Z-Wave

1.

Протокол Z-Wave
<date/time>
<footer>
1

2.

Что такое Z-Wave?
Z-Wave — это распространённый радио протокол передачи
данных, предназначенный для домашней автоматизации.
Характерной особенностью Z-Wave является стандартизация
от физического уровня, до уровня приложения. Т.е. протокол
покрывает все уровни OSI классификации, что позволяет
обеспечивать совместимость устройств разных
производителей при создании гетерогенных сетей.
11/4/2022
2

3.

Что позволяет делать технология Z-Wave?
Управление освещением (реле/диммеры), шторами, рольставнями и воротами
Управление жалюзи и другими моторами (10-230 В)
Включение/выключение любых нагрузок до 3.5 кВт (модуль в розетку или встраиваемое реле)
Дистанционное управление с ПДУ
Управление обогревом (электрические тёплые полы с защитой от перегрева, электро котлы и радиаторы,
термостаты для водяных клапанов радиаторов)
Управление кондиционерами (через ИК интерфейс имитируя пульт)
Детектирование тревожных событий (датчики движения, открытия двери/окна, протечки, сухие контакты)
Мониторинг состояния (датчики температуры, влажности, освещённости)
Управление A/V аппаратурой (по протоколу Z-Wave или через ИК интерфейс имитируя пульт)
Связь с любым программным обеспечением через ПК контроллер
Сбор данных со счётчиков
11/4/2022
3

4.

Какие задачи лучше всего решает Z-Wave?
Протокол Z-Wave был разработан для квартир и небольших
домов. Обычно такие системы содержать от 5 до 100
устройств. Основная особенность Z-Wave состоит в том, что
он относится к формату «сделай сам» (DIY), т.е. установку и
настройку системы владелец жилья может сделать
самостоятельно. Протокол разрабатывался специально для
управления такими устройствами как свет, жалюзи, ворота,
термостаты и другими путём передачи коротких команд,
требующих небольшого энергопотребления.
11/4/2022
4

5.

Какие задачи лучше всего решает Z-Wave?
Типичные небольшие задачи, решаемые при помощи Z-Wave
— это установка проходных выключателей, перенос
выключателей на более удобный уровень, дистанционное
управление воротами и жалюзи, включение света по датчикам
движения. Все эти задачи не требуют перекладывания
проводов. Существуют и более сложные проекты
автоматизации квартир, не уступающие по сложности
промышленным системам автоматизации.
11/4/2022
5

6.

Протокол передачи данных
Пройдёмся по всем уровням модели OSI (кроме
отсутствующего представительного) и опишем основные
характеристики Z-Wave.
11/4/2022
6

7.

Физический уровень
Передача данных осуществляется на частоте 869.0 МГц
(Россия), 868.42 МГц (Европа, страны CEPT, Китай, Сингапур,
ОАЭ, ЮАР), 908.42 МГц (США, Мексика), 921.42 МГц
(Австралия, Бразилия, Новая Зеландия), 919.8 МГц (Гонконг),
865.2 МГц (Индия), 868.2 МГц (Малайзия), Япония (951-956 и
922-926 МГц). Модуляция FSK (частотная манипуляция).
Скорость передачи: 42 кбит/с, 100 кбит/с и 9.6 кбит/с (для
совместимостью со старыми устройствами). Скважность не
более 1%. Предельная мощность передачи 1 мВт.
11/4/2022
7

8.

Канальный уровень
Используются пакеты с контролем целостности данных
(контрольная сумма) и адресацией получателя и отправителя.
В качестве получателя может использоваться multicast адрес
или broadcast (в этом случае пакет принимается всеми
участниками сети с включенным радио-модулем).
11/4/2022
8

9.

Сетевой уровень
Протокол Z-Wave определяет алгоритм маршрутизации,
позволяющий передавать данные между устройствами вне
прямой видимости. Все постоянно работающие узлы сети
(бывают ещё спящие и «часто слушающие» узлы) могу
участвовать в пересылке пакетов между другими участниками
сети. Z-Wave использует механизм Source Routing, т.е.
маршрут следования определяется отправителем. Broadcast и
multicast пакеты не маршрутизируются.
11/4/2022
9

10.

Сетевой уровень
При невозможности найти нужный узел по маршрутам,
записанным в памяти, существует механизм поиска узла по
всей сети путём посылки специального пакета Explorer Frame
(см. ниже) всем узлам сети. После успешного нахождения
узла новый маршрут записывается отправителем в память
для последующего использования.
11/4/2022
10

11.

Транспортный уровень
На данном уровне Z-Wave гарантирует подтверждение доставки и
повторную отправку в случае, если пакет не был доставлен до получателя.
Каждый узел, участвующий в пересылке, подтверждает факт получения
сообщения. Для уменьшения загрузки эфира в Z-Wave используется
механизм «молчаливых подтверждений»: узел (А), передавший пакет
следующему узлу (Б) на пути следования пакета не ждёт подтверждения
от него, а видит, что Б отправил пакет дальше узлу С и воспринимает это
как факт подтверждения успешной пересылки пакета от А к Б. Получив
пакет, конечный узел передаёт назад подтверждения доставки, которое
путешествует назад тем же маршрутом до исходного отправителя. Таким
образом отправитель всегда знает, дошёл ли пакет до точки назначения
или нет.
11/4/2022
11

12.

Сеансовый уровень
Используется только при использовании шифрования, где
определяются короткие сеансы с одноразовым ключом.
11/4/2022
12

13.

Прикладной уровень
Z-Wave также определяет алгоритм интерпретации
получаемых на прикладном уровне команд. Данный уровень
описан набором Классов Команд (Command Classes). Для
некоторых Классов существует несколько вариантов
интерпретации команд, которые зависят от Класса Устройства
(Device Class), определяющего тип устройства.
С 2012 года физический и канальный уровни протокола ZWave вошли в стандарт ITU-T G.9959 (рекомендации сектора
стандартизации электросвязи Международного союза
электросвязи).
11/4/2022
13

14.

Прикладной уровень
Уровни от транспортного до канального реализованы в
программном коде Sigma Designs и поставляются в
прекомпилированном виде (в комплекте SDK). С одной
стороны проприетарный код — это минус, но в закрытости
данного протокола есть и свои плюсы: ни один производитель
не может изменить нижние уровни протокола, что позволяет
легче обеспечивать совместимость — все устройства
основаны на одном хорошо отлаженном коде.
11/4/2022
14

15.

Прикладной уровень
Все команды в Z-Wave предельно компактно упакованы. Это
нужно для уменьшения размера пакета, что положительно
влияет на занимаемое в эфире время, а также на
уменьшение потерь при передаче. Z-Wave предназначен для
передачи коротких команд без открытия сессии, т.е. совсем не
подходит для потоковой передачи потоковых данных.
Максимальный полезный размер передаваемых данных
составляет 46 байт (размер данных прикладного уровня без
шифрования).
11/4/2022
15

16.

Решение на одном чипе
Теоретически реализовать протокол Z-Wave можно было бы
на любом железе, но и здесь производитель протокола Sigma
Designs (ранее Zensys, вошедшая в структуру Sigma Designs)
предлагают собственное решение.
11/4/2022
16

17.

Решение на одном чипе
Все устройства Z-Wave основаны на чипах одной серии от двух
производителей (Sigma Designs и Mitsumi). Данные микросхемы
доступны в двух вариантах: собственно чип и модуль, содержащий
минимальный необходимый набор компонентов для роботы радиомодуля. Для многих устройств ещё может понадобиться
дополнительно микросхема энергонезависимой памяти EEPROM,
однако она не является обязательным компонентом. Чипы
семейства Z-Wave — это ZW0201, более новый и 100%
совместимый с предыдущим ZW0301, SD3402. На их базе сделаны
модули ZM2102, ZM3102, ZM4101 и ZM4102. Все упомянутые чипы
основаны на ядре Inventra, совместимом с Intel 8051.
11/4/2022
17