Z-Wave как беспроводная платформа домашней автоматизации - Z-Wave Киев

В последние годы на рынке появились различные беспроводные устройства, такие как выключатели освещения, термостаты, механизмы управления жалюзи, блоки управления электрической нагрузкой, датчики доступа. Для настоящего успеха на массовом рынке домашней автоматизации, необходимо, чтобы технология, используемая в таких устройствах была недорогой, а монтаж и настройка устройств – простыми и не требующими постоянного сопровождения.

Беспроводная сеть должна быть самоорганизующейся ячеистой сетью со встроенной защитой от возможных ошибок при передаче данных и механизмами восстановления работоспособности в случае сбоев.

Для создания полнофункциональных систем управления домом технология должна поддерживать горизонтальные приложения, объединяющие продукты разных производителей. Например, так, чтобы датчик движения мог управлять выключателем освещения.

Чтобы стоимость беспроводной платформы была низкой, аппаратура должна иметь высокую степень интеграции, производиться массово, кроме того, программное обеспечение, реализующее протокол, должно быть очень небольшим по объему.

Важно также обеспечить простоту использования технологии с точки зрения производителей продуктов. Беспроводные модули должны иметь малые размеры, позволять легко встраивать их в новые и существующие устройства.

Технология Z-Wave полностью отвечает описанным выше потребностям.

Приложения домашней автоматизации

Спектр интересных приложений домашней автоматизации очень широк: от простейших устройств удаленного управления освещением до интегрированных систем управления и наблюдения, которые контролируют множество ресурсов в доме. Приложения можно разделить на несколько категорий: системы повышения комфорта, системы управления потреблением электроэнергии, системы безопасности и другие.

Системы повышения комфорта. Пример: когда вы входите в комнату, открываются жалюзи на нужный угол, устанавливается комфортная яркость света, включается музыкальный центр и начинает звучать ваша любимая музыка – все это происходит при нажатии на выключатель освещения или даже по сигналу датчика движения в комнате.

Системы управления потреблением электроэнергии. Позволяют экономить деньги, обеспечивая отключение освещения и понижение температуры в помещениях, которые в данный момент не используются, временно отключая обогреватели, когда открыты окна, и так далее.

Системы безопасности. Дают вам возможность проконтролировать перед выходом из дома, что все окна и двери закрыты, устройства, такие как утюг или кофе-машина, отключены. В дополнение к этому в случае проникновения посторонних в помещение, система может произвести ряд действий: включить свет, включить камеры видеонаблюдения, отправить сообщение на мобильный телефон.

Сейчас существуют продукты для управления домашними устройствами, включая беспроводные выключатели освещения, термостаты, датчики движения, блоки управления кондиционерами, построенные на программно-аппаратной платформе Z-Wave, показанной на рисунке 1.

Рис. 1. Модуль Z-Wave предназначен для устройств домашней автоматики, представляет собой законченную платформу, включающую микропроцессор, память, аппаратные интерфейсы, радиочастотный блок и программное обеспечение. Размер модуля 12,5 х 13,6 мм.

Эта платформа включает микропроцессор, память, радиочастотный приемо-передатчик и программное обеспечение.

Требования к протоколу домашней автоматизации

Сетевой протокол управления домашними устройствами должен учитывать характеристику сетевого трафика и отвечать требованиям гибкости, надежности и простоты использования.

Характеристика сетевого трафика. Сеть домашней автоматизации характеризуется относительно небольшим количеством узлов – 20-200 узлов на площади 150-600 кв. м. Сеансы связи каждого узла относительно редки – в среднем 1 раз в 5-15 минут. Типичная передача данных – 4-6 байт (например, команда включения, установка уровня яркости света, чтение показаний датчика температуры, чтение статуса датчика открытия двери и т.д.). Большинство приложений допускают задержку прохождения команд в 200 мс и больше. Таким образом, достаточной является скорость передачи данных 9,6 Кбит/с.

Гибкость. Сеть домашней автоматизации включает устройства, питающиеся от сети переменного тока, питающиеся от батарей, устройства с фиксированным расположением и перемещаемые устройства. От сетевого протокола требуется, чтобы все эти устройства могли нормально взаимодействовать друг с другом.

Технология Z-Wave поддерживает полный спектр устройств – устройства, питающиеся от сети переменного тока, питающиеся от батарей, устройства с фиксированным расположением и перемещаемые устройства, а также устройства, выполняющие роль мостов с другими протоколами.

В технологии Z-Wave узлы делятся на три типа: контроллеры (Controllrs), маршрутизирующие исполнительные механизмы (Routing Slaves) и исполнительные механизмы (Slaves). В реальной сети все типы устройств могут работать в любой комбинации.

Узлы, которые должны инициировать соединения с большим количеством узлов, выполняются на базе контроллеров.

Узлы, которые должны инициировать соединения с ограниченным и заранее известным набором узлов, выполняются на базе маршрутизирующих исполнительных механизмов.

Узлы, которые не должны инициировать соединения и от которых требуется только реакция на запросы других узлов, выполняются на базе исполнительных механизмов (немаршрутизирующих).

Перемещаемые устройства, питающиеся от батарей, такие как пульты дистанционного управления, могут быть любого из трех типов Z-Wave. При этом протокол имеет встроенную поддержку динамического изменения настроек при изменении позиции устройства внутри сети.

Устройства типа контроллер имеют функциональность самоорганизующейся сети, которая упрощает инсталляцию и администрирование сети.

Для устройств с питанием от батарей важно эффективное управление питанием, с тем, чтобы обеспечивалась работа устройства в течение 10-ти и более лет от одного комплекта из двух батарей типа ААА. Поэтому в Z-Wave предоставляются эффективные средства включения устройства по таймеру и последующего перевода в спящий режим. На рис. 2 показано взаимодействие термостата (с питанием от батарей) и системы управления температурой. Система работает на компьютере в постоянно включенном режиме. Термостат включается периодически, сообщает текущую температуру и запрашивает, есть ли активные команды на изменение температуры.

Рис. 2

Надежность сети

В домах среднего размера два узла, которым требуется связь, могут находиться вне пределов прямой радиовидимости. Выходом здесь является создание ячеистой сети (mesh network), в которой два узла для связи друг с другом могут использовать узлы сети, расположенные между ними. Рис. 3 демонстрирует ячеистую сеть, жирной линией показан один из возможных маршрутов между двумя узлами.

Рис. 3

Ячеистая сеть имеет свойство самовосстановления. Маршруты могут изменяться в зависимости от изменений радиочастотной обстановки и доступности конкретных узлов. Например, обстановка может изменяться при открывании и закрывании дверей или при перемещении мебели. При этом сеть автоматически перестраивает маршруты, чтобы обеспечить доставку сообщений узлам.

Простота использования

Часто система управления домом устанавливается пользователем самостоятельно. Это предопределяет жесткие требования к простоте использования технологии. С этой точки зрения важны 4 элемента:

1. Простая инсталляция 
2. Отсутствие необходимости в системном администрировании ячеистой сети (самоорганизация, отказоустойчивая маршрутизация, самовосстановление).
3. Простой процесс ассоциирования узлов (автоматическое конфигурирование связей между узлами).
4. Совместимость устройств  

Простая инсталляция. В литературе описаны различные подходы к включению новых устройств в сеть – от Plug & Play до полностью ручного процесса с вводом идентификаторов устройств. Большинство описанных подходов слабо применимы в сетях домашней автоматизации из-за ограниченных возможностей пользовательского интерфейса устройств. Все, чем мы обычно располагаем таких устройствах – это одна или несколько кнопок и пара индикаторов.

Использование полного Plug & Play затруднительно из-за сложности идентификации устройств, когда однотипные устройства инсталлируются в одно время – например, если подключены 5 выключателей в разных комнатах, какой из них какой?

Ручной процесс часто невозможен на устройствах с минимальным интерфейсом.

В Z-Wave процесс инсталляции очень гибкий и поддерживает как локальную, так и централизованную инсталляцию.

Локальная инсталляция идеальна для малых систем. В этом варианте пользователь активирует и новый узел, и контроллер, чтобы установить новое устройство. Активация может быть как одновременной, так и асинхронной. Возможно проведение разовой активации для всех добавленных устройств или подключение устройств по одному, в зависимости от требуемого сценария инсталляции. Новое устройство посылает запрос на присоединение к сети, который подтверждается контроллером с присвоением узлу идентификатора (ID). В завершении новый узел сообщает контроллеру перечень своих соседей, т. е. узлов, находящихся в зоне радиовидимости нового узла.

Централизованная инсталляция предназначена для сложных систем автоматизации дома с большим количеством разнородных устройств и приложений. Предполагается использование этого варианта обученными профессионалами. При централизованной инсталляции каждый контроллер включает новые узлы в сеть под управлением специального узла Z-Wave SIS. Обычно SIS реализован на персональном компьютере или эквивалентном достаточно интеллектуальном устройстве, которое дает установщику полные возможности для управления и мониторинга всех шагов процесса.

Самоорганизация сети.

В самоорганизующейся сети узлы способны находить своих соседей и автоматически распространять эту информацию по узлам сети. В самовосстанавливающейся сети узлы автоматически перенаправляют трафик, если часть сети становится недоступной.

В сети Z-Wave узлы исследуют окружение и находят соседей – при включении в сеть или по запросу. Полученная информация автоматически направляется на узел SUC (Static Update Controller). SUC принимает информацию о топологии сети и обрабатывает запросы других узлов на получение такой информации.

Самоорганизация сети позволяет пользователю не беспокоиться о взаимной радиовидимости всех узлов сети. Протокол маршрутизации ячеистой сети обеспечит доступность любого узла для каждого другого. В сетях Z-Wave применяется Source Routing Algorithm (SRA). В SRA инициатор генерирует полный маршрут до целевого узла и помещает эту информацию в заголовок пакета. Маршрут генерируется на основании информации о топологии сети, полученной от SUC. Каждый узел на маршруте принимает пакет, модифицирует заголовок в соответствии с протоколом и пересылает пакет следующему узлу маршрута. Промежуточные узлы не должны сохранять информацию о топологии сети, это большое преимущество для сети с небогатыми ресурсами.

Самовосстановление.

Рис. 4 иллюстрирует ситуацию, когда связь между дверью и лампой А пропадает из-за того, что открыли металлическую дверь холодильника (показано красной линией). Ячеистая сеть автоматически строит новый маршрут, проходящий через другие узлы сети (синие стрелки).

Рис. 4  

В Z-Wave технология самовосстановления охватывает две области:

Пропадание связи между узлами. Алгоритм принимает информацию о неудачных сеансах связи и выясняет, какие связи не работают. Эти связи временно исключаются из топологии и создаются новые маршруты.

Изменения топологии сети. При изменении физического расположения устройства алгоритм заставляет его инициировать новый поиск соседей и исправление карты сети.

Ассоциирование узлов.

Под ассоциацией двух узлов понимается объединение функциональности этих узлов. Например, кнопка на пульте дистанционного управления может быть ассоциирована со светорегулятором (диммером). В Z-Wave процесс ассоциирования строится на стандартизированных командах, которые позволяют каждому узлу объявлять поддерживаемые им функции и автоматически устанавливать ассоциации, если это применимо.

Совместимость устройств. Основная проблема, которую приходится решать при обеспечении совместимости устройств, заключается нахождении правильного баланса между способностью устройств к взаимодействию и желанием производителей выделяться на рынке. При этом требования по совместимости должны быть согласованы с ожиданиями потребителей. Обычно потребители не ожидают, что два продукта будут полностью идентичными, но ожидают, что основная функциональность совпадает, и поведение устройств отвечает общей логике.

Совместимость – основа создания завершенных систем управления домом, в которых вместе работают разные приложения от разных производителей. Протокол Z-Wave предоставляет стандартизированную коммуникационную базу для широкого спектра приложений.

В Z-Wave совместимость гарантируется программой сертификации Z-Wave. Наличие на продукте логотипа Z-Wave (рис. 5) означает, что данный продукт прошел процедуру сертификации.

Рис. 5

Аппаратное обеспечение

Микропроцессорная платформа содержит CPU, различные аппаратные интерфейсы, память и таймер вывода из спящего режима. Процессор оптимизирован для быстрого выполнения команд и низкого потребления энергии. Чтобы избежать необходимости в дополнительных чипах микроконтроллер содержит так много интерфейсов, сколько это возможно, с учетом требования низкой цены. Размер памяти выбран достаточным для размещения кода протокола и приложений, но с учетом требований по минимизации стоимости и энергопотребления.

Для оптимизации энергопотребления важную роль играет правильное построение схем питания и управления им. Управление питанием является интегрированной частью протокола Z-Wave, это означает, что процессор может подключать только необходимые схемы, которым требуется питание в данный момент, и отключать остальные блоки.

Таймер при необходимости выводит модуль из спящего режима. Стандартный таймер реального времени потребляет всего 20 мкA. Это и дает возможность говорить о десятилетнем и более сроке работы устройств от одного комплекта батарей.

Также для уменьшения процессорного времени и, как следствие, потребления энергии использован обработчик пакетов. Он позволяет отключать микропроцессор, оставляя работающим только приемо-передатчик, во время ожидания пакетов. Когда приемник получает пакет, предназначенный для данного устройства, обработчик сохраняет пакет, отключает питание от приемо-передатчика, а микроконтроллер выводится из спящего режима, чтобы обработать принятый пакет.

Компания Zensys интегрировала пассивные компоненты радиочастотного тракта в чип. Это позволило избавиться от 10 – 20 отдельных компонентов. Хотя это потребовало дополнительного места на подложке чипа, но сделало систему более надежной и устойчивой к внешним помехам.

В системе применяется радиосигнал с частотной модуляцией. Выбор метода частотной модуляции обусловлен, в том числе, соображениями уменьшения размеров чипа. По общему правилу, использование более высоких частот приводит к уменьшению дальности передачи. Поэтому разумным компромиссом для радио-чипов является использование субгигагерцового диапазона (в США: 902 – 928 МГц, в Европе: 868 – 870 МГц). При этом сохраняется достаточная дальность связи, малое энергопотребление и малые размеры подложки чипа.

Учитывая требования, упомянутые выше, Zensys разработала чип, который представляет собой завершенный радиочастотный блок (ZM2102), предназначенный для установки в новые и существующие продукты. Чип с высокой степенью интеграции содержит все необходимое для управления продуктами домашней автоматизации. ZM2102 содержит всего 15 компонентов, включая развязывающие конденсаторы, резонатор, радиочастотные фильтры. Размеры модуля: 12,5 х 13,6 мм.

Потребление энергии радиочастотным модулем:

Спящий режим с включенным таймером – 2,5 мкА

Режим передачи с излучаемой мощностью -5 dBm – 23 мА

Режим приема – 21 мА

Заключение

Компания Zensys представила технологию домашней автоматизации для массового рынка, которая характеризуется низкой ценой, низким энергопотреблением, простотой использования и надежностью. Ячеистая сеть Z-Wave с функциями самоорганизации и самовосстановления, в сочетании с гибкими инсталляционными процедурами, представляет простое в использовании сетевое решение. Протокол Z-Wave и чип с высокой степенью интеграции обеспечивает невысокую стоимость без компромисса с надежностью или универсальностью. Обеспечивается совместимость приложений и устройств Z-Wave, выпущенных разными производителями.