Förstå Z-Wave-nätverk, noder och enheter

Förstå Z-Wave-nätverk, noder och enheter

Z-våg hem automationsteknik består av tre lager. Radio lager, lager och applikationsnätverkslagret arbeta tillsammans för att skapa en robust och pålitligt nätverk som möjliggör ett stort antal noder och enheter kan kommunicera med varandra samtidigt.

• Radio Layer: Anger hur en signal utbyts mellan nätverket och den fysiska radio hårdvara. Detta inkluderar frekvens, kodning, tillgång hårdvara etc.
• Network Layer: Definierar hur styrdata utbyts mellan två enheter eller noder. Detta inkluderar adressering, nätverksorganisation, routing, etc.
• Application Layer: Definierar vilka meddelanden måste hanteras av specifika applikationer för att åstadkomma särskilda uppgifter, såsom att växla en ljus eller förändring av temperaturen för en uppvärmningsanordning.

Nätverkslagret

Z-Wave nätverksSkiktet styr hur data utbyts mellan olika enheter (noder) i nätverket, består den av tre delskikt.

• Media Access Layer (MAC): Styr grundläggande användning av trådlösa hårdvara - dessa funktioner är osynliga för slutanvändaren.
• transport Layer: Kontroller meddelandeöverföring, vilket garanterar felfri kommunikation mellan två trådlösa noder. Slutanvändaren kan inte påverka detta lager funktioner men resultaten av detta lager är synliga.
• dirigeringsskikt: Hanterar Z-Waves ”Mesh” förmåga att maximera nätverkets räckvidd och se meddelanden komma till sin destination nod. Detta skikt kommer att använda ytterligare noder till re-skicka meddelandet om destinationen är utanför ”direkt” utbud av den sändande noden.

Förklarat Media Access (MAC) och Transport Layers

Snarare som att skicka ett textmeddelande, kan du inte se hur informationsöverföringar från telefonen till deras. Du antar att det skickas och tas emot och läsas av mottagaren. Likaså trådlösa tekniker hemautomation använder samma principer för att möjliggöra kommunikation mellan sändare och mottagare noder.

Ibland kan ett meddelande att gå vilse.

I en mobiltelefon fall, kan det bero på dålig mottagning. I fallet med en hemautomation nätverk kan det bero på störningar eller positionering mottagaren för långt bort från avsändaren. I ett enkelt nätverk, får avsändaren ingen feedback på om meddelandet har mottagits och om kommandot har utförts på rätt sätt. Detta kan leda till stabilitetsproblem, inte installationen planerades och testas på rätt sätt.

Z-Wave är en av de mest pålitliga trådlösa tekniker, varje kommando som sänds kvitteras av mottagaren som skickar ett kvitto till avsändaren. Detta garanterar inte att meddelandet har levererats korrekt, kommer dock avsändaren få en indikation på att en situation har förändrats, eller ett fel har uppstått.

Kvitto kallas Acknowledge (ACK). En Z-Wave transceiver kommer att försöka upp till tre gånger för att skicka ett meddelande i väntan på en ACK. Efter tre misslyckade försök Z-Wave transceiver kommer att ge upp och rapportera ett felmeddelande till användaren. Antalet misslyckade försök är också en god indikator på nätverkets trådlösa anslutning kvalitet.

Använda noder för framgångsrik kommunikation

Ett nätverk består av åtminstone två noder. För att kunna kommunicera med varandra, noderna måste ha tillgång till en gemensam media eller behov av att ha ”något gemensamt”.

I de flesta fall är detta ett fysiskt kommunikationsmedium som en kabel. Kommunikationsmedia för radio (trådlös) är luften, som också används av alla typer av olika tekniker - TV, Wi-Fi, mobiltelefoner etc., därför behöver varje typ av "nätverk" ha ett definierat protokoll som tillåter olika noder av ett nätverk för att identifiera varandra och att utesluta meddelanden från andra radiokällor.

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

Z-Wave-protokollet definierar två identifieringar för nätverksorganisationen.

• De Hemsida är den gemensamma identifieringen av alla noder som tillhör ett logiskt Z-vågnät. Den har en längd av 4 byte = 32 bitar.
• De Nod-ID är adressen till en enda nod i nätverket. Nod-ID har en längd av 1 byte = 8 bitar.

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

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

Anordningar

Z-våg har två grundläggande typer av enheter:

• Kontroller - Enheter som styr andra Z-våganordningar
• Slavar - Enheter som styrs av andra Z-våganordningar.

Controllers är fabriksprogrammerade med ett hem-ID, det kan inte ändras av användaren. Slavar har inte ett förprogrammerat hem-ID eftersom de tar hem-idet som tilldelats dem av nätverket.

Den primära styrenheten innehåller andra noder i nätverket genom att tilldela dem sitt eget hem-ID. Om en nod accepterar hem-ID för den primära styrenheten blir den här noden en del av nätverket. Den primära regulatorn tilldelar också ett individuellt nod-ID till varje ny enhet som läggs till i nätverket. Denna process är känd som Införlivande.

 

	Definition	I regulatorn	I slaven
Hemsida	Hem-ID är den gemensamma identifieringen av ett Z-Wave-nätverk	Hem-ID är redan inställt som fabriksinställt	Inget hem-ID på fabriksinställningen
Nod-ID	Node-id är den individuella identifiering (adress) hos en nod i ett gemensamt nätverk	Controller har sitt vunna nod-ID fördefinierad (vanligtvis 0x01)	Tilldelad av den primära kontrollenheten

Tabell 1 - Hem-ID och nod-ID-jämförelse

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 finns störningar har kontrollenheten ingen säkerhetskopieringsväg för att nå noderna och kommunikationen kommer att bryta.

Figur 6 - Nätverk utan routing

Radionätverket i figur 6 är ett icke-dirigerat nätverk. Noder två, tre och fyra ligger inom regulatorns radioområde. Nod 5 ligger utanför radionområdet och kan inte nås av regulatorn.

Z-WAVE erbjuder dock en mycket kraftfull mekanism för att övervinna denna begränsning. Z-WAVE-noder kan vidarebefordra och upprepa meddelanden till andra noder som inte är i direkt sortiment av regulatorn. Detta gör det möjligt för Z-Wave att skapa mycket flexibla och robusta nätverk. Kommunikation kan göras till alla noder i nätverket, även om de är utanför direkta intervall eller om den direkta anslutningen avbryts.

Figur 7 - Z-Wave-nätverk med routing

Z-Wave-nätverket med routing (fig 7) Visar regulatorn kan kommunicera direkt med noderna 2, 3 och 4. nod 6 ligger utanför dess radioområde, men det ligger inom radioområdet för nod 2. Därför kan regulatorn kommunicera med nod 6 via nod 2. Detta är kallas en "rutt".

Med det här routningssystemet kan Z-Wave-signaler till och med arbeta runt hörn! Andra tekniker arbetar med "siktlinje" där varje sändare måste ha direkt syn på mottagaren, men Z-Wave skickar helt enkelt signalen på en liten omväg runt ett hinder med en annan nod.

Z-Waves routing kan automatiskt anpassa sig till alla ändringar i nätverket. Till exempel figur 8visar att direkt kommunikation 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 blir det mer flexibla och robusta nätverket.

Z-våg kan röra meddelanden via upp till fyra upprepande noder. Detta är en kompromiss mellan nätverksstorlek och stabilitet, och den maximala tiden ett meddelande får resa i nätverket.

Figur 8 - Maximal avstånd mellan två noder via fyra repeaters

Byggvägar i ett Z-Wave-nätverk

Varje nod kan bestämma vilka noder som är i sitt direkta trådlösa intervall. Dessa noder kallas grannar. Under inkludering och senare på begäran kan noden informera kontrollen om sin lista över grannar. Med hjälp av denna information kan regulatorn bygga ett bord som har all information om möjliga kommunikationsrutter i ett nätverk. Detta routingtabell kan nås av användaren och det finns flera mjukvarulösningar, vanligtvis kallade installationsverktyg, som visualiserar routingbordet som hjälper dig att optimera nätverksinställningen.

Figur 9 - Routing i ett Z-vågnät

Ovanstående diagram (fIGURE 9) Visar ett Z-Wave Meshed Network, 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 - Routing tabell för Z-Wave-nätverket

Routing 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 anslutningen mellan källnod 1 och destinationsnoden 4. Cellen mellan nod 1 och 4 är märkt "0". Därför sträcker nätverket signalen via nod 3 som är i direkt intervall av både nod 1 och nod 4.

Figur 10 - Alternativ Z-Wave Netwo Rrouting

Ett annat exempel (fIGURE 10) Visar att nod 6 endast kan kommunicera med resten av nätverket med nod 5 som en repeater. Eftersom regulatorn inte har en direkt anslutning till nod 5, behöver regulatorn använda en av följande rutter: "1 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6"Eller"1 -> 2 -> 5 ->6”.

En kontroller kommer alltid att försöka först sända sitt meddelande direkt till destinationen. Om det inte är möjligt kommer det att använda sitt routingtabell för att hitta nästa bästa sätt till destinationen. Kontrollenheten kan välja upp till tre alternativa rutter och försöka skicka meddelandet via dessa rutter. Endast om alla tre rutter misslyckas (regulatorn inte får en bekräftelse från destinationen) kommer regulatorn att rapportera ett fel.

Typer av nätverksnoder

Slavar kategoriseras som "standard" eller "routing" slavar. A routing slav Inkluderar avancerade routingfunktioner.

Skillnaden mellan de tre olika nodtyperna är deras kunskaper om nätverksrutteringstabellen och deras förmåga att skicka meddelanden till nätverket.

 

	Grannar	Rutt	Möjliga funktioner
Kontroller	Känner alla grannar	Har tillgång till fullständigt routingbord	Kan kommunicera med varje enhet i nätverket, om rutt existerar
Slav	Känner alla grannar	Har ingen information om routingbordet	Kan bara svara på den nod som den har fått meddelandet från. Därför kan inte skicka oönskade meddelanden
Routing slav	Känner alla grannar	Har partiell kunskap om routingbordet	Kan svara på den nod som han har fått meddelandet från och kan skicka oönskade meddelanden till ett antal fördefinierade noder som han också har en rutt

Egenskaper hos Z-Wave-enhetsmodellerna

Slav	Fasta installerade nätdrivna enheter som väggbrytare, väggdimmers eller persienner
Routing slav	Batteridrivna enheter och mobila tillämpliga enheter som till exempel sensorer med batteridrift, väggproppar för Schuko och pluggtyper, termostater och värmare med batteriladdning och alla andra slavapplikationer

Typiska tillämpningar för slavar

Utmaningar i typiska nätverkskonfigurationer

Z-Wave-nätverket börjar vanligtvis som ett litet nätverk som är utökat som och när du behöver det. Ett litet nätverk kan bestå av en fjärrkontroll och ett par växlar eller dimmers. Fjärrkontrollen fungerar som primärstyrenhet och innefattar och styr omkopplarna och dimmarna.

Under inklusionerna ska dimmarna och omkopplarna installeras på deras slutliga läge, för att säkerställa att en korrekt lista över grannar kommer att erkännas och rapporteras.

Denna typ av nätverkskonfiguration fungerar så länge som fjärrkontrollen kan nå alla omkopplare och dimmers direkt (noden som ska styras är "inom intervall"). Om den kontrollerade noden inte är inom intervallet kan användaren uppleva förseningar, eftersom fjärrkontrollen behöver detektera nätverksstrukturen först innan du styr anordningen.

Om en anordning inkluderades och flyttades efteråt till en ny position, kan den här enheten endast styras av fjärrkontrollen om den är i direkt sortiment. Annars kommer kommunikationen att misslyckas, eftersom rutningstabellinmatningen för den här enheten är fel och fjärrkontrollen kan inte göra en nätverksskanning vid driftsmomentet.

Z-Wave-nätverk med en statisk styrenhet

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

Z-Wave-nätverk med enstaka statiska styrenhet

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

Eftersom en statisk styrenhet är bunden till en viss plats, måste de andra Z-våganordningarna inkluderas samtidigt som de är i direkt sortiment med den statiska styrenheten. De kommer typiskt att installeras på deras sista 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 ställen.

Z-Wave-nätverk med Muliple Controllers

Om ett nätverk har flera styrenheter behöver användaren bestämma vilken av styrenheterna som kommer att vara den primära styrenheten.

Inkludering av en statisk styrenhet är en utmaning, om enheterna behöver flyttas till deras slutliga plats efteråt. Ett nätverk omorganisation måste utföras.

Statiska styrenheter är vanligtvis mer tillförlitliga och är inte lätt att förloras. De erbjuder vanligtvis backupfunktioner för att ersätta hårdvaran vid allvarlig skada.

Nätverk med bärbar styrenhet som den primära styrenheten

Fjärrkontrollen är mer sårbara för skador och förlust. Vanligtvis erbjuder fjärrkontrollen inte en backupfunktion. Om den primära styrenheten skadades eller förlorades, skulle en fullständig återanvändning av hela nätverket kunna utföras. Enheter kan dock ingå efter att de installerats, vilket resulterar i ett mycket stabilt nätverk, och inget behov av nätverksreorganisation.

Valet av den primära styrenheten - statisk eller bärbar - beror mer på din personliga preferens snarare än en teknisk nödvändighet.

Vesternet är Europas ledande hemautomatiseringsspecialist, ta en titt på vårt stora utbud avZ-vågprodukter.

Copyright 2012 Vesternet Ltd