Обзор возможностей протокола Z-Wave

Что такое Z-Wave?
Какие задачи решает Z-Wave?
Какие существуют Z-Wave устройства?
Как работает Z-Wave сеть?
Классы команд устройств
Настройка работы устройств
Z-Wave хорош

Что такое Z-Wave?

Z-Wave (европейское произношение - зэдвэйв, американское - зивэйв) - это радио протокол, который изначально задумывался для использования в домашней автоматизации. В России работает на частоте 869 МГц, что дает хорошую помехозащищенность от Wi-Fi сетей 2.4 ГГц и сигнализаций 433 МГц. Чипы для Z-Wave устройств производит компания Silicon Labs, а протокол строго стандартизирован от физического уровня передачи данных до прикладного уровня. Все Z-Wave устройства проходят обязательную сертификацию, которую контролирует Z-Wave Alliance. Сертификация гарантирует совместимость Z-Wave устройств всех производителей в мире. На данный момент (2020 г.) в Z-Wave Alliance входит более 700 компаний, производящих более 3000 совместимых между собой устройств.

Какие задачи решает Z-Wave?

С помощью Z-Wave можно автоматизировать многие процессы в доме, благодаря этому достигается:

повышение уровня комфорта;экономия электроэнергии;
обеспечение безопасности.

Z-Wave отлично справляется с управлением десятков осветительных приборов: плавно диммировать светильник, настроить цвет LED ленты, управлять светом в коридоре с разных мест, но не предназначен для управления освещением на стадионе с мощной нагрузкой и на большие расстояния.

Включить обогрев теплого пола, приоткрыть вентиль на батарее отопления, задать температуру на кондиционере - все это легко автоматизируется. Но до сих пор нет специализированного устройства управления газовыми котлами, которые очень распространены в загородных домах.

Датчик движения может быть одновременно задействован в сценариях управления освещением и охраны. Датчик открытия окна может выключать конвектор и информировать о взломе. А сирена может громко кричать при взломе или приятно щебетать, когда позвонили в дверь, универсальность устройств обеспечивает и комфорт, и безопасность. Но в России, на данный момент, ни одна охранная компания не использует Z-Wave датчики в качестве охранных, возможно, из-за более высокой цены, по сравнению со специализированными решениями.

Какие существуют Z-Wave устройства?

С 2010 года российский рынок домашней автоматизации быстро развивается. У потребителей появляется много новых задач по автоматизации их жилища. Если еще 10 лет назад под умным домом понимали автоматическое включение света и управление шторами с пульта, то сейчас хотят видеть интеллектуальные системы с голосовым управлением, которые сами обучаются, в зависимости от поведения хозяина.

Z-Wave позволяет автоматизировать почти все процессы в доме, вот самые популярные категории.

Управление освещением и другой нагрузкой

Модули реле/диммеры/rgbw в подрозетник устанавливаются за существующий выключатель.
Многоканальные модули реле/диммеры/rgbw на DIN рейку устанавливаются в электрический щиток.
Светодиодные лампы.
Модуль в розетку.
Модули управления жалюзи по сухим контактам/фазное управление/RS485.

Рис.1 - Z-Wave релейные модули

Управление климатом

Термостаты теплого пола с сенсорными панелями и скрытого монтажа.
Устройства управления кондиционером по ИК и встраиваемые платы.
Панели управления фанкойлами.
Термоголовки на батарею.
Проветриватели.

Рис.2 - Z-Wave термостаты

Замки

Устанавливаемые вместо обычного дверного замка.
Устанавливаемые на стандартную личинку.
Реле управления электромагнитным замком.
Реле с сухими контактами.

Рис.3 - Z-Wave замки

Датчики
Движение.
Температура.
Влажность.
Открытие двери/окна.
Протечка.
Дым.
Газ угарный/углекислый/бытовой.
Измерение энергопотребление.
Потребление воды.

Рис.4 - Z-Wave датчики

Пульты управления

Сенсорные панели.
Кнопочные панели.
Сценарные кнопки.
Брелоки/пульты.

Рис.5 - Z-Wave пульты управления на батарейках

Но бывают особенные задачи по автоматизации, которые не решить с помощью существующих устройств, тогда на помощь приходят платы, позволяющие сконфигурировать свое уникальное устройство.

Рис.6 - Конфигуратор входов/выходов Z-Uno Shield

Как работает Z-Wave сеть?

Рис.7 - Структура mesh сети

Z-Wave является mesh сетью, имеет ячеистую структуру, в которой устройства могут общаться друг с другом через другие устройства. В сети Z-Wave все узлы имеют равные права и возможности, нет главного с функциями координатора сети, поэтому любое устройство может напрямую отправить команду любому другому устройству. Прямое управление другим устройством обеспечивается классом команд Association.

Z-Wave сеть определяется уникальным Home ID, и рядом могут существовать несколько сетей, которые друг друга не будут видеть на программном уровне.

Рис.8 - Home ID в веб интерфейсе контроллера RaZberry

Для того, чтобы устройство начало взаимодействовать с другими устройствами, ему нужно присвоить ID сети, т.е. добавить в сеть, этот процесс называется Включение (Include).

Рис.9 - Окно добавления/удаления устройста в веб интерфейсе контроллера RaZberry

Включающий контроллер - это может быть брелок или хаб, нужно перевести в режим добавления, а на устройстве нажать определенную комбинацию кнопок, обычно три раза подряд, контроллер увидит устройство и передаст ему свой Home ID, а также назначит уникальный адрес в сети в диапазоне от 2 до 232 (первый, обычно, это включающий контроллер). Если устройство уже добавлено в сеть, то чтобы его добавить в другую, сначала нужно очистить ему память, для этого на любом контроллере запускается режим Исключение (Exclude), на устройстве нажимается комбинация кнопок и контроллер отправляет этому устройству команду очистки памяти.

Все устройства на постоянном питании являются ретрансляторами. Если датчик движения собирается отправить команду ВКЛЮЧИТЬ релейному модулю, но модуль находится вне зоны прямой видимости, то сначала датчик отправит широковещательный поисковый пакет Explorer Frame, в ответ на который придут маршруты, как добраться до этого модуля. Также маршруты можно задать вручную с помощью хаба. Устройство хранит до 5 маршрутов (ограничение памяти Z-Wave чипа), максимум маршрут может проходить через 4 устройства.

Рис.10 - Установка маршрутов в веб-интерфейсе контроллера RaZberry

Датчики на батарейках не являются маршрутизаторами, потому что почти все время спят, в радиоэфир выходят только чтобы отправить важную информацию, например: зафиксировано движение, а заодно сообщить температуру и влажность. Экономия энергии - их важная задача. Во время пробуждения, датчик потребляет до 40 мАч, при питании от двух батареек AAA, емкостью 1000мАч, датчик может находиться в радиоэфире 1000/40 = 25 часов. Обычно таких батареек хватает на 2-3 года.

Классы команд устройств

В сети устройства взаимодействуют друг с другом посредством команд, таких как:

Set - Попросить устройство что-то выполнить (вкл. свет, перекрыть кран, задать температуру).
Get - Попросить устройство сообщить свое состояние (яркость 50%, текущая температура, дверь открыта).
Report - Устройство само информирует о своем состоянии.

Различные функции устройства, которые использует эти команды, называются классами команд - это основа Z-Wave. Запросив с устройства все поддерживаемые классы команд, можно понять, что делает устройство даже без инструкции. Z-Wave протокол насчитывает 122 класса команд, вот самые популярные:

Association - позволяет настаивать прямые связи между устройствами.
Basic - базовый класс, который должны поддерживать все устройства для совместимости. Любой датчик движения может включить реле, диммер, термостат, кондиционер и др.
Battery - сообщает о заряде батарейки.
Binary Sensor - команда о срабатывании датчика движения, датчика открытия и др.
Binary Switch - класс управления исполнительным элементом только с двумя состояниями ВКЛ/ВЫКЛ, обычно, релейные модули.
Central Scene - команды, которые отправляет брелок: нажата кнопка 1, отжата кнопка 3, удерживается кнопка 5.Clock - устройству можно сообщить текущее время.
Color Switch - набор команд управления цветом.
Configuration - класс, с помощью которого можно передать настройки устройству.
Door Lock - для управления замком. Работает только в режиме шифрования.
Firmware Update Meta Data - позволяет обновить прошивку устройства по воздуху.
Multilevel Sensor - сообщает значение датчика температуры, освещенности, влажности и др.
Multilevel Switch - команды управления исполнительным элементом со шкалой 1-99, обычно диммеры 230 В и LED ленты.
Thermostat * - набор классов команд для управления климатом.
Wake Up - настраивает периоды пробуждения устройства, когда оно работает на батарейках.

Рис.11 - Список классов команд реле в веб-интерфейсе контроллера RaZberry

Документация открыта и о всех классах команд можно почитать на сайте silabs Z-Wave чипов SDS13781-Z-Wave-Application-Command-Class-Specification.

Сделать проходной выключатель на Z-Wave - дело 1 минуты. С помощью класса команд Association настраивается связь с другим устройством, Binary Switch используется для управления. Если нажали клавишу на одном устройстве, то благодаря Association устройство понимает, кому отправлять, а с помощью Binary Switch понимает, какую команду нужно отправить.

Рис.12 - Настройка ассоциаций в веб-интерфейсе контроллера Fibaro Home Center 2 (не самый интуитивно понятный интерфейс)

Настройка работы устройств

В большинстве случаев какая-либо настройка устройств не требуется, они и так работают правильно, например: датчик движения при срабатывании отправляет команду ВКЛЮЧИТЬ, а через 30 секунд, если нет движения, отправляет команду ВЫКЛЮЧИТЬ. Но чтобы устройство было более универсальным и подходило под разные задачи, производитель добавляет полезные настройки. В протокол Z-Wave входит такой класс команд, как Configuration, он позволяет с хаба передать настройки устройству. Какие есть настройки у устройства можно узнать только из инструкции, само устройство не сообщает о своих настройках (иногда производители делают недокументированные сервисные настройки).

Рис.13 - Страница из инструкции Fibaro Dimmer 2

Вот несколько примеров полезных настроек:

авто-выключение реле - можно использовать для автоматического выключения света через заданное время, а можно для имитации нажатия кнопки, если задать полсекунды;
максимальный уровень яркости - используется в диммерах, rgbw модулях и лампах;
большинство датчиков можно настроить, как часто они будут передавать информацию о температуре, влажности, освещенности и т.д.;
инвертировать клавиши выключателя - если установили выключатель наоборот, то программно можно поменять клавиши местами.

Рис.14 - Настройка параметров устройства в веб-интерфейсе контроллера Fibaro Home Center 2

Каждый производитель волен сам решать, какими настройками наделить устройство. Хорошие производители делают много настраиваемых параметров, другие могут вообще выпустить релейный модуль без простейшей функции авто-выключения.

Z-Wave хорош

До сих пор у Z-Wave не появилось по-настоящему сильного соперника среди беспроводных технологий домашней автоматизации. Существуют устройства для умного дома на базе технологий Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, хотя обычно они дешевле аналогов на Z-Wave, но главной их проблемой является совместимость. Нельзя купить две Wi-Fi розетки разных производителей и просто заставить работать их вместе. Zigbee позволяет не сертифицировать свои устройства, поэтому Xiaomi может выпускать классные устройства на этом протоколе, но не совместимые с другими производителями. Именно большое количество совместимых Z-Wave устройств (более 3000) делает его самым популярным и востребованным в сегменте беспроводной домашней автоматизации.