Вот уже два десятилетия для беспроводного управления освещением успешно применяется протокол Z-Wave, который зарекомендовал себя как надежное и экономичное решение. Но прогресс не стоит на месте, и недавно появился протокол Z-Wave LR, работающий на ином принципе, чем его предшественник. В данном случае можно говорить не просто об очередном стандарте связи, а о новой тенденции, способной оказывать влияние на другие беспроводные технологии.
Для управления осветительными приборами, шторами, воротами и т. п. устройствами «умного дома», а также передачи сведений от датчиков освещенности, температуры, присутствия и аналогичных, как правило, не требуется большая скорость передачи данных. На первый план выходят такие параметры, как низкая стоимость, низкое энергопотребление, а также распространение радиосигнала в условиях наличия препятствий и помех от других приборов.
Большое распространение в системах «умного» освещения получил протокол Z-Wave. Скорость передачи данных до 100 Кбит/с хоть и выглядит в наше время крайне низкой, но для управления освещением ее более чем достаточно. Важное преимущество — работа в диапазонах частот, не загруженных множеством других применений. Например, в России для Z-Wave выделен диапазон 869 МГц, в США — 908 и 916 МГц, странах Евросоюза — 868 МГц. Это выгодно отличает стандарт от конкурентов, обычно использующих диапазон 2,4 ГГц, в настоящее время сильно перегруженный (Wi-Fi, Bluetooth и некоторые другие технологии беспроводной связи).
Z-Wave Plus
До появления нового стандарта Z-Wave LR наиболее актуальной была версия Z-Wave Plus. Поддерживающие данную версию чипы выпускаются с 2018 г. По сравнению с предыдущими версиями в Z-Wave Plus увеличены максимальное расстояние между устройствами в сети с 30 до 100 м (в реальности зависит от условий распространения радиоволн), а также максимальная скорость передачи данных с 40 до 100 кбит/с. Основные принципы работы остались теми же, что и у первых реализаций стандарта (ведущего свою историю с 2001 г.), в том числе и топология mesh.
Беспроводная сеть Z-Wave управляется с централизованного контроллера. Передача информации осуществляется всегда в двух направлениях, т. к. обязательно подтверждение того, что пакет данных дошел до адресуемого устройства. Рассказ об иерархии устройств в Z-Wave Plus выходит за рамки статьи, отметим лишь, что их можно разделить на две категории — поддерживающих маршрутизацию данных и не имеющих такой функции.
Топология построения сети типа mesh подразумевает, что узлы, поддерживающие маршрутизацию, способны при необходимости ретранслировать информацию другим узлам. Таким образом, несмотря на расстояние между соседними узлами сети не более 100 м, за счет ретрансляции появляется возможность передавать данные на дистанцию в несколько километров. Правда, на практике такая дальность связи и не нужна, поскольку стандарт Z-Wave предназначен только для связи внутри зданий. Более ценным свойством является возможность автоматически выстраивать альтернативные пути передачи информации при возникновении между двумя узлами преграды или действии помехи. Если между двумя узлами сети связь невозможна, автоматически ищется возможность ретрансляции по цепочке через другие узлы.
для которых не требуется большая скорость передачи данных
В 2000-е и 2010-е годы mesh-топология считалась наиболее прогрессивным подходом к построению беспроводных сетей. Тем не менее сейчас, по мере более широкого распространения систем «умного света», а также расширения сферы приложения беспроводных технологий, все явственнее видны ее недостатки.
Необходимость иметь в сети узлы с функцией маршрутизации увеличивает стоимость системы. Многократная ретрансляция сигнала приводит к задержке по времени его передачи, которая на практике может достигать 5 с. Наконец, в моменты, когда система ищет новый обходной путь для сигнала, беспроводная сеть резко замедляет работу из-за перегрузки на полминуты — минуту.
Сложная структура сети требует подключения устройств Z-Wave в определенной последовательности, чтобы они «опознали» друг друга по цепочке. При настройке системы может возникнуть необходимость отключить какое-то из устройств, а потом подключить его к беспроводной сети снова. Все это требует определенных знаний.
Возможно, если вы управляете только освещением, наличие задержек порядка нескольких секунд не критично. Но в случае, когда через Z-Wave реализованы и другие функции «умного дома», такая задержка недопустима. Z-Wave Plus предусматривает на этот случай систему ассоциированных групп, когда сигнал от датчика или пульта управления передается на исполнительное устройство напрямую, минуя контроллер. Однако настройка данной функции требует участия высококвалифицированного специалиста.
Чипы для Z-Wave
Особенностью протоколов семейства Z-Wave является то, что реализующие их чипы, как правило, выпускаются только одной компанией, что снимает все вопросы по совместимости различных устройств.
Тем не менее сами устройства с поддержкой Z-Wave могут выпускаться любыми другими компаниями, но чипы, реализующие протокол, в них единообразны. В настоящее время правами на производство чипов Z-Wave обладает американская компания Silicon Labs. Она поставляет микросхемы, а также модули, содержащие в себе микросхему и частотные фильтры.
Чипы объединяются в серии, которые нумеруются x00, где x — номер поколения чипа, он может быть от 1 до 7, при этом 6-е поколение не выпускалось. Поддержка Z-Wave Plus, а затем и Z-Wave LR реализована в чипах 700-й серии.
Переход к топологии «звезда»
Для того, чтобы решить проблемы, характерные для предыдущих вариантов протокола, организация Z-Wave Alliance разработала принципиально новый протокол Z-Wave LR. В нем LR является сокращением от Long Range, что переводится с английского как «большая дальность». Протокол Z-Wave LR был официально представлен в декабре 2020 г., а в марте 2021 г. начата сертификация оборудования на предмет совместимости с ним.
Главное отличие Z-Wave LR от Z-Wave Plus — топология сети «звезда» вместо mеsh. В сети типа «звезда» каждое устройство соединяется с центральным контроллером напрямую. Построение сети по принципу «звезда» в Z-Wave LR позволило минимизировать задержку сигнала, а также упростить конструкцию сетевого оборудования, встроенного в датчики и исполнительные устройства. Настройка беспроводной сети становится не сложнее настройки подключения компьютера к сети Wi-Fi (где, к слову, используется также топология «звезда»).
Применение mesh-топологии позволило в свое время уменьшить выходную мощность передатчика до 0,7 мВт. На заре существования Z-Wave это было критично, поскольку полупроводниковые приборы СВЧ-диапазона стоили дорого и имели низкий КПД. В настоящее время этих проблем уже нет.
Таблица 1. Сравнение основных параметров Z-Wave Plus и Z-Wave LR
| Параметр | Z-Wave Plus | Z-Wave LR |
|---|---|---|
| Топология сети | Mesh | «Звезда» |
| Максимальное расстояние от одного узла сети до другого, м | 100 | 1600 |
| Максимальная скорость передачи данных, кбит/с | 100 | 100 |
| Номинальная выходная мощность передатчика, мВт | 0,7 | 25 |
| Максимальная выходная мощность передатчика, мВт | Нет данных | 1000 |
| Тип модуляции | Частотная (FSK/GFSK) | Квадратурная фазовая (DSSS OQPSK) |
| Максимальное количество устройств в одной сети | 232 | 4000 |
Номинальная выходная мощность передатчика в Z-Wave LR повышена до 25 мВт. В условиях отсутствия препятствий для распространения радиоволн дальность связи достигает 1,6 км. При работе внутри здания — это расстояние сокращается из-за ослабления сигнала внутренними стенами. В том случае, если на пути радиоволн обнаружено препятствие, то вместо гибкой маршрутизации для его преодоления применяется технология динамического управления мощностью. В моменты, когда контроллер «общается» с устройством, до которого радиоволны доходят с большим ослаблением, выходные мощности передатчиков в обоих точках увеличиваются (вплоть до 1 Вт).
Количество устройств, подключаемых к беспроводной сети, в новом протоколе увеличено до 4000 благодаря переходу на квадратурную фазовую модуляцию. Это позволяет реализовать единую беспроводную сеть управления освещением в крупном офисном здании.
Совместимость
В Z-Wave LR предусмотрены прямая, а также обратная совместимость с Z-Wave Plus и даже еще более ранними версиями протокола. Устройство, поддерживающее Z-Wave LR, может быть подключено к контроллеру или узлу с маршрутизацией Z-Wave прежнего стандарта и работать в этом стандарте. С другой стороны, к контроллеру Z-Wave LR можно подключить и устройства, поддерживающие более старые версии протокола. Возможно создание узлов сети Z-Wave LR с функцией маршрутизации, но они будут ретранслировать сигнал только узлам Z-Wave предыдущих стандартов.
Проблема частотного диапазона
Для того, чтобы устройства Z-Wave LR и Z-Wave Plus могли работать вместе, не мешая друг другу, разработчики немного разнесли их по частоте. Если старые версии Z-Wave используют частоты 908 и 916 МГц, то Z-Wave LR работает на частотах 912 и 920 МГц. В США указанные частоты свободны для использования в таком качестве. Но в остальных странах мира для Z-Wave LR придется искать другие частоты, и эта проблема еще не решена. Поэтому по состоянию на март 2021 г. протокол Z-Wave LR разрешен к использованию только на территории США.
Также может встать проблема максимальной разрешенной мощности. Например, в России для диапазона 869 МГц без специальной лицензии, выдаваемой на конкретный передатчик, излучаемая мощность не должна превышать 100 мВт.
Выводы
Новый протокол, предложенный Z-Wave Alliance, делает установку и настройку системы «умного света» столь же простым делом, как развертывание домашней Wi-Fi-сети. Помимо освещения, через Z-Wave LR можно управлять и другими системами автоматизации, в том числе домашними роботами. Если вся беспроводная сеть построена только на протоколе Z-Wave LR, можно сэкономить на оборудовании из-за отсутствия необходимости в функции ретрансляции.
Перспективы нового протокола в мировом мас-штабе зависят от позиции местных администраций связи по вопросу выделения новых частот для него. Тем не менее в любом случае появление Z-Wave LR — это определенный вызов рынку систем беспроводного управления освещением, ранее ориентированному в основном на mesh-сети. И уже в обозримом будущем мы, возможно, увидим топологию «звезда» в новых версиях других протоколов.