Z-Wave

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Z-Wave ist ein drahtloser Kommunikationsstandard, der von der Firma Sigma Designs und der Z-Wave Alliance für die Heimautomation entwickelt wurde. Die Funkkommunikation ist auf geringen Energieverbrauch und hohe Kommunikationssicherheit optimiert. Durch eine umfassende Spezifikation aller Kommunikationsaspekte und eine Zertifizierung der Produkte wird eine Interoperabilität aller mittels Z-Wave kommunizierenden Geräte erreicht.

Historie[Bearbeiten]

Z-Wave wurde im Jahre 2001 von zwei dänischen Ingenieuren entwickelt, die eine eigene Hausautomationslösung auf den Markt bringen wollten. Die Funktechnik wurde von der Firma Zen-Sys mit Sitz in Kopenhagen/Dänemark als OEM-Zulieferer an andere Unternehmen verkauft. Diese OEMs nutzen dabei die Hardware sowie eine Entwicklungsumgebung mit gemeinsamen Bibliotheken und Referenzdesigns. 2004 kamen die ersten Produkte auf den Markt. 2005 wurde die Z-Wave-Allianz gegründet. Der erste europäische Hersteller von Z-Wave Geräten war das dänische Unternehmen Danfoss im Jahr 2007, der erste deutsche Hersteller das Elektro-Unternehmen Merten GmbH (jetzt Teil von Schneider_Electric) im Jahre 2008. Im Jahre 2009 übernahm Sigma Designs das Unternehmen Zen-Sys.

Mit mehr als 1000 solcher zertifizierter Produkte [1] ist Z-Wave die weltweit größte Systemplattform interoperabler funkbasierter Produkte. Die hardwarenahen Protokollschichten (MAC und PHY) sind seit 2012 von der ITU-T als Standard G.9959 [2] definiert.

Implementierung[Bearbeiten]

Die verschiedenen Hersteller spezifizieren und entwickeln ihre Produkte auf Basis eines Z-Wave System-on-a-Chip ASICs (SOC). Dieser wird von der Firma Sigma Designs und als Lizenznehmer ebenfalls von der Firma Mitsumi [3]angeboten. Der SOC enthält den Funk-Transceiver nach ITU-T G.9959, einen 8051 kompatiblen Mikro-Controller sowie eine Vielzahl von Peripherie-Schnittstellen. Die meisten Z-Wave Geräte implementieren ihre gesamte Funktion in diesen SOC. Es existieren jedoch auch Geräte, die einen zweiten Prozessor zur Steuerung der Gerätefunktionen einsetzen. Die Steuersoftware auf dem SOC besteht aus einer von jedem kompatiblen Z-Wave-Gerät zu nutzenden Softwarebibliothek zur Kommunikation sowie der eigentlichen gerätespezifischen Anwendung.

Z-Wave Allianz[Bearbeiten]

Die Z-Wave Allianz ist eine Vereinigung von über 300 unabhängigen Herstellern, die Produkte für drahtlose Heimautomation mittels Z-Wave herstellen bzw. entwickeln. Die Allianz hat Ihren Sitz in Milpitas/Kalifornien. Hauptmitglieder (sogenannte „Principal Members“) sind Fakro, Linear Technologies, Ingersoll-Rand, Jasco Products Company, Evolve und Sigma Designs. Daneben existiert eine normale und einer sogenannte Affiliate-Mitgliedschaft. Die Allianz organisiert gemeine Marketing- und Messeauftritte seiner Mitglieder, führt Entwicklungs- und Anwendungs-Training durch und entwickelt über interne Arbeitsgruppen den Z-Wave-Standard weiter.

PHY- und MAC-Schicht[Bearbeiten]

Z-Wave nutzt Funkfrequenzen zwischen 850 und 950 MHz. Diese liegen entweder im ISM-Band (Industry Science Medicine) oder im Short_Range_Devices (SRD)- Frequenzband. Gegenüber den alternativ von Funktechniken benutzten 2,4 GB/s Frequenzband bieten diese Frequenzen eine deutlich bessere Durchdringung durch Wände und weniger Verluste durch Reflexionen. Nachteilig ist, dass es keine einzelne weltweit verfügbare Funkfrequenz in diesen Frequenzbändern gibt. Alle europäischen Länder sowie ein großer Teil der asiatischen Länder verwenden die von der Organisation CEPT freigegebene Frequenz des SRD-Bandes von 868,4 MHz bzw. 869 MHz. Alternative Frequenzen in Nordamerika liegen im ISM-Band bei 908 MHz oder in Südamerika bei 921 MHz.

Z-Wave nutzt eine Frequenzumtastung (FSK) mit 20 kHz Frequenzabstand. Es werden Datenraten von 100 kB/s, 40 kB/s und 9,6 kB/s auf verschiedenen Frequenzen verwendet, die dynamisch entsprechend der vorhandenen Funksituation umgeschaltet werden.

Die Funkleistung von Z-Wave ist auf wenige mW begrenzt, obwohl das SRD Band mit 25 mW eine deutlich höhere Sendeleistung erlauben würde. Als Resultat wird eine Funkreichweite von ca. 150 m im Freifeld erreicht. Eine Funkreichweite von 40 m in geschlossenen Gebäuden ist eine Mindestanforderung an Z-Wave-Geräte.

Netzwerk-Funktionen[Bearbeiten]

Die Adressierung der Z-Wave-Geräte erfolgt anhand einer gemeinsamen 4 Byte langen Home ID sowie einer nur innerhalb des Netzes gültigen 1 Byte langen Node ID. Damit können mehrere Funk-Netze parallel in einem Haus betrieben werden. Der Prozess der Zuweisung einer gemeinsamen Home ID und einer individuellen Node ID an ein neues Gerät heißt bei Z-Wave Inclusion und wird vom das Netz organisierenden Primärcontroller aus gesteuert. Als Primärcontroller kann in kleinen Netzen eine mobile Fernbedienung genutzt werden. In größeren Netzen wird meist eine Zentralsteuerung mit IP-Zugang zur Konfiguration und Steuerung des Hauses eingesetzt. Es können insgesamt 232 einzelne Geräte in einem Netz adressiert werden. Über Bridges können unterschiedliche Z-Wave-Netze miteinander verbunden werden.

Z-Wave nutzt eine Zweiwege-Kommunikation mit Rückbestätigung. Nur erfolgreich bestätigte Datagramme gelten als erfolgreich versendet. Bei Kommunikationsfehlern wird der Sendevorgang bis zu dreimal wiederholt. Z-Wave implementiert als Netzwerktopologieeine Funkvermaschung, bei der jedes netzbetriebene Gerät Datagramme anderer Geräte im eigenen Netz weiterleiten kann. Das damit entstehende vermaschte Netz wird ebenfalls vom Primärcontroller gesteuert und die Routen bei Veränderungen des Netzes aktualisiert. Routen können sich über bis zu 4 Zwischen-Hops erstrecken.

Alle netzbetriebenen Geräte sind ständig funkaktiv und können daher als Router dienen. Batteriebetriebene Sensoren und Aktoren sind meist inaktiv und wachen periodisch auf, um Kommandos entgegenzunehmen und auszusenden.

Anwendungsebene[Bearbeiten]

Eine Besonderheit von Z-Wave ist die Vereinheitlichung der Anwenderebene, um die Interoperabilität von Geräten unterschiedlicher Hersteller zu gewährleisten. Z-Wave-Geräte werden in verschiedene Geräteklassen eingeteilt, die wiederum bestimmte Pflichtkommandos und Pflichtfunktionen implementieren müssen. Jeder Hersteller kann eigene zusätzliche Funktionen und Kommandos hinzufügen; muss diese aber entsprechend der Z-Wave-Spezifikation implementieren. Die Zertifizierung der Z-Wave-Geräte prüft, ob die Pflichtfunktionen der gewählten Geräteklasse korrekt und vollständig implementiert wurden und auch alle anderen angebotenen Funktionen der Spezifikation entsprechen. Jedes Gerät kann Funktionen in bis zu 128 Funktionskanälen anbieten, um identische Funktionen (wie zum Beispiel mehrere Schaltrelais in einem Gerät) korrekt abbilden zu können.

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

Haupt-Einsatzgebiet ist die Heimautomation privater Häuser und Wohnungen, also die drahtlose Steuerung von Heizung, Lüftung, Beleuchtung, Alarm- und Klimaanlagen. Darüber hinaus ist auch eine drahtlose Steuerung von Audio- und Videogeräten und Energiezählern möglich. Wegen der niedrigen Bandbreite ist Z-Wave nicht für die Übertragung von Audio- oder Videodaten geeignet. Jedoch ermöglicht die sichere Übertragung der Daten einen Einsatz in Zutritts- und Sicherheitssystemen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Press Release Z-Wave Alliance. Z-Wave Alliance. 2. Januar 2014. Abgerufen am 2. Januar 2014.
  2. Press Release Sigma Designs. Marketwatch. 12. Januar 2012. Abgerufen am 20. April 2012.
  3. Press Release Sigma Designs. Marketwatch. 23. Mai 2011. Abgerufen am 20. April 2014.