Entendiendo las redes de onda Z, los nodos y los dispositivos

Entendiendo las redes de onda Z, los nodos y los dispositivos

Onda z La tecnología de automatización del hogar comprende tres capas. La capa de radio, la capa de red y la capa de aplicación trabajan juntas para crear una red robusta y confiable que permite a los numerosos nodos y dispositivos comunicarse entre sí simultáneamente.

• Capa de radio: Define la forma en que se intercambia una señal entre la red y el hardware de radio físico. Esto incluye frecuencia, codificación, acceso de hardware, etc.
• Capa de red: Define cómo se intercambian los datos de control entre dos dispositivos o nodos. Esto incluye direccionamiento, organización de red, enrutamiento, etc.
• Capa de aplicación: Define qué mensajes deben ser manejados por aplicaciones específicas para realizar tareas particulares, como cambiar una luz o cambiar la temperatura de un dispositivo de calefacción.

La capa de red

La capa de red de onda Z controla cómo se intercambian los datos entre diferentes dispositivos (nodos) en la red, consta de tres subcapas.

• Capa de acceso a los medios (Mac): Controla el uso básico del hardware inalámbrico: estas funciones son invisibles para el usuario final.
• Capa de transporte: Controla la transferencia de mensajes, asegurando una comunicación sin errores entre dos nodos inalámbricos. El usuario final no puede influir en las funciones de esta capa, pero los resultados de esta capa son visibles.
• Capa de enrutamiento: Gestiona las capacidades de "malla" de Z-Wave para maximizar el rango de red y asegurarse de que los mensajes lleguen a su nodo de destino. Esta capa utilizará nodos adicionales para volver a enviar el mensaje si el destino está fuera del rango "Directo" del nodo de transmisión.

El acceso a los medios (MAC) y las capas de transporte explicadas.

Más bien, como enviar un mensaje de texto, no puede ver cómo la información transfiere de su teléfono a la suya. Asumes que se envía y será recibido y leer por el destinatario. De manera similar, las tecnologías de automatización de viviendas inalámbricas utilizan los mismos principios para permitir la comunicación entre los nodos del remitente y el receptor.

Ocasionalmente, un mensaje puede perderse.

En el caso del teléfono móvil, podría deberse a una mala recepción. En el caso de una red de automatización de la casa, podría deberse a la interferencia o posicionar al receptor demasiado lejos del remitente. En una red simple, el remitente no obtiene comentarios sobre si se ha recibido el mensaje y si el comando se ha ejecutado correctamente. Esto puede causar problemas de estabilidad, a menos que la instalación haya sido planeada y probada correctamente.

Z-Wave es la de las tecnologías inalámbricas más confiables, cada comando enviado es confirmado por el receptor que envía un recibo de devolución al remitente. Esto no garantiza que el mensaje se entregó correctamente, sin embargo, el remitente recibirá una indicación de que ha cambiado una situación, o se ha producido un error.

El recibo de retorno se llama Reconocer (ACK). Un transceptor Z-Wave intentará hasta tres veces para enviar un mensaje mientras espera un ACK. Después de tres intentos fallidos, el transceptor Z-Wave se rendirá e informará un mensaje de falla al usuario. El número de intentos fallidos es también un buen indicador de la calidad de la conexión inalámbrica de la red.

Utilizando nodos para comunicación exitosa.

Una red consta de al menos dos nodos. Para poder comunicarse entre sí, los nodos deben tener acceso a un medio común o tener que tener "algo en común".

En la mayoría de los casos, este es un medio de comunicación física como un cable. Los medios de comunicación para la radio (inalámbrica) es el aire, que también es utilizado por todo tipo de tecnologías diferentes: TV, Wi-Fi, teléfonos móviles, etc. Por lo tanto, cada tipo de "red necesita tener un protocolo definido que permite el Diferentes nodos de una red para identificarse entre sí y excluir los mensajes de otras fuentes de radio.

Cada nodo en la red también debe tener una identificación única para distinguirlo de otros nodos en la misma red.

El protocolo Z-Wave define dos identificaciones para la organización de la red.

• los ID de inicio es la identificación común de todos los nodos que pertenecen a una red lógica Z-Wave. Tiene una longitud de 4 bytes = 32 bits.
• los ID de nodo es la dirección de un solo nodo en la red. El ID del nodo tiene una longitud de 1 byte = 8 bits.

Los nodos con diferentes ID de hogar no pueden comunicarse entre sí, pero pueden tener una identificación de nodo similar. Esto se debe a que las dos redes están aisladas entre sí.

En una sola red (un ID de inicio), dos nodos no pueden tener identificaciones de nodo idénticas. Esto significa que cada nodo se puede abordar individualmente que le brinda un control completo de su propio sistema de automatización del hogar.

Dispositivos

Z-Wave tiene dos tipos básicos de dispositivo:

• Controladores - Dispositivos que controlan otros dispositivos Z-Wave
• Esclavos - Dispositivos que están controlados por otros dispositivos Z-Wave.

Los controladores están programados de fábrica con una identificación de inicio, esto no puede ser cambiado por el usuario. Los esclavos no tienen un ID de inicio preprogramado, ya que llevan a la red la identificación de inicio a ellos.

El controlador principal incluye otros nodos en la red asignándoles su propia identificación de inicio. Si un nodo acepta la ID de inicio del controlador principal, este nodo se convierte en parte de la red. El controlador principal también asigna una ID de nodo individual a cada nuevo dispositivo que se agrega a la red. Este proceso se conoce como Inclusión.

 

	Definición	En el controlador	En el esclavo
ID de inicio	La ID de inicio es la identificación común de una red Z-Wave	La ID de inicio ya está establecida como predeterminada de fábrica	No hay identificación en casa en el valor predeterminado de fábrica
ID de nodo	El ID de nodo es la identificación individual (dirección) de un nodo dentro de una red común	El controlador tiene su identificación de nodo ganado predefinido (típicamente 0x01)	Asignado por el controlador primario

Tabla 1 - ID de inicio y comparación de ID de nodo

Malla y enrutamiento

En una red inalámbrica típica, el controlador central tiene una conexión inalámbrica directa a todos los otros nodos de red. Esto requiere un enlace de radio directo. Sin embargo, si hay una perturbación, el controlador no tiene ninguna ruta de respaldo para llegar a los nodos y se romperá la comunicación.

Figura 6 - Red sin enrutamiento

La red de radio en Figura 6 es una red no enrutada. Los nodos Dos, tres y cuatro están dentro del rango de radio del controlador. El nodo 5 está fuera del rango de radio y no puede ser alcanzado por el controlador.

Sin embargo, Z-Wave ofrece un mecanismo muy poderoso para superar esta limitación. Los nodos de onda Z pueden reenviar y repetir mensajes a otros nodos que no están en el rango directo del controlador. Esto permite que Z-Wave cree redes muy flexibles y robustas. La comunicación se puede hacer a todos los nodos dentro de la red, incluso si están fuera del rango directo o si se interrumpe la conexión directa.

Figura 7 - Red de onda Z con enrutamiento

La red Z-Wave con enrutamiento (Figura 7) Muestra que el controlador puede comunicarse directamente con los nodos 2, 3 y 4. El nodo 6 se encuentra fuera de su rango de radio, sin embargo, está dentro del rango de radio del nodo 2. Por lo tanto, el controlador puede comunicarse con el nodo 6 a través del nodo 2. Esto es Llamado una "ruta".

¡Usando este sistema de enrutamiento, las señales de onda Z incluso pueden trabajar en las esquinas! Otras tecnologías funcionan en 'Línea de visión' donde todos los transmisores deben tener vista directa del receptor, pero Z-Wave simplemente envía la señal en un pequeño desvío alrededor de un obstáculo con otro nodo.

El enrutamiento de Z-Wave se puede adaptar automáticamente a cualquier cambio en la red. Por ejemplo figura 8Muestra que la comunicación directa entre el nodo 1 y el nodo 2 está bloqueada. Pero aún es posible que el nodo 1 se comunique con el nodo 6 usando el nodo 3 como un repetidor adicional.

Cuantos más nodos en una red, la red más flexible y robusta se vuelva.

Z-Wave puede enrutar mensajes a través de hasta cuatro nodos de repetición. Este es un compromiso entre el tamaño de la red y la estabilidad, y el tiempo máximo se permite viajar en la red.

Figura 8 - Distancia máxima entre dos nodos a través de cuatro repetidores

Rutas de construcción en una red Z-Wave

Cada nodo puede determinar qué nodos están en su rango inalámbrico directo. Estos nodos se llaman vecinos. Durante la inclusión y más adelante, a solicitud, el nodo puede informar al controlador sobre su lista de vecinos. Usando esta información, el controlador puede crear una tabla que tenga toda la información sobre las posibles rutas de comunicación en una red. El usuario puede acceder a esta tabla de enrutamiento y hay varias soluciones de software, generalmente llamadas herramientas de instalación, que visualizan la tabla de enrutamiento que lo ayuda a optimizar la configuración de la red.

Figura 9 - Enrutamiento en una red de onda Z

El diagrama anterior (fIgure 9) muestra una red con malla de onda Z, con un controlador y cinco nodos. El controlador puede comunicarse directamente con el nodo 2 y 3. No hay conexión directa al nodo 4, 5 y 6. La comunicación al nodo 4 funciona ya sea a través del nodo 2 o a través del nodo 3.

 

Tabla 2 - Tabla de enrutamiento para la red Z-Wave

El enrutamiento de esta red se muestra en Tabla 2 - Las filas contienen los nodos de origen y las columnas contienen los nodos de destino. Una celda con "1" indica que los nodos son vecinos y una "0" muestra que no hay una trayectoria de comunicación directa. La tabla también muestra la conexión entre el nodo de origen 1 y el nodo de destino 4. La celda entre el nodo 1 y 4 está marcada "0". Por lo tanto, la red ruta la señal a través del nodo 3 que está en el rango directo del nodo 1 y el nodo 4.

Figura 10 - Alternativa Z-Wave Netwo Rrouting

Otro ejemplo (fIgure 10) Muestra que el nodo 6 solo puede comunicarse con el resto de la red utilizando el nodo 5 como repetidor. Dado que el controlador no tiene una conexión directa al nodo 5, el controlador necesita usar una de las siguientes rutas: "1 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6" o "1 -> 2 -> 5 ->6”.

Un controlador siempre intentará primero transmitir su mensaje directamente al destino. Si esto no es posible, usará su tabla de enrutamiento para encontrar la mejor mejor manera al destino. El controlador puede seleccionar hasta tres rutas alternativas e intentará enviar el mensaje a través de estas rutas. Solo si las tres rutas fallan (el controlador no recibe un acuse de recibo del destino), el controlador informará un fallo.

Tipos de nodos de red

Los esclavos se clasifican como esclavos "estándar" o "enrutamiento". A Slave de enrutamiento Incluye capacidades de enrutamiento avanzado.

La diferencia entre los tres tipos de nodos diferentes es su conocimiento de la tabla de enrutamiento de la red y su capacidad para enviar mensajes a la red.

 

	Vecinos	Ruta	Funciones posibles
Controlador	Conoce a todos los vecinos	Tiene acceso a la tabla de enrutamiento completo	Puede comunicarse con cada dispositivo en la red, si existe la ruta.
Esclavo	Conoce a todos los vecinos	No tiene información sobre la tabla de enrutamiento.	Solo se puede responder al nodo de la que ha recibido el mensaje. Por lo tanto, no puede enviar mensajes no solicitados.
Slave de enrutamiento	Conoce a todos los vecinos	Tiene conocimiento parcial de la tabla de enrutamiento.	Puede responder al nodo de la que ha recibido el mensaje y puede enviar mensajes no solicitados a una serie de nodos predefinidos que también tiene una ruta

Propiedades de los modelos de dispositivos Z-Wave

Esclavo	Dispositivos eléctricos instalados fijos como interruptores de pared, reguladores de pared o controladores ciegos venecianos
Slave de enrutamiento	Dispositivos operados por baterías y dispositivos aplicables móviles como sensores de ejemplo con la operación de la batería, los tapones de pared para los tipos de Schuko y enchufe, termostatos y calentadores con operación de la batería y todas las demás aplicaciones esclavistas

Aplicaciones típicas para esclavos.

Desafíos en las configuraciones típicas de la red.

La red de onda Z normalmente comienza como una pequeña red que se extiende como y cuando necesita. Una pequeña red puede consistir en un control remoto y un par de interruptores o reguladores. El control remoto actúa como controlador primario e incluye y controla los interruptores y los reguladores.

Durante la inclusión, los reguladores y los interruptores deben instalarse en su ubicación final, para asegurarse de que se reconozca e informará una lista correcta de vecinos.

Este tipo de configuración de red funciona bien, siempre y cuando el control remoto pueda alcanzar todos los interruptores y reguladores directamente (el nodo a controlar está "en rango"). Si el nodo controlado no está en rango, el usuario puede experimentar retrasos, ya que el control remoto necesita detectar la estructura de la red primero antes de controlar el dispositivo.

En caso de que un dispositivo haya sido incluido y movido después a una nueva posición, este dispositivo en particular solo puede ser controlado por el control remoto si está en rango directo. De lo contrario, la comunicación fallará, porque la entrada de la tabla de enrutamiento para este dispositivo en particular está incorrecto y el control remoto no puede realizar una exploración de red en el momento de la operación.

Red de onda Z con un controlador estático

Otra red típica consiste en un controlador estático, en su mayoría PC Software Plus Z-Wave USB Dongle o una puerta de enlace IP junto con una serie de interruptores y reguladores.

Red de onda Z con un solo controlador estático

El controlador estático es el controlador principal e incluye todos los demás dispositivos.

Debido a que un controlador estático está unido a una ubicación determinada, los otros dispositivos Z-Wave deben incluirse al estar en el rango directo con el controlador estático. Normalmente se instalarán en su ubicación final después de la inclusión.

Redes con múltiples controladores.

En una red más grande, varios controladores trabajarán juntos. Se utiliza un controlador estático para la configuración y la administración del sistema y uno o varios controles remotos realizan ciertas funciones en diferentes lugares.

Red de onda z con controladores de muliple

Si una red tiene múltiples controladores, el usuario debe determinar cuál de los controladores será el controlador principal.

La inclusión de un controlador estático es un desafío, si los dispositivos deben moverse a su ubicación final después. Se debe realizar una reorganización de la red.

Los controladores estáticos suelen ser más confiables y no se pierden fácilmente. Por lo general, ofrecen funciones de copia de seguridad para reemplazar el hardware en caso de daños severos.

Red con controlador portátil como el controlador principal

Los controles remotos son más vulnerables a los daños y la pérdida. Por lo general, los controles remotos no ofrecen una función de copia de seguridad. Si el controlador principal se dañó o se perdió, tendría que realizar una reinización completa de toda la red. Sin embargo, los dispositivos se pueden incluir después de instalarlos, lo que resulta en una red mucho más estable, y sin necesidad de reorganización de la red.

La elección del controlador principal: estático o portátil, depende más de su preferencia personal en lugar de una necesidad técnica.

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