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

Entendimento Z-Wave Redes, Nós &e 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 inúmeros nós e dispositivos se comuniquem entre si simultaneamente.

• Camada de rádioDefine 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 RedeDefine como os dados de controle são trocados entre dois dispositivos ou nós. Isso inclui endereçamento, organização da rede, roteamento, etc.
• Camada de aplicaçãoDefine quais mensagens precisam ser tratadas por aplicativos específicos para realizar tarefas particulares, como acender uma lâmpada ou alterar a temperatura de um aquecedor.

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 ao Meio (MAC)Controla o uso básico do hardware sem fio - essas funções são invisíveis para o usuário final.
• Camada de transporteControla a transferência de mensagens, garantindo a comunicação sem erros entre dois nós sem fio. O usuário final não pode influenciar as funções desta camada, mas os resultados obtidos por ela são visíveis.
• Camada de roteamento: Gerencia Z-WaveA camada utiliza recursos de "Mesh" para maximizar o alcance da rede e garantir que as mensagens cheguem ao nó de destino. Essa camada usa nós adicionais para reenviar a mensagem caso o destino esteja fora do alcance "direto" do nó transmissor.

Explicação das camadas de acesso ao meio (MAC) e de transporte.

Assim como no envio de uma mensagem de texto, você não consegue ver como a informação é transferida do seu telefone para o da outra pessoa. Você presume que ela foi enviada e será recebida e lida pelo destinatário. Da mesma forma, as tecnologias de automação residencial sem fio utilizam os mesmos princípios para permitir a comunicação entre os nós remetente e destinatário.

Ocasionalmente, uma mensagem pode se perder.

No caso de um celular, isso pode ser devido à má recepção. No caso de uma rede de automação residencial, pode ser devido a interferências ou ao posicionamento do receptor muito distante do transmissor. Em uma rede simples, o transmissor não recebe 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 confirmado pelo receptor, que envia uma confirmação de recebimento ao remetente. Isso não garante que a mensagem foi entregue corretamente, porém, o remetente receberá uma indicação de que a situação mudou ou que ocorreu um erro.

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

Utilizando nós para uma comunicação bem-sucedida

Uma rede consiste em pelo menos dois nós. Para poderem comunicar entre si, os nós precisam ter acesso a um meio comum ou precisam 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 da rede também precisa ter uma identificação única para distingui-lo dos outros nós da mesma rede.

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

• O ID da página inicial é a identificação comum de todos os nós pertencentes a uma mesma rede lógica. Z-Wave rede. Possui 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 um comprimento de 1 byte = 8 bits.

Nós com IDs de rede diferentes não podem se comunicar entre si, mas podem ter IDs de rede semelhantes. Isso ocorre porque as duas redes estão 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 sistema de automação residencial.

Dispositivos

Z-Wave Possui dois tipos básicos de dispositivo:

• 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 ID de rede (Home ID), que não pode ser alterado pelo usuário. Os dispositivos escravos (Slave IDs) não possuem um ID de rede pré-programado, pois utilizam o ID de rede atribuído a eles pela rede.

O controlador primário inclui outros nós na rede atribuindo-lhes um ID de rede próprio. Se um nó aceitar o ID de rede do controlador primário, esse nó passa a fazer parte da rede. O controlador primário também atribui um ID de nó individual a cada novo dispositivo adicionado à rede. Esse processo é conhecido como Inclusão.

	Definição	No Controlador	No escravo
ID da página inicial	O ID residencial é a identificação comum de um Z-Wave rede	O ID da casa já está definido como padrão de fábrica.	Sem ID residencial na configuração de fábrica
ID do nó	O ID do nó é a identificação individual (endereço) de um nó dentro de uma rede comum.	O controlador possui seu próprio ID de nó predefinido (normalmente 0x01).	Atribuído pelo controlador principal

Tabela 1 - Comparação entre ID da página inicial e ID do nó

Malha e roteamento

Em uma rede sem fio típica, o controlador central possui uma conexão sem fio direta com todos os outros nós da rede. Isso requer um enlace de rádio direto. No entanto, se houver uma perturbação, o controlador não possui nenhuma rota alternativa 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 7A figura mostra que o controlador pode se comunicar diretamente com os nós 2, 3 e 4. O nó 6 está fora do alcance de rádio do controlador, porém, está dentro do alcance de rádio do nó 2. Portanto, o controlador pode se comunicar com o nó 6 através do nó 2. Isso é chamado de "rota".

Utilizando este sistema de roteamento, Z-Wave Os sinais podem funcionar até mesmo em curvas! Outras tecnologias funcionam com base na 'linha de visão', onde cada transmissor precisa ter visão direta do receptor, mas Z-Wave simplesmente envia o sinal por um pequeno desvio ao redor de um obstáculo usando outro nó.

Z-WaveO roteamento do sistema 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 encaminhar mensagens através de até quatro nós repetidores. Isso representa um equilíbrio entre o tamanho e a estabilidade da rede, bem como o tempo máximo que uma mensagem pode levar para 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 Requisição, o nó pode informar ao controlador sua lista de vizinhos. Usando essas informações, o controlador consegue construir uma tabela que contém todas as informações sobre as possíveis rotas de comunicação em uma rede. Essa tabela de roteamento pode ser acessada pelo usuário e existem diversas soluções de software, geralmente chamadas de ferramentas de instalação, que visualizam a tabela de roteamento, auxiliando na otimização da configuração da rede.

Figura 9 - Roteamento em um Z-Wave Rede

O diagrama acima (f)Figura 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 contêm os nós de destino. Uma célula com “1” indica que os nós são vizinhos e um “0” indica que não há caminho de comunicação direta. A tabela também A figura mostra a conexão entre o Nó de Origem 1 e o Nó de Destino 4. A célula entre os Nós 1 e 4 está marcada com “0”. Portanto, a rede encaminha o sinal através do Nó 3, que está no alcance direto tanto do Nó 1 quanto do Nó 4.

Figura 10 - Alternativa Z-Wave Roteamento de rede

Outro exemplo (f)Figura 10) mostra que o Nó 6 só pode se comunicar com o resto 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 a melhor rota alternativa. O controlador pode selecionar até três rotas alternativas e tentará enviar a mensagem por meio delas. Somente se todas as três rotas falharem (o controlador não receber uma confirmação do destino), ele reportará uma falha.

Tipos de nós de rede

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

A diferença entre os três tipos de nós diferentes O conhecimento que eles têm da tabela de roteamento da rede e a capacidade de enviar mensagens para a rede são fatores essenciais.

	Vizinhos	Rota	Funções possíveis
Controlador	Conhece todos os vizinhos	Tem acesso à tabela de roteamento completa.	Pode comunicar com todos os dispositivos na rede, se existir uma rota.
Escravo	Conhece todos os vizinhos	Não possui informações sobre a tabela de roteamento.	Só pode responder ao nó que lhe enviou a mensagem. Portanto, não pode enviar mensagens não solicitadas.
Roteamento Escravo	Conhece todos os vizinhos	Possui conhecimento parcial da tabela de roteamento.	Pode responder ao nó que lhe enviou a mensagem e pode enviar mensagens não solicitadas para vários nós predefinidos aos quais tem uma rota.

Propriedades do Z-Wave Modelos de dispositivos

Escravo	Dispositivos fixos instalados alimentados pela rede elétrica, como interruptores de parede, reguladores de intensidade de luz ou controladores de persianas venezianas.
Roteamento Escravo	Dispositivos alimentados por bateria e dispositivos móveis compatíveis, como por exemplo, sensores com funcionamento a bateria, tomadas de parede dos tipos Schuko e plugue, termostatos e aquecedores com funcionamento a bateria e todas as outras aplicações escravas.

Aplicações típicas para escravos

Desafios em configurações de rede típicas

Z-Wave Normalmente, uma rede começa pequena e é expandida conforme a necessidade. Uma rede pequena pode consistir em um controle remoto e alguns interruptores ou dimmers. O controle remoto funciona como controlador principal e controla os interruptores e dimmers.

Durante o processo de inclusão, os interruptores e reguladores de intensidade devem ser instalados em sua localização final, para garantir que a lista correta de vizinhos seja reconhecida e relatada.

Esse 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 experimentar atrasos, pois o controle remoto precisa primeiro 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 estará incorreta e o controle remoto não conseguirá realizar uma varredura de rede no momento da operação.

Z-Wave Rede com um controlador estático

Outra rede típica consiste em um controlador estático - geralmente um software para PC - mais Z-Wave Um dongle USB ou um gateway IP, juntamente com vários interruptores e reguladores de intensidade.

Z-Wave Rede com controlador estático único

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

Como um controlador estático está vinculado a um local específico, o outro Z-Wave Os dispositivos devem ser incluídos estando dentro do alcance direto do controlador estático. Normalmente, eles serão instalados em sua localização final após a inclusão.

Redes com múltiplos controladores

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

Z-Wave Rede com múltiplos controladores

Se uma rede possui vários controladores, o usuário precisa determinar qual deles será o controlador primário.

A inclusão de um controlador estático representa um desafio se os dispositivos precisarem ser movidos para sua localização final posteriormente. Isso exige uma reorganização da rede.

Controladores estáticos costumam ser mais confiáveis ​​e não se perdem com facilidade. Normalmente, oferecem funções de backup para substituir o hardware em caso de danos graves.

Rede com controlador portátil como controlador principal

Os controles remotos são mais vulneráveis ​​a danos e perdas. Geralmente, não oferecem função de backup. Se o controlador principal for danificado ou perdido, será necessário reinserir toda a rede. No entanto, os dispositivos podem ser adicionados após a instalação, o que resulta em uma rede muito mais estável e sem a necessidade de reorganização.

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

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