+7(861) 242-17-98

О технологии Z-Wave

Z-Wave — это европейский стандарт домашней автоматизации, поддерживаемый более чем 150 компаниями, и разработанный датской компанией ZenSys (сейчас часть Sigma Designs). Все устройства, работающие на протоколе Z-Wave совместимы друг с другом, что подтверждается Z-Wave сертификацией. Использование радио шины позволяет устанавливать систему не изменяя уже существующую проводку, что существенно повышает привлекательность такого решения.

Технология Z-Wave разработана в расчёте, что основные параметры системы пользователь может изменять сам, не привлекая компанию-инсталятора. В то же время, по функционалу домашней автоматизации Z-Wave не уступает аналогам (KNX, LonWorks, C-Bus, EnOcean), являясь существенно более дешёвым решением. Использование в системе компьютерных контроллеров позволяет значительно расширить функционал, а также интегрировать Z-Wave в уже существующую систему автоматизации.

Протокол Z-Wave работает на частоте 869 МГц, что делает его мало чувствительным к помехам со стороны радио- и сотовых телефонов, бытовых приборов и компьютерных сетей Wi-Fi. Устройства сети Z-Wave являются не только передатчиками (выключателями) или исполнителями (реле, диммерами), но и ретрансляторами, т.е. способны участвовать в пересылке сигнала от одного устройства к другому, что позволяет обходить препятствия на прямом пути между устройствами, делая сеть более надёжной (так называемая ячеистая сеть, mesh network). Радиус действия устройств доходит до 30 метров, а сеть в целом может иметь размеры до 120-150 метров в диаметре.

Ниже представлено более техническое описание протокола Z-Wave.

Что такое Z-Wave?

Z-Wave — это распространённый радио протокол передачи данных, предназначенный для домашней автоматизации. Характерной особенностью Z-Wave является стандартизация от физического уровня, до уровня приложения. То есть протокол покрывает все уровни OSI классификации, что позволяет обеспечивать совместимость устройств разных производителей при создании гетерогенных сетей.

Что позволяет делать технология Z-Wave?

  • Управление освещением (реле/диммеры), шторами, рольставнями и воротами;
  • Сбор данных со счётчиков;
  • Управление жалюзи и другими моторами (10-230 В);
  • Связь с любым программным обеспечением через ПК контроллер;
  • Включение/выключение любых нагрузок до 3.5 кВт (модуль в розетку или встраиваемое реле);
  • Управление A/V аппаратурой (по протоколу Z-Wave или через ИК интерфейс имитируя пульт);
  • Дистанционное управление с ПДУ;
  • Мониторинг состояния (датчики температуры, влажности, освещённости);
  • Управление обогревом (электрические тёплые полы с защитой от перегрева, электро котлы и радиаторы, термостаты для водяных клапанов радиаторов);
  • Детектирование тревожных событий (датчики движения, открытия двери/окна, протечки, сухие контакты);
  • Управление кондиционерами (через ИК интерфейс имитируя пульт).

Какие задачи лучше всего решает Z-Wave?

Протокол Z-Wave был разработан для квартир и небольших домов. Обычно такие системы содержать от 5 до 100 устройств. Основная особенность Z-Wave состоит в том, что он относится к формату «сделай сам» (DIY), то есть установку и настройку системы владелец жилья может сделать самостоятельно. Протокол разрабатывался специально для управления такими устройствами как свет, жалюзи, ворота, термостаты и другими путём передачи коротких команд, требующих небольшого энергопотребления. Типичные небольшие задачи, решаемые при помощи Z-Wave — это установка проходных выключателей, перенос выключателей на более удобный уровень, дистанционное управление воротами и жалюзи, включение света по датчикам движения. Все эти задачи не требуют перекладывания проводов. Существуют и более сложные проекты автоматизации квартир, не уступающие по сложности промышленным системам автоматизации.

Построение сети и сосуществование нескольких сетей

Сеть Z-Wave определяется уникальным параметром Home ID (генерируется при создании сети генератором случайных чисел с шумом от радиоприёмника в качестве источника случайных числе или назначается Sigma Designs для старых контроллеров). На одной территории может сосуществовать несколько сетей Z-Wave с разными Home ID. При этом они не будут друг друга видеть и друг с другом взаимодействовать. Благодаря обязательному требованию скважности (не более 1% времени находится в состоянии передачи), эти сети не будут друг другу мешать.

У каждого узла в сети есть свой уникальный Node ID, который присваивается первичным контроллером при включении устройства в сеть. Также при включении в сеть включаемое устройство запоминает Home ID первичного контроллера для дальнейшего общения. Сеть может содержать до 232 устройств.

Включение происходит переводом контроллера в специальный режим Включения (Inclusion mode; обычно какой-то специальной кнопкой или комбинацией клавиш), а включаемого устройства в режим Обучения (Learn mode; обычно одинарным или тройным нажатием на кнопку). При этом контроллер и включаемое устройство должны находиться в прямой видимости. Многие современные (версии протокола 4.5x или 6.x) постоянно питающиеся (не спящие) устройства первые 3-5 минут после включения в сеть электропитания самостоятельно переходят в специальный режим обучения (Network Wide Inclusion, NWI), если они ещё не включены в сеть. При этом условие нахождения в прямой видимости уже не требуется. Это позволяет достаточно легко включать в сеть новые устройства, не бегая по дому.

Исключение из сети происходит аналогично: контроллер переводится в режим Исключения (Exclusion mode), а дочерний узел в режим Обучения. После исключения Node ID и Home ID устройства сбросятся на 0 (для контроллеров NodeID сбросится на 1, а HomeID на заводское значение). Большинство устройств при исключении сбросит и все остальные пользовательские настройки на заводские значения.

Стоит отметить, что устройство уже прописанное в одной сети не включится в другую сеть. Но исключить из сети может любой первичный контроллер (даже устройство не из своей сети).

Контроллеры и дочерние устройства включаются в сеть и исключаются из неё одинаковым образом.

При включение в сеть первичный контроллер получает информацию о типе включённого узла и его NIF.

Работа от батареек

Большой плюс протокола Z-Wave — это возможность для устройств работать на батарейках. Существует два типа устройств, работающих от батареек:

Спящие. Такие устройства не будут участвовать в маршрутизации сети как ретранслятор, но сами могут использовать другие узлы для передачи своих пакетов. Оповещение о пробуждении, периоды просыпания и уход в сон регулируются Классом Команд Wakeup, т.е. на уровне приложения. Проснувшись, эти устройства сообщают, о своём пробуждении, ждут команд от других устройств сети, после чего засыпают назад. Чем раньше устройство уснёт, тем меньше будет израсходовано заряда батареек. При правильном управлении такими устройствами, они могут прожить на одном комплекте батареек год и более. Портативные контроллеры тоже являются спящими устройствами.

Часто слушающие (FLiRS = Frequently Listening Routing Slave) — это устройства просыпающиеся раз в 0.25 или 1 секунду на короткое время (несколько миллисекунд) для того, чтобы проверить, нет ли в эфире специального пакета «проснись» (wake up beam). Такой пакет им посылают другие устройства перед тем, как начать общение с ними. Данный пакет длится 0.25 или 1 секунду соответственно, занимает эфир на всё это время, и позволяет часто спящему устройству, ненадолго проснувшись, увидеть, что для него есть пакет. Увидев пакет «проснись», оно полноценно просыпается, принимает предназначенные для него данные, обрабатывает их, возможно, посылает ответ, после чего засыпает назад. Такой механизм позволяет создавать устройства, доступ к которым должен всегда, но возможности провести сеть электропитания к месту их установки нет возможности. Типичный пример таких устройств: дверные замки, сирены.

Надёжность

Z-Wave — это ячеистая сеть (mesh network), где каждый узел знает окружающие его узлы и может направлять через них пакеты. Использование маршрутизации позволяет успешно преодолевать препятствия между узлами, не позволяющие им общаться напрямую. Однако перестановки мебели и другие изменения в обстановке, а также выход из строя одного узла могут привести к появлению нерабочих маршрутов. Для этого их нужно периодически обновлять. Первичный контроллер может это делать профилактически раз в неделю или по запросу пользователя.

Но в протоколе Z-Wave есть и другое средство для замены нерабочих маршрутов рабочими, появившееся в версии протокола 4.5. Если узел не смог достучаться до точки назначения, он посылает всем соседям специальный пакет Explore Frame. Те в свою очередь распространяют его дальше по сети, пока какой-нибудь узел не скажет, что искомый узел нашёлся у него в прямой видимости. Таким образом отправитель найдёт новый маршрут и запомнит его в своих таблицах. Данный метод менее экономный, чем централизованное обновление маршрутов всей сети: для обхода умершего узла требуется, чтобы каждый узел обновил каждый маршрут, идущий через нерабочий, путём посылки Explorer Frame. Кроме того, использование Explorer Frame занимает около 0.5-1 секунды, и на это время сеть забивается этими пакетами.

На пути следования может содержаться до 4 узлов передатчиков. Учитывая предельные расстояния между устройствами 10-30 метров в прямой видимости (зависит от антенн), можно сказать, что предельная дальность доставки пакета — 40-120 метров. Естественно при прохождении перекрытий и стен мощность сигнала существенно падает, что приводит и к уменьшению дальности передачи. На практике 4 этажный дом с общей площадью в 500 квадратных метров — это предел одной сети протокола Z-Wave с качественной передачей данных.

Безопасность

Естественно, будучи радио протоколом, Z-Wave достаточно легко прослушивается (ну, мы-то знаем, что на всю страну осталось совсем мало способных радиолюбителей. Взломать можно любую систему — вопрос денег и времени. Став разработчиком железа, купив SDK и обретя много знаний можно сделать и не такое! Но учитывая, что это система домашней автоматизации света и климата, не думаю, что кому-то придёт в голову потратить пару сотен тысяч рублей на взлом вашей автоматизации. Лом стóит сильно дешевле!

Но и здесь есть ответ параноикам: в Z-Wave есть полноценное шифрование AES с длиной ключа 128 бит. Естественно, шифрование накладывает свои ограничения: оно работает медленнее, т.к. уже не достаточно просто отправить пакет — надо до этого обменяться одноразовыми ключами (nonce). Потому шифрование реализовано пока только в оконных системах, дверных замках и ПК контроллерах.

Организационно-правовые аспекты

Сам протокол Z-Wave, а также патенты на используемые в протоколе решения, является собственностью компании Sigma Designs. Функции координации производителей, развития протокола и проведение рекламных и обучающих мероприятий возложены на Z-Wave Aliance — консорциум производителей оборудования Z-Wave. Контроль совместимости возложен на сертификационные конторы (в США BuLogics и в Германии PepperoOne), которые сертифицируют все выходящие на рынок устройства, гарантируя полную совместимость между устройствами разных производителей. Только пройдя такую сертификацию можно нарисовать на своём устройстве логотип Speaks Z-Wave и продавать его как устройство, работающее на протоколе Z-Wave.

Компания Sigma Designs и Z-Wave Aliance постоянно проводят семинары для технических специалистов разного уровня, помогая быстрее выйти на рынок с качественными устройствами.

До недавнего времени Z-Wave не развивался в России из-за отсутствия разрешённой частоты. Европейская частота 868.42 МГц не была разрешена ГКРЧ, хотя правительство РФ и присоединилось к некоторым рекомендациям CEPT, применяемым к устройствам малого радиуса действия. С февраля 2012 года Sigma Designs выделила отдельную частоту 869.0 МГц для России. Данная частота попадает под решение ГКРЧ № 07-20-03-001 от 07.05.2007 (приложение 11). Для Российской частоты используется тот же чип, что и для Европы.