Беспроводные технологии Z-Wave в системах Умный дом

Разработчик беспроводной технологии Z-Wave – калифорнийская компания Zensys предложила довольно удачное решение для системы Умный дом, основанное на принципе mesh-сети (ячеистая сеть). Zensys разработала чип, достоинствами которого являются низкая цена, малое потребление энергии и крохотные размеры, что дает возможность интегрировать его в любое устройство. Эта технология специально разработана для применения в жилых и офисных помещениях.

Z-Wave превращает любое автономное устройство в интеллектуальный сетевой узел, который может контролироваться и управляться без проводов. Управление светом, бытовой и мультимедиа-техникой, контроль доступа, управление климатическими системами дома, охранно-пожарная сигнализация – вот только некоторое применение технологии Z-Wave в быту.

В конце 2008 года компания Sigma Designs, являющаяся крупным производителем систем на одном чипе, заявила о намерении приобрести компанию Zensys со всеми ее активами. Окончательно сделка завершилась в 2009 году. Таким образом, Sigma Designs, с одной стороны, увеличила свое присутствие на быстро растущем рынке систем домашнего управления, а с другой стороны, заполнила пустующую нишу в собственном ассортименте продукции домашних систем.

Технология Z-Wave реализуется в виде чипа (Single Chip) или в виде модуля с интегрированным модулем беспроводной связи и антенной. Система управления на основе ZWave представляет собой mesh-сеть с беспроводной дуплексной радиосвязью.

Sigma Designs выдает лицензию на конструирование, программное обеспечение и интерфейсы прикладного программирования для изготовителей Z-Wave устройств, что гарантирует совместимость оборудования различных брендов. Спецификации лидирующих Z-Wave устройств доступны бесплатно, а программы по Z-Wave сертификации гарантируют совместимость между всеми продуктами.

Средства разработчика Z-Wave Development Kit

Комплект инструментальных средств разработчика (Z-Wave Development Kit) предоставляет возможность разработчикам и производителям разрабатывать оборудование на основе беспроводного протокола Z-Wave.

Комплект инструментальных средств разработчика Z-Wave Development Kit содержит всё необходимое программное обеспечение и подробную документацию для разработки и написания прикладного программного обеспечения, включая интерфейс прикладного программирования (API) протокола Z-Wave, а также средства для тестирования и отладки конечных Z-Wave изделий.

Существуют различные версии Z-Wave Development Kit. Так как со временем протокол Z-Wave совершенствовался и выходили новые версии чипов и модулей. Также в состав набора может входить разное количество Z-Wave модулей, которые можно интегрировать в готовые устройства.

Основные преимущества Z-Wave Development Kit:

  • всё необходимое для разработки включено в комплект;
  • включены аппаратные средства, программное обеспечение и документация;
  • все средства для тестирования и отладки прилагаются;
  • универсальность и гибкость.

Ячеистые сети

Информационные сети, организованные по топологии Mesh, получили за последнее время большое признание. Mesh-сети представляют достаточно интересные решения, интегрирующие различные радио и сетевые технологии, и отвечающие растущим требованиям пользователей. Это результат организации с помощью топологии Mesh локальных сетей, легко интегрируемых в глобальные сети. Существующие в настоящее время Mesh-сети построены с использованием наиболее распространенного беспроводного стандарта WiFi. Преимущества такого решения очевидны – широкий спектр дешевых стандартных абонентских устройств определяет коммерческую успешность проектов.

Определение Mesh-сетей

Первые упоминания о Mesh-сетях для передачи информации следует искать в военных приложениях (впрочем, это касается практически всех технологий, используемых в современных системах беспроводного доступа). На базе технологии Mesh созданы системы для организации мобильной связи с единичными объектами в зоне военных действий. Подобные системы обеспечивают высокоскоростную передачу цифровой информации, голосовой и видеосвязи, а также определяют местоположение объектов. Определение для Mesh-сети звучит как:

Mesh – сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными (избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям.

В первую очередь понятие Mesh определяет принцип построения сети, отличительной особенностью которой является самоорганизующаяся архитектура, реализующая следующие возможности:

  • создание зон сплошного информационного покрытия большой площади;
  • масштабируемость сети в режиме самоорганизации;
  • использование беспроводных протоколов связи «точка-точка»;
  • устойчивость сети к потере отдельных элементов.

Архитектура Mesh-сети

Топология Mesh основана на децентрализованной схеме организации сети, что дает высокую степень надежности. Сеть можно представить в виде узлов, которые не только предоставляют возможность связи с сетью, но и выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других узлов этой же сети. Благодаря этому появляется возможность создания самоустанавливающейся и самовосстанавливающейся сети. Mesh-сети строятся как совокупность кластеров. Территория покрытия разделяется на зоны, число которых теоретически не ограничено. В зависимости от конкретного решения узлы сети могут выступать в роли ретранслятора (транспортный канал) либо ретранслятора и абонентской точки доступа. Особенностью Mesh является использование специальных протоколов, позволяющих каждой точке доступа создавать таблицы абонентов сети с контролем состояния транспортного канала и поддержкой динамической маршрутизации трафика по оптимальному маршруту между соседними точками. При отказе какого-либо из узлов, происходит автоматическое перенаправление трафика по другому маршруту, что гарантирует не просто доставку трафика адресату, а доставку за минимальное время. Процедура расширения сети ограничивается установкой новых узлов, интеграция которых в существующую сеть происходит автоматически. Недостаток подобных сетей заключается в том, что они используют промежуточные пункты для передачи данных; это может вызвать задержку при пересылке информации и, как следствие, снизить качество трафика реального времени.

Mesh-сеть Z-Wave состоит из двух различных типов узлов:

  • узлы (cоntrollers), которые могут осуществлять маршрутизацию;
  • узлы (slave), которые могут посылать или принимать и исполнять команды, но не имеют функции маршрутизации. В то же время slave-узлы могут работать в сети Z-Wave как ретрансляторы сигнала.

Оба типа узлов могут быть использованы в различных устройствах. Максимальное количество узлов сети, определяемое протоколом Z-Wave составляет 232 узла. Контроллеры и slave-узлы в зависимости от назначения и применения бывают разных видов. Для идентификации устройств в сети, а также различия Z-Wave-сетей существуют понятия Home ID и Node ID. В пределах одной сети Home ID у всех устройств должен быть одинаков, в то время как Node ID используется для однозначной идентификации конкретного узла, поэтому Node ID для каждого устройства должен быть уникален. В процессе конфигурирования сети предустановленные при производстве устройств значения идентификаторов Home ID и Node ID могут быть изменены.

Использование ZWave для систем автоматизации

Технология Умный дом и различные системы автоматизации становятся все ближе к нашим частным домам и квартирам. Этой тенденции способствует, с одной стороны, желание людей повысить качество повседневной жизни за счет удобного управления домашним хозяйством. С другой стороны, это обусловлено увеличением количества окружающих нас инженерных систем, а также различного бытового и мультимедийного оборудования. Прогресс не стоит на месте, и качество жизни людей из года в год становится лучше, а средства, улучшающие это качество, становятся всё доступнее. Новое строительство жилых и административных зданий ведется с учетом современных требований и нормативов по эффективному использованию энергоресурсов, которое невозможно без искусственного интеллекта.

Управлять каждой системой в отдельности вполне удобно и средствами ее органов управления. Но если имеется некий перечень систем, то очевидно удобнее ими управлять централизованно. Для этих целей идеально подходит технология Z-Wave, которая специально разрабатывалась для решения подобных задач.