Введение
Системы управления “цифровым домом” всё ещё пребывают в младенческом состоянии, несмотря на интерес к этой тематике в последние двадцать лет. Компания Zensys из калифорнийского Фримонта, занимающаяся беспроводными технологиями, собирается свершить революцию. Что же такого интересного нас ждёт? Весьма реалистичное решение, которое обещает быть доступным, простым в установке и работе, а также надёжным.
Технология Z-Wave, разработанная Zensys, представляет собой систему управления “цифровым домом”, построенную на базе mesh-сети с дуплексной беспроводной радиосвязью FSK. Что касается радио, то передача построена на надёжном и недорогом частотном стандарте FSK 915 МГц (868 МГц в Европе). Крохотный (5×5 мм) чип ZW0201 содержит полноценный радиоприёмник, процессор 8051, 32 кбайт флэш-памяти и SDRAM. Кроме того, есть и полный набор периферийных блоков для управления домом, включая контроллер Triac, 8/12-битный АЦП и УАПП/UART. Наконец, полноценный радиомодуль имеет входную чувствительность -104 dBm и отличается очень низким энергопотреблением.
Сетевой трафик
Система управления “цифровым домом” использует относительно мало узлов (обычно от 20 до 200), находящихся на площади от 50 до 200 м². Каждый узел выходит на связь относительно редко, обычно раз в 5-15 минут. Типичное сообщение состоит из 4-6 байт информации: это инструкции для включения устройства, установки уровня яркости, считывания температуры, проверки состояния дверей и т.д. Новые устройства управления домом, например, универсальные пульты ДУ и метаданные, повышают объём информации. Z-Wave поддерживает передачу со скоростями 10 кбит/с и 40 кбит/с в любой сетевой топологии и полностью обратно совместима.
Гибкая сеть
Система управления домом обычно состоит из совокупности узлов, питающихся от сети или батареек, как стационарных, так и мобильных. Каждый узел может связываться с любым другим.
По технологии Z-Wave узлы можно разделить на три типа: контроллеры, slave-узлы с маршрутизацией и просто slave-узлы. Все типы узлов можно смешивать в любой комбинации.
- Узлы, которые могут запускать работу сети или начинать связь с большим количеством других узлов, называются контроллерами.
- Узлы, которые могут начинать связь только с определённым набором узлов, называются slave-узлами с маршрутизацией.
- Узлы, которые не могут начинать связь, но которые могут отвечать на запросы от других узлов, называются slave-узлами.
Каждый тип узлов Z-Wave поддерживает такие устройства, как пульты ДУ и датчики движения.
Надёжность сети
Даже в квартире среднего размера существует вероятность, что двум узлам, которые находятся вне зоны досягаемости друг друга, потребуется связаться. Mesh-топология предоставляет весьма элегантное средство для решения этой проблемы. На рисунке ниже показана типичная mesh-сеть, где красная линия показывает маршрутизацию данных между устройствами, которые не могут связаться напрямую.
Mesh-топология также является основой возможности Z-Wave автоматически восстанавливать свою работу. Сети на радиоволнах слишком сильно зависят от физических условий, которые могут постоянно меняться. Например, радиосвязь может пропадать, если закрывать двери, передвигать мебель или просто двигаться по помещению. В таких ситуациях технология Z-Wave автоматически изменяет маршрутизацию данных через другие узлы.
Стандарты
Стандартизация играет важную роль на этом быстро растущем рынке. Стандарт IEEE-802.15.4 оговаривает ряд технологий мониторинга и управления. И хотя он был ратифицирован в 2003 году, но, по всей видимости, так и не прижился в качестве стандарта для беспроводного управления “цифровым домом”. Впрочем, компания West Technology Research Group предсказывает рост рынка IEEE 802.15.4, она же и указывает на большую разрозненность в этом направлении. По прогнозам в 2009 году стек протоколов 802.15.4 захватит всего лишь чуть больше 10 процентов потенциального рынка. И тому есть несколько причин: ряд ключевых технологических проблем всё ещё не решён, стандарт, так сказать, “спущен сверху”, да и многие вопросы всё ещё не решены.
2,4-ГГц вариант IEEE 802.15.4 сегодня приковывает к себе больше всего внимания. Впрочем, перед нами потенциальная жертва помех со стороны устройств WLAN и Bluetooth. Эти помехи могут привести к потерям более 90 процентов в реальных условиях. Решения же для 915-МГц диапазона, подобные Z-Wave, от этой проблемы свободны.
Впрочем, Zensys считает, что подобные преимущества не полностью описывают все выгоды Z-Wave. Действительно, успех Z-Wave напрямую связан с тем, насколько хорошо будут решены все проблемы управления “цифровым домом”, подчёркнутые выше. Z-Wave использует радиочастотную технологию FSK, поэтому она должна быть менее сложной, чем IEEE 802.15.4, в то же время обеспечивая хорошую производительность и покрытие. Уменьшенная сложность приводит к снижению размеров чипа и энергопотребления, что, в свою очередь, позволяет снизить стоимость решения сегодня и в перспективе.
Mesh-сетью управлять не требуется
Главной проблемой в управлении сетью является то, что пользователи обычно не знают, как работают устройства в mesh-сети. Следовательно, очень важно, чтобы для управления сетью не требовалось никаких лишних усилий. Поэтому mesh-сеть Z-Wave самоорганизующаяся и самостоятельно восстанавливающаяся.
С учётом всех требований, для Z-Wave лучше всего подошёл алгоритм маршрутизации от источника (Source Routing Algorithm, SRA). Самоорганизация подразумевает, что узлы способны самостоятельно находить соседей и автоматически передавать свою информацию окружающим узлам. Самостоятельное восстановление означает, что узлы могут автоматически перенаправлять трафик, если некоторые узлы сети выключились.
Изменение маршрута в mesh-сети Z-Wave.
На диаграмме изменения в сети Z-Wave (выше) показан пример, когда связь между дверью гаража и лампой A прервалась. Просто кто-то открыл дверцу холодильника из нержавеющей стали. Z-Wave использует mesh-топологию, которая позволяет автоматически перенаправить сообщение по другому маршруту.
Многие устройства управления “цифровым домом” работают от батареек и способны выдержать несколько лет без их замены. Решение Z-Wave как аппаратно, так и программно оптимизировано для работы от батареек. В качестве примера, можно отметить, что один термодатчик Z-Wave может работать 10 лет от пары батареек AAA.
Zensys уже предлагает наборы для разработки Z-Wave с инструментами отладки, полной документацией и примерами реализаций. Как предполагается, многие компании представят готовые решения на основе OEM-разработок Z-Wave в течение трёх месяцев.
Дополнительная информация о Z-Wave, включая детальные обзоры продуктов, доступна по адресу zwaveworld.com – независимый web-сайт разработчиков Z-Wave. Z-Wave Alliance – группа, объединяющая более 125 OEM-производителей, которые сегодня готовят собственные решения на основе Z-Wave (z-wavewavealliance.org).
Обсудить статью в форуме THG.ru
