Перевод с английского: Z-Wave.ru

Еще одна домашняя сеть: простая, но надежная; этот менее известный протокол конкурирует со стандартом ZigBee, поддерживаемым IEEE. Автор объясняет основы технологии Z-Wave и сравнивает ее с ZigBee 

Последняя буква английского алфавита стала неожиданно очень популярной среди разработчиков сетей беспроводных сенсоров. Некоторое время назад на страницах технических вестников и журналов было опубликовано много статей о 802.15.4 и ZigBee сетях. Занимательно, что примерно в то же время протокол Z-Wave был представлен маленькой датской компанией Zensys.  

Для многих людей представление Z-Wave прошло незамеченным; медленно но верно, Z-Wave набрал обороты и стал прямым конкурентом ZigBee в области домашней автоматизации. Все же, определенное сходство с ZigBee в функциональности, применении и названии все равно оставляют Z-Wave незамеченным многими разработчиками. 

Что такое Z-Wave?

Z-Wave это собственный беспроводной протокол, ориентированный на рынок автоматизации жилого сектора. Концептуально Z-Wave предназначен для того, чтобы обеспечить возможность просто и надежно контролировать свет и устройства в вашем доме. Для этого продукт компании Zensys включает в себя чип с низкоскоростной передачей данных, который обеспечивает уверенную доставку данных, а также простоту и гибкость при переконфигурации решений.

Z-Wave работает в промышленном, научном и медицинском частотном диапазоне на единой частоте, используя частотную модуляцию сигнала. Пропускная способность канала составляет 40Кб/с (9.6 Кб/с при использовании старых чипов) и достаточна для контроля устройств и сенсоров.

Максимальное количество узлов в сети Z-Wave – 232, сеть может состоять из двух наборов узлов – контроллеры и ведомые устройства. Узлы могут быть сконфигурированы так, чтобы ретранслировать сообщения, это гарантирует связь устройств в любом случае. Среднее расстояние между двумя узлами составляет 30 м, сообщение может быть передано между узлами сети до 4 раз, таким образом, покрытие является достаточным для большинства жилых домов.

Zensys предлагает интегральную схему, спаренную со стеком Z-Wave. 8-мибитный микроконтроллер имеет радиочастотный приемник с тщательно выбранными периферийными устройствами и минимумом внешних компонентов.

Z-Wave Alliance – это консорциум производителей, которые выпускают продукцию, базирующуюся на технологии Z-Wave (www.z-wavealliance.org). Всего несколько известных компаний подписались там как поддерживающие стандарт Z-Wave - Leviton, Intermatic, и Honewell среди них. Достаточно удобно следить за распространением Z-Wave, просматривая сайт альянса на предмет наличия новых производителей, выпускающих продукцию Z-Wave. 

Первыми Z-Wave устройствами, представленными на рынке, были наборы контроля освещения для жилья, они находятся в продаже в магазинах розничной торговли или в интернет. Обычно, стартовый набор включает в себя два модуля диммеров и мастер-контроллер. Линейка оборудования Z-wave состоит по большей части из модулей контроля света и приборов, выключателей света, портативных контроллеров, и таких устройств как Z-Wave термостат, устройство сопряжения с X10 и серийный контроллер интерфейса для персонального компьютера. 

Обзор стека протокола

Одной из целей компании Zensys было предложить упрощенный беспроводной протокол, который бы с достаточной надежностью передавал сообщения в пределах жилого здания. Стек Z-Wave состоит из необходимого минимума (как показано на рис. 1): физический/канальный уровень – для контроля доступа к радиочастотный среде передачи данных, транспортный уровень, на котором осуществляется проверка целостности пакетов данных, подтверждения и ретрансляции, и сетевой уровень, отвечающий за маршрутизацию и интерфейсы приложений.  

Рисунок 1. Стек протокола Z-Wave и его применение

Z-Wave работает на частотах 908МГц (США) и 860МГц (Европа) на нелицензируемых диапазонах. Он использует частотную модуляцию с манчестерским канальным кодированием. Изначально протокол был представлен со скоростью передачи 9600 бит/с, но позже она была повышена до 40 Кб/с. Новые устройства обратно совместимы с низкоскоростными, но Zensys обозначил свое намерение вывести из употребления низкоскоростные устройства в будущем. Данные передаются 8-мибитными блоками, и самый значимый бит передается первым.

Каждая группа данных на физическом/канальном уровне начинается с синхронизационного заголовка, далее следует разделитель начала пакета данных (Start of Frame, SoF), за ним – основные данные, и завершается все конечным разделителем (End of Frame, EoF), как показано на рис. 2. Максимальный объем передаваемых данных – 64 бита.

Рис. 2

Протокол Z-Wave использует стандартные методы исключения конфликтов, когда передача откладывается на произвольное число миллисекунд, пока среда передачи занята. 

Транспортный уровень Z-Wave контролирует передачу данных между двумя узлами, включая ретрансляцию, проверку контрольной суммы и подтверждения. Используются 4 типа пакетов данных, которые имеют общую структуру компоновки. Перед основными данными идет заголовок пакета, содержащий информацию об идентификаторе сети, идентификаторе узла-отправителя данных, размере пакета данных и типе данных. Для проверки целостности данных, байт контрольной суммы передается в конце пакета данных.

Если сообщение принято успешно, то узлу-отправителю данных отправляется подтверждение (АСК). Подтверждение имеет ту же форму, что и обычный пакет данных, в нем отсутствует только основная часть данных.

Если адрес назначения задан как 0xFF, данные передаются в широковещательном формате, и все узлы в сети получают сообщение. В то же время, пакеты данных могут иметь больше одного адреса назначения, что делает их мультиадресными сообщениями. В этом случае, данные будут переданы только избранным узлам. Многоадресные сообщения передаются от 1 до 232 узлам. Этот тип пакета данных, также как и широковещательный, не поддерживает подтверждения. 

Сетевой уровень Z-Wave контролирует маршрутизацию пакетов данных от одного узла к другому. И контроллеры, и ведомые устройства могут участвовать в маршрутизации пакетов данных, в случае, если они всегда слушают и имеют статическую позицию. Этот уровень ответственнен за передачу пакетов с правильным списком повторителей и за проверку того, что пакет передается от узла к узлу. В случае контроллера, сетевой уровень также ответственен за сканирование сетевой топологии и поддержку карты маршрутизации. 

Уровень приложений Z-Wave ответственен за декодирование и выполнение команд в сети Z-Wave. Пакет данных на уровне приложений содержит заголовок, который описывает тип пакета, командную информацию и другие связанные параметры. Команды разделены на 2 класса: команды протокола Z-Wave и специальные команды приложений. Для большинства устройств команды протокола обеспечивают только логику назначения домашнего идентификатора и идентификатора узла, но для более сложных устройств, таких как статический контроллер обновления (SUC) или сервер идентификации - статический контроллер обновления (SIS), добавляются дополнительные функции сетевого менеджмента. 

Каждая сеть Z-Wave имеет уникальный 32-битный идентификатор, называемый домашним идентификатором (Home ID). Контроллеры имеют предустановленный сетевой идентификатор, ведомые устройства получают Home ID от контроллера при подсоединении к сети. Если к сети подсоединяется еще один контроллер, он наследует Home ID от первичного контроллера.

Индивидуальные узлы в сети адресуются с использованием 8-мибитного идентификатора узла (8-bit Node ID), который также назначается контроллером. Node ID уникален только в пределах своей сети.

Чтобы получить специфическую информацию об узле, Z-Wave использует пакет информации об узле. Этот пакет является частью Z-Wave протокола и определяет возможности узла. Эти возможности: тип узла, способность узла повторять пакеты, и другие моменты, связанные с протоколом. Информация об узле также содержит Home ID и Node ID.

Для приложения возможно опросить каждый узел в сети на предмет информации о нем, и таким образом дать возможность любому узлу получать информацию о возможностях другого узла в сети в любое время.

Типы устройств

Существуют два основных типа устройств, определяемых протоколом Z-Wave: контроллеры и подчиненные устройства. Контроллеры способны инициировать передачу, а также хранить информацию, связанную с сетевой маршрутизацией. Ведомые устройства, с другой стороны, являются конечными устройствами с вводом-выводом общего назначения (GPIO) – тип устройств, которые просто выполняют запросы контроллера. Это верно также и для ретрансляции сообщений – в полученных пакетах контроллер инструктирует определенное ведомое устройство, должно ли сообщение быть ретранслировано или нет. 

Портативные контроллеры

Определение «портативный контроллер» означает, что прибор может свободно менять свое положение в сети. У него есть возможность скрывать или обнаруживать свое положение в сети, опрашивая окружающие узлы. Обычно портативные контроллеры являются устройством, питающимся от батареи, и применяются пользователем для отсылки команд в сеть. 

Вторая, но также важная функция портативного контроллера – включать или исключать устройства из сети. Каждая Z-Wave сеть должна иметь один первичный контроллер, который управляет процессом включения/исключения устройств в сети и хранит последнюю конфигурацию сети. Другие контроллеры копируют эту информацию из первичного контроллера. Операция подсоединения узла в сеть включает в себя обмен данными между выбранным узлом и первичным контроллером, и выполняется с помощью низко-энергетической передачи. Это существенно упрощает конфигурацию сети с точки зрения пользователя, но также обуславливает необходимость для одного из портативных контроллеров принимать на себя роль первичного контроллера.

Статические контроллеры  

Статические контроллеры имеют фиксированное положение в сети и питаются от источника питания. Они всегда находятся в режиме приема, поэтому другие приборы могут связываться с ними в любое время. В более сложной сети, статический контроллер может расширить свою функциональность и стать устройством для хранения последней конфигурации сети, и стать статическим контроллером обновления (SUC). Статический контроллер может даже стать первичным контроллером в сети и использовать портативные котроллеры как прокси, чтобы включать/исключать другие узлы. В этом случае статический контроллер становится идентификационным сервером – статическим контроллером обновления (SIS). 

Естественно, статические контроллеры могут работать как мосты для других элементов домашней экосистемы, таких, как сеть TCP/IP или тривиальные устройства Х10, что занимательно, сеть Z-Wave может поддерживать до 125 виртуальных узлов, используя выделенные мостовые контроллер(ы). Мостовой контроллер, в котором реализован функционал виртуального узла, дает возможность беспрепятственно внедрить сеть Z-Wave в тех местах, где уже применены другие технологии домашней автоматизации. Другими словами, вы можете добавлять устройства Z-Wave (такие как устройства X10) в существующую сеть и использовать мостовой контроллер, чтобы обеспечить обмен данными между различными сетями. На стороне сети Z-Wave, модули X10 выглядят как обычные модули Z-Wave, и наоборот. Позже вы можете захотеть сделать апгрейд системы и заменить все устройства модулями Z-Wave. Эта задача может быть выполнена в сети Z-Wave замещением существующих виртуальных узлов реальными.

Ведомые устройства имеют гораздо более простую функциональность, чем контроллеры. Они не могут инициировать передачу, а только отвечают на запросы контроллера. Поэтому, чтобы получить информацию от обычного ведомого устройства, контроллер должен опрашивать его статус через определенные периоды времени. Ведомые устройства могут быть использованы для ретрансляции данных, в этом случае они называются маршртутизационными устройствами, но они должны иметь постоянное питание, чтобы находиться в режиме приема все время. Т.к. маршрутизационные устройства могут передавать незатребованные сообщения, такие устройства могут быть использованы там, где периодический опрос недопустим, например в пожарной или охранной сигнализации. 

Если ведомое устройства предназначено для работы от батареи, как сенсор, который периодический входит в активный режим чтобы связаться со статическим контроллером, задачей разработчика является реализовать такую логику в приложение контроллера, которая бы переводила ведомое устройство в спящий режим на определенный период времени и создать соответствующую логику в приложении ведомого устройства, чтобы извещать статический контроллер каждый раз, когда ведомое устройство входит в активный режим.

Работа сети

Менеджмент узлов Z-Wave состоит из двух основных операций; включение/исключение и ассоциирование.

Включение инициирует новые узел в сети. Обратно, исключение, которое описывает процесс изъятия устройства из сети.Только первичные контроллеры могут включать и исключать узлы в сети.

Процесс включения начинается с активации инициатора в контроллере и ведомом устройстве одновременно. Инициатором может быть физическая кнопка, специальная активации кнопки (например, нажатие на 2 секунды), комбинация кнопок (например, нажатие двух кнопок одновременно), или пункт в системном меню.

Когда пакет данных с информацией об узле получен от неинициализированного узла, первичный контроллер назначит Home ID и Node ID ведомому устройству или другому контроллеру. В этом случае, устройство автоматически становится вторичным контроллером. Как часть процесса включения дополнительных контроллеров в сеть, происходит автоматическая репликация таблиц маршрутизации и, опционально, другой информации из первичного контроллера в новый контроллер. Это гарантирует, что новый контроллер будет иметь самую последнюю доступную информацию по маршрутизации. На последующих уровнях, когда первичный контроллер уже синхронизировался с новыми узлами (или узлы были стерты), новая репликация может быть инициирована при помощи активации кнопок инициации на обоих контроллерах. Это обновление сетевой информации может выполняться полуавтоматически, если использовать функциональность SUC.

Ассоциирование – это создание логической связи между устройствами. Другими словами, оно используется, чтобы назначить, какое устройство что контролирует. И первичные и вторичные контроллеры могут выполнять ассоциирование. Если процесс включения выполняется внутри протокола Z-Wave, функция ассоциирования является задачей приложения. Также как включение, ассоциирование происходит, когда инициатор одновременно активируется на контроллере и ведомом устройстве.

Принципы маршрутизации

Во время процесса включения, первичный контроллер опрашивает ведомые устройства на предмет краткой информации о других Z-Wave устройствах, достижимых в его текущем положении. Информация хранится в таблице маршрутизации, как показано на рис. З, и представляет собой мгновенную топологию сети. Если положение узла меняется, топология сети должна быть заново изучена и таблица маршрутизации обновлена.

Рис. 3. Сетевая топология и таблица маршрутизации

Z-Wave использует маршрутизацию от источника, когда контроллерное устройство, которое инициирует сообщение, генерирует полный путь до конечного пункта назначения через определенное количество передач. Путь помещается в пакет данных, и каждое промежуточное устройство, которое получает пакет с маршрутной информацией, направляет его в соответствии с содержимым пакета. 

Маршрутизация от источника позволяет использовать легкий протокол передачи без распространения сетевой информации. Минусом такого подхода является увеличенная длина пакета, т.к. путь должен быть прописан в основном массиве данных.

Говоря в общем, т.к. контроллеры - это мобильные устройства (за исключением таких как SUC и SIS), им нужно определять их положение в сети каждый раз перед отправкой сообщений ведомым устройствам.

Учитывая средний размер дома, контроллер будет пытаться связаться с узлом сначала напрямую. Если попытка неудачна, контроллеру нужно определить свое текущее положение в сети; чтобы ускорить этот процесс, контроллер хранит 2 записи – список наиболее часто используемых узлов и список предпочитаемых повторителей.

Список наиболее часто используемых узлов - это список устройств, с которыми контроллер может связаться напрямую, приоритетность положения определяется частотой контактов контроллера с узлом в прошлом. Используя эту информацию, контроллер будет опрашивать другие узлы, чтобы определить их местоположение.

Далее контроллер пытается связаться с каким-либо предпочитаемым повторителем, это маленькая группа узлов, с которой необходимо связаться в один прием.

После того, как контроллер нашел достижимый узел как стартовую точку для повторения пакета данных, он рассчитывает самый короткий путь до точки назначения.

Аппаратная платформа

В настоящее время компания Zensys предлагает второе поколение своего чипа для узлов Z-Wave. ZW0201 построен на базе оптимизированного 8051 ядра микроконтроллера, который использует внешний кристалл 32МГц. (Внутренние системные часы 16МГц). Радиочастотная часть чипа содержит ЧМ-трансивер для частот 908.42МГц или 868.42МГц, определяется программно. Кроме радио, он включает в себя аппаратно реализованный модем и обработчик пакетов данных, чтобы высвободить ресурсы микроконтроллера. Цифровая часть интегральной схемы состоит из флеш-памяти 32Кб, статического ОЗУ 2Кб, и некоторого количества периферийных устройств. При напряжении источника питания 2.2-3.6В, ZW0201 потребляет 23мА в режиме передачи (около 5дБм) и 21мА и 3мА соответственно в режиме приема и «глубокого сна». 

Периферия микроконтроллера состоит из стандартных модулей, таких как универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП), последовательный интерфейс, таймеры, внешние прерыватели, управление питанием и детектирование провалов напряжения, а также специфических модулей для контрольных приложений: 12-битный АЦП, ШИМ и улучшенный симистор с линией детектирования, близкой к нулю. 10 линий интерфейса ввода-вывода уплотнены с другими периферийными функциями ввода-вывода, как показано на рис. 4.  

Рис. 4. Блок-схема ZW0201

Типичная цепь приложения для ZW0201 состоит из самого минимума дискретных компонентов: кристалл 16МГц с двумя конденсаторами и LC-фильтр для радиочастотной части чипа. Zensys предлагает ZM2102, модуль, который содержит интегрированный ZW0201 одиночный чип, системный кристалл, и радиочастотный входной каскад, как показано на рис. 5. В единичных количествах, модуль ZM2102 стоит $10 и требует только радиоантенну и питание, чтобы запустить ведомое устройство. Контроллеру потребуется отдельная последовательная энергонезависимая память (EEPROM), чтобы хранить сетевую топологию.

Рис. 5. Демонстрация форм-фактора модуля ZM2102 и типичной цепи приложений для интегральной схемы

Разработка приложений

Для упрощения разработки приложений Zensys предлагает набор библиотек, дифференцированных по типу устройства: контроллер, статический контроллер, мост, ведомое устройство, устройство маршрутизации. Как показано на рис. 1, для каждого типа устройства библиотека включает в себя не только стек протокола, но также системные компоненты (планировщик и таймеры), и основной цикл.

В зависимости от функциональности устройства (контроллер или ведомое устройство), разработчики предлагают дюжину или около того библиотек – API-приложения, которые применяются при администрировании протокола Z-Wave, системные таймеры и таймеры приложений, управление питанием и периферийные интерфейсы на чипе.

Приложение реализовывается как стационарная машина и периодически опрашивается главной линией связи Z-Wave. Оно взаимодействует с системой Z-Wave, используя библиотечные вызовы, определенные в API.

Z-Wave использует формат пакетов данных приложений чтобы представить высланные и полученные данные на уровне приложений. Как ранее описано, пакеты данных приложений несут информацию о классе команды, команде как таковой, списке параметров, определенных для этой команды. Классы команд это коллекция функционально связанных команд. Устройство может иметь несколько функций и таким образом поддерживать один или больше классов команд. Большинство классов команд состоят из структур SET, GET и REPORT. (Команда SET позволяет изменять записи данных на удаленном узле, GET – запрос для получения значения данных, и REPORT - это ответ на такой запрос). Чтобы гарантировать совместимость устройств, все команды, принадлежащие к одному классу команд, должны быть реализованы, если устройство поддерживает этот класс команд.

В настоящее время в Z-Wave определено около 50 классов команд. Среди них – базовый и продвинутый контроль света, бинарные и многоуровневые сенсоры, термостат, контроль гаража и другие. Для того, чтобы заявить, что командные классы поддерживаются определенным устройством, Z-Wave использует обмен пакетами данных об узле. Как упомянуто ранее, это происходит во время процесса включения, но пакет данных об узле может быть запрошен тогда, когда это нужно. Кроме информации о поддерживаемых классах команд, пакет данных об узле содержит информацию о классах устройства. Z-Wave определяет 3 категории классов устройств:

• Базовый класс устройств определяет функциональность протокола Z-Wave, базирующуюся на используемой библиотеке. В зависимости от типа устройства (ведомое устройство, контроллер, статический контроллер, или другое), разные программные библиотеки определяются в наборе разработчика ПО. Эти библиотеки отвечают за специфические функциональные возможности устройств определенного типа по отношению к работе сети. 
• Общие классы устройств определяют минимум функциональных возможностей, требуемых для запуска устройства, и набор обязательных классов команд, которые устройство поддерживает и контролирует, является опциональным набором командных классов.
• Специфические командные классы - это опциональные описания, связанные со специфическими возможностями использования устройств. Они наследуют все обязательные командные классы из Общих классов устройств и определяют дополнительные обязательные и опциональные классы, которые поддерживает устройство.

Z-Wave против ZigBee

Хотя сети беспроводных сенсоров это достаточно новая область деятельности, большинство читателей наверняка слышали другие названия, связанные с низкоскоростными беспроводными сетями. Zigbee это базирующийся на стандарте беспроводной сетевой протокол, который работает безопасно и надежно на низких скоростях передачи данных и низком уровне потребления энергии. Позиционирующие сенсоры, автоматика и контрольные приложения для промышленности, коммерческих и жилых зданий; ZigBee составляет логическую сеть и уровень приложений, но физический радиоинтерфейс, физический и канальные уровни, базируются на стандарте IEEE 802.15.4.

Похожая функциональность, приложения, время выхода на рынок, названия продуктов создают некоторую путаницу у людей, пытающихся понять разницу между ZigBee и Z-Wave. Таблица 1 кратко сравнивает 2 технологии без глубокого разделения их по аспектам протоколов; в этой таблице обозначены основные отличия и ограничения.

Таблица 1

Базирующаяся на спецификации 802.15.4 версии 2003 года, ZigBee оперирует тремя полосами радиочастот с максимальной скоростью передачи данных 250Кб/с. Но на более низких частотах, 908/860МГц, более поздний Z-Wave обеспечивает такой же (или более высокую) полосу пропускания, в сравнении со спецификацией 802.15.4. Работа радиомодулей Z-Wave и ZigBee, исследованная на открытом пространстве в условиях прямой видимости, между собой ничем не отличается. Но 802.15.4 радио имеет определенное преимущество в условиях «зашумленной» среды, т.к. здесь используется более современная техника модуляции и передача сигналов с расширенным спектром. 

Возможности сети, предлагаемой ZigBee значительно шире, чем у Z-Wave: размер самой сети больше, различные технологии, более широкие возможности передачи данных между узлами и так далее. Получается, что в целом функциональные возможности Z-Wave могут быть внедрены как часть функциональности ZigBee. Это правда, т.к. сначала Z-Wave был надежным, компактным и легким беспроводным протоколом для контроля устройств в жилых помещениях. Это предпосылка определила размер сети, топологию и другие существенные параметры протокола. Например, благодаря ограничению количества пересылок сообщений между узлами до 4-рех, Z-Wave может использовать простой механизм маршрутизации и снизить требования к оперативной памяти узла. Возможно для промышленных применений это будет существенным ограничением, но для жилых помещений покрытие будет достаточным.

Существенным минусом Z-Wave является собственная природа протокола. Zensys и другие члены Альянса Z-Wave (Z-Wave Alliance) надеются, что протокол Z-Wave станет стандартом в домашней автоматизации, но пока это не так. С логической точки зрения, Zensys пока еще единственный поставщик для кремния, интегрированных модулей и программных библиотек.

Полетит или будет спотыкаться?

После 5ти лет изучения различных аспектов низкоскоростных беспроводных сетей, представляется довольно сложном покрыть все практические случаи и сценарии одним набором инструментов, поэтому однозначного выбора не существует. Однако, если смотреть с точки зрения потребителя, у Z-Wave есть ясное преимущество перед ZigBee. Устройства контроля света, диммеры, выключатели и устройства удаленного контроля от Leviton и Intermatic свободно продаются в магазинах электроники [речь о США]. Они успешно работают и по сравнению со «старыми добрыми» устройствами X10 являются гораздо более «продвинутыми» устройствами. Теперь, ответный шаг за ZigBee.