Что такое Z-Wave?

Каждый второй дом будет «умным», когда потенциальному покупателю даже не придется задумываться над тем, какие технологии лежат в его основе. Домовладелец будущего будет покупать сервис, но никак не очередной коммуникационный протокол.

Впрочем, до полной абстракции от всех технологических тонкостей и продажи умных домов как услуги должно пройти еще некоторое время, а пока светлое будущее не наступило, полезно будет поближе познакомиться с технологией, которой посвящен этот цикл.

Технология домашней автоматизации Z-Wave (произносится зивэйв) получила свое название благодаря одноименному беспроводному коммуникационному протоколу, разработанному датской компанией Zen-Sys.

В то время на очень узком рынке автоматизации царили проводные KNX-системы, особенности которых были подробно описаны в первой статье цикла. Эти же особенности явно очерчивали нишу таких систем — штучные заказы для больших домов, коммерческих помещений и производств.

Протокол Z-Wave разрабатывался как «беспроводная» альтернатива проводным системам с существенно более низкой стоимостью внедрения, эксплуатации и настройки. Иными словами Z-Wave ориентировался на нишу домашней автоматизации для массового рынка. Автоматизация небольших домов и квартир, в которых количество автоматизируемых устройств редко превышает одну сотню — вот сильная сторона технологии Z-Wave.

Чтобы по праву стать одной из самых популярных технологий домашней автоматизации, технологии Z-Wave пришлось решить ряд насущных для этого рынка проблем: создание надежной беспроводной легко масштабируемой сети с низким энергопотреблением конечных устройств и простой инсталляцией.

Надежная беспроводная масштабируемая сеть

Всем знакомая технология Wi-Fi в настоящее время широко используется различными «умными» устройствами вроде термостатов Nest. Несмотря на то, что на Wi-Fi полагаются такие коммерчески успешные продукты, сама технология не рассчитана на организацию сети умного дома. Это связано с высоким энергопотреблением Wi-Fi радиомодуля и с плохой расширяемостью сети. Причины этих недостатков очевидны: технология разрабатывалась для организации беспроводной широкополосной сети и никак не учитывала важные для домашней автоматизации аспекты.

Z-Wave, в свою очередь, проектировался изначально для сетей домашней автоматизации,  поэтому довольно сильно отличается от известных технологий — Wi-Fi и Bluetooth. Давайте посмотрим, что же было предпринято Z-Wave для организации беспроводной масштабируемой и надежной сети, связывающей все устройства в умном доме.

Масштабируемость

Протокол Z-Wave предусматривает организацию mesh-сети, в которой практически каждый узел является одновременно и приемником, и передатчиком. Рассмотрим пример абстрактной сети из четырех Z-Wave устройств, в которой каждое из них характеризуется своим радиусом покрытия.

mesh-сеть z-wave

Mesh-сеть Z-Wave

Если одно устройство находится в зоне действия другого, то между ними становится возможен прямой информационный обмен. Взглянем на пару устройств ZW1 и ZW2. Устройство ZW2 находятся в зоне действия ZW1, а значит ZW1 может напрямую общаться с устройством ZW2.

Добавляя устройства в сеть, вы расширяете ее границы

Теперь посмотрим на пару ZW1 и ZW4 . Устройства физически разнесены на расстояние, которое не позволяет им «найти» друг друга. Например в реальности ZW1 может быть отделен от ZW4 длинным коридором.

В этом случае работает особенность mesh-сети, которая расширяет свою зону покрытия, создавая ячеистую структуру связей между входящими в нее устройствами. Да, ZW1 не может «дотянуться» до ZW4, но зато ему доступен ZW2, который, в свою очередь, напрямую связан с ZW4. Таким образом путь от ZW1 к ZW4 пройдет через ZW2 без всяких проблем.

Mesh-сеть позволяет легко и просто масштабировать сеть: достаточно добавить в нее новые конечные устройства, будь то модули управления светом, управляемые розетки или дверные замки.

Резервирование маршрутов

Вторым плюсом mesh-сетей является использование резервных связей. Всякое случается и устройства z-wave иногда могут выходить из строя.

Посмотрим на треугольник, образуемый устройствами ZW2-3-4. После включения всех устройств ZW2 мог отправлять команды устройству ZW4 напрямую. Если по какой-то причине на пути ZW2ZW4 случится деградация радиосигнала и передача информации вдруг станет невозможной, то сеть автоматически выберет резервный маршрут ZW2ZW3ZW4. Таким образом повышается «живучесть» сети, проявляющаяся в способности выбирать альтернативные маршруты при отказе основных.

Гарантированная доставка

Нет ничего более раздражающего, чем непредсказуемая работа устройств. Если вы подали команду на выключение розетки, к которой подключен утюг, то логично ожидать его отключения. К сожалению, беспроводная среда передачи по своей природе характеризуется повышенной вероятностью возникновения ошибок.

Чтобы исключить ситуации, в которых отправленная команда может не дойти до исполнительного устройства, Z-Wave использует технику подтверждения доставки. Так если устройство ZW1 отправляет условную команду «Выключение» устройству ZW2, то ZW2 при успешном получении команды отправит подтверждающий кадр устройству ZW1.

Низкое энергопотребление

z-wave low power consumptionСнижение энергопотребления работающих на технологии Z-Wave устройств было одной из ключевых задач. И дело тут не столько в снижении общего потребления электричества всей системой в целом, сколько в обеспечении длительного времени работы устройств, питающихся от батареек.

Каким бы ни был умным дом, если он заставляет пользователя прокладывать кабели питания к каждому датчику или же менять в них батарейки раз в месяц, то ему никогда не стать выбором №1 массового рынка.

Судите сами, датчики движения, открытия дверей и окон, сенсоры влажности, температуры и освещенности часто устанавливаются там, куда просто невозможно подвести питание без проведения ремонтных работ (например под потолок или над дверью). Именно поэтому такие датчики чаще всего питаются от батареек.

Для снижения энергопотребления протокол Z-Wave минимизирует время работы радиомодуля и дальность его действия. Малое время активной работы радиомодуля достигается за счет использования максимально сжатых команд управления, которыми обмениваются устройства. В свою очередь небольшой радиус действия радиопередатчиков позволяет снизить мощность излучаемого радиосигнала, а значит и затрачиваемую им энергию.

В отличие от Wi-Fi, Z-Wave не предназначен для передачи больших потоков информации на высокой скорости, но мериться скоростями технологии и не зачем. Скорость информационного обемена в Z-Wave ограничивается скромными 100Кбит/с, чего полностью хватает для передачи коротких команд управления между контроллером и устройствами.

Помимо оптимизации работы радиомодуля Z-Wave использует особый режим сна, который позволяет «батарейным» устройствам просыпаться редко, а в состоянии сна потреблять минимальное количество энергии. Так условный датчик движения проводит в пробужденном состоянии всего 0.1% от общего времени работы.

Оптимизация радиомодуля и управление режимом сна позволила сенсорам и датчикам работать без замены на одном комплекте батареек до года, что, согласитесь, уже довольно неплохой показатель и вполне приемлем для комфортной эксплуатации системы умного дома.

Простая установка и дооборудование

Чем помимо десятикратной разницы в стоимости отличаются проводные уникальные решения домашней автоматизации от автоматизации на базе Z-Wave? Например тем, что проводную систему автоматизации вам приедут монтировать несколько ребят в фирменных комбинезонах. И монтаж системы займет дай бог если всего одную неделю.

Системы автоматизации, построенные на Z-Wave, относятся к типу домашней DIY-автоматизации. Такие системы пользователь может установить и настроить сам, без привлечения инженеров и монтажников. Если вы не растеряетесь при виде демонтированного выключателя света, то без труда справитесь с Z-Wave автоматизацией. Впрочем, даже если вид подрозетника с проводами повергнет вас в шок, то с помощью пошаговых инструкций на YOUCONTROL, вы легко осилите монтаж любого модуля.

Важно отметить, что никаких ограничений или минимально необходимого набора оборудования нет. Можно начать с двух устройств и расширять систему по мере необходимости.

Структурная схема Z-Wave сети. Изображение с форума Fibaro

В самом простом случае ваша Z-Wave система будет включать один контроллер и одно управляемое устройство, но по мере надобности можно будет легко добавлять множество различных управляемых устройств и датчиков.

Процесс добавления (pairing) нового устройства тривиален: сначала контроллер переводится в режим добавления нового модуля, а затем на добавляемом устройстве нажимается кнопка включения в сеть. Пара секунд, и в интерфейсе управления вашим умным домом отобразится новое устройство.

Альянс производителей

В 2008 году специализирующаяся на производстве чипов корпорация Sigma Designs купила стартап Zen-Sys вместе с их протоколом Z-Wave. Так Z-Wave получил свой билет в большой мир.

Вокруг технологии Z-Wave был сформирован целый альянс производителей оборудования, получивший незамысловатое имя Z-Wave Alliance. На данный момент альянс насчитывает около 250 производителей и сервис-провайдеров, основная цель которых — глобальное развитие и популяризация технологии.

Одним из самых важных плюсов технологии Z-Wave является ее полная стандартизация на всех уровнях. Это означает, что два Z-Wave устройства будут гарантированно работать друг с другом вне независимости от бренда или вендора. Достичь такого глобального взаимодействия помогает сертификация оборудования.

Процесс сертификации ложится на плечи Альянса, который проверяет новые устройства на удовлетворение описанным стандартам технологии и гарантирует их беспроблемную работу в любой сети Z-Wave.

Большое количество компаний — членов Альянса — обеспечили доминирование Z-Wave-совместимых устройств на рынках Европы и США. Управление светом, отоплением, вентиляцией, кондиционированием, рольшторами, карнизами и окнами, модули управления гаражными воротами и даже автоматизация ванных комнат — все это сферы, для которых уже сейчас на рынке существуют устройства управления на базе Z-Wave.

Частоты Z-Wave

В бочке меда не обойтись без ложки дегтя, и такой ложкой в Z-Wave является проблема с индивидуальными частотами работы в различных странах. Частотный вопрос требует более подробного изложения, поэтому вынесен в отдельную статью, ссылка на которую появится здесь чуть позже.

Возможно, лучшая технология

Низкое энергопотребление и масштабируемая сеть с гарантированной доставкой, невысокая стоимость устройств и их легкая инсталляция, поддержка со стороны широкого круга производителей и полная совместимость — все эти особенности позволили протоколу Z-Wave стать отличным инструментом для построения современных умных домов.

Плюсы беспроводной технологии были замечены и производителями, что привело к самому главному качеству Z-Wave — наличию в свободной продаже большого количества самых разнообразных устройств. Ну а с минусами в виде проприетарности технологии и чехарды с частотами приходиться мириться.

Пожалуй, именно широкий ассортимент Z-Wave-совместимых устройств сыграл ключевую роль в моем выборе технологического решения для автоматизации в квартире. В России так уж точно Z-Wave вне конкуренции. Найти Z-Wave-совместимое устройство не составляет никакого труда, чего нельзя сказать о ближайшем конкуренте — ZigBee.

Конечно, нельзя исключать возможность появления новой технологии, которая взорвет рынок и станет доминирующей не только в Европе/США, но и в России, но в ближайшей перспективе такого претендента не видно, а значит, Z-Wave никуда не денется и лишь продолжит расти и развиваться.

You Might Also Like