Протокол Z-Wave

Благодаря автоматизации, человек способен большую часть рутинной работы перенести на машины и заниматься тем, чем ему интересно. А с системами «Умный дом», автоматизация бытовых приборов и возможностей выходит на новый уровень. Выбирая smart-систему, хотелось бы найти технологичную, недорогую и максимально простую в настройке и использовании? Тогда изучите протокол Z-Wave и все что с ним связано.

О Z-Wave: суть технологии

Z-Wave – это протокол беспроводной связи с малым расходом энергии, разработанный для управления на расстоянии, контроля и автоматизации устройств в пригодных для жизни помещениях.

Ранее закрытая технология передачи данных по радиоканалу, теперь открыта для каждого желающего создать на ее основе умный дом. Суть технологии проста – есть основной микроконтроллер и множество модулей малой мощи, встраиваемых в бытовые и иные приборы. Контроллер обеспечивает алгоритм работы системы, обмен информации по протоколу Z-Wave, выход на интерфейсы для дистанционного управления (ДУ). Модули, или дочерние устройства, размещаются по помещениям. Обычно, это датчики, сенсоры, диммеры. Они отвечают за выполнение команд, подаваемых с контроллера, например, оповещение о протечке воды или автоматическое движение роль ставней.

Z-Wave – это стандартизированный протокол связи, который используют множество компаний, для создания собственных решений «умного дома». В это множество входят главы более 700 компаний-производителей, создающих программы, услуги, умные устройства Z-Wave с помощью одноименной технологии. Производители образуют альянс, общая цель которого – согласование вопросов по развитию протокола Z-Wave, продвижения технологии, гаджетов и систем, построенных на этой технологии, в массы. В 2018 году зафиксировано более 2700 сертифицированных устройств.

Было бы идеально, если все компоненты систем, работающих по протоколу, могли работать между собой. Но это не так. Исходя из региона, используются различные модификации с неподходящими друг для друга частотами:

1. В Китае Z-wave девайсы работают на частоте 919.82 МГц
2. В Европе – 868,42 МГц.
3. Для России – 869 МГц.
4. Для Канады и США – 908,42 МГц.

Это значит, что компоненты систем, приобретенные на рынках Китая и России могут попросту не работать друг с другом. Это важная деталь, которая в будущем поможет не попасть в неприятную ситуацию.

Технические характеристики и особенности

У протокола Z-Wave есть несколько особенностей, которые реализуются для создания гибкого решения умного дома:

1. Система работает за счет небольших чипов (или модулей), встраиваемых производителями в оборудование.
2. Диапазон частоты 869 МГц (или другой поддерживаемый Z-Wave) – это чистый диапазон, по которому наименее всего гуляют потенциально возможные помехи.
3. В сеть умного дома можно включить до 232 устройств, хотя около 100 задействованных узлов – это система для большого коммерческого здания.
4. Один узел имеет радиус действия до 50 метров. Но ограничение не проблема, так как можно задействовать в узлах повторители, которые «доведут сигнал» по цепи до нужного узла, будь он хоть на удалении километра. Такая сеть из узлов и повторителей может охватить довольно большой радиус территории.

Так как Z-Wave имеет открытый исходный код, с помощью набора Development Kit, можно создать собственные автоматизированные команды или целую систему.

В комплект входят:

• контроллер и модули;
• программное обеспечение;
• техническая документация.

Энтузиасты еще используют платформу Z-UNO, позволяющую программировать контроллер, работающий по протоколу Z-Wave, с помощью среды разработки Arduino IDE.

За время существования технологии Z-Wave, создавалось несколько поколений чипов. Всего их семь. Последняя 700 серия 7-го поколения чипов вышла в 2018 году и сейчас используется производителями новых систем умного дома. Так получилось, что успешными чипами были нечетные серии, а безуспешными – четные. Самой непрактичной считается 200 серия, а 600 – вообще не вышла в производство. Успешными считаются пятое поколение 2013 года выпуска и седьмое.

Технические характеристики чипов последнего поколения:

• микропроцессор ARM Cortex-M 32-бит;
• оперативная память 8 Кб;
• постоянная память 64 Кб с возможностью перезаписи;
• есть поддержка Z-Wave Plus и протокола Z-Wave S2 Security.

Z-Wave Plus – это расширенный протокол технологии, улучшающий ее основные показатели: дальность действия, пропускная способность, увеличение времени наработки на отказ.

 Z-Wave S2 Security – это улучшенная версия безопасности, латающая дыры в обнаруженной ранее бреши. Для этого используется протокол шифрования Диффи-Хеллмана.

Топология сети: уровни

Сетевая модель стека сетевых протоколов Z-Wave имеет 7 уровней логической работы:

1. Физический. Имеет такие параметры, как частота передачи до 1 МГц. Скорость передачи информации: 9,6 Кбит/с (вариант для устаревших вариаций), 42 Кбит/с или 100 Кбит/с. Мощность – до 1 мВт. Скважность – не более 1 %.
2. Канальный. Используются пакеты с контрольной суммой и адресацией получателя и отправителя. Реализована также групповая передача пакета данных.
3. Сетевой. Здесь определяется протоколом алгоритм маршрутизации, который позволяет передавать информацию между устройствами в условиях не прямой видимости. Работающие узлы сети могут участвовать в пересылке пакетов другим участникам сети. Если по заданному маршруту не удается найти нужного адресата, используется специальный пакет-разведчик Explorer Frame, пытающийся найти в каждом узле нужного адресата.
4. Транспортный. Данный уровень гарантирует доставку пакета до адресата и будет ее делать до тех пор, пока она не станет успешной.
5. Сеансовый. Работает с шифрованием данных. На этом уровне используются короткие сеансы с одноразовым ключом.
6. Прикладной. Уровень описан набором классом команд. Класс устройства напрямую диктует условия для интерпретации под него некоторых команд.

Шестой уровень представления, отвечающий за кодирование и декодирование исключен из топологии сети Z-Wave.

Z-Wave устройства и производители

Хорошим производителем устройств умного дома Z-Wave является компания Fibaro, Польша. В 2018 году на выставке в Берлине, компания представила новые смарт-решения для дома. Комплект системы может практически все.

Состоит он из таких элементов:

1. Smart Implant – встраивается в бытовые приборы и делает их «умными».
2. Siren – усовершенствованным модуль безопасности. Любое смещение или его повреждение, тут же информирует по каналам связи владельца о проникновении в дом.
3. HomeKit Heat Controller – управление отоплением с помощью Apple HomeKit.
4. Roller Shutter 3 – умное управление рольставнями с помощью приложения вручную и через триггеры, с использованием подключенных датчиков.
5. RGBW Set – управление освещением.
6. FIBARO Installer App – приложение для ДУ всеми устройствами. Распознает голосовые команды, через Google Assistant и Siri.

Как работает смарт-имплант для умного, можно посмотреть в этом видео.

Что касается минимального комплекта, то он представляет собой:

• Контроллер: Home Center Lite и Home Center 2 (для более емких задач).

• На выбор, сенсоры, датчики, диммеры, умные розетки, работающие по протоколу Z-Wave.

• Программное обеспечение Fibaro Home Center для iOS, Android.

Для сравнения возможностей устройств, посмотрите других производителей:

1. Zipato – основной модуль ZipaTile.
2. Vera Control – контроллер Vera в нескольких модификациях.
3. HomeSeer Technologies – с хабом

Составные части сети

Каждая сеть умного дома Z-Wave, сделанная своими руками, или приобретенная у производителя, должна состоять из основного контроллера и дочерних устройств (модулей), к которым относится вся «умная» периферия.

Контроллер

Это сердце системы. И если он будет использоваться в системе без повторителей, то его желательно размещать в центре действия сети. Следует учитывать, что на расстояние беспроводной передачи данных влияет толщина и материал стен.

Хаб (Сетевой мост)

Если системе не обойтись без повторителей, то хаб можно использовать в качестве связующего узла. Также, он подойдет и в качестве основного контроллера, связующего до 200 модулей умного дома. Обычно, такие сетевые мосты универсальны и работают не только с Z-Wave, но и другими протоколами передачи данных: Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth. Подключать к сети или компьютеру их можно по Ethernet и USB соответственно.

Типы поддерживаемых датчиков и устройств

Система работает со всеми датчиками на одной частоте Z-Wave. Это могут быть датчики:

1. Бинарные сенсоры, которые отвечают за выполнение механической задачи, например детектирование движения.
2. Многопозиционные – универсальные, информирующие о резком скачке температуры, задымления или появления угарного газа.

Среди устройств можно выделить:

1. Моторы – для управления дворовыми и гаражными воротами.
2. Реле или диммер – для управления освещением.
3. Термостаты – для регулировки температуры.
4. Встраиваемые модули (импланты) для подключения через них любую технику в доме.

Все устройства Smart House можно купить у поставщиков в комплекте с контроллером, и по отдельности.