Z-Wave

Z-Wave является запатентованным беспроводным протоколом связи, разработанным для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления в жилых и коммерческих объектах. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как осветительные приборы, приборы отопления, устройства контроля доступа, развлекательные системы и бытовую технику.

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 2014 год, Z-Wave поддерживается более чем 250 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.

Z-Wave Plus

В 2013 году Sigma Designs и Z-Wave Alliance представили расширение протокола Z-Wave, названное Z-Wave Plus.

Фактически, это обычный протокол Z-Wave, дополненный списком более строгих требований по сравнению с обычными требованиями сертификации Z-Wave. Z-Wave Plus полностью включает в себя все требования Z-Wave. Новые требования направлены на улучшение совместимости устройств на рынке.

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 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 во 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 Alliance

Z-Wave Альянс — это открытый консорциум, объединяющий более 250 (по состоянию на 2014 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

По состоянию на 2014, на рынке представлено более 1100 различных сертифицированных продуктов.

Настройка сети

Z-Wave использует ячеистую топологию сети и можно создать сеть с одного управляемого и одного управляющего устройства. Дополнительные устройства могут быть добавлены в любое время, так же как и несколько управляющих контроллеров, в том числе традиционные ручные контроллеры, управляющие ключи-брелоки, настенные переключатели и ПК приложения, предназначенные для управления и контроля Z-Wave сетью.

Устройства должны быть «включены» в Z-Wave сеть, прежде чем ими можно будет управлять. Этот процесс, известный как «сопряжение» («pairing») и «добавление» («adding»), обычно достигается путём нажатия последовательности клавиш на контроллере и устройстве, которое добавляется в сеть. Эта последовательность должна быть выполнена только один раз, после чего устройство всегда признается контроллером. Устройства могут быть удалены из Z-Wave сети аналогичным процессом нажатия кнопок.

Этот процесс подключения повторяется для каждого устройства в системе. Контроллер запоминает мощность сигнала устройства во время процесса подключения, таким образом, архитектура предполагает, что устройства должны быть расположены в окончательном месте, прежде чем они будут добавлены в систему.

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.

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.

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.

Преимущества и недостатки

Преимущества

1. 4,3 млрд зашифрованных кодов безопасности для предотвращения клонирования;
2. Используемый сетевой протокол обеспечивает надежность;
3. Удаленный мониторинг (через Интернет или мобильный телефон);
4. Не требует прокладки новых кабелей;
5. Масштабируем и расширяем в любой момент новыми устройствами;
6. Может быть построен с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом;
7. Гарантирует совместимость со всеми устройствами от разных производителей, имеющих соответствующий логотип Z-Wave.

Недостатки

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

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

Ссылки

• [www.sigmadesigns.com/ Sigma Designs], владелец технологии Z-Wave
• [www.z-wavealliance.org Z-Wave Альянс], открытый консорциум из более чем 250 производителей

Отрывок, характеризующий Z-Wave

– Oui, sire, et elle est en cendres a l'heure qu'il est. Je l'ai laissee toute en flammes, [Да, ваше величество, и он обращен в пожарище в настоящее время. Я оставил его в пламени.] – решительно сказал Мишо; но, взглянув на государя, Мишо ужаснулся тому, что он сделал. Государь тяжело и часто стал дышать, нижняя губа его задрожала, и прекрасные голубые глаза мгновенно увлажились слезами.
Но это продолжалось только одну минуту. Государь вдруг нахмурился, как бы осуждая самого себя за свою слабость. И, приподняв голову, твердым голосом обратился к Мишо.
– Je vois, colonel, par tout ce qui nous arrive, – сказал он, – que la providence exige de grands sacrifices de nous… Je suis pret a me soumettre a toutes ses volontes; mais dites moi, Michaud, comment avez vous laisse l'armee, en voyant ainsi, sans coup ferir abandonner mon ancienne capitale? N'avez vous pas apercu du decouragement?.. [Я вижу, полковник, по всему, что происходит, что провидение требует от нас больших жертв… Я готов покориться его воле; но скажите мне, Мишо, как оставили вы армию, покидавшую без битвы мою древнюю столицу? Не заметили ли вы в ней упадка духа?]
Увидав успокоение своего tres gracieux souverain, Мишо тоже успокоился, но на прямой существенный вопрос государя, требовавший и прямого ответа, он не успел еще приготовить ответа.
– Sire, me permettrez vous de vous parler franchement en loyal militaire? [Государь, позволите ли вы мне говорить откровенно, как подобает настоящему воину?] – сказал он, чтобы выиграть время.
– Colonel, je l'exige toujours, – сказал государь. – Ne me cachez rien, je veux savoir absolument ce qu'il en est. [Полковник, я всегда этого требую… Не скрывайте ничего, я непременно хочу знать всю истину.]
– Sire! – сказал Мишо с тонкой, чуть заметной улыбкой на губах, успев приготовить свой ответ в форме легкого и почтительного jeu de mots [игры слов]. – Sire! j'ai laisse toute l'armee depuis les chefs jusqu'au dernier soldat, sans exception, dans une crainte epouvantable, effrayante… [Государь! Я оставил всю армию, начиная с начальников и до последнего солдата, без исключения, в великом, отчаянном страхе…]
– Comment ca? – строго нахмурившись, перебил государь. – Mes Russes se laisseront ils abattre par le malheur… Jamais!.. [Как так? Мои русские могут ли пасть духом перед неудачей… Никогда!..]
Этого только и ждал Мишо для вставления своей игры слов.
– Sire, – сказал он с почтительной игривостью выражения, – ils craignent seulement que Votre Majeste par bonte de c?ur ne se laisse persuader de faire la paix. Ils brulent de combattre, – говорил уполномоченный русского народа, – et de prouver a Votre Majeste par le sacrifice de leur vie, combien ils lui sont devoues… [Государь, они боятся только того, чтобы ваше величество по доброте души своей не решились заключить мир. Они горят нетерпением снова драться и доказать вашему величеству жертвой своей жизни, насколько они вам преданы…]
– Ah! – успокоенно и с ласковым блеском глаз сказал государь, ударяя по плечу Мишо. – Vous me tranquillisez, colonel. [А! Вы меня успокоиваете, полковник.]
Государь, опустив голову, молчал несколько времени.
– Eh bien, retournez a l'armee, [Ну, так возвращайтесь к армии.] – сказал он, выпрямляясь во весь рост и с ласковым и величественным жестом обращаясь к Мишо, – et dites a nos braves, dites a tous mes bons sujets partout ou vous passerez, que quand je n'aurais plus aucun soldat, je me mettrai moi meme, a la tete de ma chere noblesse, de mes bons paysans et j'userai ainsi jusqu'a la derniere ressource de mon empire. Il m'en offre encore plus que mes ennemis ne pensent, – говорил государь, все более и более воодушевляясь. – Mais si jamais il fut ecrit dans les decrets de la divine providence, – сказал он, подняв свои прекрасные, кроткие и блестящие чувством глаза к небу, – que ma dinastie dut cesser de rogner sur le trone de mes ancetres, alors, apres avoir epuise tous les moyens qui sont en mon pouvoir, je me laisserai croitre la barbe jusqu'ici (государь показал рукой на половину груди), et j'irai manger des pommes de terre avec le dernier de mes paysans plutot, que de signer la honte de ma patrie et de ma chere nation, dont je sais apprecier les sacrifices!.. [Скажите храбрецам нашим, скажите всем моим подданным, везде, где вы проедете, что, когда у меня не будет больше ни одного солдата, я сам стану во главе моих любезных дворян и добрых мужиков и истощу таким образом последние средства моего государства. Они больше, нежели думают мои враги… Но если бы предназначено было божественным провидением, чтобы династия наша перестала царствовать на престоле моих предков, тогда, истощив все средства, которые в моих руках, я отпущу бороду до сих пор и скорее пойду есть один картофель с последним из моих крестьян, нежели решусь подписать позор моей родины и моего дорогого народа, жертвы которого я умею ценить!..] Сказав эти слова взволнованным голосом, государь вдруг повернулся, как бы желая скрыть от Мишо выступившие ему на глаза слезы, и прошел в глубь своего кабинета. Постояв там несколько мгновений, он большими шагами вернулся к Мишо и сильным жестом сжал его руку пониже локтя. Прекрасное, кроткое лицо государя раскраснелось, и глаза горели блеском решимости и гнева.
– Colonel Michaud, n'oubliez pas ce que je vous dis ici; peut etre qu'un jour nous nous le rappellerons avec plaisir… Napoleon ou moi, – сказал государь, дотрогиваясь до груди. – Nous ne pouvons plus regner ensemble. J'ai appris a le connaitre, il ne me trompera plus… [Полковник Мишо, не забудьте, что я вам сказал здесь; может быть, мы когда нибудь вспомним об этом с удовольствием… Наполеон или я… Мы больше не можем царствовать вместе. Я узнал его теперь, и он меня больше не обманет…] – И государь, нахмурившись, замолчал. Услышав эти слова, увидав выражение твердой решимости в глазах государя, Мишо – quoique etranger, mais Russe de c?ur et d'ame – почувствовал себя в эту торжественную минуту – entousiasme par tout ce qu'il venait d'entendre [хотя иностранец, но русский в глубине души… восхищенным всем тем, что он услышал] (как он говорил впоследствии), и он в следующих выражениях изобразил как свои чувства, так и чувства русского народа, которого он считал себя уполномоченным.
– Sire! – сказал он. – Votre Majeste signe dans ce moment la gloire de la nation et le salut de l'Europe! [Государь! Ваше величество подписывает в эту минуту славу народа и спасение Европы!]
Государь наклонением головы отпустил Мишо.


В то время как Россия была до половины завоевана, и жители Москвы бежали в дальние губернии, и ополченье за ополченьем поднималось на защиту отечества, невольно представляется нам, не жившим в то время, что все русские люди от мала до велика были заняты только тем, чтобы жертвовать собою, спасать отечество или плакать над его погибелью. Рассказы, описания того времени все без исключения говорят только о самопожертвовании, любви к отечеству, отчаянье, горе и геройстве русских. В действительности же это так не было. Нам кажется это так только потому, что мы видим из прошедшего один общий исторический интерес того времени и не видим всех тех личных, человеческих интересов, которые были у людей того времени. А между тем в действительности те личные интересы настоящего до такой степени значительнее общих интересов, что из за них никогда не чувствуется (вовсе не заметен даже) интерес общий. Большая часть людей того времени не обращали никакого внимания на общий ход дел, а руководились только личными интересами настоящего. И эти то люди были самыми полезными деятелями того времени.
Те же, которые пытались понять общий ход дел и с самопожертвованием и геройством хотели участвовать в нем, были самые бесполезные члены общества; они видели все навыворот, и все, что они делали для пользы, оказывалось бесполезным вздором, как полки Пьера, Мамонова, грабившие русские деревни, как корпия, щипанная барынями и никогда не доходившая до раненых, и т. п. Даже те, которые, любя поумничать и выразить свои чувства, толковали о настоящем положении России, невольно носили в речах своих отпечаток или притворства и лжи, или бесполезного осуждения и злобы на людей, обвиняемых за то, в чем никто не мог быть виноват. В исторических событиях очевиднее всего запрещение вкушения плода древа познания. Только одна бессознательная деятельность приносит плоды, и человек, играющий роль в историческом событии, никогда не понимает его значения. Ежели он пытается понять его, он поражается бесплодностью.
Значение совершавшегося тогда в России события тем незаметнее было, чем ближе было в нем участие человека. В Петербурге и губернских городах, отдаленных от Москвы, дамы и мужчины в ополченских мундирах оплакивали Россию и столицу и говорили о самопожертвовании и т. п.; но в армии, которая отступала за Москву, почти не говорили и не думали о Москве, и, глядя на ее пожарище, никто не клялся отомстить французам, а думали о следующей трети жалованья, о следующей стоянке, о Матрешке маркитантше и тому подобное…
Николай Ростов без всякой цели самопожертвования, а случайно, так как война застала его на службе, принимал близкое и продолжительное участие в защите отечества и потому без отчаяния и мрачных умозаключений смотрел на то, что совершалось тогда в России. Ежели бы у него спросили, что он думает о теперешнем положении России, он бы сказал, что ему думать нечего, что на то есть Кутузов и другие, а что он слышал, что комплектуются полки, и что, должно быть, драться еще долго будут, и что при теперешних обстоятельствах ему не мудрено года через два получить полк.
По тому, что он так смотрел на дело, он не только без сокрушения о том, что лишается участия в последней борьбе, принял известие о назначении его в командировку за ремонтом для дивизии в Воронеж, но и с величайшим удовольствием, которое он не скрывал и которое весьма хорошо понимали его товарищи.
За несколько дней до Бородинского сражения Николай получил деньги, бумаги и, послав вперед гусар, на почтовых поехал в Воронеж.
Только тот, кто испытал это, то есть пробыл несколько месяцев не переставая в атмосфере военной, боевой жизни, может понять то наслаждение, которое испытывал Николай, когда он выбрался из того района, до которого достигали войска своими фуражировками, подвозами провианта, гошпиталями; когда он, без солдат, фур, грязных следов присутствия лагеря, увидал деревни с мужиками и бабами, помещичьи дома, поля с пасущимся скотом, станционные дома с заснувшими смотрителями. Он почувствовал такую радость, как будто в первый раз все это видел. В особенности то, что долго удивляло и радовало его, – это были женщины, молодые, здоровые, за каждой из которых не было десятка ухаживающих офицеров, и женщины, которые рады и польщены были тем, что проезжий офицер шутит с ними.
В самом веселом расположении духа Николай ночью приехал в Воронеж в гостиницу, заказал себе все то, чего он долго лишен был в армии, и на другой день, чисто начисто выбрившись и надев давно не надеванную парадную форму, поехал являться к начальству.
Начальник ополчения был статский генерал, старый человек, который, видимо, забавлялся своим военным званием и чином. Он сердито (думая, что в этом военное свойство) принял Николая и значительно, как бы имея на то право и как бы обсуживая общий ход дела, одобряя и не одобряя, расспрашивал его. Николай был так весел, что ему только забавно было это.
От начальника ополчения он поехал к губернатору. Губернатор был маленький живой человечек, весьма ласковый и простой. Он указал Николаю на те заводы, в которых он мог достать лошадей, рекомендовал ему барышника в городе и помещика за двадцать верст от города, у которых были лучшие лошади, и обещал всякое содействие.
– Вы графа Ильи Андреевича сын? Моя жена очень дружна была с вашей матушкой. По четвергам у меня собираются; нынче четверг, милости прошу ко мне запросто, – сказал губернатор, отпуская его.
Прямо от губернатора Николай взял перекладную и, посадив с собою вахмистра, поскакал за двадцать верст на завод к помещику. Все в это первое время пребывания его в Воронеже было для Николая весело и легко, и все, как это бывает, когда человек сам хорошо расположен, все ладилось и спорилось.
Помещик, к которому приехал Николай, был старый кавалерист холостяк, лошадиный знаток, охотник, владетель коверной, столетней запеканки, старого венгерского и чудных лошадей.
Николай в два слова купил за шесть тысяч семнадцать жеребцов на подбор (как он говорил) для казового конца своего ремонта. Пообедав и выпив немножко лишнего венгерского, Ростов, расцеловавшись с помещиком, с которым он уже сошелся на «ты», по отвратительной дороге, в самом веселом расположении духа, поскакал назад, беспрестанно погоняя ямщика, с тем чтобы поспеть на вечер к губернатору.