Verständnis <tc>Z-Wave</tc> Netzwerke, Knoten & Geräte

Verständnis Z-Wave Netzwerke, Knoten &Amp; Geräte

Z-Wave Die Hausautomationstechnologie besteht aus drei Schichten. Die Funkschicht, die Netzwerkschicht und die Anwendungsschicht arbeiten zusammen, um ein robustes und zuverlässiges Netzwerk zu schaffen, das es zahlreichen Knoten und Geräten ermöglicht, gleichzeitig miteinander zu kommunizieren.

• Funkschicht: Definiert die Art und Weise, wie ein Signal zwischen Netzwerk und physischer Funkhardware ausgetauscht wird. Dazu gehören Frequenz, Kodierung, Hardwarezugriff usw.
• Netzwerkschicht: Definiert, wie Steuerdaten zwischen zwei Geräten oder Knoten ausgetauscht werden. Dazu gehören Adressierung, Netzwerkorganisation, Routing usw.
• Anwendungsschicht: Definiert, welche Nachrichten von bestimmten Anwendungen verarbeitet werden müssen, um bestimmte Aufgaben auszuführen, z. B. das Einschalten eines Lichts oder das Ändern der Temperatur eines Heizgeräts.

Die Netzwerkschicht

Der Z-Wave Die Netzwerkschicht steuert, wie Daten zwischen verschiedenen Geräten (Knoten) im Netzwerk ausgetauscht werden. Sie besteht aus drei Unterschichten.

• Medienzugriffsschicht (MAC): Steuert die grundlegende Nutzung der Wireless-Hardware – diese Funktionen sind für den Endbenutzer unsichtbar.
• Transportschicht: Steuert die Nachrichtenübertragung und gewährleistet eine fehlerfreie Kommunikation zwischen zwei drahtlosen Knoten. Der Endbenutzer kann die Funktionen dieser Schicht nicht beeinflussen, die Ergebnisse dieser Schicht sind jedoch sichtbar.
• Routing-Schicht: Verwaltet Z-WaveDie „Mesh“-Funktionen von maximieren die Netzwerkreichweite und stellen sicher, dass Nachrichten ihren Zielknoten erreichen. Diese Schicht verwendet zusätzliche Knoten, um die Nachricht erneut zu senden, wenn das Ziel außerhalb der „direkten“ Reichweite des sendenden Knotens liegt.

Erläuterung der Media Access (MAC)- und Transportschichten

Ähnlich wie beim Senden einer Textnachricht können Sie nicht sehen, wie die Informationen von Ihrem Telefon auf das des Empfängers übertragen werden. Sie gehen davon aus, dass die Nachricht gesendet und vom Empfänger empfangen und gelesen wird. Auch drahtlose Hausautomationstechnologien nutzen dieselben Prinzipien, um die Kommunikation zwischen Sender- und Empfängerknoten zu ermöglichen.

Gelegentlich kann es vorkommen, dass eine Nachricht verloren geht.

Bei einem Mobiltelefon kann es an schlechtem Empfang liegen. Bei einem Heimautomatisierungsnetzwerk können Störungen oder eine zu große Entfernung zwischen Empfänger und Sender die Ursache sein. In einem einfachen Netzwerk erhält der Sender keine Rückmeldung darüber, ob die Nachricht empfangen und der Befehl korrekt ausgeführt wurde. Dies kann zu Stabilitätsproblemen führen, sofern die Installation nicht korrekt geplant und getestet wurde.

Z-Wave ist eine der zuverlässigsten drahtlosen Technologien. Jeder gesendete Befehl wird vom Empfänger bestätigt, der dem Absender eine Empfangsbestätigung sendet. Dies garantiert nicht, dass die Nachricht korrekt zugestellt wurde, der Absender erhält jedoch einen Hinweis, dass sich die Situation geändert hat oder ein Fehler aufgetreten ist.

Der Rückschein heißt Bestätigen (ACK). A Z-Wave Der Transceiver versucht bis zu dreimal, eine Nachricht zu senden, während er auf eine Bestätigung wartet. Nach drei erfolglosen Versuchen Z-Wave Der Transceiver gibt auf und meldet dem Benutzer eine Fehlermeldung. Die Anzahl der erfolglosen Versuche ist auch ein guter Indikator für die Qualität der drahtlosen Netzwerkverbindung.

Knoten für eine erfolgreiche Kommunikation nutzen

Ein Netzwerk besteht aus mindestens zwei Knoten. Um miteinander kommunizieren zu können, müssen die Knoten Zugriff auf ein gemeinsames Medium haben oder „etwas gemeinsam“ haben.

In den meisten Fällen handelt es sich dabei um ein physisches Kommunikationsmedium wie ein Kabel.Das Kommunikationsmedium für Radio (drahtlos) ist die Luft, die auch von allen möglichen anderen Technologien genutzt wird - Fernsehen, Wi-Fi, Mobiltelefone usw. Daher muss jeder Typ von „Netzwerk“ über ein definiertes Protokoll verfügen, das es den verschiedenen Knoten eines Netzwerks ermöglicht, sich gegenseitig zu identifizieren und Nachrichten von anderen Funkquellen auszuschließen.

Jeder Knoten im Netzwerk muss außerdem über eine eindeutige Kennung verfügen, um ihn von anderen Knoten im selben Netzwerk zu unterscheiden.

Der Z-Wave Das Protokoll definiert zwei Kennungen für die Organisation des Netzwerks.

• Der Home-ID ist die gemeinsame Identifikation aller Knoten, die zu einem logischen Z-Wave Netzwerk. Es hat eine Länge von 4 Bytes = 32 Bit.
• Der Knoten-ID ist die Adresse eines einzelnen Knotens im Netzwerk. Die Knoten-ID hat eine Länge von 1 Byte = 8 Bit.

Knoten mit unterschiedlichen Home-IDs können nicht miteinander kommunizieren, können aber eine ähnliche Knoten-ID haben. Dies liegt daran, dass die beiden Netzwerke voneinander isoliert sind.

In einem einzigen Netzwerk (einer Home-ID) können zwei Knoten nicht über identische Knoten-IDs verfügen. Das bedeutet, dass jeder Knoten einzeln adressiert werden kann und Sie so die vollständige Kontrolle über Ihr eigenes Heimautomatisierungssystem haben.

Geräte

Z-Wave verfügt über zwei grundlegende Gerätetypen:

• Controller - Geräte, die andere steuern Z-Wave Geräte
• Sklaven - Geräte, die von anderen gesteuert werden Z-Wave Geräte.

Controller sind werkseitig mit einer Home-ID programmiert, die vom Benutzer nicht geändert werden kann. Slaves haben keine vorprogrammierte Home-ID, da sie die ihnen vom Netzwerk zugewiesene Home-ID übernehmen.

Der primäre Controller bindet andere Knoten in das Netzwerk ein, indem er ihnen eine eigene Home-ID zuweist. Akzeptiert ein Knoten die Home-ID des primären Controllers, wird er Teil des Netzwerks. Der primäre Controller weist jedem neuen Gerät, das dem Netzwerk hinzugefügt wird, eine individuelle Knoten-ID zu. Dieser Vorgang wird als Aufnahme.

	Definition	Im Controller	Im Sklaven
Home-ID	Die Home-ID ist die gemeinsame Identifikation eines Z-Wave Netzwerk	Die Home-ID ist bereits als Werkseinstellung eingestellt	Keine Home-ID in der Werkseinstellung
Knoten-ID	Die Node-ID ist die individuelle Identifikation (Adresse) eines Knotens innerhalb eines gemeinsamen Netzwerks	Der Controller hat seine eigene Knoten-ID vordefiniert (normalerweise 0x01).	Zugewiesen vom primären Controller

Tabelle 1 – Vergleich von Home-ID und Node-ID

Vernetzung und Routing

In einem typischen drahtlosen Netzwerk verfügt der zentrale Controller über eine direkte Funkverbindung zu allen anderen Netzwerkknoten. Dies erfordert eine direkte Funkverbindung. Bei einer Störung verfügt der Controller jedoch über keine Ausweichroute, um die Knoten zu erreichen, und die Kommunikation bricht ab.

Abbildung 6 – Netzwerk ohne Routing

Das Funknetz in Abbildung 6 ist ein nicht geroutetes Netzwerk. Die Knoten zwei, drei und vier liegen innerhalb der Funkreichweite des Controllers. Knoten 5 liegt außerhalb der Funkreichweite und kann vom Controller nicht erreicht werden.

Jedoch, Z-Wave bietet einen sehr leistungsfähigen Mechanismus, um diese Einschränkung zu überwinden. Z-Wave Knoten können Nachrichten an andere Knoten weiterleiten und wiederholen, die sich nicht in direkter Reichweite des Controllers befinden. Dies ermöglicht Z-Wave um sehr flexible und robuste Netzwerke zu schaffen. Die Kommunikation kann mit allen Knoten innerhalb des Netzwerks erfolgen, auch wenn sie sich außerhalb der direkten Reichweite befinden oder die direkte Verbindung unterbrochen ist.

Abbildung 7 - Z-Wave Netzwerk mit Routing

Der Z-Wave Netzwerk mit Routing (Abbildung 7) zeigt, dass der Controller direkt mit den Knoten 2, 3 und 4 kommunizieren kann. Knoten 6 liegt außerhalb seiner Funkreichweite, jedoch innerhalb der Funkreichweite von Knoten 2. Daher kann der Controller über Knoten 2 mit Knoten 6 kommunizieren. Dies wird als „Route“ bezeichnet.

Mit diesem Routing-System Z-Wave Signale können sogar um Ecken herum funktionieren! Andere Technologien arbeiten auf Sichtlinie, wobei jeder Sender direkte Sicht auf den Empfänger haben muss, aber Z-Wave sendet das Signal einfach auf einem kleinen Umweg um ein Hindernis herum und nutzt dafür einen anderen Knoten.

Z-WaveDas Routing von kann sich automatisch an alle Änderungen im Netzwerk anpassen. Zum Beispiel Abbildung 8 zeigt an, dass die direkte Kommunikation zwischen Knoten 1 und Knoten 2 blockiert ist.Es ist jedoch weiterhin möglich, dass Knoten 1 mit Knoten 6 kommuniziert, indem Knoten 3 als zusätzlicher Repeater verwendet wird.

Je mehr Knoten ein Netzwerk hat, desto flexibler und robuster wird das Netzwerk.

Z-Wave kann Nachrichten über bis zu vier sich wiederholende Knoten weiterleiten. Dies ist ein Kompromiss zwischen Netzwerkgröße und -stabilität und der maximalen Zeit, die eine Nachricht im Netzwerk übertragen darf.

Abbildung 8 – Maximale Entfernung zwischen zwei Knoten über vier Repeater

Routen erstellen in einem Z-Wave Netzwerk

Jeder Knoten kann ermitteln, welche Knoten sich in seiner direkten Funkreichweite befinden. Diese Knoten werden als Nachbarn bezeichnet. Während der Einbindung und später bei der Anforderung kann der Knoten dem Controller seine Liste der Nachbarn mitteilen. Mithilfe dieser Informationen kann der Controller eine Tabelle erstellen, die alle Informationen zu möglichen Kommunikationsrouten in einem Netzwerk enthält. Auf diese Routing-Tabelle kann der Benutzer zugreifen. Es gibt verschiedene Softwarelösungen, typischerweise sogenannte Installationstools, die die Routing-Tabelle visualisieren und so die Netzwerkkonfiguration optimieren.

Abbildung 9 - Routing in einem Z-Wave Netzwerk

Das obige Diagramm (fAbbildung 9) zeigt eine Z-Wave Vermaschtes Netzwerk, mit einem Controller und fünf Knoten. Der Controller kann direkt mit Knoten 2 und 3 kommunizieren. Zu Knoten 4, 5 und 6 besteht keine direkte Verbindung. Die Kommunikation zu Knoten 4 erfolgt entweder über Knoten 2 oder über Knoten 3.

Tabelle 2 - Routing-Tabelle für die Z-Wave Netzwerk

Das Routing für dieses Netzwerk wird in Tabelle 2 - Die Zeilen enthalten die Quellknoten und die Spalten die Zielknoten. Eine Zelle mit „1“ zeigt an, dass die Knoten benachbart sind, und eine „0“ zeigt an, dass kein direkter Kommunikationspfad besteht. Die Tabelle enthält außerdem zeigt die Verbindung zwischen Quellknoten 1 und Zielknoten 4. Die Zelle zwischen Knoten 1 und 4 ist mit „0“ gekennzeichnet. Das Netzwerk leitet das Signal daher über Knoten 3, der sich in direkter Reichweite von Knoten 1 und Knoten 4 befindet.

Abbildung 10 – Alternative Z-Wave Netzwerkrouting

Ein weiteres Beispiel (fAbbildung 10) zeigt, dass Knoten 6 nur über Knoten 5 als Repeater mit dem Rest des Netzwerks kommunizieren kann. Da der Controller keine direkte Verbindung zu Knoten 5 hat, muss er eine der folgenden Routen verwenden: „1 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6" oder "1 -> 2 -> 5 ->6“.

Ein Controller versucht immer zunächst, seine Nachricht direkt an das Ziel zu senden. Ist dies nicht möglich, sucht er mithilfe seiner Routing-Tabelle den nächstbesten Weg zum Ziel. Der Controller kann bis zu drei alternative Routen auswählen und versucht, die Nachricht über diese Routen zu senden. Nur wenn alle drei Routen fehlschlagen (der Controller erhält keine Bestätigung vom Ziel), meldet er einen Fehler.

Arten von Netzwerkknoten

Slaves werden als „Standard-“ oder „Routing-“Slaves kategorisiert. Ein Routing-Slave umfasst erweiterte Routing-Funktionen.

Der Unterschied zwischen den drei verschiedenen Knotentypen ist ihre Kenntnis der Netzwerk-Routingtabelle und ihre Fähigkeit, Nachrichten an das Netzwerk zu senden.

	Nachbarn	Route	Mögliche Funktionen
Regler	Kennt alle Nachbarn	Hat Zugriff auf die komplette Routing-Tabelle	Kann mit jedem Gerät im Netzwerk kommunizieren, sofern eine Route vorhanden ist
Sklave	Kennt alle Nachbarn	Hat keine Informationen zur Routing-Tabelle	Kann nur dem Knoten antworten, von dem er die Nachricht erhalten hat. Daher können keine unerwünschten Nachrichten gesendet werden
Routing-Slave	Kennt alle Nachbarn	Verfügt über Teilkenntnisse der Routing-Tabelle	Kann dem Knoten antworten, von dem er die Nachricht erhalten hat, und kann unerwünschte Nachrichten an eine Reihe vordefinierter Knoten senden, zu denen er eine Route hat.

Eigenschaften der Z-Wave Gerätemodelle

Sklave	Fest installierte netzbetriebene Geräte wie Wandschalter, Wanddimmer oder Jalousiesteuerungen
Routing-Slave	Batteriebetriebene Geräte und mobil einsetzbare Geräte wie beispielsweise Sensoren mit Batteriebetrieb, Steckdosen für Schuko- und Steckertypen, Thermostate und Heizungen mit Batteriebetrieb und alle weiteren Slave-Anwendungen

Typische Anwendungen für Slaves

Herausforderungen in typischen Netzwerkkonfigurationen

Z-Wave Ein Netzwerk beginnt typischerweise als kleines Netzwerk, das bei Bedarf erweitert wird. Ein kleines Netzwerk kann aus einer Fernbedienung und einigen Schaltern oder Dimmern bestehen. Die Fernbedienung fungiert als primäre Steuerung und umfasst und steuert die Schalter und Dimmer.

Bei der Einbindung sollten die Dimmer und Schalter an ihrem endgültigen Standort installiert werden, um sicherzustellen, dass eine korrekte Liste der Nachbarn erkannt und gemeldet wird.

Diese Art der Netzwerkkonfiguration funktioniert gut, solange die Fernbedienung alle Schalter und Dimmer direkt erreichen kann (der zu steuernde Knoten „in Reichweite“ ist). Befindet sich der zu steuernde Knoten nicht in Reichweite, kann es zu Verzögerungen kommen, da die Fernbedienung zunächst die Netzwerkstruktur erkennen muss, bevor sie das Gerät steuern kann.

Wurde ein Gerät aufgenommen und anschließend an eine neue Position verschoben, kann dieses Gerät nur dann von der Fernbedienung gesteuert werden, wenn es sich in direkter Reichweite befindet. Andernfalls schlägt die Kommunikation fehl, da der Eintrag in der Routing-Tabelle für dieses Gerät fehlerhaft ist und die Fernbedienung im Moment der Bedienung keinen Netzwerkscan durchführen kann.

Z-Wave Netzwerk mit einem statischen Controller

Ein weiteres typisches Netzwerk besteht aus einem statischen Controller – meist PC-Software plus Z-Wave USB-Dongle oder ein IP-Gateway zusammen mit einer Reihe von Schaltern und Dimmern.

Z-Wave Netzwerk mit einem einzelnen statischen Controller

Der statische Controller ist der primäre Controller und umfasst alle anderen Geräte.

Da ein statischer Controller an einen bestimmten Ort gebunden ist, Z-Wave Die Geräte müssen in direkter Reichweite des statischen Controllers integriert werden. Nach der Integration werden sie in der Regel an ihrem endgültigen Standort installiert.

Netzwerke mit mehreren Controllern

In einem größeren Netzwerk arbeiten mehrere Controller zusammen. Ein statischer Controller dient zur Konfiguration und Verwaltung des Systems und eine oder mehrere Fernbedienungen führen bestimmte Funktionen an verschiedenen Orten aus.

Z-Wave Netzwerk mit mehreren Controllern

Wenn ein Netzwerk über mehrere Controller verfügt, muss der Benutzer bestimmen, welcher der Controller der primäre Controller sein soll.

Die Einbindung eines statischen Controllers stellt eine Herausforderung dar, wenn die Geräte anschließend an ihren endgültigen Standort verschoben werden müssen. Eine Netzwerkneuorganisation ist erforderlich.

Statische Controller sind in der Regel zuverlässiger und gehen nicht so leicht verloren. Sie bieten in der Regel Backup-Funktionen, um die Hardware im Falle schwerer Schäden zu ersetzen.

Netzwerk mit tragbarem Controller als primärem Controller

Fernbedienungen sind anfälliger für Beschädigungen und Verlust. Normalerweise bieten Fernbedienungen keine Backup-Funktion. Bei Beschädigung oder Verlust der primären Steuerung muss das gesamte Netzwerk neu eingebunden werden. Geräte können jedoch auch nach der Installation eingebunden werden, was zu einem deutlich stabileren Netzwerk führt und eine Neuorganisation des Netzwerks überflüssig macht.

Die Wahl des primären Controllers – statisch oder tragbar – hängt eher von Ihren persönlichen Vorlieben als von einer technischen Notwendigkeit ab.

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