Comprensione di reti, nodi e dispositivi Z-Wave

Comprensione di reti, nodi e dispositivi Z-Wave

Z-wave. La tecnologia di automazione domestica comprende tre strati. Il livello radio, la strato di rete e il livello dell'applicazione funzionano insieme per creare una rete robusta e affidabile che consente numerosi nodi e dispositivi di comunicare contemporaneamente l'uno con l'altro.

• Radio Layer.: Definisce il modo in cui un segnale viene scambiato tra rete e l'hardware radiofonico. Ciò include frequenza, codifica, accesso hardware, ecc.
• Strato di rete: Definisce il modo in cui i dati di controllo vengono scambiati tra due dispositivi o nodi. Ciò include l'indirizzamento, l'organizzazione della rete, il routing, ecc.
• Strato di applicazione: Definisce quali messaggi devono essere gestiti da applicazioni specifiche per realizzare compiti particolari come commutare una luce o modificare la temperatura di un dispositivo di riscaldamento.

Il livello di rete

Il livello della rete Z-Wave controlla come i dati vengono scambiati tra diversi dispositivi (nodi) sulla rete, consiste in tre sotto-strati.

• Strato di accesso ai media (Mac): Controlla l'utilizzo di base dell'hardware wireless: queste funzioni sono invisibili all'utente finale.
• Strato di trasporto: Controlla il trasferimento dei messaggi, garantendo una comunicazione priva di errori tra due nodi wireless. L'utente finale non può influenzare le funzioni di questo livello, ma i risultati di questo livello sono visibili.
• Strato di routing: Gestisce le funzionalità "Mesh" di Z-Wave per massimizzare la gamma di rete e assicurarsi che i messaggi arrivi al loro nodo di destinazione. Questo livello utilizzerà ulteriori nodi per ri-inviare il messaggio se la destinazione è al di fuori della gamma "diretta" del nodo di trasmissione.

L'accesso ai media (Mac) e gli strati di trasporto hanno spiegato

Piuttosto come l'invio di un messaggio di testo, non è possibile vedere come le informazioni trasferiscono dal tuo telefono al loro. Si suppone che sia inviato e sarà ricevuto e letto dal destinatario. Allo stesso modo, le tecnologie di automazione della casa wireless utilizzano gli stessi principi per abilitare la comunicazione tra i nodi del mittente e del ricevitore.

Occasionalmente, un messaggio potrebbe perdersi.

In caso di cellulare, potrebbe essere dovuto alla scarsa ricezione. Nel caso di una rete di automazione domestica potrebbe essere dovuta a interferenze o posizionare il ricevitore troppo lontano dal mittente. In una rete semplice, il mittente non riceve alcun feedback sul fatto se il messaggio è stato ricevuto e se il comando è stato eseguito correttamente. Ciò può causare problemi di stabilità, a meno che l'installazione non sia stata pianificata e testata correttamente.

Z-Wave è una delle tecnologie wireless più affidabili, ogni comando inviato è riconosciuto dal ricevitore che invia una ricevuta di ritorno al mittente. Ciò non garantisce che il messaggio sia stato consegnato correttamente, tuttavia, il mittente otterrà un'indicazione che una situazione sia cambiata o si è verificato un errore.

La ricevuta di ritorno è chiamata Riconoscere (ACK). Un ricetrasmettitore Z-Wave proverà fino a tre volte per inviare un messaggio in attesa di un ACK. Dopo tre tentativi infruttuosi, il ricetrasmettitore a onda z si arrenderà e segnala un messaggio di errore all'utente. Il numero di tentativi infruttuosi è anche un buon indicatore della qualità della connessione wireless della rete.

Usando i nodi per una comunicazione riuscita

Una rete è composta da almeno due nodi. Per essere in grado di comunicare tra loro, i nodi devono avere accesso a un media comune o necessità di avere "qualcosa in comune".

Nella maggior parte dei casi questo è un supporto di comunicazione fisica come un cavo. I supporti di comunicazione per radio (wireless) sono l'aria, che viene utilizzata anche da tutti i tipi di diverse tecnologie - TV, wi-fi, telefoni cellulari ecc. Pertanto, ogni tipo di "rete" deve avere un protocollo definito che consente il Diversi nodi di una rete per identificarsi l'un l'altro e escludere i messaggi da altre fonti radio.

Ogni nodo nella rete deve anche avere un'identificazione univoca per distinguerlo da altri nodi nella stessa rete.

Il protocollo Z-Wave definisce due identificazioni per l'organizzazione della rete.

• Il Home ID. È l'identificazione comune di tutti i nodi appartenenti a una rete logica Z-Wave. Ha una lunghezza di 4 byte = 32 bit.
• Il ID nodo è l'indirizzo di un singolo nodo nella rete. L'ID del nodo ha una lunghezza di 1 byte = 8 bit.

I nodi con diversi ID domestici non possono comunicare tra loro, ma possono avere un ID nodo simile. Questo perché le due reti sono isolate l'una dall'altra.

Su una singola rete (un ID Home) Due nodi non possono avere id ai nodi identici. Ciò significa che ogni nodo può essere indirizzato individualmente offrendo il controllo completo del proprio sistema di automazione domestica.

Dispositivi

Z-Wave ha due tipi di base del dispositivo:

• Controller - dispositivi che controllano altri dispositivi Z-Wave
• Schiavi - Dispositivi controllati da altri dispositivi a onde Z.

I controller sono programmati in fabbrica con un ID Home, questo non può essere modificato dall'utente. Gli schiavi non hanno un ID domestico pre-programmato in quanto prendono l'ID di casa assegnato a loro dalla rete.

Il controller primario include altri nodi nella rete assegnando loro il proprio ID casa. Se un nodo accetta l'ID Home del controller primario Questo nodo diventa parte della rete. Il controller primario assegna anche un singolo ID del nodo a ciascun nuovo dispositivo che viene aggiunto alla rete. Questo processo è noto come Inclusione.

 

	Definizione	Nel controller	Nello schiavo
Home ID.	L'ID Home è l'identificazione comune di una rete Z-Wave	L'ID Home è già impostato come predefinito di fabbrica	Nessun ID domestico al momento predefinito di fabbrica
ID nodo	L'ID del nodo è l'identificazione individuale (indirizzo) di un nodo all'interno di una rete comune	Il controller ha il suo ID nodo vinto predefinito (in genere 0x01)	Assegnato dal controller primario

Tabella 1 - ID Home ID e confronto ID nodo

Meshing e routing

In una tipica rete wireless il controller centrale ha una connessione wireless diretta a tutti gli altri nodi di rete. Ciò richiede un collegamento radio diretto. Tuttavia, se c'è un disturbo il controller non ha alcuna rotta di backup per raggiungere i nodi e la comunicazione si romperà.

Figura 6 - Rete senza routing

La rete radio in Figura 6. è una rete non indirizzata. I nodi due, tre e quattro sono all'interno della gamma radio del controller. Il nodo 5 è al di fuori del range radio e non può essere raggiunto dal controller.

Tuttavia, Z-Wave offre un meccanismo molto potente per superare questa limitazione. I nodi WAVE Z possono inoltrare e ripetere i messaggi ad altri nodi che non sono in intervallo diretto del controller. Ciò consente a Z-Wave di creare reti molto flessibili e robuste. La comunicazione può essere effettuata a tutti i nodi all'interno della rete anche se sono al di fuori dell'intervallo diretto o se la connessione diretta è interrotta.

Figura 7 - Rete Z-Wave con routing

La rete Z-Wave con routing (Figura 7.) Mostra il controller può comunicare direttamente con i nodi 2, 3 e 4. Il nodo 6 si trova al di fuori della sua range radio, tuttavia, è all'interno del raggio di radio del nodo 2. Pertanto il controller può comunicare al nodo 6 tramite il nodo 2. Questo è chiamato "percorso".

Usando questo sistema di routing, i segnali della Z-Wave possono anche funzionare negli angoli! Altre tecnologie lavorano su "linea di vista" in cui ogni trasmettitore deve avere vista diretta del ricevitore, ma la Z-Wave invia semplicemente il segnale su una piccola deviazione attorno ad un ostacolo utilizzando un altro nodo.

Il routing della Z-Wave può adattarsi automaticamente a qualsiasi cambiamento nella rete. Per esempio figura 8Mostra che la comunicazione diretta tra il nodo 1 e il nodo 2 è bloccata. Ma è ancora possibile per il nodo 1 di comunicare con il nodo 6 utilizzando il nodo 3 come ripetitore aggiuntivo.

Più nodi in una rete, più flessibile e robusta diventa la rete.

Z-Wave è in grado di instradare i messaggi tramite un massimo di quattro nodi ripetutori. Questo è un compromesso tra le dimensioni della rete e la stabilità e il tempo massimo è consentito un messaggio per viaggiare nella rete.

Figura 8 - Distanza massima tra due nodi tramite quattro ripetitori

Itinerari di costruzione in una rete Z-Wave

Ogni nodo è in grado di determinare quali nodi sono nella sua gamma wireless diretta. Questi nodi sono chiamati vicini. Durante l'inclusione e successivamente su richiesta, il nodo è in grado di informare il controller sulla sua lista di vicini. Utilizzando queste informazioni, il controller è in grado di creare una tabella che ha tutte le informazioni su possibili rotte di comunicazione in una rete. Questa tabella di routing può essere accessibile dall'utente e ci sono diverse soluzioni software, in genere chiamate strumenti di installazione, che visualizzano la tabella di routing che aiutano a ottimizzare la configurazione di rete.

Figura 9 - Routing in una rete Z-Wave

Il diagramma sopra (fIGURE 9.) mostra una rete a rete a onda z, con un controller e cinque nodi. Il controller può comunicare direttamente con il nodo 2 e 3. Non vi è alcuna connessione diretta al nodo 4, 5 e 6. Comunicazione al nodo 4 funziona tramite il nodo 2 o tramite il nodo 3.

 

Tabella 2 - Tabella di routing per la rete Z-Wave

Il routing per questa rete è mostrato in Tavolo 2 - Le righe contengono i nodi di origine e le colonne contengono i nodi di destinazione. Una cella con "1" indica che i nodi sono vicini e uno "0" mostra che non esiste un percorso di comunicazione diretto. La tabella mostra anche la connessione tra il nodo di origine 1 e il nodo di destinazione 4. La cella tra il nodo 1 e 4 è contrassegnata a "0". Pertanto la rete instrada il segnale tramite nodo 3 che è in intervallo diretto del nodo 1 che del nodo 4.

Figura 10 - Alternative Z-Wave NetWo RRouting

Un altro esempio (figure 10.) mostra che il nodo 6 può solo comunicare con il resto della rete utilizzando il nodo 5 come ripetitore. Poiché il controller non ha una connessione diretta al nodo 5, il controller deve utilizzare uno dei seguenti percorsi: "1 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6" o "1 -> 2 -> 5 ->6”.

Un controller proverà sempre prima a trasmettere il suo messaggio direttamente alla destinazione. Se ciò non è possibile, utilizzerà la sua tabella di routing per trovare il prossimo modo migliore per la destinazione. Il controller può selezionare fino a tre percorsi alternativi e tenterà di inviare il messaggio tramite questi percorsi. Solo se tutti e tre i percorsi falliscono (il controller non riceve un riconoscimento dalla destinazione) il controller segnalerà un errore.

Tipi di nodi di rete

Gli schiavi sono classificati come schiavi "standard" o "routing". UN slave di routing Include funzionalità di routing avanzate.

La differenza tra i tre diversi tipi di nodi è la loro conoscenza della tabella di routing della rete e della loro capacità di inviare messaggi alla rete.

 

	Vicinato	Rotta	Possibili funzioni
Controller.	Conosce tutti i vicini	Ha accesso alla tabella di routing completa	Può comunicare con ogni dispositivo nella rete, se il percorso esiste
Schiavo	Conosce tutti i vicini	Non ha informazioni sulla tabella di routing	Può rispondere solo al nodo da cui ha ricevuto il messaggio da. Quindi, non può inviare messaggi non richiesti
Slave di routing	Conosce tutti i vicini	Ha una conoscenza parziale della tabella di routing	Può rispondere al nodo da cui ha ricevuto il messaggio e può inviare messaggi non richiesti a un numero di nodi predefiniti che ha anche un percorso

Proprietà dei modelli del dispositivo Wave Z

Schiavo	Risolti i dispositivi ad alimentazione di rete installati come interruttori a muro, dimmer a parete o controller ciechi veneziani
Slave di routing	Dispositivi a batteria e dispositivi mobili applicabili come ad esempio sensori con funzionamento della batteria, tappi a muro per tipi di schuko e tappa, termostati e riscaldatori con funzionamento della batteria e tutte le altre applicazioni slave

Applicazioni tipiche per schiavi

Sfide nelle tipiche configurazioni di rete

La rete Z-Wave ti avviene in genere come una piccola rete che viene estesa come e quando è necessario. Una piccola rete può consistere in un telecomando e un paio di interruttori o dimmer. Il telecomando funge da controller primario e include e controlla gli switch e i dimmer.

Durante l'inclusione, i dimmer e gli switch devono essere installati nella loro posizione finale, per garantire che un elenco corretto dei vicini venga riconosciuto e segnalato.

Questo tipo di configurazione di rete funziona bene fino a quando il telecomando può raggiungere direttamente tutti gli switch e i dimmer (il nodo da controllare è "In intervallo"). Se il nodo controllato non è in intervallo, l'utente può riscontrare ritardi, poiché il telecomando deve essere necessario prima rilevare la struttura di rete prima di controllare il dispositivo.

Nel caso in cui un dispositivo è stato incluso e spostato in seguito in una nuova posizione, questo particolare dispositivo può essere controllato solo dal telecomando se è in intervallo diretto. Altrimenti la comunicazione fallirà, poiché la voce della tabella di routing per questo particolare dispositivo è errata e il telecomando non è in grado di eseguire una scansione di rete al momento dell'operazione.

Rete Z-Wave con un controller statico

Un'altra rete tipica è costituita da un controller statico - principalmente software PC più Dongle USB a onda Z o un gateway IP insieme a un numero di interruttori e dimmer.

Rete Z-Wave con controller statico singolo

Il controller statico è il controller primario e include tutti gli altri dispositivi.

Poiché un controller statico è associato a una determinata posizione, gli altri dispositivi Wave Z devono essere inclusi pur essendo in intervallo diretto con il controller statico. Di solito verranno installati nella loro posizione finale dopo l'inclusione.

Reti con più controller

In una rete più grande diversi controller funzionerà insieme. Un controller statico viene utilizzato per la configurazione e la gestione del sistema e uno o più telecomandi effettuano determinate funzioni in luoghi diversi.

Rete Z-Wave con controller di meliple

Se una rete ha più controller, l'utente deve determinare quale dei controller sarà il controller primario.

L'inclusione di un controller statico è una sfida, se i dispositivi devono essere spostati nella posizione finale in seguito. È necessario eseguire una re-organizzazione della rete.

I controller statici sono solitamente più affidabili e non sono facilmente persi. In genere offrono funzioni di backup per sostituire l'hardware in caso di gravi danni.

Rete con controller portatile come controller primario

I telecomandi sono più vulnerabili a danni e perdite. Di solito i controlli remoti non offrono una funzione di backup. Se il controller primario è stato danneggiato o perso, potrebbe essere necessario eseguire una completa rilllusione di tutta la rete. Tuttavia, i dispositivi possono essere inclusi dopo che sono stati installati, il che si traduce in una rete molto più stabile e non è necessaria la re-organizzazione della rete.

La scelta del controller primario - statico o portatile - dipende di più sulla tua preferenza personale piuttosto che una necessità tecnica.

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