Wer oder was ist Z-Wave?

Wer oder was ist Z-Wave?

5. Juni 2018 1 10 Von Bastian

Grundlage für jede drahtlose Kommunikation ist ein funktionierendes Netzwerk. Im Falle eines auf Z-Wave basierenden Smart Home Netzes stellt es die optimale Interaktion der Sensoren und Aktoren breit. Aber wer oder was ist Z-Wave und was sind die Besonderheiten? In diesem Artikel erfährst Du mehr über Netzwerk, Kommunikation und den optimalen Aufbau eines Netzwerkes.

Z-Wave Logo

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Wer oder was ist Z-Wave?

Z-Wave ist ein auf energiesparende Gerätekommunikation ausgelegter Funkstandard. Entwickelt wurde er im Jahr 2001 für eine eigene Hausautomationslösung zweier dänischer Ingenieure. Aufgegriffen und ab 2004 als OEM Lösung vertrieben durch die dänische Firma Zen-Sys.

2005 wurde die Z-Wave-Alliance gegründet. Ein Zusammenschluss von mehr als 600 Herstellern und Dienstleistern weltweit mit dem Ziel die Schlüsseltechnologie für die Verbreitung von Smart Home und Business Anwendungen zu sein. Die ersten europäischen Partner waren die Firmen Dannfoss (Dänemark) und Merten (Deutschland).

Neben vielen kleinen sind auch bekannte Firmen wie Bosch, Deutsche Telekom, Samsung, Huaweii, D-Link, Nokia, Panasonic, Somfy, Sharp, Devolo, Logitech und viele weitere Teil der starken Gemeinschaft.

Zudem ist Z-Wave mittlerweile ein offener Standard zur freien Nutzung für die Kommunikation unterschiedlichster Geräteklassen. In meinem allgemeinen Artikel zu Smart Home findest Du weitere Informationen zum Markt sowie meine Erwartung an die kommenden Entwicklungen.

Das Z-Wave Netzwerk

Aber wie funktioniert so ein Z-Wave Netzwerk eigentlich und was sind die Besonderheiten?

Die größte Herausforderung ist die Sicherstellung der Kommunikation aller Teilnehmer. Die verlässliche Übertragung von Befehlen und Daten. Im Z-Wave Netzwerk wird dies durch bidirektionale Kommunikation und den Aufbau eines sogenannten Mesh-Netzwerkes sichergestellt.

Eine Besonderheit der Z-Wave Architektur ist die bidirektionale Kommunikation. Daten und Befehle werden nicht einfach gesendet und vergessen. Es erfolgt eine Bestätigung des Empfängern. So wird sichergestellt, dass gesendete Befehle auch wirklich ihr Ziel erreichen.

Funk-Frequenzen

Z-Wave Netzwerke basieren auf Frequenzen unterhalb von 1 GHz um störende Einflüsse anderer Technologien möglichst gering zu halten. Zusätzlich gibt es je nach Region unterschiedliche Frequenzen auf denen die Kommunikation stattfindet.

In Nord-Amerika basiert werden Frequenzen aus dem ISM-Band (Industrial, Scientific und Medical) zwischen 902 und 928 MHz verwendet. In Europa, dem Nahen Osten, Afrika sowie den meisten asiatischen Ländern wird SRD-Band (Short Range Devices) mit Frequenzen zwischen 868,4 und 869,85 MHz verwendet.

Dies hängt mit rechtlichen Vorgaben, Lizenzbestimmungen und anderweitigen Belegungen der Frequenzen zusammen. So wird beispielsweise in Europa der Frequenzbereich von 890 bis 960 MHz für GSM (Global System for Mobile Communication) – spricht Mobilfunk – verwendet.

Beim Erwerb von Z-Wave Komponenten ist also immer auf den Frequenzbereich der Produkte zu achten. Weiterführende Informationen zu den Frequenzbereichen erhältst Du hier.

Die Zentrale

Das Herzstück eines Z-Wave Netzwerk ist die Zentrale. Sie ist der Ort an dem alle Fäden zusammen laufen und die eigentliche Intelligenz der Smart Home Lösung zu suchen ist. Alle Sensoren und Aktoren werden hier verschlüsselt ins Netzwerk inkludiert, erhalten ihre Steuerdaten und senden Daten.

Z-Wave Devices

Z-Wave Devices

Name und Identifikation

Jedes in ein Z-Wave Netzwerk inkludierte Gerät erhält von der Zentrale 2 eindeutige IDs zur Identifizierung. Eine 4 Byte lange Home ID zur Identifizierung des Netzwerkes und eine eindeutige 1 Byte umfassende Node ID zur Identifikation des Gerätes innerhalb des Netzwerkes. So ist es möglich, trotz Überlappung der Frequenz, mehrere Z-Wave Netzwerke parallel zu betreiben.

Mesh Netzwerk

Die Funkreichweite von Z-Wave wird auf freiem Feld mit etwa 150 m angegeben. Innerhalb geschlossener Räume reduziert sich diese Reichweite durch diverseste Einflüsse schnell auf wenige Meter.

Dies ist für ein gut geplantes Netzwerk allerdings kein Problem. Wo andere Funknetzwerke eine direkte Funkverbindung erforderlich machen, ist die Z-Wave Kommunikation nur bedingt darauf angewiesen.

Die Geräte sind Sender, Empfänger und Verstärker zugleich. Wobei das nicht ganz richtig ist. Batteriebetriebene Sensoren und Aktoren verstärken das Signal nicht. Die Haltbarkeit der Energiequelle wäre sehr überschaubar. Solche Geräte sind sozusagen passiv im Netzwerk und beschränken sich auf das Senden und Empfangen.

Mit permanenter Stromversorgung ausgestattete aktive Geräte erhöhen hingegen die Reichweite des Netzwerkes durch Signalverstärkung. Aktive Geräte sind beispielsweise an das 230V Stromnetz angeschlossene Unterputzschalter. Diese verstärken nicht nur das Signal, sondern dienen auch als sogenannte Hops und sind in der Lage Befehle an andere Komponenten weiterzuleiten.

Aus dieser Verstärkung des Netzwerkes und der Weiterleitung von Befehlen entsteht ein Mesh-Netzwerk in dem jede Komponente mit einem oder mehreren Teilnehmern verbunden ist. Durch diese Technologie wird auch der letzte Winkel eines Hauses Teil des Netzwerkes.

Vereinfacht ausgedrückt kennt jede Komponente ihre Nachbarn in Reichweite und führt sie in einer Art Liste. Diese wiederum wird an die Zentrale übermittelt und dort ein zentraler Kommunikationsplan für die Nodes erstellt.

Selbstheilung

Eine Besonderheit von Mesh-Netzwerken ist die Fähigkeit zur Selbstheilung. Ist eine Komponente auf dem im Plan hinterlegten Wege nicht erreichbar, erfolgt also keine Bestätigung gesendeter Befehle, so ist das Z-Wave Netzwerk in der Lage sich selbst zu heilen. Entweder gibt es im Plan bereits alternative Wege oder es werden alle erreichbaren Komponenten mittels Broadcast dazu aufgefordert ihre Listen zu akualisieren.

Chip Generationen

GEN3 GEN5 Z-Wave

GEN3 GEN5 Z-Wave

Auf dem Markt finden sich unterschiedliche Chip Versionen. Dort ist von Series 300 und 500 die Rede, aber auch Z-Wave Plus und GEN5 (Generation 5) ist vielerorts zu lesen. Diese spiegelt die unterschiedlichen Generationen der Chips wieder. Wie überall bietet die neue 500er Serie paar Neuerungen. So ist der neue Chip (Over-the-air) aktualisierbar, verfügt über 67% mehr Kommunikationsbandbreite, bis zu 250% schnellere Kommunikation, 400% mehr eigenen Speicher und verbraucht 50% weniger Strom bei der Kommunikation.

Klingt auf den ersten Blick sehr vielversprechend. Ich konnte jedoch im alltäglichen Einsatz – abgesehen vom OTA Update – keine nennenswert bessere Performance von GEN5 Geräten feststellen.

Hast Du noch Ergänzungen?

Ich hoffe der Artikel gefällt und hilft an der ein oder anderen Stelle das Verständnis für Z-Wave etwas zu vertiefen. Sind vielleicht sogar Fragen offen geblieben oder hast Du anderweitig Ergänzungen? Dann schreibe gern in die Kommentare oder das Fibaro Forum was fehlt oder welche Fragen ich zu Z-Wave noch beantworten kann.

Der Autor

Moin, ich heiße Bastian und bin Autor dieser kleinen bescheidenen Seite. Zwanghaft, ja fast schon neurotisch beschäftige ich mich seit Jahren mit jedem erdenklichen technischen Schnick-Schnack. Nichts, was einen Stecker hat ist vor mir sicher. So war es klar, dass ich eines Tages das Haus auf den Kopf stellen und alles vernetzen würde.

Da ich bei meinem Vorhaben sehr viel Hilfe und Unterstützung in diversen Foren, Blogs und Boards erfahren habe, möchte ich diesen Blog zum sammeln meiner Smarthome- und Technikerrungenschaften nutzen um der Community zumindest ein klein wenig was zurückgeben zu können.

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