут находиться в режиме энергосбережения и активны только 0,1 % времени, таким образом существенно снижая потребление энергии.

Z-Wave Alliance

Z-Wave Альянс — это открытый консорциум, объединяющий более 700 (по состоянию на 2020 год) независимых производителей, которые создают продукцию и услуги на основе Z-Wave. Члены Z-Wave Alliance — это лидеры отрасли всего спектра рынка домашней автоматизации: разработчики программного обеспечения и крупнейшие дистрибьютеры оборудования Z-Wave, операторы связи, управляющие компании и магазины электроники. Общая цель консорциума — координация направления развития протокола Z-Wave, организация выставок и маркетинговых мероприятий, маркетинговая поддержка членов альянса, контроль за сертификацией устройств Z-Wave.

Основные члены включают ADT, GE/Jasco, Evolve, Ingersoll-Rand, Linear, FAKRO и Sigma Designs. В России также есть производители, официальные представители и инсталляторы Z-Wave Alliance: DEFARO Z-Wave.Me, ИМАГ, Tronic.

По состоянию на 2020, на рынке представлено более 2700 различных сертифицированных продуктов.

Микросхемы Z-Wave

Существует несколько поколений чипов Z-Wave:

1-ое поколение (серия 100), 2001 год, уже не найти, базировался на Atmel, 9.6 кбит/с
2-ое поколение (серия 200), 2005 год, появление 40 кбит/с, больше памяти и периферии, был полностью вытеснен 100 % совместимым 3-им поколением
3-ое поколение (серия 300), 2006 год, улучшение энергопотребления и мощности излучения
4-ое поколение (серия 400), 2008 год, значительное улучшение функциональности и периферии, увеличение памяти, появление полосы 100 кбит/с, OTP
5-ое поколение (серия 500), 2013 год, незначительное улучшение функциональности и периферии, увеличение памяти

Все микросхемы были доступны в варианте SoC или в варианте модулей. Модули содержат SoC и частотные фильтры, что существенно упрощает создание устройств.

Модули ZM2101, ZM3202, ZM4102 и ZM5202 являются 100 % совместимыми по расположению и функциональности ног, что делает возможным лёгкое обновление существующих устройств. Аналогично, совместимы модули ZM4101 и ZM5101.

На данный момент Sigma Designs предлагает два варианта микросхем и три варианта модулей.

Список источников