Z-Welle - Z-Wave

Z-Welle
Z-Wave-logo.svg
Internationaler Standard 800-900 MHz Funkfrequenzbereich
Entwickelt von Zensys
Eingeführt 1999 ( 1999 )
Industrie Heimautomatisierung
Physikalische Reichweite 100 Meter
Webseite https://www.z-wave.com

Z-Wave ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das hauptsächlich für die Heimautomatisierung verwendet wird . Es ist ein Mesh-Netzwerk , das energiearme Funkwellen verwendet, um von Gerät zu Gerät zu kommunizieren und die drahtlose Steuerung von Haushaltsgeräten und anderen Geräten wie Beleuchtungssteuerung, Sicherheitssystemen, Thermostaten, Fenstern, Schlössern, Schwimmbädern und Garagentoröffnern ermöglicht . Wie andere Protokolle und Systeme für den Heim- und Büroautomatisierungsmarkt kann ein Z-Wave-System über das Internet von einem Smartphone, Tablet oder Computer und lokal über einen intelligenten Lautsprecher, einen drahtlosen Schlüsselanhänger oder ein wandmontiertes Bedienfeld gesteuert werden mit einem Z-Wave-Gateway oder einem zentralen Steuergerät, das sowohl als Hub-Controller als auch als Portal nach außen dient. Z-Wave bietet die Interoperabilität der Anwendungsschicht zwischen Haussteuerungssystemen verschiedener Hersteller, die Teil seiner Allianz sind. Es gibt eine wachsende Zahl interoperabler Z-Wave-Produkte; über 1.700 im Jahr 2017 und über 2.600 im Jahr 2019.

Geschichte

Das Z-Wave-Protokoll wurde 1999 von Zensys, einem dänischen Unternehmen mit Sitz in Kopenhagen , entwickelt. In diesem Jahr führte Zensys ein Verbraucher-Lichtsteuerungssystem ein, das sich zu Z-Wave als proprietäres System-on-a-Chip- (SoC) -Heimautomation entwickelte Protokoll auf einem unlizenzierten Frequenzband im 900-MHz-Bereich. Der Chipsatz der 100er-Serie wurde 2003 und die 200er-Serie im Mai 2005 veröffentlicht, wobei der ZW0201-Chip eine hohe Leistung zu geringen Kosten bietet. Sein Chip der 500er Serie, auch bekannt als Z-Wave Plus, wurde im März 2013 mit viermal mehr Speicher, verbesserter Funkreichweite und verbesserter Akkulaufzeit veröffentlicht. Die Technologie begann sich in Nordamerika um 2005 durchzusetzen , als fünf Unternehmen, darunter Danfoss , Ingersoll-Rand und Leviton Manufacturing , Z-Wave einführten. Sie bildeten die Z-Wave Alliance, deren Ziel es ist, 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 Systems , Palamon Capital Partners und Sunstone Capital.

Z-Wave wurde im Dezember 2008 von Sigma Designs übernommen. Nach der Übernahme wurde der US-Hauptsitz von Z-Wave in Fremont, Kalifornien , mit dem Hauptsitz von Sigma in Milpitas, Kalifornien, zusammengelegt . Im Rahmen der Änderungen wurden die Markenanteile an Z-Wave in den USA von Sigma Designs behalten und von einer Tochtergesellschaft der Aeotec Group in Europa erworben. Am 23. Januar 2018 kündigte Sigma an, die Z-Wave-Technologie und das Geschäftsvermögen für 240 Millionen US-Dollar an Silicon Labs zu verkaufen , und der Verkauf wurde am 18. April 2018 abgeschlossen.

Im Jahr 2005 waren sechs Produkte auf dem Markt, die die Z-Wave-Technologie nutzten. Im Jahr 2012, als die Smart-Home- Technologie immer beliebter wurde, waren in den USA etwa 600 Produkte mit Z-Wave-Technologie erhältlich. Ab Januar 2019 gibt es über 2.600 Z-Wave-zertifizierte interoperable Produkte.

Interoperabilität

Die Interoperabilität von Z-Wave auf Anwendungsebene stellt sicher, dass Geräte Informationen austauschen können und ermöglicht die Zusammenarbeit aller Z-Wave-Hardware und -Software. Seine drahtlose Mesh-Netzwerktechnologie ermöglicht es jedem Knoten, direkt oder indirekt mit benachbarten Knoten zu kommunizieren und alle zusätzlichen Knoten zu steuern. Knoten, die sich in Reichweite befinden, kommunizieren direkt miteinander. Wenn sie sich nicht in Reichweite befinden, können sie sich mit einem anderen Knoten verbinden, der sich in Reichweite befindet, um auf Informationen zuzugreifen und diese auszutauschen. Im September 2016 wurden bestimmte Teile der Z-Wave-Technologie öffentlich zugänglich gemacht, als der damalige Besitzer Sigma Designs eine öffentliche Version der Interoperabilitätsschicht von Z-Wave veröffentlichte, wobei die Software der Open-Source-Bibliothek von Z-Wave hinzugefügt wurde. 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.

Standards und die Z-Wave Alliance

Die Z-Wave Alliance wurde 2005 als Konsortium von Unternehmen gegründet, die vernetzte Geräte herstellen, 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.

Im Oktober 2013 wurde ein neues Protokoll- und Interoperabilitäts-Zertifizierungsprogramm namens Z-Wave Plus angekündigt, das auf neuen Funktionen und höheren Interoperabilitätsstandards basiert, die zusammen gebündelt und für das System-on-a-Chip (SoC) der Serie 500 erforderlich sind und einige Funktionen enthalten, die zuvor seit 2012 für die SoCs der 300/400er Serie verfügbar. Im Februar 2014 wurde das erste Produkt von Z-Wave Plus zertifiziert. Ziel der Allianz ist es, für das Smart Home ein sicheres Mesh-Netzwerk zu schaffen, das plattformübergreifend funktioniert.

Z-Wave wurde entwickelt, um in der aus über 700 Mitgliedern bestehenden Z-Wave Alliance eine zuverlässige Kommunikation und einen zuverlässigen Betrieb zwischen Geräten und sensorfähigen Objekten verschiedener Hersteller zu erreichen. Hauptmitglieder der Allianz sind ADT Corporation , Assa Abloy , Jasco, Leedarson, LG Uplus , Nortek Security & Control, Ring , Silicon Labs , SmartThings , Trane Technologies und Vivint .

Im Jahr 2016 startete die Alliance ein Z-Wave Certified Installer Training-Programm, um Installateuren, Integratoren und Händlern die Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, um Z-Wave-Netzwerke und -Geräte in ihren privaten und gewerblichen Berufen einzusetzen. In diesem Jahr kündigte die Alliance das Z-Wave Certified Installer Toolkit (Z-CIT) an, ein Diagnose- und Fehlerbehebungsgerät, das während der Netzwerk- und Geräteeinrichtung verwendet werden kann und auch als Ferndiagnosetool fungieren kann.

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

Technische Eigenschaften

Funkfrequenzen

Z-Wave wurde entwickelt, um eine zuverlässige, latenzarme Übertragung kleiner Datenpakete mit Datenraten von bis zu 100 kbit/s zu ermöglichen. Der Durchsatz beträgt 40kbit/s (9,6kbit/s bei alten Chips) und eignet sich für Steuerungs- und Sensoranwendungen, im Gegensatz zu Wi-Fi und anderen IEEE 802.11- basierten Wireless-LAN- Systemen, die primär auf hohe Datenraten ausgelegt sind. Die Kommunikationsentfernung zwischen zwei Knoten beträgt etwa 30 Meter (40 Meter mit Chip der Serie 500) und mit der Fähigkeit, bis zu viermal zwischen den Knoten zu springen, bietet es eine ausreichende Abdeckung für die meisten Wohnhäuser. Modulation ist Frequency-Shift Keying (FSK) mit Manchester-Codierung .

Z-Wave verwendet das nicht lizenzierte Band 15 für Industrie, Wissenschaft und Medizin ( ISM ). Es arbeitet mit 868,42 MHz in Europa, mit 908.42 MHz in Nordamerika und nutzt andere Frequenzen in anderen Ländern, je nach deren Vorschriften. Dieses Band konkurriert mit einigen schnurlosen Telefonen und anderen Geräten der Unterhaltungselektronik, vermeidet jedoch Interferenzen mit Wi-Fi , Bluetooth und anderen Systemen, die auf dem überfüllten 2,4-GHz- Band arbeiten. Die unteren Schichten, MAC und PHY, werden von ITU-T G.9959 beschrieben und sind vollständig abwärtskompatibel. Im Jahr 2012 hat die International Telecommunication Union (ITU) die Z-Wave-PHY- und MAC-Schichten als Option in ihren 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. Die Z-Wave-Transceiver-Chips werden von Silicon Labs geliefert .

Tabelle der verwendeten Frequenzen in verschiedenen Teilen der Welt:

Frequenz in MHz Benutzt in
865.2 Indien
869 Russland
868.4 China, Singapur, Südafrika
868,40, 868,42, 869,85 CEPT- Länder (Europa und andere Länder in der Region), Französisch-Guayana
908.40, 908.42, 916 USA, Kanada, Argentinien, Guatemala, Bahamas, Jamaika, Barbados, Mexiko, Bermuda, Nicaragua, Bolivien, Panama,

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

916 Israel
919.8 Hongkong
919.8, 921.4 Australien, Neuseeland, Malaysia, Brasilien, Chile, El Salvador, Peru
919–923 Südkorea
920–923 Thailand
920–925 Taiwan
922–926 Japan

Netzwerkeinrichtung, Topologie und Routing

Z-Wave verwendet eine quellgeroutete Mesh-Netzwerkarchitektur . Mesh-Netzwerke werden auch als drahtlose Ad-hoc-Netzwerke bezeichnet . In solchen Netzwerken verwenden Geräte den drahtlosen Kanal, um Steuernachrichten zu senden, die dann wellenartig 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).

Geräte können miteinander kommunizieren, indem sie Zwischenknoten verwenden, um Hindernisse im Haushalt oder Funklöcher, die in der Mehrwegeumgebung eines Hauses auftreten können, aktiv zu umgehen und zu umgehen . Eine Nachricht von Knoten A an Knoten C kann erfolgreich zugestellt werden, auch wenn sich die beiden Knoten nicht in Reichweite befinden, 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 sich ein Z-Wave-Netzwerk viel weiter erstrecken als die Funkreichweite einer einzelnen Einheit; bei mehreren dieser Sprünge kann jedoch eine leichte Verzögerung zwischen dem Steuerbefehl und dem gewünschten Ergebnis auftreten.

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 entwickelt wurden. Ein Z-Wave-Netzwerk kann aus bis zu 232 Geräten bestehen, mit der Möglichkeit, Netzwerke zu überbrücken , wenn mehr Geräte benötigt werden.

Ein Gerät muss in das Z-Wave-Netzwerk „eingeschlossen“ werden, bevor es über Z-Wave gesteuert werden kann. Dieser Vorgang (auch als „Pairing“ und „Hinzufügen“ bezeichnet) wird normalerweise durch Drücken einer Tastenfolge auf dem Controller und dem Gerät, das zum Netzwerk hinzugefügt wird, erreicht. Dieser Ablauf muss nur einmal durchgeführt 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 die Signalstärke zwischen den Geräten während des Aufnahmeprozesses, daher erwartet die Architektur, dass sich die Geräte an ihrem vorgesehenen endgültigen Standort befinden, bevor sie dem System hinzugefügt werden. Normalerweise verfügt der Controller über eine kleine interne Batteriesicherung , sodass er vorübergehend vom Netz getrennt und zum Koppeln an den Standort eines neuen Geräts mitgenommen 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 Node-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 hat eine Länge von 4 Byte (32 Bit) und wird jedem Gerät vom primären Controller zugewiesen, wenn das Gerät in das Netzwerk "eingeschlossen" wird. Knoten mit unterschiedlichen Netzwerk-IDs können nicht miteinander kommunizieren. Die Node-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.

Der Z-Wave-Chip ist für batteriebetriebene Geräte optimiert und bleibt die meiste Zeit im Energiesparmodus, um weniger Energie zu verbrauchen, und wacht nur auf, um seine Funktion auszuführen. Mit Z-Wave-Mesh-Netzwerken sendet jedes Gerät im Haus drahtlose Signale im ganzen Haus, was zu einem geringen Stromverbrauch führt, sodass Geräte jahrelang arbeiten können, ohne dass die Batterien ausgetauscht werden müssen. Damit Z-Wave-Geräte unerwünschte Nachrichten weiterleiten können, dürfen sie sich nicht im Ruhemodus befinden. Daher sind batteriebetriebene Geräte nicht als Repeater konzipiert. Ausgenommen sind auch mobile Geräte wie Fernbedienungen, da Z-Wave davon ausgeht, dass alle Repeater-fähigen Geräte im Netzwerk an ihrer ursprünglich erkannten Position verbleiben.

Sicherheit

Z-Wave basiert auf einem proprietären Design, das von Sigma Designs als primärem Chipanbieter unterstützt wird, aber die Geschäftseinheit Z-Wave wurde 2018 von Silicon Labs übernommen. 2014 wurde Mitsumi eine lizenzierte zweite Quelle für die Z-Wave 500-Serie Chips. Obwohl es eine Reihe von akademischen und praktischen Sicherheitsforschungen zu Heimautomatisierungssystemen auf der Grundlage von Zigbee- und X10- Protokollen gab, steckt die Forschung zur Analyse der Z-Wave-Protokollstapelschichten noch in den Kinderschuhen, was das Design eines Funkpaketerfassungsgeräts und verwandter Elemente erfordert Software zum Abfangen der Z-Wave-Kommunikation. In AES-verschlüsselten Z-Wave-Türschlössern wurde eine frühe Schwachstelle entdeckt, die aus der Ferne zum Entriegeln von Türen ohne Kenntnis der Verschlüsselungsschlüssel ausgenutzt werden konnte und aufgrund der geänderten Schlüssel nachfolgende Netzwerkmeldungen wie bei "Tür ist offen" hätte vom etablierten Controller des Netzwerks ignoriert werden. Die Schwachstelle war nicht auf einen Fehler in der Z-Wave-Protokollspezifikation zurückzuführen, sondern auf einen Implementierungsfehler des Türschlossherstellers.

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. Die als Security 2 (oder S2) bekannte Lösung bietet erweiterte Sicherheit für Smart-Home-Geräte, Gateways und Hubs . Es unterstützt Verschlüsselungsstandards für Übertragungen zwischen Knoten und schreibt für jedes Gerät neue Kopplungsverfahren mit eindeutigen PIN- oder QR-Codes auf jedem Gerät vor. Die neue Authentifizierungsebene soll verhindern, dass Hacker die Kontrolle über ungesicherte oder schlecht gesicherte Geräte übernehmen. Der neue Sicherheitsstandard ist laut Z-Wave Alliance die fortschrittlichste auf dem Markt verfügbare Sicherheit für Smart Home-Geräte und Controller, Gateways und Hubs. Aufgrund der Abwärtskompatibilität sind S2-Geräte während des Pairing-Vorgangs jedoch weiterhin anfällig.

Hardware

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

Vergleich mit anderen Protokollen

Für die drahtlose Vernetzung von Smart Home konkurrieren zahlreiche Technologien um den Standard der Wahl. Wi-Fi 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 lange Betriebsreichweite im Freien bei 90 Metern (im Freien) und 24+ Metern (im Innenbereich). Insteon kann theoretisch eine große Anzahl von Geräten mit 16,7 Millionen ansprechen (im Vergleich zu den 65.000 von ZigBee und den 232 von Z-Wave). Thread hat eine schnelle Datenübertragungsrate von 250 kbps. Z-Wave hat eine bessere Interoperabilität als ZigBee, aber ZigBee hat eine schnellere Datenübertragungsrate. Thread und Zigbee arbeiten auf der stark frequentierten WLAN-Standardfrequenz von 2,4 GHz, während Z-Wave in den USA mit 908 MHz arbeitet, was das Rauschen reduziert und einen größeren Abdeckungsbereich bietet. Alle drei sind Mesh-Netzwerke. Der Z-Wave MAC/PHY ist weltweit von der International Telecommunications Union als ITU 9959-Funk standardisiert, und die Z-Wave Interoperability, Security (S2), Middleware und Z-Wave over IP-Spezifikationen wurden alle im Jahr 2016 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Z-Wave für Entwickler des Internets der Dinge leicht zugänglich zu machen .

Siehe auch

Verweise

Externe Links