Entendendo redes Z-Wave, nós e dispositivos

Entendendo redes Z-Wave, 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 aplicativos funcionam juntas para criar uma rede robusta e confiável que permita que numerosos nós e dispositivos se comuniquem simultaneamente.

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

A camada de rede

A camada de rede Z-WAVE controla como os dados são trocados entre diferentes dispositivos (nós) na rede, consiste em três sub-camadas.

• 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 livre de erros entre dois nós sem fio. O usuário final não pode influenciar as funções desta camada, mas os resultados dessa camada são visíveis.
• Camada de roteamento: Gerencia os recursos de "malha" do Z-Wave para maximizar a faixa de rede e garantir que as mensagens cheguem ao nó de destino. Essa camada usará nós adicionais para reenviar a mensagem se o destino estiver fora da faixa "direta" do nó de transmissão.

O acesso à mídia (Mac) e camadas de transporte explicadas

Em vez de enviar uma mensagem de texto, você não pode ver como as informações transferem do seu telefone para o deles. Você assume que é enviado e será recebido e lido pelo destinatário. Da mesma forma, as tecnologias de automação residencial sem fio usam os mesmos princípios para permitir a comunicação entre os nós do remetente e do receptor.

Ocasionalmente, uma mensagem pode se perder.

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

Z-Wave é a única das tecnologias sem fio mais confiáveis, cada comando enviado é reconhecido pelo receptor que envia um recibo de retorno para o remetente. Isso não garante que a mensagem foi entregue corretamente, no entanto, o remetente terá uma indicação de que uma situação alterada ou ocorreu um erro.

O recibo de retorno é chamado Reconheça (ACK). Um transceptor de ondas Z irá tentar até três vezes para enviar uma mensagem enquanto aguarda um ACK. Depois de três tentativas malsucedidas, o transceptor de ondas Z desistirá e reportará uma mensagem de falha ao usuário. O número de tentativas malsucedidas é também um bom indicador da qualidade da conexão sem fio da rede.

Usando nós para comunicação bem sucedida

Uma rede consiste em pelo menos dois nós. Para poder se comunicar uns com os outros, os nós precisam ter acesso a uma mídia comum ou precisar ter "algo em comum".

Na maioria dos casos, esta é uma mídia de comunicação física como um cabo. A mídia de comunicação para rádio (sem fio) é o ar, que também é usado por todos os tipos de diferentes tecnologias - TV, Wi-Fi, telefones celulares, etc., portanto, cada tipo de "rede" precisa ter um protocolo definido que permita Diferentes nós de uma rede para identificar uns aos outros e excluir mensagens de outras fontes de rádio.

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

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

• O ID do HOME é a identificação comum de todos os nós pertencentes a uma rede lógica de Wave Z. 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 um comprimento de 1 byte = 8 bits.

Os nós com diferentes IDs domésticos não podem se comunicar uns com os outros, mas eles podem ter um ID de nó semelhante. Isso ocorre porque as duas redes são isoladas umas das outras.

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

Dispositivos

Z-Wave tem dois tipos básicos de dispositivo:

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

Controladores são programados fábrica com um ID inicial, isso não pode ser alterado pelo usuário. Os escravos não têm um ID inicial pré-programado, pois levam a identificação em casa atribuída à rede.

O principal controlador inclui outros nós na rede, atribuindo-lhes seu próprio ID de origem. Se um nó aceitar o ID inicial do controlador principal, este nó se tornar parte da rede. O principal controlador também atribui um ID de nó individual a cada novo dispositivo que é adicionado à rede. Este processo é conhecido como Inclusão.

 

	Definição	No controlador	No escravo
ID do HOME	A ID inicial é a identificação comum de uma rede Z Wave	O ID inicial já está definido como padrão de fábrica	Sem identificação em casa 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 ID de nó ganho predefinido (tipicamente 0x01)	Atribuído pelo controlador principal

Tabela 1 - ID da Home e Comparação de ID do Nó

Mensagem e roteamento

Em uma rede sem fio típica, o controlador central possui uma conexão sem fio direta a todos os outros nós de rede. Isso requer um link de rádio direto. No entanto, se houver uma perturbação, o controlador não tiver nenhuma rota de backup para alcançar os nós e a comunicação vai quebrar.

Figura 6 - Rede sem roteamento

A rede de rádio em Figura 6. é uma rede não roteada. Nós dois, três e quatro estão dentro da faixa de rádio do controlador. O nó 5 está fora da faixa de rádio e não pode ser alcançado pelo controlador.

No entanto, o Z-Wave oferece um mecanismo muito poderoso para superar essa limitação. Os nós de onda z podem encaminhar e repetir mensagens para outros nós que não estão em intervalo direto do controlador. Isso permite que o Z-Wave crie redes muito flexíveis e robustas. A comunicação pode ser feita a todos os nós dentro da rede, mesmo que estejam fora do intervalo direto ou se a conexão direta for interrompida.

Figura 7 - Rede Z Wave com Roteamento

A rede Z-Wave com roteamento (Figura 7.) mostra que o controlador pode se comunicar diretamente com os nós 2, 3 e 4. Nó 6 mentiras fora de sua faixa de rádio, no entanto, é dentro da faixa de rádio do nó 2. Portanto, o controlador pode se comunicar ao nó 6 via Nó 2. Isto é chamado de "rota".

Usando este sistema de roteamento, os sinais de ondas Z podem até mesmo trabalhar em cantos! Outras tecnologias trabalham na "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.

O roteamento do Z-Wave pode se adaptar automaticamente a quaisquer alterações na rede. Por exemplo Figura 8mostra que a comunicação direta entre o nó 1 e o nó 2 é bloqueada. Mas ainda é possível para o nó 1 se comunicar com o nó 6 usando o nó 3 como um repetidor adicional.

Quanto mais nós em uma rede, mais flexível e robusta a rede se tornar.

Z-Wave é capaz de rotear mensagens através de até quatro nós repetidos. Este é um compromisso entre o tamanho e a estabilidade da rede, e o tempo máximo que uma mensagem é permitida para viajar na rede.

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

Rotas de construção em uma rede Z-Wave

Cada nó é capaz de determinar quais nós estão em sua faixa sem fio direto. Esses nós são chamados de vizinhos. Durante a inclusão e posterior a pedido, o nó é capaz de informar o controlador sobre sua lista de vizinhos. Usando essas informações, o controlador é capaz de criar uma tabela que tenha todas as informações sobre possíveis rotas de comunicação em uma rede. Esta tabela de roteamento pode ser acessada pelo usuário e há várias soluções de software, normalmente chamadas de ferramentas de instalação, que visualizam a tabela de roteamento ajudando você a otimizar a configuração da rede.

Figura 9 - Roteamento em uma rede Z Wave

O diagrama acima (figure 9.) Mostra uma rede de malha de onda Z, com um controlador e cinco nós. O controlador pode se comunicar diretamente com o nó 2 e 3. Não há conexão direta para o nó 4, 5 e 6. Comunicação para o nó 4 funciona através do nó 2 ou via nó 3.

 

Tabela 2 - Tabela de roteamento para a rede Z Wave

O roteamento para esta rede é mostrado em mesa 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" mostra que não há caminho de comunicação direta. A tabela também mostra a conexão entre o nó de origem 1 e o nó de destino 4. A célula entre o nó 1 e 4 é marcada como "0". Portanto, a rede encaminha o sinal via Nó 3, que está no intervalo direto do nó 1 e do nó 4.

Figura 10 - Alternativa Z-Wave Netwo Rroting

Outro exemplo (figure 10.) Mostra que o nó 6 só pode se comunicar com o restante da rede usando o nó 5 como um repetidor. Como o controlador não tem uma conexão direta com o nó 5, o controlador 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 para o destino. Se isso não for possível, ele usará sua tabela de roteamento para encontrar a próxima melhor maneira até o destino. O controlador pode selecionar até três rotas alternativas e tentará enviar a mensagem por meio dessas rotas. 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 "roteamento". UMA escravo de roteamento inclui recursos de roteamento avançados.

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

 

	Vizinhos	Rota	Funções possíveis
Controlador	Conhece todos os vizinhos	Tem acesso a tabela de roteamento completa	Pode se comunicar com cada dispositivo na rede, se a rota existir
Escravo	Conhece todos os vizinhos	Não tem informações sobre a tabela de roteamento	Só pode responder ao nó que 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 que ele recebeu a mensagem e pode enviar mensagens não solicitadas para um número de nós predefinidos que ele tem uma rota também

Propriedades dos modelos do dispositivo Z-Wave

Escravo	Corrigido dispositivos alimentados instalados como interruptores de parede, dimmers de parede ou controladores cegos venezianos
Escravo de roteamento	Dispositivos operados por bateria e dispositivos aplicáveis ​​móveis, conforme, por exemplo, sensores com operação de bateria, plugues de parede para Schuko e Tipos de plugue, termostatos e aquecedores com operação de bateria e todos os outros aplicativos escravos

Aplicações típicas para escravos

Desafios em configurações típicas de rede

A rede Z Wave tipicamente começa como uma pequena rede que é estendida como e quando você precisa. Uma pequena rede pode consistir em um controle remoto e um par de switches ou dimmers. O controle remoto atua como controlador principal e inclui e controla os switches e dimmers.

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

Esse tipo de configuração de rede funciona bem, desde que o controle remoto possa atingir todos os switches e dimmers diretamente (o nó a ser controlado é "no intervalo"). Se o nó controlado não estiver no intervalo, o usuário poderá sofrer atrasos, porque o controle remoto precisa detectar a estrutura de rede antes de controlar o dispositivo.

No caso de um dispositivo ter sido incluído e movido depois para uma nova posição, este dispositivo específico só pode ser controlado pelo controle remoto se estiver no intervalo direto. Caso contrário, a comunicação falhará, porque a entrada de tabela de roteamento para este dispositivo específico está errada e o controle remoto não é capaz de fazer uma varredura de rede no momento da operação.

Rede Z Wave com um controlador estático

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

Rede Z Wave com único controlador estático

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

Como um controlador estático está vinculado a um determinado local, os outros dispositivos de onda Z devem ser incluídos enquanto estão em intervalo direto com o controlador estático. Eles normalmente serão instalados em sua localização final após a inclusão.

Redes com vários controladores

Em uma rede maior, vários controladores vão trabalhar juntos. Um controlador estático é usado para a configuração e gerenciamento do sistema e um ou vários controles remotos realizam certas funções em lugares diferentes.

Rede Z Wave com controladores de mulíbria

Se uma rede tiver vários controladores, o usuário precisará determinar qual dos controladores será o principal controlador.

A inclusão de um controlador estático é um desafio, se os dispositivos precisam ser movidos para sua localização final depois. Uma reorganização de rede precisa ser executada.

Controladores estáticos são geralmente mais confiáveis ​​e não são facilmente perdidos. Eles normalmente oferecem funções de backup para substituir o hardware em caso de danos graves.

Rede com controlador portátil como o controlador principal

Controles remotos são mais vulneráveis ​​a danos e perdas. Geralmente os controles remotos não oferecem uma função de backup. Se o controlador principal foi danificado ou perdido, uma re-inclusão completa de toda a rede precisaria ser executada. No entanto, os dispositivos podem ser incluídos depois de serem instalados, o que resulta em uma rede muito mais estável e não há necessidade de reorganização de rede.

A escolha do controlador principal - estática ou portátil - depende mais da sua preferência pessoal, em vez de uma necessidade técnica.

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