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Z-Wave

Z-Welle ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das hauptsächlich für Heimautomatisierung. Es ist ein energieeffizientes Mesh-Netzwerk, das verwendet Funkwellen, um von Gerät zu Gerät zu kommunizieren[1] Ermöglicht die drahtlose Steuerung von Haushaltsgeräten und anderen Geräten wie Beleuchtungssteuerungen, Sicherheitssystemen, Thermostaten, Fenstern, Schlössern und Garagentoröffnern.[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 und lokal über einen intelligenten Lautsprecher, einen drahtlosen Schlüsselanhänger oder einen Wandschalter mit einem Z . gesteuert werden -Wave-Gateway oder zentrales Steuergerät, das sowohl als Hub-Controller als auch als Portal nach außen dient.[4] Z-Wave bietet Interoperabilität auf Anwendungsebene zwischen Haussteuerungssystemen verschiedener Hersteller. Es gibt eine wachsende Zahl von Z-Wave-Produkten: mehr als 1.700 im Jahr 2017[5] und mehr als 2.600 im Jahr 2019.[6]

Geschichte

Das Z-Wave-Protokoll wurde 1999 von Zensys, einem dänischen Unternehmen mit Sitz in Kopenhagen.[7][8][9] In diesem Jahr führte Zensys ein Beleuchtungssteuerungssystem für Verbraucher ein, das sich zu Z-Wave als eigenständiges System entwickelte System auf einem Chip (SoC) Hausautomationsprotokoll auf einem frei nutzbaren Frequenzband im 900 MHz Bereich.[10] Der Chipsatz der 100er-Serie wurde 2003 und die 200er-Serie im Mai 2005 veröffentlicht[2] wo der ZW0201-Chip hohe Leistung zu niedrigen Kosten bietet.[11] Der Chip der 500er Serie, auch bekannt als Z-Wave Plus, wurde im März 2013 auf den Markt gebracht und bietet viermal mehr Speicher, verbesserte Funkreichweite und längere Akkulaufzeit.[12] Die Technologie begann sich in Nordamerika um 2005 durchzusetzen, als fünf Unternehmen, darunter Danfoss, Ingersoll-Rand und Leviton Manufacturing, Z-Wave einführten. Sie gründeten die Z-Wave Alliance mit dem Ziel, den Einsatz der Z-Wave-Technologie zu fördern, wobei alle Produkte der Unternehmen der Allianz interoperabel sind. Im Jahr 2005 leitete Bessemer Venture Partners eine dritte Seed-Runde in Höhe von 16 Millionen US-Dollar für Zensys. Im Mai 2006 kündigte Intel Capital an, in Zensys zu investieren, wenige Tage nachdem Intel der Z-Wave Alliance beigetreten war. Im Jahr 2008 erhielt Zensys Investitionen von Panasonic, Cisco-Systeme, Palamon Capital Partners und Sunstone Capital.

Z-Wave wurde im Dezember 2008 von Sigma Designs übernommen.[9][13] Nach der Übernahme wird die US-Zentrale von Z-Wave in Fremont, Kalifornien, fusioniert mit Sigmas Hauptsitz in Milpitas, Kalifornien.[14] Als Teil der Änderungen wurden die Markenrechte von Z-Wave in den Vereinigten Staaten von Sigma Designs behalten und von einer Tochtergesellschaft der Aeotec Group in Europa erworben.[15][16] Am 23. Januar 2018 gab Sigma seine Absicht bekannt, seine Z-Wave-Technologie und Vermögenswerte für 240 Millionen US-Dollar an Silicon Labs zu verkaufen. Der Verkauf wurde am 18.04.2018 abgeschlossen.[17]

Im Jahr 2005 waren sechs Produkte mit Z-Wave-Technologie auf dem Markt. Bis 2012, wenn intelligentes Zuhause Als die Technologie immer beliebter wurde, gab es in den USA etwa 600 Produkte mit Z-Wave-Technologie.[8] Ab Januar 2019 gibt es mehr als 2.600 Z-Wave-zertifizierte interoperable Produkte.[6]

Interoperabilität

Die Interoperabilität von Z-Wave auf Anwendungsebene ermöglicht es Geräten, Informationen auszutauschen und stellt sicher, dass die gesamte Z-Wave-Hardware und -Software zusammenarbeiten. Die drahtlose Mesh-Netzwerktechnologie ermöglicht es jedem Knoten, direkt oder indirekt mit benachbarten Knoten zu kommunizieren und zusätzliche Knoten zu verwalten. Knoten in Reichweite kommunizieren direkt miteinander. Wenn sie sich nicht in Reichweite befinden, können sie sich mit einem anderen Knoten in Reichweite verbinden, um auf Informationen zuzugreifen und diese auszutauschen.[3] Bestimmte Teile der Z-Wave-Technologie wurden im September 2016 veröffentlicht, als der damalige Eigentümer Sigma Designs eine öffentliche Version der Interoperabilitätsschicht von Z-Wave veröffentlichte und die Software der Open-Source-Bibliothek von Z-Wave hinzufügte. Die Open-Source-Verfügbarkeit ermöglicht es Softwareentwicklern, Z-Wave mit weniger Einschränkungen in Geräte zu integrieren. Die S2-Sicherheit von Z-Wave, Z/IP für den Transport von Z-Wave-Signalen über IP-Netzwerke und die Z-Ware-Middleware sind ab 2016 alle Open Source.[18]

Standards und die Z-Wave Alliance

Die Z-Wave Alliance wurde 2005 als Konsortium von Unternehmen gegründet, die vernetzte Geräte entwickeln, die über Apps auf Smartphones, Tablets oder Computern mit der drahtlosen Z-Wave-Mesh-Netzwerktechnologie gesteuert werden. Die Allianz ist eine formelle Vereinigung, die sich sowohl auf die Erweiterung von Z-Wave als auch auf die kontinuierliche Interoperabilität aller Geräte konzentriert, die Z-Wave verwenden.[4][8][19]

Im Oktober 2013 wurde ein neues Protokoll- und Interoperabilitäts-Zertifizierungsprogramm namens Z-Wave Plus angekündigt, das auf neuen Funktionen basiert. Z-Wave Plus verwendet höhere Interoperabilitätsstandards, die gebündelt und für die 500er Serie erforderlich sind System auf einem Chip (SoC). Einige Features waren bereits seit 2012 für die SoCs der 300/400er Serie verfügbar.[20] Im Februar 2014 wurde das erste Produkt für Z-Wave Plus zertifiziert.[21] Ziel der Allianz ist es, ein sicheres Mesh-Netzwerk für das Smart Home zu schaffen, das plattformübergreifend funktioniert.

Z-Wave wurde entwickelt, um eine zuverlässige Kommunikation und einen zuverlässigen Betrieb zwischen Geräten und Sensorobjekten verschiedener Hersteller in der Z-Wave Alliance zu erreichen, die aus mehr als 700 Mitgliedern besteht.[5] Zu den wichtigsten Mitgliedern der Allianz zählen ADT Corporation, Assa Abloy, Jasco, Leedarson, LG Uplus, Nortek Security & Control, Ring, Silicon Labs, SmartThings, Trane Technologies und Vivint.[22]

Im Jahr 2016 startete die Allianz ein Z-Wave Certified Installer Training-Programm, um Installateuren, Integratoren und Händlern die Werkzeuge zur Bereitstellung von Z-Wave-Netzwerken und -Geräten in Arbeits- und Heimprojekten zu vermitteln. In diesem Jahr kündigte die Alliance das Z-Wave Certified Installer Toolkit (Z-CIT) an, ein Diagnose- und Fehlerbehebungstool, das während der Netzwerk- und Gerätekonfiguration verwendet werden kann und auch als Ferndiagnosetool fungiert.[23]

Die Z-Wave Alliance ist für das Z-Wave-Zertifizierungsprogramm verantwortlich. Die Z-Wave-Zertifizierung besteht aus zwei Komponenten: der technischen Zertifizierung, die von Silicon Labs verwaltet wird, und der Marktzertifizierung, die von der Z-Wave Alliance verwaltet wird.[24]

Technische Eigenschaften

Z-Wave wurde entwickelt, um eine zuverlässige Übertragung mit niedrigem Latenz kleine Datenpakete mit Datenraten bis 100 kbit/s.[25] Der Durchsatz beträgt 40 kbit/s (9,6 kbit/s bei Verwendung alter Chips) und ist für Steuerungs- und Sensoranwendungen geeignet. Dies steht im Gegensatz zu W-lan und andere IEEE 802.11 basierend WLAN Systeme, die in erster Linie für hohen Datendurchsatz ausgelegt sind. Die maximale Kommunikationsentfernung zwischen zwei Knoten beträgt etwa 30 Meter (40 Meter mit Chip der Serie 500). Aufgrund seiner Fähigkeit, bis zu viermal zwischen den Knoten zu springen, bietet es eine ausreichende Abdeckung für die meisten Wohnhäuser. Das benützte Modulation ist Frequenzumtastung (FSK) mit Manchester-Codierung.[26]

Z-Wave verwendet das industrielle, wissenschaftliche und medizinische ISM-Band ohne Lizenz.[27] Es arbeitet auf 868,42 MHz in Europa, 908,42 MHz in Nordamerika und verwendet je nach geltenden Vorschriften andere Frequenzen in anderen Ländern.[3] Das verwendete Frequenzband konkurriert mit einigen schnurlosen Telefonen (DECT) und anderer Unterhaltungselektronik, aber vermeiden Sie Störungen mit W-lan, Bluetooth und andere Systeme, die auf dem beschäftigt sind 2,4 GHz-Band arbeiten.[4] Die unteren Schichten, MAC und PHY, werden beschrieben durch ITU-T G.9959 und sind vollständig abwärtskompatibel. Im Jahr 2012 wurde die Internationale Fernmeldeunion (ITU) hat die Z-Wave-PHY- und MAC-Schichten als Option in den G.9959-Standard für drahtlose Geräte unter 1 GHz aufgenommen. Die Datenraten betragen 9600 bps und 40 kbps bei einer Ausgangsleistung von 1 mW oder 0 dBm. Die Z-Wave-Transceiver-Chips werden von Silicon Labs bereitgestellt.

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

Frequenz in MHzBenutzt in
865,2Indien
869Russland
868,4China, Singapur, Südafrika
868,40, 868,42, 869,85CEPT- Länder (Europa und andere Länder der Region), Französisch-Guayana
908,40, 908,42, 916USA, Kanada, Argentinien, Guatemala, Bahamas, Jamaika, Barbados, Mexiko, Bermuda, Nicaragua, Bolivien, Panama,

Britische Jungferninseln, Surinam, Kaimaninseln, Trinidad und Tobago, Kolumbien, Turks- und Caicosinseln, Ecuador, Uruguay

916Israel
919,8Hongkong
919,8, 921,4Australien, Neuseeland, Malaysia, Brasilien, Chile, El Salvador, Peru
919-923Südkorea
920-923Thailand
920-925Taiwan
922-926Japan

Netzwerkkonfiguration, Topologie und Routing

Z-Wave verwendet ein Source-routed Mesh-Netzwerkarchitektur. Mesh-Netzwerke werden auch genannt sogenannte drahtlose Ad-hoc-Netzwerke. In solchen Netzwerken verwenden Geräte den Funkkanal, um Kontrollnachrichten zu senden, die dann von benachbarten Geräten weitergeleitet werden. Das Quellgerät, das senden möchte, wird daher als Initiator bezeichnet. Daher der Name quellinitiiertes Mesh-Ad-hoc-Routing. In den frühen 1990er Jahren wurden mehrere quelleninitiierte Mesh-Routing-Protokolle vorgeschlagen. Die früheren waren Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) und Dynamic Source Routing (DSR).[29]

Geräte können miteinander kommunizieren, indem sie Zwischenknoten verwenden, um aktiv um Haushaltshindernisse oder funkunzugängliche tote Winkel herumzunavigieren, die in der MehrwegeUmgebung eines Hauses.[26] Eine Nachricht von Knoten A an Knoten C kann erfolgreich zugestellt werden, auch wenn die beiden Knoten nicht in Reichweite sind, vorausgesetzt, ein dritter Knoten B kann mit den Knoten A und C kommunizieren. Wenn die bevorzugte Route nicht verfügbar ist, versucht der Absender der Nachricht andere Routen, bis ein Pfad zum C-Knoten gefunden wird. Daher kann ein Z-Wave-Netzwerk weit über die Funkreichweite eines einzelnen Geräts hinausgehen. Bei mehreren dieser Sprünge kann es jedoch zu einer leichten Verzögerung zwischen dem Steuerbefehl und dem gewünschten Ergebnis kommen.[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 Fernbedienungen, Wandschalter und PC-Anwendungen zur Verwaltung und Steuerung eines Z-Wave-Netzwerks. Ein Z-Wave-Netzwerk kann aus bis zu 232 Geräten bestehen, mit der Fähigkeit zu auch vernetzen Brücke wenn mehr Geräte benötigt werden.[3]

Ein Gerät muss in das Z-Wave-Netzwerk „eingeschlossen“ werden, bevor es über Z-Wave gesteuert werden kann. Dieser Vorgang - bekannt als "Pairing" - wird normalerweise durch Drücken einer Reihe von Tasten auf dem Controller und dem zum Netzwerk hinzugefügten Gerät ausgeführt. Das Pairing muss nur einmal durchgeführt werden, danach wird das Gerät immer vom Controller erkannt. Geräte können durch einen ähnlichen Vorgang aus dem Z-Wave-Netzwerk entfernt werden. Der Controller lernt die Signalstärke zwischen den Geräten während des Pairings, wobei der Z-Wave-Controller erwartet, dass sich die Geräte an ihrem endgültigen Standort befinden, wenn sie dem System hinzugefügt werden. Normalerweise hat der Controller ein kleines internes Batterie-Backup, sodass es vorübergehend getrennt und zum Pairing an den Standort eines neuen Geräts gebracht werden kann. Der Controller wird dann an seinen normalen Standort zurückgebracht und wieder angeschlossen.

Jedes Z-Wave-Netzwerk wird durch eine Netzwerk-ID identifiziert und jedes Gerät wird weiter durch eine Knoten-ID identifiziert. Die Netzwerk-ID (auch Home-ID genannt) ist die gemeinsame Kennung aller Knoten, die zu einem logischen Z-Wave-Netzwerk gehören. Die Netzwerk-ID ist 4 Byte (32 Bit) lang und wird jedem Gerät beim Pairing vom primären Controller zugewiesen. 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 für batteriebetriebene Geräte optimierte Z-Wave-Chip bleibt normalerweise in einem Energiesparmodus, um weniger Strom zu verbrauchen, und wacht nur auf, um seine Funktion auszuführen.[10] Damit Z-Wave-Geräte unerwünschte Nachrichten weiterleiten können, können sie nicht in den Ruhezustand versetzt werden. Batteriebetriebene Geräte sind daher nicht als Repeater ausgelegt. Ausgenommen sind auch mobile Geräte wie Fernbedienungen, da Z-Wave davon ausgeht, dass alle Repeater-kompatiblen Geräte im Netzwerk an ihrer ursprünglich erkannten Position verbleiben.

Z-Wave basiert auf einem proprietären Design, das von Sigma Designs als Hauptchipanbieter unterstützt wird, aber der Geschäftsbereich Z-Wave wurde 2018 von Silicon Labs übernommen.[17][3]

Im Jahr 2014 wurde Mitsumi eine lizenzierte zweite Quelle für Chips der Z-Wave 500-Serie.[32] Während eine Reihe von akademischen und praktischen Sicherheitsstudien zu Hausautomationssystemen auf der Grundlage von zigbee und X10- Protokolle steckt die Forschung noch in den Kinderschuhen, um die Schichten des Z-Wave-Protokollstapels zu analysieren. Dies erfordert die Entwicklung eines Geräts, das die Z-Wave-Kommunikation abfangen und analysieren kann.[33] Eine frühe Schwachstelle wurde in AES-verschlüsselten Z-Wave-Türschlössern entdeckt. Hier ging es um Türen, die ohne korrektes Zertifikat (aus der Ferne) aufgeschlossen werden konnten. Nachfolgende Netzwerknachrichten, wie in "Tür ist offen“, wurden dann vom realen Controller des Netzwerks ignoriert. Die Schwachstelle war nicht auf einen Fehler in der Z-Wave-Protokollspezifikation zurückzuführen, sondern stellte sich als Implementierungsfehler des Türschlossherstellers heraus.[34]

Am 17. November 2016 kündigte die Z-Wave Alliance strengere Sicherheitsstandards für Geräte an, die ab dem 2. April 2017 die Z-Wave-Zertifizierung erhalten. Bekannt als Security 2 (oder S2), bietet es erweiterte Sicherheit für Smart-Home-Geräte, Gateways und Hubs.[35][36] Es stärkt die Verschlüsselungsstandards für Übertragungen zwischen Knoten und schreibt neue Kopplungsverfahren für jedes Gerät vor, mit eindeutigen PINs oder QR-Codes auf jedem Gerät. Das neue Authentifizierungsschicht soll verhindern, dass Hacker die Kontrolle über ungesicherte oder schlecht gesicherte Geräte übernehmen.[37][38] Der neue Sicherheitsstandard ist laut Z-Wave Alliance die fortschrittlichste Sicherheit auf dem Markt für Smart Home-Geräte und Controller, Gateways und Hubs.[39]

Hardware

Der Chip für Z-Wave-Knoten ist der ZW0500, der um ein Intel MCS-51-Mikrocontroller mit einem internen Systemtakt von 32 MHz. Der HF-Teil des Chips enthält a GisFSK-Transceiver für eine per Software wählbare Frequenz. Bei einer Stromversorgung von 2,2-3,6 Volt verbraucht er im Sendemodus 23 mA.[26] Zu den Funktionen gehören AES-128-Verschlüsselung, 100-kbps-WLAN-Kanal, gleichzeitiges Mehrkanalhören und USB VCP-Unterstützung.[40]

Vergleich mit anderen Protokollen

Vor dem Clever drahtlosen Heimnetzwerken konkurrieren zahlreiche Technologien um den bevorzugten Standard. W-lan verbraucht viel Strom und Bluetooth ist in Signalreichweite und Anzahl der Geräte begrenzt. Andere Netzwerkstandards, die mit Z-Wave konkurrieren, sind Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread und ZigBee. Z-Wave hat eine große Reichweite im Freien bei 90 Metern (im Freien) und 24 Metern (im Innenbereich). Insteon kann mit 17,7 Millionen theoretisch eine große Anzahl von Geräten adressieren (im Vergleich zu den 65.000 von ZigBee und den 232 von Z-Wave). Thread hat eine hohe Datenübertragungsrate von 250 kbps. Z-Wave hat eine bessere Interoperabilität als ZigBee, aber ZigBee hat eine schnellere Datenübertragungsgeschwindigkeit. Thread und Zigbee arbeiten auf der ausgelasteten Standard-WLAN-Frequenz von 2,4 GHz, während Z-Wave in den USA auf 908 MHz arbeitet, was weniger Rauschen und einen größeren Abdeckungsbereich bietet. Alle drei sind Mesh-Netzwerke.[41][42] Der Z-Wave MAC/PHY ist weltweit von der International Telecommunications Union als ITU 9959-Funk standardisiert, und die Z-Wave-Interoperabilitäts-, Sicherheits- (S2)-, Middleware- und Z-Wave-over-IP-Spezifikationen wurden alle für die Öffentlichkeit freigegeben Domain im Jahr 2016. Dies machte Z-Wave für Entwickler von Internet der Dinge.

Siehe auch

Externe Links