Оборудование Z Wave на базе умного дома: обзор новой технологии

Протокол Z Wave разрабатывался и внедрялся таким образом, чтобы идея «Умного дома» стала доступнее рядовым пользователям, а автоматизация более гибкой. Надо сказать, что это не единственная технология для «Умного дома», но очень распространённая и популярная. В чём её преимущества, уровни протокола и типы узлов, а также возможности технологии — подробнее в статье.

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:

1. Технология реализуется за счёт модулей (чипов), которые производители встраивают в оборудование. Функционирует несколько поколений чипов, все они гарантированно совместимы.
2. 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.
3. В сеть можно объединить до 232 устройств, но, как правило, используют 5-100 узлов.
4. 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.

Уровни логической работы Z Wave

Стандартная модель OSI используется для описания различных уровней логической работы протокола. Хотя модель включает 7 уровней, надо понимать, что уровень представления отсутствует.

Уровни протокола:

1. Физический. Частота передачи: до 1 МГц; скорость передачи: 9,6 Кбит/с (для старых моделей), 42 Кбит/с или 100 Кбит/с; мощность передачи не больше 1 мВт; скважность до 1%.
2. Канальный. При отправке пакетов используется адресация и получателя и отправителя, для пакетов применяется контроль целостности данных.
3. Сетевой. Маршрут сигнала в сети определяется отправителем, если узел не удаётся найти, то запускается алгоритм поиска узла с помощью пакета Explorer Frame, после нахождения которого, записывается новый маршрут. В передаче могут быть задействованы все постоянно работающие узлы
4. Транспортный. Доставка пакета будет осуществляться до тех пор, пока не придёт подтверждение о получении.
5. Сеансовый. Если применяется шифрование, то используется одноразовый ключ в коротких сеансах.
6. Прикладной. Для этого протокола подробно описаны наборы Классов Команд, при этом интерпретации некоторых команд зависит от Класса Устройства.

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.

Технология Z Wave разработана по системе DIY (do it yourself), то есть пользователь вполне способен разобраться и самостоятельно развернуть домашнюю сеть.

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.

Сравнение с конкурентами

Развернуть сеть «Умный дом» можно не только с помощью протокола Z-Wave, пользователям доступны и другие технологии:

• ZigBee;
• Wi-Fi;
• KNX;
• 1-Wire;
• X10;
• Insteon.

Однако основным конкурентов на сегодняшний день является ZigBee, сравнивая эти протоколы, можно выделить отличия:

1. ZigBee, в отличие от Z Wave — открытый продукт, поэтому разработчики могут корректировать и вносить изменения. С одной стороны, это делает протокол доступным и распространённым, с другой — нет гарантий совместимости после подобных изменений.
2. В сетях ZigBee немного выше скорость передачи — до 250 Кбит/с.
3. ZigBee не требует центрального контроллера и позволяет объединять в сеть до 65000 устройств (Z Wave только 232 устройства).

Оказавшись перед выбором ZigBee или Z Wave, пользователь должен решить, что для него важнее — скорость передачи или гарантированная совместимость устройств.

Сейчас концепция «Умный дом» развивается и находит всё новых приверженцев. Уже существуют способы объединять в сеть, устройства, использующие разные технологии, а также выпускаются продукты, поддерживающие сразу несколько протоколов. Пользователь может выбрать: использовать один стандарт для домашней сети или комбинировать протоколы.