Förståelse <tc>Z-Wave</tc> Nätverk, noder & Enheter

Förståelse Z-Wave Nätverk, noder & Enheter

Z-Wave Hemautomationsteknik består av tre lager. Radiolagret, nätverkslagret och applikationslagret arbetar tillsammans för att skapa ett robust och pålitligt nätverk som gör det möjligt för många noder och enheter att kommunicera med varandra samtidigt.

• Radiolager: Definierar hur en signal utväxlas mellan nätverket och den fysiska radiohårdvaran. Detta inkluderar frekvens, kodning, hårdvaruåtkomst etc.
• NätverkslagerDefinierar hur kontrolldata utbyts mellan två enheter eller noder. Detta inkluderar adressering, nätverksorganisation, routing etc.
• Applikationslager: Definierar vilka meddelanden som behöver hanteras av specifika applikationer för att utföra specifika uppgifter, till exempel att tända en lampa eller ändra temperaturen på en värmeenhet.

Nätverkslagret

De Z-Wave Nätverkslagret styr hur data utbyts mellan olika enheter (noder) i nätverket och består av tre underlager.

• Mediaåtkomstlager (MAC)Styr den grundläggande användningen av den trådlösa hårdvaran – dessa funktioner är osynliga för slutanvändaren.
• TransportlagerStyr meddelandeöverföringen och säkerställer felfri kommunikation mellan två trådlösa noder. Slutanvändaren kan inte påverka lagrets funktioner, men resultaten av lagret är synliga.
• Routinglager: Hanterar Z-Waves "Mesh"-funktioner för att maximera nätverkets räckvidd och säkerställa att meddelanden når sin destinationsnod. Detta lager använder ytterligare noder för att skicka meddelandet igen om destinationen ligger utanför den sändande nodens "direkta" räckvidd.

Förklaring av mediaåtkomstlagren (MAC) och transportlagren

Ungefär som när man skickar ett textmeddelande kan man inte se hur informationen överförs från din telefon till deras. Man antar att den skickas och kommer att tas emot och läsas av mottagaren. På liknande sätt använder trådlös hemautomationsteknik samma principer för att möjliggöra kommunikation mellan sändar- och mottagarnoder.

Ibland kan ett meddelande försvinna.

I en mobiltelefons fall kan det bero på dålig mottagning. I ett hemautomationsnätverk kan det bero på störningar eller att mottagaren är placerad för långt ifrån sändaren. I ett enkelt nätverk får sändaren ingen feedback om meddelandet har mottagits och om kommandot har utförts korrekt. Detta kan orsaka stabilitetsproblem, såvida inte installationen planerades och testades korrekt.

Z-Wave är en av de mest pålitliga trådlösa teknikerna, varje kommando som skickas bekräftas av mottagaren som skickar ett kvitto till avsändaren. Detta garanterar inte att meddelandet levererades korrekt, men avsändaren får en indikation på att en situation har ändrats eller att ett fel har uppstått.

Returkvittot kallas Bekräfta (ACK). En Z-Wave Transceivern kommer att försöka upp till tre gånger att skicka ett meddelande medan den väntar på en bekräftelse. Efter tre misslyckade försök Z-Wave Transceivern kommer att ge upp och rapportera ett felmeddelande till användaren. Antalet misslyckade försök är också en bra indikator på nätverkets trådlösa anslutningskvalitet.

Använda noder för framgångsrik kommunikation

Ett nätverk består av minst två noder. För att kunna kommunicera med varandra behöver noderna ha tillgång till ett gemensamt medium eller ha "något gemensamt".

I de flesta fall är detta ett fysiskt kommunikationsmedium som en kabel.Kommunikationsmediet för radio (trådlöst) är luften, som också används av alla möjliga olika tekniker - TV, Wi-Fi, mobiltelefoner etc. Därför behöver varje typ av "nätverk" ha ett definierat protokoll som gör det möjligt för de olika noderna i ett nätverk att identifiera varandra och exkludera meddelanden från andra radiokällor.

Varje nod i nätverket behöver också ha en unik identifiering för att skilja den från andra noder i samma nätverk.

De Z-Wave Protokollet definierar två identifieringar för nätverkets organisation.

• De Hem-ID är den gemensamma identifieringen av alla noder som tillhör en logisk enhet Z-Wave nätverk. Den har en längd på 4 byte = 32 bitar.
• De Nod-ID är adressen för en enskild nod i nätverket. Nod-ID:t har en längd på 1 byte = 8 bitar.

Noder med olika hem-ID:n kan inte kommunicera med varandra, men de kan ha ett liknande nod-ID. Detta beror på att de två nätverken är isolerade från varandra.

I ett enda nätverk (ett hem-ID) kan två noder inte ha identiska nod-ID:n. Det betyder att varje nod kan adresseras individuellt, vilket ger dig fullständig kontroll över ditt eget hemautomationssystem.

Enheter

Z-Wave har två grundläggande typer av enheter:

• Kontrollanter - enheter som styr andra Z-Wave enheter
• Slavar - enheter som styrs av andra Z-Wave enheter.

Regulatorer är fabriksprogrammerade med ett hem-ID, detta kan inte ändras av användaren. Slavenheter har inget förprogrammerat hem-ID eftersom de tar det hem-ID som tilldelats dem av nätverket.

Primärstyrenheten inkluderar andra noder i nätverket genom att tilldela dem ett eget hem-ID. Om en nod accepterar primärstyrenhetens hem-ID blir denna nod en del av nätverket. Primärstyrenheten tilldelar också ett individuellt nod-ID till varje ny enhet som läggs till i nätverket. Denna process kallas Inkludering.

	Definition	I kontrollenheten	I slaven
Hem-ID	Hem-ID:t är den vanliga identifieringen av en Z-Wave nätverk	Hem-ID är redan inställt som fabriksinställning	Inget hem-ID vid fabriksinställning
Nod-ID	Nod-ID är den individuella identifieringen (adressen) för en nod inom ett gemensamt nätverk.	Styrenheten har sitt fördefinierade nod-ID (vanligtvis 0x01)	Tilldelad av den primära styrenheten

Tabell 1 - Jämförelse av hem-ID och nod-ID

Meshing och routing

I ett typiskt trådlöst nätverk har den centrala styrenheten en direkt trådlös anslutning till alla andra nätverksnoder. Detta kräver en direkt radiolänk. Men om det uppstår en störning har styrenheten ingen reservväg för att nå noderna och kommunikationen kommer att brytas.

Figur 6 - Nätverk utan routing

Radionätet i figur 6 är ett icke-routat nätverk. Noderna två, tre och fyra ligger inom styrenhetens radioräckvidd. Nod 5 ligger utanför radioräckvidden och kan inte nås av styrenheten.

Dock, Z-Wave erbjuder en mycket kraftfull mekanism för att övervinna denna begränsning. Z-Wave noder kan vidarebefordra och upprepa meddelanden till andra noder som inte befinner sig inom direkt räckhåll för styrenheten. Detta möjliggör Z-Wave för att skapa mycket flexibla och robusta nätverk. Kommunikation kan ske till alla noder inom nätverket även om de befinner sig utanför direkt räckvidd eller om den direkta anslutningen avbryts.

Figur 7 - Z-Wave nätverk med routing

De Z-Wave nätverk med routing (figur 7) visar att styrenheten kan kommunicera direkt med noderna 2, 3 och 4. Nod 6 ligger utanför dess radioräckvidd, men inom nod 2:s radioräckvidd. Därför kan styrenheten kommunicera med nod 6 via nod 2. Detta kallas en "rutt".

Med hjälp av detta routingsystem, Z-Wave signaler kan till och med fungera runt hörn! Andra tekniker fungerar med "siktlinje" där varje sändare måste ha direkt sikt till mottagaren, men Z-Wave skickar helt enkelt signalen på en liten omväg runt ett hinder med hjälp av en annan nod.

Z-Waves routing kan automatiskt anpassa sig till eventuella förändringar i nätverket. Till exempel figur 8 visar att direktkommunikation mellan nod 1 och nod 2 är blockerad.Men det är fortfarande möjligt för nod 1 att kommunicera med nod 6 genom att använda nod 3 som en extra repeater.

Ju fler noder i ett nätverk, desto mer flexibelt och robust blir nätverket.

Z-Wave kan dirigera meddelanden via upp till fyra upprepande noder. Detta är en kompromiss mellan nätverkets storlek och stabilitet, och den maximala tid ett meddelande tillåts färdas i nätverket.

Figur 8 - Maximalt avstånd mellan två noder via fyra repeatrar

Bygga rutter i en Z-Wave Nätverk

Varje nod kan avgöra vilka noder som finns inom dess direkta trådlösa räckvidd. Dessa noder kallas grannar. Under Inclusion och senare Request kan noden informera styrenheten om sin lista över grannar. Med hjälp av denna information kan styrenheten bygga en tabell som innehåller all information om möjliga kommunikationsvägar i ett nätverk. Denna routingtabell kan nås av användaren och det finns flera programvarulösningar, vanligtvis kallade installationsverktyg, som visualiserar routingtabellen och hjälper dig att optimera nätverksinstallationen.

Figur 9 - Fräsning i en Z-Wave Nätverk

Diagrammet ovan (ffigur 9) visar en Z-Wave meshetnätverk, med en styrenhet och fem noder. Styrenheten kan kommunicera direkt med nod 2 och 3. Det finns ingen direkt anslutning till nod 4, 5 och 6. Kommunikation till nod 4 fungerar antingen via nod 2 eller via nod 3.

Tabell 2 - Routingtabell för Z-Wave Nätverk

Rutningen för detta nätverk visas i tabell 2 - raderna innehåller källnoderna och kolumnerna innehåller destinationsnoderna. En cell med "1" indikerar att noderna är grannar och en "0" visar att det inte finns någon direkt kommunikationsväg. Tabellen visar också visar anslutningen mellan källnod 1 och destinationsnod 4. Cellen mellan nod 1 och 4 är markerad med "0". Därför dirigerar nätverket signalen via nod 3 som ligger inom direkt räckhåll för både nod 1 och nod 4.

Figur 10 - Alternativ Z-Wave Nätverksrouting

Ett annat exempel (ffigur 10) visar att nod 6 bara kan kommunicera med resten av nätverket med hjälp av nod 5 som repeater. Eftersom styrenheten inte har en direkt anslutning till nod 5 behöver styrenheten använda en av följande rutter:1 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6” eller ”1 -> 2 -> 5 ->6”.

En styrenhet kommer alltid först att försöka skicka sitt meddelande direkt till destinationen. Om detta inte är möjligt kommer den att använda sin routingtabell för att hitta nästa bästa väg till destinationen. Styrenheten kan välja upp till tre alternativa rutter och kommer att försöka skicka meddelandet via dessa rutter. Endast om alla tre rutter misslyckas (styrenheten får ingen bekräftelse från destinationen) kommer styrenheten att rapportera ett fel.

Typer av nätverksnoder

Slavar kategoriseras som "standard"- eller "routing"-slavar. routingslav inkluderar avancerade routingfunktioner.

Skillnaden mellan de tre olika nodtyperna är deras kunskap om nätverkets routingtabell och deras förmåga att skicka meddelanden till nätverket.

	Grannar	Rutt	Möjliga funktioner
Kontroller	Känner alla grannar	Har tillgång till komplett routingtabell	Kan kommunicera med alla enheter i nätverket, om det finns en rutt
Slav	Känner alla grannar	Har ingen information om routingtabellen	Kan bara svara till noden som den har mottagit meddelandet från. Därför kan inte oönskade meddelanden skickas.
Routingslav	Känner alla grannar	Har delvis kunskap om routingtabeller	Kan svara till noden som han har mottagit meddelandet från och kan skicka oönskade meddelanden till ett antal fördefinierade noder som han också har en rutt för.

Egenskaper hos Z-Wave Enhetsmodeller

Slav	Fast installerade nätdrivna enheter som väggströmbrytare, väggdimmer eller persiennkontroller
Routingslav	Batteridrivna enheter och mobila applicerbara enheter som till exempel sensorer med batteridrift, vägguttag för Schuko- och kontakttyper, termostater och värmare med batteridrift och alla andra slavapplikationer

Typiska tillämpningar för slavar

Utmaningar i typiska nätverkskonfigurationer

Z-Wave Ett nätverk börjar vanligtvis som ett litet nätverk som utökas vid behov. Ett litet nätverk kan bestå av en fjärrkontroll och ett par strömbrytare eller dimmers. Fjärrkontrollen fungerar som primär styrenhet och inkluderar och styr strömbrytarna och dimmarna.

Under installationen bör dimmers och brytare installeras på sin slutliga plats för att säkerställa att en korrekt lista över grannar identifieras och rapporteras.

Den här typen av nätverkskonfiguration fungerar bra så länge fjärrkontrollen kan nå alla strömbrytare och dimmers direkt (noden som ska styras är "inom räckhåll"). Om den styrda noden inte är inom räckhåll kan användaren uppleva fördröjningar, eftersom fjärrkontrollen först måste detektera nätverksstrukturen innan den styr enheten.

Om en enhet har inkluderats och senare flyttats till en ny position, kan just den enheten endast styras av fjärrkontrollen om den är inom direkt räckhåll. Annars kommer kommunikationen att misslyckas, eftersom routingtabellposten för just den enheten är felaktig och fjärrkontrollen inte kan göra en nätverkssökning i driftögonblicket.

Z-Wave Nätverk med en statisk styrenhet

Ett annat typiskt nätverk består av en statisk styrenhet – mestadels PC-programvara plus Z-Wave USB-dongel eller en IP-gateway tillsammans med ett antal strömbrytare och dimmers.

Z-Wave Nätverk med en enda statisk styrenhet

Den statiska styrenheten är den primära styrenheten och inkluderar alla andra enheter.

Eftersom en statisk styrenhet är bunden till en viss plats, är den andra Z-Wave Enheter måste inkluderas medan de är inom direkt räckhåll för den statiska styrenheten. De kommer vanligtvis att installeras på sin slutliga plats efter inkludering.

Nätverk med flera styrenheter

I ett större nätverk kommer flera styrenheter att arbeta tillsammans. En statisk styrenhet används för konfiguration och hantering av systemet och en eller flera fjärrkontroller utför vissa funktioner på olika platser.

Z-Wave Nätverk med flera styrenheter

Om ett nätverk har flera styrenheter måste användaren avgöra vilken av styrenheterna som ska vara den primära styrenheten.

Att inkludera en statisk styrenhet är en utmaning om enheterna behöver flyttas till sin slutliga plats efteråt. En nätverksomorganisation måste utföras.

Statiska styrenheter är vanligtvis mer tillförlitliga och går inte lätt att förlora. De erbjuder vanligtvis reservfunktioner för att ersätta hårdvaran vid allvarliga skador.

Nätverk med bärbar styrenhet som primär styrenhet

Fjärrkontroller är mer sårbara för skador och förlust. Vanligtvis erbjuder fjärrkontroller inte en reservfunktion. Om den primära kontrollenheten skadades eller förlorades skulle en fullständig återinkludering av hela nätverket behöva utföras. Enheter kan dock inkluderas efter att de har installerats, vilket resulterar i ett mycket mer stabilt nätverk och inget behov av nätverksomorganisation.

Valet av primär styrenhet – statisk eller bärbar – beror mer på dina personliga preferenser snarare än en teknisk nödvändighet.

Vesternet är Europas ledande specialist på hemautomation, ta en titt på vårt stora utbud av Z-Wave produkter.