Entendimento <tc>Z-Wave</tc> Redes, Nós & Dispositivos

Entendimento Z-Wave Redes, Nós &dispositivos

Z-Wave A tecnologia de automação residencial é composta por três camadas. A camada de rádio, a camada de rede e a camada de aplicação trabalham juntas para criar uma rede robusta e confiável que permite que vários nós e dispositivos se comuniquem simultaneamente.

• Camada de rádio: Define a forma como um sinal é trocado entre a rede e o hardware de rádio físico. Isso inclui frequência, codificação, acesso ao hardware, etc.
• Camada de rede: Define como os dados de controle são trocados entre dois dispositivos ou nós. Isso inclui endereçamento, organização da rede, roteamento, etc.
• Camada de Aplicação: Define quais mensagens precisam ser manipuladas por aplicativos específicos para realizar tarefas específicas, como acender uma luz ou alterar a temperatura de um dispositivo de aquecimento.

A Camada de Rede

O Z-Wave A camada de rede controla como os dados são trocados entre diferentes dispositivos (nós) na rede e consiste em três subcamadas.

• Camada de acesso à mídia (MAC): Controla o uso básico do hardware sem fio - essas funções são invisíveis para o usuário final.
• Camada de Transporte: Controla a transferência de mensagens, garantindo uma comunicação sem erros entre dois nós sem fio. O usuário final não pode influenciar as funções desta camada, mas os resultados são visíveis.
• Camada de Roteamento: Gerencia Z-WaveOs recursos de "Mesh" da rede maximizam o alcance da rede e garantem que as mensagens cheguem ao seu nó de destino. Esta camada usará nós adicionais para reenviar a mensagem se o destino estiver fora do alcance "direto" do nó transmissor.

As camadas de acesso à mídia (MAC) e transporte explicadas

Assim como no envio de uma mensagem de texto, você não consegue ver como as informações são transferidas do seu celular para o celular do destinatário. Você presume que elas foram enviadas e serão recebidas e lidas pelo destinatário. Da mesma forma, as tecnologias de automação residencial sem fio utilizam os mesmos princípios para permitir a comunicação entre os nós emissor e receptor.

Ocasionalmente, uma mensagem pode se perder.

No caso de um celular, pode ser devido à má recepção. No caso de uma rede de automação residencial, pode ser devido à interferência ou ao posicionamento do receptor muito distante do emissor. Em uma rede simples, o emissor não recebe nenhum feedback sobre se a mensagem foi recebida e se o comando foi executado corretamente. Isso pode causar problemas de estabilidade, a menos que a instalação tenha sido planejada e testada corretamente.

Z-Wave é uma das tecnologias sem fio mais confiáveis; cada comando enviado é reconhecido pelo receptor, que envia uma confirmação de recebimento ao remetente. Isso não garante que a mensagem foi entregue corretamente; no entanto, o remetente receberá uma indicação de que uma situação mudou ou que ocorreu um erro.

O recibo de retorno é chamado Reconhecer (ACK). UMA Z-Wave O transceptor tentará até três vezes enviar uma mensagem enquanto aguarda um ACK. Após três tentativas sem sucesso, o Z-Wave O transceptor desistirá e reportará uma mensagem de falha ao usuário. O número de tentativas malsucedidas também é um bom indicador da qualidade da conexão sem fio da rede.

Usando nós para uma comunicação bem-sucedida

Uma rede consiste em pelo menos dois nós. Para se comunicarem, os nós precisam ter acesso a um meio comum ou ter "algo em comum".

Na maioria dos casos, trata-se de um meio de comunicação físico, como um cabo.O meio de comunicação para rádio (sem fio) é o ar, que também é usado por todos os tipos de tecnologias diferentes - TV, Wi-Fi, telefones celulares etc. Portanto, cada tipo de “rede” precisa ter um protocolo definido que permita que os diferentes nós de uma rede se identifiquem e excluam mensagens de outras fontes de rádio.

Cada nó na rede também precisa ter uma identificação exclusiva para distingui-lo de outros nós na mesma rede.

O Z-Wave O protocolo define duas identificações para a organização da rede.

• O ID da casa é a identificação comum de todos os nós pertencentes a uma lógica Z-Wave rede. Tem um comprimento de 4 bytes = 32 bits.
• O ID do nó é o endereço de um único nó na rede. O ID do nó tem comprimento de 1 byte = 8 bits.

Nós com IDs de Início diferentes não conseguem se comunicar entre si, mas podem ter IDs de Nó semelhantes. Isso ocorre porque as duas redes são isoladas uma da outra.

Em uma única rede (um ID residencial), dois nós não podem ter IDs de nó idênticos. Isso significa que cada nó pode ser endereçado individualmente, dando a você controle total do seu próprio sistema de automação residencial.

Dispositivos

Z-Wave tem dois tipos básicos de dispositivos:

• Controladores - dispositivos que controlam outros Z-Wave dispositivos
• Escravos - dispositivos que são controlados por outros Z-Wave dispositivos.

Os controladores são programados de fábrica com um Home ID, que não pode ser alterado pelo usuário. Os escravos não têm um Home ID pré-programado, pois usam o Home ID atribuído a eles pela rede.

O controlador primário inclui outros nós na rede atribuindo a eles seu próprio Home ID. Se um nó aceitar o Home ID do controlador primário, ele se torna parte da rede. O controlador primário também atribui um Node ID individual a cada novo dispositivo adicionado à rede. Esse processo é conhecido como Inclusão.

	Definição	No Controlador	No Escravo
ID da casa	O Home ID é a identificação comum de um Z-Wave rede	O Home ID já está definido como padrão de fábrica	Sem ID residencial no padrão de fábrica
ID do nó	O ID do nó é a identificação individual (endereço) de um nó dentro de uma rede comum	O controlador tem seu próprio ID de nó predefinido (normalmente 0x01)	Atribuído pelo controlador primário

Tabela 1 - Comparação de Home ID e Node ID

Malha e roteamento

Em uma rede sem fio típica, o controlador central tem uma conexão sem fio direta com todos os outros nós da rede. Isso requer um link de rádio direto. No entanto, se houver uma perturbação, o controlador não terá nenhuma rota de backup para alcançar os nós e a comunicação será interrompida.

Figura 6 - Rede sem roteamento

A rede de rádio em figura 6 é uma rede não roteada. Os nós dois, três e quatro estão dentro do alcance de rádio do controlador. O nó 5 está fora do alcance de rádio e não pode ser alcançado pelo controlador.

No entanto, Z-Wave oferece um mecanismo muito poderoso para superar essa limitação. Z-Wave os nós podem encaminhar e repetir mensagens para outros nós que não estejam no alcance direto do controlador. Isso permite Z-Wave para criar redes muito flexíveis e robustas. A comunicação pode ser feita com todos os nós da rede, mesmo que estejam fora do alcance direto ou se a conexão direta for interrompida.

Figura 7 - Z-Wave rede com roteamento

O Z-Wave rede com roteamento (figura 7) mostra que o controlador pode se comunicar diretamente com os nós 2, 3 e 4. O nó 6 está fora de seu alcance de rádio, no entanto, está dentro do alcance de rádio do nó 2. Portanto, o controlador pode se comunicar com o nó 6 por meio do nó 2. Isso é chamado de “rota”.

Usando este sistema de roteamento, Z-Wave Os sinais podem até funcionar em cantos! Outras tecnologias funcionam em "linha de visão", onde cada transmissor deve ter visão direta do receptor, mas Z-Wave simplesmente envia o sinal em um pequeno desvio em torno de um obstáculo usando outro nó.

Z-WaveO roteamento pode se adaptar automaticamente a quaisquer mudanças na rede. Por exemplo figura 8 mostra que a comunicação direta entre o Nó 1 e o Nó 2 está bloqueada.Mas ainda é possível que o Nó 1 se comunique com o Nó 6 usando o Nó 3 como um repetidor adicional.

Quanto mais nós em uma rede, mais flexível e robusta ela se torna.

Z-Wave é capaz de rotear mensagens por até quatro nós repetitivos. Isso representa um compromisso entre o tamanho e a estabilidade da rede e o tempo máximo que uma mensagem pode trafegar na rede.

Figura 8 - Distância máxima entre dois nós através de quatro repetidores

Construindo rotas em um Z-Wave Rede

Cada nó é capaz de determinar quais nós estão em seu alcance sem fio direto. Esses nós são chamados de vizinhos. Durante a Inclusão e, posteriormente, na Solicitação, o nó é capaz de informar o controlador sobre sua lista de vizinhos. Usando essas informações, o controlador é capaz de construir uma tabela que contém todas as informações sobre possíveis rotas de comunicação em uma rede. Essa tabela de roteamento pode ser acessada pelo usuário e existem diversas soluções de software, normalmente chamadas de ferramentas de instalação, que visualizam a tabela de roteamento, ajudando a otimizar a configuração da rede.

Figura 9 - Roteamento em um Z-Wave Rede

O diagrama acima (ffigura 9) mostra um Z-Wave Rede em malha, com um controlador e cinco nós. O controlador pode se comunicar diretamente com os nós 2 e 3. Não há conexão direta com os nós 4, 5 e 6. A comunicação com o nó 4 ocorre via nó 2 ou via nó 3.

Tabela 2 - Tabela de roteamento para o Z-Wave Rede

O roteamento para esta rede é mostrado em tabela 2 - as linhas contêm os nós de origem e as colunas, os nós de destino. Uma célula com “1” indica que os nós são vizinhos e um “0” indica que não há um caminho de comunicação direto. A tabela também mostra a conexão entre o Nó de Origem 1 e o Nó de Destino 4. A célula entre os Nó 1 e 4 é marcada como "0". Portanto, a rede encaminha o sinal através do Nó 3, que está no alcance direto dos Nó 1 e 4.

Figura 10 - Alternativa Z-Wave Roteamento de rede

Outro exemplo (ffigura 10) mostra que o Nó 6 só pode se comunicar com o restante da rede usando o Nó 5 como repetidor. Como o controlador não tem uma conexão direta com o Nó 5, ele precisa usar uma das seguintes rotas: “1 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6" ou "1 -> 2 -> 5 ->6”.

Um controlador sempre tentará primeiro transmitir sua mensagem diretamente ao destino. Se isso não for possível, ele usará sua tabela de roteamento para encontrar o próximo melhor caminho para o destino. O controlador pode selecionar até três rotas alternativas e tentará enviar a mensagem por elas. Somente se todas as três rotas falharem (o controlador não receber uma confirmação do destino), o controlador reportará uma falha.

Tipos de nós de rede

Os escravos são categorizados como escravos “padrão” ou “de roteamento”. roteamento escravo inclui recursos avançados de roteamento.

A diferença entre os três tipos diferentes de nós é seu conhecimento da tabela de roteamento da rede e sua capacidade de enviar mensagens para a rede.

	Vizinhos	Rota	Possíveis funções
Controlador	Conhece todos os vizinhos	Tem acesso à tabela de roteamento completa	Pode se comunicar com todos os dispositivos da rede, se a rota existir
Escravo	Conhece todos os vizinhos	Não tem informações sobre a tabela de roteamento	Só pode responder ao nó do qual recebeu a mensagem. Portanto, não pode enviar mensagens não solicitadas.
Escravo de roteamento	Conhece todos os vizinhos	Tem conhecimento parcial da tabela de roteamento	Pode responder ao nó do qual recebeu a mensagem e pode enviar mensagens não solicitadas para vários nós predefinidos para os quais possui uma rota.

Propriedades do Z-Wave Modelos de dispositivos

Escravo	Dispositivos fixos instalados com alimentação de rede elétrica, como interruptores de parede, reguladores de intensidade de luz de parede ou controladores de persianas venezianas
Escravo de roteamento	Dispositivos operados por bateria e dispositivos móveis aplicáveis, como por exemplo sensores com operação por bateria, plugues de parede para Schuko e tipos de plugue, termostatos e aquecedores com operação por bateria e todas as outras aplicações secundárias

Aplicações típicas para escravos

Desafios em configurações de rede típicas

Z-Wave Uma rede normalmente começa como uma pequena rede que pode ser expandida conforme necessário. Uma pequena rede pode consistir em um controle remoto e alguns interruptores ou dimmers. O controle remoto atua como controlador primário e inclui e controla os interruptores e dimmers.

Durante a inclusão, os dimmers e interruptores devem ser instalados em seu local final, para garantir que uma lista correta de vizinhos seja reconhecida e relatada.

Este tipo de configuração de rede funciona bem desde que o controle remoto consiga alcançar todos os interruptores e dimmers diretamente (o nó a ser controlado esteja "dentro do alcance"). Se o nó controlado não estiver dentro do alcance, o usuário poderá sofrer atrasos, pois o controle remoto precisa detectar a estrutura da rede antes de controlar o dispositivo.

Caso um dispositivo tenha sido incluído e posteriormente movido para uma nova posição, esse dispositivo específico só poderá ser controlado pelo controle remoto se estiver dentro do alcance direto. Caso contrário, a comunicação falhará, pois a entrada da tabela de roteamento para esse dispositivo específico está incorreta e o controle remoto não consegue realizar uma varredura de rede no momento da operação.

Z-Wave Rede com um controlador estático

Outra rede típica consiste em um controlador estático - principalmente software de PC mais Z-Wave Dongle USB ou um gateway IP junto com vários interruptores e dimmers.

Z-Wave Rede com controlador estático único

O controlador estático é o controlador primário e inclui todos os outros dispositivos.

Como um controlador estático está vinculado a um determinado local, o outro Z-Wave Os dispositivos devem ser incluídos enquanto estiverem no alcance direto do controlador estático. Normalmente, eles serão instalados em seu local final após a inclusão.

Redes com múltiplos controladores

Em uma rede maior, vários controladores trabalharão juntos. Um controlador estático é usado para a configuração e o gerenciamento do sistema, e um ou vários controles remotos executam determinadas funções em diferentes locais.

Z-Wave Rede com múltiplos controladores

Se uma rede tiver vários controladores, o usuário precisa determinar qual deles será o controlador principal.

A inclusão de um controlador estático é um desafio caso os dispositivos precisem ser movidos para seu local final posteriormente. Uma reorganização da rede precisa ser realizada.

Controladores estáticos geralmente são mais confiáveis ​​e não se perdem facilmente. Eles costumam oferecer funções de backup para substituir o hardware em caso de danos graves.

Rede com controlador portátil como controlador primário

Controles remotos são mais vulneráveis ​​a danos e perdas. Normalmente, controles remotos não oferecem uma função de backup. Se o controlador primário for danificado ou perdido, será necessária uma reinclusão completa de toda a rede. No entanto, os dispositivos podem ser incluídos após a instalação, o que resulta em uma rede muito mais estável e sem a necessidade de reorganização da rede.

A escolha do controlador primário - estático ou portátil - depende mais da sua preferência pessoal do que de uma necessidade técnica.

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