Z-Wave: на волне автоматизации

История развития

Протокол Z-Wave появился на свет благодаря датской фирме Zensys — именно она взялась за разработку нового стандарта связи в далеком 1999 году. Целью сотрудников компании стало создание решения с низким энергопотреблением и высокой отказоустойчивостью. Запланированного результата удалось достичь спустя пару лет: первые прототипы устройств с поддержкой Z-Wave были представлены в 2001 году.

С целью популяризации протокола, в 2005 году была основана организация Z-Wave Alliance, в которую вошли производители соответствующего оборудования. Альянс взял на себя вопросы, связанные с маркетинговой поддержкой стандарта и сертификацией Z-Wave-устройств. За девять лет существования организации в нее вступило более 250 производителей.

Следующим крупным событием стало поглощение фирмы Zensys американской компанией Sigma Designs. Сделка произошла в 2008 году. Сменив хозяина, Z-Wave получил хороший толчок к дальнейшему развитию: последующие несколько лет популярность стандарта стремительно росла, в результате чего он смог завоевать значительную долю рынка. На сегодняшний день выпущено более тысячи различных устройств с поддержкой данного протокола, при этом общее число реализуемых Z-Wave-гаджетов превышает миллион единиц в год.

Особенности протокола

Как и конкурент в лице ZigBee, протокол Z-Wave передает данные через радиоканал. Используемые частоты варьируются в зависимости от региона. В частности, в США принято значение 908,42 МГц, в Европе — 868,42 МГц. В России для Z-Wave выделен частотный диапазон 868 МГц. Скорость передачи данных внутри беспроводной сети зависит от используемого оборудования и может достигать 100 Кбит/с. Протокол заточен под передачу коротких команд: максимальный размер пакета составляет 46 байт. Для потоковой передачи данных стандарт не подходит. Z-Wave имеет функцию подтверждения доставки пакета: если команда не достигла получателя, то устройство выполняет повторную отправку.

Z-Wave использует ячеистую топологию сети: устройства, питающиеся от электрической розетки, могут выступать в роли ретрансляторов, передавая сигнал по цепочке и увеличивая тем самым зону покрытия. В случае поломки одного из узлов, сеть имеет возможность перестроить маршрут и пустить данные «в обход». В поздних реализациях Z-Wave эта функция работает особенно эффективно благодаря использованию специального пакета Explorer Frame, который ретранслируется всеми узлами. Предельное расстояние между двумя Z-Wave-устройствами — от 10 до 30 метров, в зависимости от окружения.

В отличие от Insteon, у Z-Wave адресация осуществляется не по уникальному идентификатору устройства, а по его адресу внутри сети. Взаимодействие между гаджетами осуществляется при непосредственном участии центрального (первичного) контроллера. Он отвечает за маршрутизацию внутри сети и, как правило, он же обеспечивает связь с внешним миром. Центральный контроллер может быть только один, однако стандарт допускает использование нескольких вторичных контроллеров.

Первичный контроллер хранит сведения о маршрутах, по которым передаются данные: при инициализации новых гаджетов он запоминает их расположение. Таким образом, подразумевается, что при добавлении устройства в сеть оно находится на своем конечном месте. Если в дальнейшем гаджет будет перемещен или на пути его сигнала возникнет мебель, то это может привести к появлению нерабочих маршрутов — возможно, их потребуется обновить вручную.

Контроллеры делятся на две условных группы: статические и портативные. Центральный контроллер — типичный представитель первой группы. Как правило, он представляет собой специализированное устройство с питанием от электросети и проводным соединением с роутером. Значительно реже вместо подобного решения используется ПК со специальным ПО и USB-брелком для связи с сетью Z-Wave. Примером портативного контроллера может служить пульт дистанционного управления, который постоянно перемещается в пространстве. Устройства этого типа отсутствуют в таблицах маршрутизации, то есть другие гаджеты не могут к ним обратиться, но могут ответить на их запрос. Портативные контроллеры питаются от батареек и практически все время находятся в режиме сна.

Из-за длительных периодов бездействия, модули Z-Wave характеризуются крайне низким энергопотреблением. Как следствие, решения на их основе могут долгое время работать от одного комплекта батареек. Скажем, в случае с датчиками, производить замену элементов питания приходится примерно раз в год. При этом не стоит опасаться, что гаджет «потухнет» в самый неожиданный момент — информация о состоянии батареек в обязательном порядке передается на центральный контроллер, так что пользователь сможет заменить их заранее.

Отдельно упомянем так называемые FLiRS-устройства, которые вынуждены работать с входящим сигналом. Беспроводное решение этого типа каждую секунду проверяет, если ли в эфире пакет для него. Если таковой обнаруживается, то гаджет просыпается и выполняет свою основную функцию. Данный алгоритм работы позволяет существенно экономить заряд батареек. Примеры FLiRS-устройств — «умные» замки и блоки управления шторами.

Максимальное число Z-Wave-устройств, функционирующих в рамках одной сети — 232, но на практике использовать более 50 гаджетов не рекомендуется. Как показывает практика, этого достаточно для охвата многоэтажного дома с общей площадью порядка 500 квадратных метров. Следует отметить, что несколько сетей Z-Wave могут сосуществовать в рамках одного помещения — они не создают друг другу проблем.

Практическая реализация

Безусловно, главный козырь Z-Wave — отсутствие проблем с совместимостью. Отчасти это связано с тем, что протокол, в отличие от того же Zigbee, не пытаются пристроить везде, где это только возможно. Однако главная причина полного взаимопонимания устройств Z-Wave — жесткий контроль со стороны Sigma Designs. Начнем с того, что во всех гаджетах, поддерживающих данный стандарт, используется строго ограниченный набор коммуникационных чипов. За разработку и выпуск данных микросхем отвечает сама Sigma Designs. Производителям конечного оборудования предлагаются как самостоятельные чипы, так и модули на их основе — они содержат минимальный набор компонентов, необходимых для работы микросхемы.

За время существования протокола Z-Wave на свет появилось пять поколений коммуникационных чипов. Первое семейство было представлено еще в 2001 году. Данные решения обеспечивали скорость передачи данных на уровне 9,6 Кбит/с и обладали минимальным набором возможностей. Четыре года спустя было анонсировано второе поколение, которое принесло с собой увеличение пропускной способности до 40 Кбит/с. Эти SoC имели 2 Кб оперативной памяти и 32 Кб ПЗУ. В данный момент устройства на базе решений первого и второго поколений уже не встречаются в продаже.

Третья серия микросхем была анонсирована в 2006 году — при ее создании разработчики сделали акцент на оптимизации энергопотребления и мощности излучения. Еще через два года публике представили четвертое поколение чипов. Скорость передачи данных была увеличена до 100 Кбит/с, появилась поддержка новых функций, среди которых — аппаратное шифрование по 128-битному алгоритму AES. Объем постоянной памяти увеличили вдвое, оперативной — в восемь раз. Пятая линейка чипов появилась относительно недавно — в 2013 году. В ней в очередной раз увеличили объем постоянной памяти (до 128 Кб) и добавили поддержку нескольких второстепенных функций.

Актуальные на сегодняшний день чипы (третьего, четвертого и пятого поколений) могут без проблем обмениваться информацией друг с другом. Более того, модули на их основе имеют одинаковый форм-фактор и являются взаимозаменяемыми, так что производители оборудования могут перейти с одного поколения микросхем на другое, вообще не меняя конструкцию гаджетов. В целом, при покупке Z-Wave-устройств можно особо не задумываться над тем, какие коммуникационные чипы скрываются внутри. Тем не менее, ценителям всего самого технологичного мы можем посоветовать брать на вооружение гаджеты с сертификатом Z-Wave Plus — в них гарантировано используется четвертая или пятая серия. Правда, эта сертификация была введена лишь год назад, так что даже у наиболее продвинутых решений заветный шилдик может отсутствовать.

Sigma Designs также постаралась исключить вероятность конфликтов на уровне программного обеспечения. На помощь вновь пришла жесткая стандартизация: код для канального, сетевого и транспортного уровней (по модели OSI) предоставляется в предкомпилированном виде, так что шаловливые ручки производителей оборудования не могут наломать дров.

Итог таков: Z-Wave-устройства разных поколений, выпущенные разными производителями, без проблем могут взаимодействовать друг с другом. Впрочем, если все используемые гаджеты будут произведены одной фирмой, то это, вероятно, несколько упростит настройку оборудования.

Заключение

Z-Wave — это отличное решение как для профессиональных интеграторов, так и для тех, кто желает автоматизировать свое жилище самостоятельно: для проектирования и монтажа системы на основе данного стандарта не требуется особых навыков. Отсутствие необходимости прокладывать специальные кабели — это также огромный плюс. Кроме того, выдающаяся совместимость устройств дает возможность наращивать функционал системы постепенно, добавляя необходимые модули по мере необходимости.

Что могут предложить конкуренты Z-Wave? Первый соперник — ZigBee — сопоставим по стоимости оборудования и сложности развертывания беспроводной сети, однако он проигрывает по двум пунктам. Во-первых, гаджеты этого стандарта испытывают серьезные проблемы с совместимостью. Во-вторых, найти в продаже устройства с поддержкой Z-Wave куда проще, а и их ассортимент значительно больше.

Второй конкурент в лице Insteon куда более опасен: он выигрывает в вопросах надежности и простоты использования. В Северной Америке ему удается успешно противостоять Z-Wave, но в Европе последний в большем почете: заморский гость пришел в Старый Свет лишь недавно, так что Insteon-устройства пока что являются диковинкой — их мало и продаются они по сильно завышенной цене.