Технология Z-Wave для Умного дома

«Умный дом» — комплекс технических и программных решений, реализующих единую систему управления в жилом помещении, офисе или здании целиком. Такая система состоит из управляющих элементов и исполнительных устройств, объединенных общей программной платформой и протоколами работы. Далее мы рассмотрим одну из таких технологий: Z-Wave.

Что такое Z-Wave

Именем Z-Wave обозначается применяемый в домашней автоматизации популярный протокол передачи данных по радиоканалу. Его отличительная особенность — полная стандартизация; это значит, что протокол охватывает все уровни модели OSI. Таким образом достигается полная совместимость устройств в гетерогенных сетях. Производитель оборудования значения не имеет: если оно поддерживает протокол, значит, совместимо с прочими устройствами сети.

История Z-Wave началась в 1999 году в Копенгагене, когда компания Zensys представила потребительскую версию удобной системы управления. Со временем она доросла до закрытой SoC-технологии контроллера домашней автоматизации, работающего на не лицензируемой частоте до 1 ГГц.

Краткая история версий аппаратной платформы:

• серия 100 — 2003 г.;
• чип серии 200 — 2005 г. Он предлагал улучшенную производительность при сниженной цене;
• серия 500 — 2013 г. Он вышел на рынок как Z-Wave Plus и имел в четыре раза больше памяти, увеличенную дальность действия и продленную работу от батарей;
• поколение 700 чипов вышло в 2018 году и характеризуется еще более увеличенной дальностью (до 100 м), низким энергопотреблением и до 10 заявленных лет работы конечных устройств от батарей, высокой производительностью и обратной совместимостью с предыдущими версиями. Поколение базируется на 32-битном процессоре ARM Cortex-M.

Протокол закрытый, и до 2018 года он принадлежал компании Sigma Designs, которая лицензировала каждое выпускаемое Z-Wave устройство. В 2018 компания была приобретена фирмой Silicon Labs, являющейся теперь основным вендором чипов. SiLabs таким образом включила в свой арсенал еще одну беспроводную технологию к уже имеющимся.

Возможности Z-Wave:

• управление светом через диммеры или реле;
• контроль штор, ворот, рольставень, жалюзи и прочих устройств с моторами от 10 до 230 В;
• установка розеточных модулей или встраиваемых реле для активации/отключения нагрузок в диапазоне до 3.5 кВт;
• управление отопительными системами (например, теплыми полами, электрорадиаторами и котлами);
• обнаружение заданных событий по реакции датчиков (движение, открытие/закрытие дверей и окон, протечки воды и так далее), мониторинг состояния среды (по сенсорам освещенности, влажности, температуры);
• получение данных с различных умных устройств, таких как счетчики с дистанционным снятием показаний;
• управление кондиционерами;
• контроль домашней мультимедиа-системы;
• взаимодействие с любым ПО через контроллер умный дом и API;
• дистанционное управление устройствами сети c ПК или телефона, пульта ДУ.

Протокол разработан прежде всего для небольших жилых домов и квартир и рассчитан на сеть в 5–100 компонентов. Его можно отнести к формату «сделай сам»: пользователь может не искать готовые решения, а выбрать нужные элементы системы и настроить их под свои требования.

Принципы работы

В Z-Wave данные передаются по радиоканалу частотой до 1 ГГц. Протокол оптимизирован для передачи простых сигналов управления (без задержек, что важно для устройств с быстрым откликом — выключателей, контроллеров яркости освещения и так далее). Относительно низкая частота (869 МГц в РФ) позволяет не тревожиться за перекрытие диапазона с сигналом Wi-Fi.

Важно выбирать именно предназначенные для России контроллеры и периферию, во избежание несовпадения или конфликта частот.

Все поддерживающие Z-Wave устройства объединяются в так называемую mesh network, или ячеистую сеть. Пример такой ячеистой топологии:

В Z-Wave она состоит из:

• контроллера с управляющим ПО;
• компонентов с постоянным или батареечным питанием, выполняющих свои функции и передающих сигнал дальше;
• ведомых устройств на батарейках или аккумуляторах, которые должны получить сигнал и отправить подтверждение.

Контроллер анализирует состояние сети и выбирает оптимальный маршрут передачи. В последних версиях протокола заявлена устойчивая отправка сигнала на расстояние до 100 метров в пределах прямой видимости.

Пример простой маршрутизируемой сети Z-Wave: контроллер передает сигнал удаленному устройству через находящееся ближе промежуточное оборудование. Такой принцип позволяет создавать гибкие и устойчивые сетевые инфраструктуры.

Важно: в цепочке между источником (контроллером) и принимающим модулем может быть максимум 4 передающих узла.

Все элементы сети делятся на три типа:

1. Контроллер. У него есть сведения об окружении, он обладает полным доступом к таблице маршрутизации и может связываться со всеми компонентами сети при наличии маршрута до них. На картинке ниже популярный сервер VeraEdge с комплектом реле.
2. Ведомый. Ему известно ближайшее окружение, он не имеет доступа к таблице маршрутизации и может только давать ответы приславшему сигнал устройству. Это может быть, к примеру, управляемое через Z-Wave реле.
3. Ведомый маршрутизатор. Ему известно ближайшее окружение, предоставлен частичный доступ к таблице, он может отвечать на входящие сигналы и перенаправлять таковые дальше по доступным ему из таблицы маршрутам.

В качестве ведомых обычно выступают фиксированные конечные устройства — переключатели, реле и контроллеры, выполняющие команду и отдающие статус ее исполнения. Маршрутизаторами нередко работают функционирующие на постоянном питании (но встречаются также и варианты на батарейках) элементы — датчики, термостаты и прочие.

Термостат Fibaro:

Преимущества

Технология обладает рядом безусловных достоинств:

1. Простое конфигурирование и подключение к сети. Нередко достаточно просто одновременно нажать на контроллере и связываемом устройстве кнопку, и они соединены.
2. Высокая безопасность: передаваемые данные шифруются криптостойким 128-битным ключом. Кроме того, все чипы лицензируются производителем.
3. В РФ Z-Wave работает на частоте 869 МГц, которая официально разрешена, не требует лицензирования и не пересекается с Wi-Fi.
4. Гибкая настройка конфигурации сети благодаря mesh-структуре.
5. Стандартизация, унификация и обратная совместимость: вся периферия с логотипом Z-Wave практически стопроцентно будет без проблем работать друг с другом.
6. Возможность постройки решений как на готовых программно-аппаратных комплексах, так и сборка DIY-системы.
7. ПО с открытым API.
8. Существуют плагины для соединения с другими системами умного дома — например, HomeKit.
9. Обилие поддерживаемых аксессуаров.

Умный дом с Z-Wave

На базе Raspberry Pi

Сердце «умного дома» — контроллер. Энтузиасты могут собрать и настроить его на популярной платформе Raspberry Pi: в продаже есть плата расширения RaZberry от российской Z-Wave.me. Она устанавливается в стандартную GPIO колодку и обеспечивает весь функционал системы. За программную часть отвечает установленное из репозиториев z-wave.me серверное ПО Z-Way.

После инсталляции платы «малинку» следует перезагрузить и поставить сервер. Минимальная установка:

$ wget https://storage.z-wave.me/z-way-server/z-way-3.0.3_armhf.deb

$ sudo dpkg -i z-way-3.0.3_armhf.deb

В таком случае разворачивается только серверная часть без удаленного доступа.

На storage.z-wave.me также доступны сборки ОС с предустановленным Z-Way. Разворачиваются они стандартным образом на SD-карту.

Можно просто запустить установочный скрипт:

$ wget -q -O - razberry.z-wave.me/install | sudo bash

После установки станет доступен интерфейс Z-Way Server, откуда можно будет приступать к подключению устройств и конфигурированию.

Готовый контроллер

На рынке присутствуют готовые программно-аппаратные решения, не требующие манипуляций с установкой ПО. Таков, например, Fibaro Home Center 2, совместимый с Z-Wave устройствами. Это мощный хаб для «умного дома» на центральном процессоре Intel Atom, предоставляющий простой и удобный пользовательский интерфейс настроек системы.

Внешний вид:

Пример интерфейса:

Компания Fibaro также производит большой ассортимент совместимой с Z-Wave периферии.

Более доступное по цене решение есть у компании Z-Wave.me: она предлагает недорогой Z-Wave.Me Hub как основу для системы домашней автоматизации. Имеются в продаже и другие варианты оборудования.

Этот управляющий сетью Z-Wave контроллер отличается встроенным аккумулятором, обеспечивающим до 2 часов автономной работы.

Устройства

Все производители работающей по данному протоколу техники объединены в глобальный консорциум Z-Wave Alliance. На сегодня в нем насчитывается более 300 членов. Среди них такие гиганты, как упомянутые Silicon Labs и Fibaro, Bosch и другие. Неполный список участников:

Велико и число предлагаемых аксессуаров — реле, переключателей, контроллеров и USB стиков для подсоединения различных устройств к сети «умного дома».

Интересно, что существуют проекты интеграции аппаратуры Z-Wave со сторонними сервисами, например, с Яндекс.Станцией и голосовым помощником «Алиса».

Помимо контроллеров, поддерживаемое Z-Wave оборудование можно разделить на следующие группы:

• вставляемые в розетку или заменяющие обычные переключатели;
• электрические диммеры, подключаемые розеточные модули, реле;
• устройства контроля электродвигателей (жалюзи и так далее);
• измерители сигнала;
• разнообразные датчики;
• термостаты;
• пульты ДУ;
• IP-шлюзы и USB контроллеры.

Построенный с их помощью на протоколе Z-Wave умный дом будет многофункциональным и удобным.

Выводы

Z-Wave — интересная и перспективная технология «умного дома», с постоянно растущим сообществом и обилием поддерживаемых устройств. На этом протоколе можно создавать обширные, гибкие, легко конфигурируемые и изменяемые системы. Кроме того, нет нужды проектировать «умный дом» раз и навсегда, сразу приобретая все компоненты: необходимое докупается и ставится по мере востребованности, что позволяет сэкономить. А энтузиасты могут собрать экосистему «с нуля», не прибегая к готовым серверам вроде Fibaro HomeCenter, и подключить ее через плагины к другим хабам.

Но есть и определенные недостатки:

• низкая скорость передачи данных, исключающая трансляцию мультимедиа;
• пользователи нередко отмечают нестабильность сигнала, особенно в помещениях со сложными конфигурациями;
• иногда встречается отсутствие контроллером поддержки того или иного устройства, но эта проблема решается выпуском новых прошивок.

Видео по теме