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

Verständnis Z-Wave Netzwerke, Knoten &Geräte

Z-Wave Die Hausautomatisierungstechnologie 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.

• FunkschichtDefiniert die Art und Weise des Signalaustauschs zwischen Netzwerk und physischer Funkhardware. Dies umfasst Frequenz, Codierung, Hardwarezugriff usw.
• NetzwerkschichtDefiniert, wie Steuerdaten zwischen zwei Geräten oder Knoten ausgetauscht werden. Dies umfasst Adressierung, Netzwerkorganisation, Routing usw.
• Anwendungsschicht: Definiert, welche Nachrichten von bestimmten Anwendungen verarbeitet werden müssen, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen, wie z. B. das Einschalten einer Lampe oder das Ändern der Temperatur eines Heizgeräts.

Die Netzwerkschicht

Der Z-Wave Die Netzwerkschicht steuert den Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten (Knoten) im Netzwerk und besteht aus drei Unterschichten.

• Medienzugriffsschicht (MAC): Steuert die grundlegende Nutzung der drahtlosen Hardware - diese Funktionen sind für den Endbenutzer unsichtbar.
• TransportschichtDiese Schicht steuert die Nachrichtenübertragung und gewährleistet so eine fehlerfreie Kommunikation zwischen zwei drahtlosen Knoten. Der Endnutzer kann die Funktionen dieser Schicht nicht beeinflussen, die Ergebnisse sind jedoch sichtbar.
• Routing-SchichtVerwaltet Z-WaveDie „Mesh“-Funktionen maximieren die Netzwerkreichweite und gewährleisten, dass Nachrichten ihren Zielknoten erreichen. Diese Schicht nutzt zusätzliche Knoten, um die Nachricht erneut zu senden, falls sich das Ziel außerhalb der direkten Reichweite des sendenden Knotens befindet.

Die Medienzugriffsschicht (MAC) und die Transportschicht erklärt

Ähnlich wie beim Versenden einer SMS lässt sich der genaue Übertragungsweg der Informationen vom eigenen Telefon zum Empfänger nicht nachvollziehen. Man geht davon aus, dass die Nachricht gesendet und vom Empfänger empfangen und gelesen wird. Auch drahtlose Hausautomatisierungstechnologien nutzen dieselben Prinzipien, um die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zu ermöglichen.

Gelegentlich kann eine Nachricht verloren gehen.

Bei einem Mobiltelefon könnte dies an schlechtem Empfang liegen. Bei einem Hausautomatisierungsnetzwerk könnten Störungen oder eine zu große Entfernung des Empfängers vom 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 sorgfältig geplant und getestet wurde.

Z-Wave Es handelt sich um eine der zuverlässigsten drahtlosen Technologien: Jeder gesendete Befehl wird vom Empfänger bestätigt, der dem Absender eine Empfangsbestätigung zurücksendet. Dies garantiert zwar nicht die korrekte Zustellung der Nachricht, der Absender erhält jedoch einen Hinweis darauf, dass sich die Situation geändert hat oder ein Fehler aufgetreten ist.

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

Nutzung von Knoten für eine erfolgreiche Kommunikation

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

In den meisten Fällen handelt es sich dabei um ein physisches Kommunikationsmedium wie ein Kabel.Das Kommunikationsmedium für Funk (drahtlos) ist die Luft, die auch von vielen anderen Technologien genutzt wird – Fernsehen, Wi-FiMobiltelefone usw. Daher benötigt jeder Netzwerktyp ein definiertes Protokoll, das es den verschiedenen Knoten eines Netzwerks ermöglicht, sich gegenseitig zu identifizieren und Nachrichten von anderen Funkquellen auszuschließen.

Jeder Knoten im Netzwerk benötigt zudem eine eindeutige Kennung, um ihn von anderen Knoten im selben Netzwerk zu unterscheiden.

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

• Der Startseiten-ID ist die gemeinsame Kennung aller Knoten, die zu einem logischen Cluster gehören. Z-Wave Netzwerk. Es hat eine Länge von 4 Bytes = 32 Bits.
• 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, obwohl sie eine ähnliche Knoten-ID haben können. Dies liegt daran, dass die beiden Netzwerke voneinander isoliert sind.

In einem einzigen Netzwerk (einer Home-ID) dürfen zwei Knoten nicht dieselbe Knoten-ID haben. Das bedeutet, dass jeder Knoten individuell adressiert werden kann und Sie somit die volle Kontrolle über Ihr Hausautomationssystem haben.

Geräte

Z-Wave Es gibt zwei grundlegende Gerätetypen:

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

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

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 außerdem jedem neuen Gerät, das dem Netzwerk hinzugefügt wird, eine individuelle Knoten-ID zu. Dieser Vorgang wird als … bezeichnet. AufnahmeDie

	Definition	Im Controller	Im Sklaven
Startseiten-ID	Die Home-ID ist die gängige Kennung eines Z-Wave Netzwerk	Die Heim-ID ist bereits auf den Werksstandard eingestellt.	Keine Home-ID in der Werkseinstellung
Knoten-ID	Die Knoten-ID ist die individuelle Kennung (Adresse) eines Knotens innerhalb eines gemeinsamen Netzwerks.	Der Controller hat eine vordefinierte eigene Knoten-ID (typischerweise 0x01).	Vom Hauptcontroller zugewiesen

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

Vernetzung und Routing

In einem typischen drahtlosen Netzwerk verfügt der zentrale Controller über eine direkte drahtlose Verbindung zu allen anderen Netzwerkknoten. Dies erfordert eine direkte Funkverbindung. Tritt jedoch eine Störung auf, steht dem Controller kein alternativer Kommunikationsweg zur Verfügung, um die Knoten zu erreichen, und die Kommunikation bricht ab.

Abbildung 6 – Netzwerk ohne Routing

Das Radionetzwerk in Abbildung 6 Es handelt sich um ein nicht geroutetes Netzwerk. Die Knoten zwei, drei und vier befinden sich in Funkreichweite des Controllers. Knoten fünf befindet sich außerhalb der Funkreichweite und ist für den Controller nicht erreichbar.

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 So entstehen äußerst flexible und robuste Netzwerke. Die Kommunikation mit allen Knoten innerhalb des Netzwerks ist möglich, selbst wenn diese 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 7Die Abbildung 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.

Mithilfe dieses Routingsystems Z-Wave Signale funktionieren sogar um Ecken herum! Andere Technologien funktionieren nach dem Prinzip der Sichtverbindung, bei der jeder Sender direkten Blick auf den Empfänger haben muss, aber Z-Wave Sendet das Signal einfach über einen kleinen Umweg um ein Hindernis herum mithilfe eines anderen Knotens.

Z-WaveDas Routing von kann sich automatisch an alle Änderungen im Netzwerk anpassen. Zum Beispiel Abbildung 8 zeigt, dass die direkte Kommunikation zwischen Knoten 1 und Knoten 2 blockiert ist.Es ist aber 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 Es kann Nachrichten über bis zu vier Wiederholungsknoten weiterleiten. Dies stellt einen Kompromiss zwischen Netzwerkgröße und -stabilität sowie der maximalen Übertragungszeit einer Nachricht im Netzwerk dar.

Abbildung 8 – Maximale Entfernung zwischen zwei Knoten über vier Repeater

Routen erstellen in einem Z-Wave Netzwerk

Jeder Knoten kann die Knoten in seiner direkten Funkreichweite ermitteln. Diese Knoten werden als Nachbarn bezeichnet. Beim Einbinden und später beim Anfordern kann der Knoten dem Controller seine Nachbarliste mitteilen. Mithilfe dieser Informationen erstellt der Controller eine Tabelle mit allen möglichen Kommunikationsrouten im Netzwerk. Diese Routingtabelle ist für den Benutzer zugänglich. Verschiedene Softwarelösungen, typischerweise Installationstools genannt, visualisieren die Routingtabelle und unterstützen so die Optimierung der Netzwerkkonfiguration.

Abbildung 9 - Routing in einem Z-Wave Netzwerk

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

Tabelle 2 - Routingtabelle für die Z-Wave Netzwerk

Die Routenführung für dieses Netzwerk wird angezeigt in Tabelle 2 Die Zeilen enthalten die Quellknoten, die Spalten die Zielknoten. Eine Zelle mit „1“ bedeutet, dass die Knoten benachbart sind, eine „0“ hingegen, dass kein direkter Kommunikationspfad besteht. Die Tabelle enthält außerdem Die Abbildung zeigt die Verbindung zwischen Quellknoten 1 und Zielknoten 4. Die Zelle zwischen Knoten 1 und 4 ist mit „0“ markiert. Daher leitet das Netzwerk das Signal 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 stets zuerst, seine Nachricht direkt an das Ziel zu senden. Ist dies nicht möglich, ermittelt er mithilfe seiner Routingtabelle 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 keine Bestätigung vom Ziel erhält), meldet er einen Fehler.

Arten von Netzwerkknoten

Sklaven werden in „Standard“-Sklaven und „Routing“-Sklaven unterteilt. Routing-Slave beinhaltet erweiterte Routing-Funktionen.

Der Unterschied zwischen den drei verschiedenen Knotentypen Es geht um ihr Wissen über die Netzwerk-Routingtabelle und ihre Fähigkeit, Nachrichten an das Netzwerk zu senden.

	Nachbarn	Route	Mögliche Funktionen
Regler	Kennt alle Nachbarn	Hat Zugriff auf die vollständige Routingtabelle	Kann mit jedem Gerät im Netzwerk kommunizieren, sofern eine Route existiert.
Sklave	Kennt alle Nachbarn	Enthält keine Informationen zur Routingtabelle	Es kann nur dem Knoten geantwortet werden, von dem die Nachricht empfangen wurde. Daher können keine unaufgeforderten Nachrichten gesendet werden.
Routing Slave	Kennt alle Nachbarn	Besitzt Teilkenntnisse der Routingtabelle	Er kann dem Knoten, von dem er die Nachricht erhalten hat, antworten und unaufgefordert Nachrichten an eine Anzahl vordefinierter Knoten senden, zu denen er eine Route hat.

Eigenschaften der Z-Wave Gerätemodelle

Sklave	Fest installierte, netzbetriebene Geräte wie Wandschalter, Wanddimmer oder Jalousiensteuerungen
Routing Slave	Batteriebetriebene Geräte und mobile Endgeräte wie beispielsweise Sensoren mit Batteriebetrieb, Wandstecker für Schuko- und andere Steckertypen, Thermostate und Heizgeräte mit Batteriebetrieb sowie alle anderen Slave-Anwendungen

Typische Anwendungsbereiche für Slaves

Herausforderungen in typischen Netzwerkkonfigurationen

Z-Wave Ein Netzwerk beginnt typischerweise als kleines Netzwerk, das nach Bedarf erweitert wird. Ein solches kleines Netzwerk kann aus einer Fernbedienung und einigen Schaltern oder Dimmern bestehen. Die Fernbedienung dient als Hauptsteuereinheit 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 Netzwerkkonfiguration funktioniert einwandfrei, solange die Fernbedienung alle Schalter und Dimmer direkt erreichen kann (das zu steuernde Gerät befindet sich in Reichweite). Befindet sich das zu steuernde Gerät nicht in Reichweite, kann es zu Verzögerungen kommen, da die Fernbedienung zunächst die Netzwerkstruktur erkennen muss, bevor sie das Gerät steuern kann.

Falls ein Gerät hinzugefügt und anschließend an einen neuen Standort versetzt wurde, kann dieses Gerät nur dann per Fernbedienung gesteuert werden, wenn es sich in direkter Reichweite befindet. Andernfalls schlägt die Kommunikation fehl, da der Eintrag in der Routingtabelle für dieses Gerät fehlerhaft ist und die Fernbedienung zum Zeitpunkt des Betriebs 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 Ein USB-Dongle oder ein IP-Gateway zusammen mit mehreren Schaltern und Dimmern.

Z-Wave Netzwerk mit einem einzigen statischen Controller

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

Da ein statischer Controller an einen bestimmten Ort gebunden ist, der andere Z-Wave Die Geräte müssen in direkter Reichweite des statischen Steuergeräts angeschlossen werden. Sie werden üblicherweise nach dem Anschluss an ihrem endgültigen Standort installiert.

Netzwerke mit mehreren Controllern

In einem größeren Netzwerk arbeiten mehrere Controller zusammen. Ein statischer Controller dient der Konfiguration und Verwaltung des Systems, während ein oder mehrere Fernsteuerungen bestimmte Funktionen an verschiedenen Standorten ausführen.

Z-Wave Netzwerk mit mehreren Controllern

Verfügt ein Netzwerk über mehrere Controller, muss der Benutzer festlegen, welcher Controller der primäre Controller sein soll.

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

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

Netzwerk mit tragbarem Controller als primärem Controller

Fernbedienungen sind anfälliger für Beschädigung und Verlust. Sie bieten in der Regel keine Backup-Funktion. Bei Beschädigung oder Verlust des Hauptcontrollers müsste das gesamte Netzwerk neu eingebunden werden. Geräte hingegen können nach ihrer Installation eingebunden werden, was zu einem deutlich stabileren Netzwerk führt und eine Netzwerk-Reorganisation überflüssig macht.

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

Vesternet ist Europas führender Spezialist für Hausautomation. Werfen Sie einen Blick auf unser riesiges Sortiment. Z-Wave ProdukteDie