В предыдущей статье мы рассмотрели протокол ZigBee, плюсами которого является связь по радиоканалу и практически полное отсутствие проводов, а минусом — необходимость тщательно выбирать устройства для совместимости. В этой статье мы рассмотрим протокол Z-Wave, который так же является беспроводным, однако тут проблем стандартизации не возникает — все устройства, вне зависимости от фирмы-производителя, базируются на беспроводных модулях Zensys (именно эта компания разработала протокол).

Z-Wave — это беспроводной протокол, разработанный специально для дистанционного управления. В отличии от стандартов передачи данных IEEE 802.11, работающих в основном на частоте в 2.4 ГГц (ZigBee, Wi-Fi и Bluetooth), Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц (908.42 МГц в США и 868.42 МГц в Европе и России) — выбор такого диапазона обусловлен малым количеством источников помех, в отличии от загруженного диапазона в 2.4 ГГц.

История создания

Протокол Z-Wave был создан в 1999 году датской фирмой Zensys — их целью было создание протокола с высокой отказоустойчивостью и низким потреблением энергии. И им это удалось: первые такие устройства появились в 2001 году. 

В 2005 году была создана организация Z-Wave Alliance, в которую вошли производители устройств для этого протокола, и за более чем 10 лет в нее вступило более 250 производителей. Целью альянса было не только объединение производителей, но и сертификация устройств Z-Wave и решение маркетинговых вопросов.

В 2008 году американская компания Sigma Designs купила Zensys, что положительно сказалось на популяризации стандарта. На данный момент выпущено больше 1000 различных устройств Z-Wave, а их продажа превышает миллион единиц в год.

В 2013 году альянс представил улучшенную версию протокола — Z-Wave Plus. Фактически этот проколол выводил Z-Wave на более современный уровень: дальность передачи увеличилась на 67% (до 30 метров), время жизни от аккумулятора на 50%, пропускная способность теперь стала на 250% выше (100 кбит/с), а так же стало обязательным использование трех радиоканалов для большей надежности. Разумеется, Z-Wave Plus был полностью совместим с Z-Wave.

Технические характеристики протокола

В основе протокола Z-Wave лежит ячеистая сеть, в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы:

Ячеистая топология в Z-Wave является самоорганизуемой — например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия. Всего в сети может быть до 232 узлов. Каждой логической подсети Z-Wave присваивается собственный идентификатор Network ID, имеющий длину 4 байта. Устройства в подсетях с разными Network ID не могут общаться друг с другом.

В отличии от ZigBee, адресация в сети Z-Wave осуществляется по адресу устройства внутри сети (Node ID, имеет длину 1 байт), а не по его уникальному идентификатору. За взаимодействие между устройствами в сети отвечает первичный (центральный) контроллер, он же отвечает и за связь с внешним миром. Центральный контроллер может быть только один, однако протокол поддерживает возможность реализации в сети нескольких вторичных контроллеров.

Центральный контроллер так же хранит сеть маршрутов, по которым передаются данные между устройствами в сети (максимальный вес одного пакета данных — 46 байт), и при инициализации новых гаджетов он запоминает их расположение. Однако, так как адресация осуществляется не по идентификатору устройства, то перемещение устройства внутри сети может привести к появлению нерабочих маршрутов, так что возможно маршруты нужно будет обновить вручную. 

Так же протокол Z-Wave имеет функцию подтверждения доставки данных — при получении пакета данных конечным устройством оно высылает на центральный контроллер команду-подтверждение. Если команда не приходит в течении некоторого времени, то пакет данных отправляется еще раз.

Устройства в сети Z-Wave

Контроллеры делятся на две группы: статические и портативные. Центральный контроллер принадлежит первой группе — он обычно представляет собой устройство, подключенное к сети электропитания (есть возможность использовать ПК как первичный контроллер) и имеющее определенный неменяющийся адрес в сети — то есть он может как передавать, так и получать команды. Портативным контроллером является пульт дистанционного управления — он не имеет постоянного адреса в сети и он отсутствует в списке маршрутов, поэтому он может только отправить команду, но не может ее получить. 

Так же в сети могут быть так называемые FLiRS-устройства: они вынуждены работать с входящим сигналом (к примеру, «умные» замки). В таком случае для экономии заряда такие устройства раз в секунду проверяют, нет ли в сети пакета данных для него, и если он есть — устройство просыпается и выполняет свою функцию.

За все время существования протокола Z-Wave вышло 5 поколений устройств:

• 1 поколение (серия 100, 2001 год) — нет в продаже, базировалось на электронных компонентах Atmel, максимальная скорость передачи 9.6 кбит/с.
• 2 поколение (серия 200, 2005 год) — скорость выросла до 40 кбит/с, поддержка больших объемов памяти (2 кбайта ОЗУ и 32 кбайта ПЗУ) и периферии, было полностью вытеснено 100% совместимым 3 поколением.
• 3 поколение (серия 300, 2006 год) — улучшение энергопотребления и мощности излучения.
• 4 поколение (серия 400, 2008 год) — значительное улучшение функциональности и периферии, увеличение памяти (16 кбайта ОЗУ и 64 кбайта ПЗУ), появление полосы 100 кбит/с и OTP (постоянной памяти с пережигаемыми перемычками).
• 5 поколение (серия 500, 2013 год) — незначительное улучшение функциональности и периферии, увеличение объема ПЗУ до 128 кбайт.

Актуальными являются 3, 4 и 5 поколения — они полностью совместимы друг с другом. Однако для большей скорости и соответственно быстроты работы стоит брать устройства с поддержкой Z-Wave Plus (это 4 и 5 поколения).

Преимущества и недостатки протокола

Преимущества:

1. Используется шифрование по 128-битному алгоритму AES для предотвращения клонирования и взлома сети.
2. Гарантируется совместимость со всеми устройствами от разных производителей, входящих в Z-Wave Alliance.
3. Не требуется прокладка кабелей.
4. Сеть легко масштабируется и расширяется новыми устройствами.

Недостатки:

1. Скорости в 100 кбит/с хватает только для передачи команд, то есть нет возможности передавать графические изображения или звук.
2. Из-за ограниченного радиуса действия беспроводных устройств большие сети требуют использования повторителей и даже кабелей.
3. Сети, где требуется больше 30 устройств, становятся более дорогими, чем их кабельные аналоги.