Thứ Sáu, 27 tháng 12, 2019

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Z-Wave - Wikipedia


Z-Wave
Z-Wave logo.jpg
Internationaler Standard 800-900 MHz Funkfrequenzbereich
Entwickelt von Zensys
1999 [1945653] ( 1999 )
Industrie Hausautomation
Reichweite 100 Meter

Z-Wave ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das hauptsächlich für die Hausautomation verwendet wird . Es ist ein Maschennetz, das energiearme Radiowellen für die Kommunikation von Gerät zu Gerät verwendet. [1] ermöglicht die drahtlose Steuerung von Haushaltsgeräten und anderen Geräten wie Beleuchtungssteuerung, Sicherheitssystemen, Thermostaten, Fenstern, Schlössern, Schwimmbädern und einer Garage Türöffner. [2][3] Wie andere Protokolle und Systeme für den Heim- und Büroautomationsmarkt kann ein Z-Wave-System über das Internet von einem Smartphone, Tablet oder Computer aus gesteuert werden, und lokal über einen intelligenten Lautsprecher, einen drahtlosen Keyfob. oder ein an der Wand montiertes Paneel mit einem Z-Wave-Gateway oder einem zentralen Steuergerät, das sowohl als Hub-Controller als auch als Außenportal dient. [2][4] Z-Wave bietet die Interoperabilität der Anwendungsschicht zwischen Haussteuerungssystemen verschiedener Hersteller, zu denen ein Teil gehört seine Allianz. Es gibt eine wachsende Anzahl interoperabler Z-Wave-Produkte. über 1.700 im Jahr 2017, [5] und über 2.600 bis 2019. [6]

Geschichte [ edit ]

Das Z-Wave-Protokoll wurde von dem in Kopenhagen ansässigen dänischen Unternehmen Zensys entwickelt. im Jahr 1999. [7][8][9] In diesem Jahr führte Zensys ein Lichtsteuerungssystem für Verbraucher ein, das sich zu Z-Wave als proprietäres System für Hausautomationsprotokolle auf einem Chip (SoC) in einem nicht lizenzierten Frequenzband im 900-MHz-Bereich entwickelte. [19659022] Der Chipsatz der 100-Serie wurde 2003 veröffentlicht, und die Serie 200 wurde im Mai 2005 veröffentlicht [2] . Der ZW0201-Chip bietet hohe Leistung bei geringen Kosten. [11] Der Chip der Serie 500, auch bekannt als Z- Wave Plus wurde im März 2013 mit vierfachem Speicher, verbesserter Funkreichweite und verbesserter Akkulaufzeit veröffentlicht. [12] Die Technologie setzte sich in Nordamerika ab 2005 durch, als fünf Unternehmen, darunter Danfoss, Ingersoll-Rand und Leviton Manufacturing, adoptierte Z-Wave. [9] Sie gründeten die Z-Wave Alliance, deren Ziel es ist, zu werben Der Einsatz der Z-Wave-Technologie, bei der alle Produkte von Unternehmen der Allianz interoperabel sind. [8][9] 2005 führte Bessemer Venture Partners eine dritte Seed-Runde von 16 Millionen US-Dollar für Zensys. [9] Im Mai 2006 gab Intel Capital dies bekannt investierte in Zensys, wenige Tage nachdem Intel der Z-Wave Alliance beigetreten war. [11] 2008 erhielt Zensys Investitionen von Panasonic, Cisco Systems, Palamon Capital Partners und Sunstone Capital. [9]

Z-Wave wurde von Sigma Designs erworben im Dezember 2008. [9][13] Nach der Übernahme wurde der US-Hauptsitz von Z-Wave in Fremont, Kalifornien, mit dem Hauptsitz von Sigma in Milpitas, Kalifornien, zusammengelegt. [9][14] Am 23. Januar 2018 gab Sigma den Verkauf der Z-Wave-Technologie bekannt und Geschäftsvermögen an Silicon Labs für 240 Millionen US-Dollar [15] und der Verkauf wurde am 18. April 2018 abgeschlossen. [16]

Im Jahr 2005 verwendeten sechs Produkte auf dem Markt die Z-Wave-Technologie. Da die Smart-Home-Technologie zunehmend populärer wurde, gab es in den USA ungefähr 600 Produkte, die die Z-Wave-Technologie verwendeten. [8] Ab Januar 2019 gibt es über 2.600 von Z-Wave zertifizierte interoperable Produkte. [6]

Interoperabilität [ edit ]

Die Interoperabilität von Z-Wave auf Anwendungsebene stellt sicher, dass Geräte Informationen gemeinsam nutzen können, und ermöglicht die Zusammenarbeit aller Z-Wave-Hardware und -Software. Dank der Wireless Mesh-Netzwerktechnologie kann jeder Knoten direkt oder indirekt mit benachbarten Knoten kommunizieren und weitere Knoten steuern. Knoten, die sich in Reichweite befinden, kommunizieren direkt miteinander. Wenn sie sich nicht innerhalb des Bereichs befinden, können sie sich mit einem anderen Knoten verbinden, der sich in Reichweite befindet, um Informationen abzurufen und auszutauschen. [3] Im September 2016 wurden bestimmte Teile der Z-Wave-Technologie beim damaligen Eigentümer öffentlich zugänglich gemacht Sigma Designs veröffentlichte eine öffentliche Version der Interoperabilitätsschicht von Z-Wave. Die Software wurde der Z-Wave-Open-Source-Bibliothek hinzugefügt. Die Open-Source-Verfügbarkeit ermöglicht es Softwareentwicklern, Z-Wave in Geräte mit weniger Einschränkungen zu integrieren. Die S2-Sicherheit von Z-Wave, Z / IP für den Transport von Z-Wave-Signalen über IP-Netzwerke und die Middleware von Z-Ware sind ab 2016 alle Open Source. [17]

Standards und die Z-Wave Alliance [ edit ]

Die Z-Wave Alliance wurde 2005 als Zusammenschluss von Unternehmen gegründet, die vernetzte Appliances über Apps auf Smartphones, Tablets oder Computern mit der drahtlosen Z-Wave-Maschinentechnologie steuern. Die Allianz ist eine formale Vereinigung, die sich auf die Erweiterung von Z-Wave und die fortlaufende Interoperabilität aller Geräte konzentriert, die Z-Wave verwenden. [4][8][18]

Im Oktober 2013 wurde ein neues Protokoll- und Interoperabilitätszertifizierungsprogramm namens Z-Wave Plus angekündigt. basierend auf neuen Funktionen und höheren Interoperabilitätsstandards, gebündelt und für das System der Serie 500 auf einem Chip (SoC) erforderlich, sowie einige Funktionen, die seit 2012 für die SoCs der Serie 300/400 verfügbar waren. [19] Im Februar 2014 wurde der Das erste Produkt wurde von Z-Wave Plus zertifiziert. [20] Die Allianz zielt darauf ab, für das Smart Home ein sicheres Mesh-Netzwerk zu schaffen, das auf verschiedenen Plattformen funktioniert. [21]

Z-Wave ist darauf ausgelegt, eine zuverlässige Kommunikation und einen sicheren Betrieb zwischen Geräten und Sensoren zu erreichen Objekte von verschiedenen Herstellern in der Z-Wave Alliance, die aus über 700 Mitgliedern besteht. [5] Zu den Hauptmitgliedern der Allianz gehören ADT Corporation, Alarm.com, Assa Abloy, Fibaro, Huawei und ich Randals, Jasco, Leedarson, LG Uplus, Nortek Security & Control, Silicon Labs und SmartThings. [22]

Im Jahr 2016 startete die Allianz ein Zertifizierungsprogramm für zertifizierte Installateure von Z-Wave, das Installateuren, Integratoren und Händlern die Tools für die Bereitstellung von Z zur Verfügung stellt -Wellennetze und -geräte in ihren Wohn- und Geschäftsberufen. In diesem Jahr kündigte die Allianz das Z-Wave Certified Installer Toolkit (Z-CIT) an, ein Diagnose- und Fehlerbehebungsgerät, das während des Netzwerk- und Geräte-Setups verwendet werden kann und auch als Ferndiagnosetool dienen kann. [23]

Z-Wave Alliance unterhält das Z-Wave-Zertifizierungsprogramm. Die Z-Wave-Zertifizierung umfasst zwei Komponenten: technische Zertifizierung, die von Silicon Labs verwaltet wird, und Marktzertifizierung, die von der Z-Wave Alliance verwaltet wird. [24]

Technische Merkmale [ edit ]

Radiofrequenzen [ edit ]

Z-Wave ermöglicht die zuverlässige Übertragung kleiner Datenpakete mit niedrigen Latenzzeiten bei Datenraten von bis zu 100 kbit / s. [25] Der Durchsatz beträgt 40 kbit / s (9,6 kbit / s mit alten Chips) und für Steuerungs- und Sensoranwendungen geeignet, [26] im Gegensatz zu Wi-Fi und anderen IEEE 802.11-basierten WLAN-Systemen, die hauptsächlich für hohe Datenraten ausgelegt sind. Die Kommunikationsentfernung zwischen zwei Knoten beträgt etwa 30 Meter (40 Meter bei einem Chip der Serie 500). Mit der Möglichkeit, bis zu viermal zwischen den Knoten zu springen, ist die Abdeckung für die meisten Wohnhäuser ausreichend. Die Modulation erfolgt durch Manchester-Kanalcodierung. [26]

Z-Wave verwendet das nicht lizenzierte Band für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen (ISM) von Part 15. [27] Es arbeitet in Europa mit 868,42 MHz, in Nordamerika mit 908,42 MHz und anderen Frequenzen in anderen Ländern abhängig von ihren Bestimmungen. [3] Diese Band konkurriert mit einigen schnurlosen Telefonen und anderen Geräten der Unterhaltungselektronik, vermeidet jedoch Interferenzen mit Wi-Fi, Bluetooth und anderen Systemen, die auf überfüllten Systemen arbeiten. 2,4 GHz Band. [4] Die unteren Schichten, MAC und PHY, werden von ITU-T G.9959 beschrieben und sind vollständig rückwärtskompatibel. Im Jahr 2012 hat die International Telecommunication Union (ITU) die Z-Wave PHY- und MAC-Layer als Option in den G.9959-Standard für drahtlose Geräte unter 1 GHz aufgenommen. Die Datenraten umfassen 9600 bps und 40 kbps mit einer Ausgangsleistung von 1 mW oder 0 dBm. [3] Die Z-Wave-Transceiver-Chips werden von Silicon Labs geliefert.

Tabelle der verwendeten Frequenzen in verschiedenen Teilen der Welt: [28]

Frequenz in MHz Verwendet in
921.4; 919.8 Australien, Neuseeland, Malaysia
919.8; 921.4 Brasilien
868.40; 868.42; 869,85 CEPT-Länder (Europa und andere Länder in der Region), Französisch-Guayana
919.8; 921.4 Chile, El Salvador, Peru
868.4 China, Singapur, Südafrika
919.8 Hongkong
865.2 Indien
869 Russland
916 Israel
920 - 925 Taiwan
922 - 926 Japan, Taiwan
920 - 923 Thailand
919 - 923 Südkorea
908.4; 908.42; 916 USA, Kanada, Argentinien, Guatemala, Bahamas, Jamaika, Barbados, Mexiko, Bermuda, Nicaragua, Bolivien, Panama, Britische Jungferninseln, Surinam, Kaimaninseln, Trinidad und Tobago, Kolumbien, Turks & Caicos, Ecuador, Uruguay

Netzwerkeinrichtung, Topologie und Routing [ edit ]

Z-Wave verwendet eine quellroutierte Mesh-Netzwerkarchitektur. Mesh-Netzwerke sind auch als drahtlose Ad-hoc-Netzwerke bekannt. In solchen Netzwerken verwenden Geräte den drahtlosen Kanal zum Senden von Steuerungsnachrichten, die dann von benachbarten Geräten wellenartig weitergeleitet werden. Das zu übertragende Quellgerät wird daher als Initiator bezeichnet. Daher ist das durch die Namensquelle initiierte Mesh-Ad-hoc-Routing. Anfang der 1990er Jahre wurden mehrere von der Quelle initiierte Mesh-Routing-Protokolle vorgeschlagen. Die früheren waren Ad-hoc-Distanzvektor-Routing (AODV) und dynamisches Quellrouting (DSR). [29].

Geräte können miteinander kommunizieren, indem sie Zwischenknoten verwenden, um Haushaltshindernisse oder Funk-Totpunkte, die in der Multipfad-Umgebung eines Hauses auftreten könnten, aktiv umzuleiten und diese zu umgehen. [26] Eine Nachricht von Knoten A an Knoten C kann erfolgreich sein selbst wenn die beiden Knoten nicht innerhalb des Bereichs liegen, vorausgesetzt, dass ein dritter Knoten B mit den Knoten A und C kommunizieren kann. Wenn die bevorzugte Route nicht verfügbar ist, versucht der Absender der Nachricht andere Routen, bis ein Pfad zum C-Knoten gefunden wird. Ein Z-Wave-Netzwerk kann sich daher weit über die Funkreichweite einer einzelnen Einheit erstrecken. Mit einigen dieser Sprünge kann jedoch eine leichte Verzögerung zwischen dem Steuerbefehl und dem gewünschten Ergebnis eingeführt werden. [30]

Das einfachste Netzwerk ist ein einzelnes steuerbares Gerät und ein primärer Controller. Zusätzliche Geräte können jederzeit hinzugefügt werden, ebenso wie sekundäre Controller, einschließlich herkömmlicher Handheld-Controller, Schlüsselanhänger-Controller, Wandschalter-Controller und PC-Anwendungen, die für die Verwaltung und Steuerung eines Z-Wave-Netzwerks konzipiert sind. Ein Z-Wave-Netzwerk kann aus bis zu 232 Geräten bestehen, wobei die Option besteht, Netzwerke zu überbrücken, wenn mehr Geräte erforderlich sind. [3]

Ein Gerät muss in das Z-Wave-Netzwerk "aufgenommen" werden bevor es über Z-Wave gesteuert werden kann. Dieser Vorgang (auch als "Pairing" und "Hinzufügen" bezeichnet) wird normalerweise durch Drücken einer Reihe von Tasten am Controller und am Gerät, das dem Netzwerk hinzugefügt wird, erreicht. Diese Sequenz muss nur einmal ausgeführt werden. Danach wird das Gerät immer von der Steuerung erkannt. Geräte können auf ähnliche Weise aus dem Z-Wave-Netzwerk entfernt werden. Der Controller lernt während des Einschlussvorgangs die Signalstärke zwischen den Geräten. Daher erwartet die Architektur, dass sich die Geräte an ihrem beabsichtigten endgültigen Ort befinden, bevor sie dem System hinzugefügt werden. Normalerweise verfügt der Controller über eine kleine interne Backup-Batterie, die es erlaubt, den Stecker vorübergehend zu trennen und an den Ort eines neuen Geräts zu bringen, um eine Verbindung herzustellen. Der Controller wird dann an seinen normalen Standort zurückgesetzt und erneut angeschlossen.

Jedes Z-Wave-Netzwerk wird durch eine Netzwerk-ID identifiziert, und jedes Gerät wird außerdem durch eine Knoten-ID identifiziert. Die Netzwerk-ID (auch als Home-ID bezeichnet) ist die gemeinsame Identifikation aller Knoten, die zu einem logischen Z-Wave-Netzwerk gehören. Die Netzwerk-ID hat eine Länge von 4 Byte (32 Bit) und wird vom primären Controller jedem Gerät zugewiesen, wenn das Gerät in das Netzwerk "aufgenommen" wird. Knoten mit unterschiedlichen Netzwerk-IDs können nicht miteinander kommunizieren. Die Knoten-ID ist die Adresse eines einzelnen Knotens im Netzwerk. Die Node-ID hat eine Länge von 1 Byte (8 Bit) und muss in ihrem Netzwerk eindeutig sein. [31]

Der Z-Wave-Chip ist für batteriebetriebene Geräte und die meisten davon optimiert Die Zeit verbleibt im Energiesparmodus, um weniger Energie zu verbrauchen und nur aufzuwachen, um ihre Funktion zu erfüllen. [10] Bei Z-Wave-Maschennetzwerken prallt jedes Gerät im Haus drahtlose Signale im ganzen Haus ab, was zu einem geringen Stromverbrauch führt Geräte funktionieren jahrelang, ohne dass die Batterien ausgetauscht werden müssen. [17] Damit Z-Wave-Einheiten unerwünschte Nachrichten weiterleiten können, können sie sich nicht im Ruhezustand befinden. Daher sind batteriebetriebene Geräte nicht als Repeater-Einheiten ausgelegt. Mobile Geräte wie Fernbedienungen sind ebenfalls ausgeschlossen, da Z-Wave davon ausgeht, dass sich alle repeaterfähigen Geräte im Netzwerk in der ursprünglich erkannten Position befinden.

Sicherheit [ edit ]

Z-Wave basiert auf einem proprietären Design, das von Sigma Designs als primärem Chiphersteller unterstützt wird. Die Z-Wave-Geschäftseinheit wurde jedoch von Silicon übernommen Labs im Jahr 2018 [16][3]. Im Jahr 2014 wurde Mitsumi zu einer lizenzierten zweiten Quelle für Chips der Z-Wave 500-Serie. [32] Obwohl es eine Reihe von akademischen und praktischen Sicherheitsforschungen zu Hausautomationssystemen auf Basis der Protokolle Zigbee und X10 gab, steckt die Forschung noch in den Kinderschuhen Analyse der Stack-Layer des Z-Wave-Protokolls, wodurch das Design eines Funk-Paketerfassungsgeräts und zugehöriger Software zum Abfangen der Z-Wave-Kommunikation erforderlich ist. [33][34] In AES-verschlüsselten Z-Wave-Türschlössern wurde eine frühe Sicherheitslücke entdeckt, die aus der Ferne genutzt werden konnte Um Türen ohne Kenntnis der Verschlüsselungsschlüssel zu entsperren, und aufgrund der veränderten Schlüssel würden nachfolgende Netzwerkmeldungen, wie in "Tür ist offen", von der etablierten Steuerung des Netzwerks ignoriert. Die Sicherheitslücke war nicht auf einen Fehler in der Z-Wave-Protokollspezifikation zurückzuführen, sondern war ein Implementierungsfehler des Türschlossherstellers. [33]

Am 17. November 2016 hatte die Z-Wave Alliance kündigte strengere Sicherheitsstandards für Geräte an, die am 2. April 2017 Z-Wave-Zertifizierung erhalten haben. Bekannt als Security 2 (oder S2) bietet es erweiterte Sicherheit für Smart-Home-Geräte, Gateways und Hubs. [21][35] Es unterstützt Verschlüsselungsstandards für Übertragungen zwischen Knoten und verlangt neue Pairing-Prozeduren für jedes Gerät mit eindeutigen PIN- oder QR-Codes auf jedem Gerät. Die neue Authentifizierungsebene soll verhindern, dass Hacker die Kontrolle über ungesicherte oder schlecht gesicherte Geräte übernehmen. [36][37] Laut der Z-Wave Alliance ist der neue Sicherheitsstandard der fortschrittlichste Sicherheitsstandard, der auf dem Markt für Smart-Home-Geräte verfügbar ist Controller, Gateways und Hubs. [38]

Hardware [ edit ]

Der Chip für Z-Wave-Knoten ist der ZW0500, der um einen Intel MCS-51-Mikrocontroller mit internem Systemtakt aufgebaut ist 32 MHz. Der HF-Teil des Chips enthält einen GisFSK-Transceiver für eine durch Software wählbare Frequenz. Bei einer Stromversorgung von 2,2 bis 3,6 Volt verbraucht es im Sendemodus 23 mA. [26] Zu den Features gehören AES-128-Verschlüsselung, ein 100-kbit / s-Funkkanal, gleichzeitiges Hören auf mehreren Kanälen und USB-VCP-Unterstützung. [39]

Vergleich mit anderen Protokolle [ edit ]

Für drahtlose Smart-Home-Netzwerke gibt es zahlreiche Technologien, die miteinander konkurrieren, um zum Standard der Wahl zu werden. Wi-Fi verbraucht viel Strom und Bluetooth ist in Bezug auf Signalreichweite und Anzahl der Geräte begrenzt. Andere mit Z-Wave konkurrierende Netzwerkstandards umfassen Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread und ZigBee. Z-Wave verfügt über eine große Reichweite im Freien bei 90 Metern (im Freien) und 24+ Metern (im Innenbereich). Insteon verfügt mit 17,7 Millionen über eine große Anzahl von Geräten mit maximaler Kapazität (zu ZigBees 65.000 und Z-Wave's 232). Thread hat eine schnelle Datenübertragungsrate von 250 kbps. Z-Wave bietet eine bessere Interoperabilität als ZigBee, aber ZigBee hat eine schnellere Datenübertragungsrate. Thread arbeitet mit der belegten Wi-Fi-Standardfrequenz von 2,4 GHz, während Z-Wave in den USA mit 908 MHz arbeitet, was das Rauschen verringert und einen größeren Abdeckungsbereich bietet. ZigBee arbeitet mit Frequenzen von 915 MHz und 2,4 GHz. Alle drei sind Maschennetzwerke. [40][41] Der Z-Wave MAC / PHY wird von der International Telecommunications Union als ITU 9959-Funk weltweit standardisiert, und die Z-Wave-Interoperabilitäts-, Sicherheits- (S2), Middleware- und Z-Wave-over-IP-Spezifikationen waren alle wurden im Jahr 2016 im öffentlichen Bereich veröffentlicht, wodurch Z-Wave für Entwickler von Internet of Things in hohem Maße verfügbar ist. [41]

Siehe auch [ edit ]

References edit ]

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