Z-Wave Networking Basics ZWAVE网络基础

Z-Wave Networking Basics

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Z-Wave的网络层定义了一个由最多可以容纳231个设备组成的网络，适合大多数住宅和轻型商业应用。他们定义一个网状网络拓扑（mesh network），其中线路供电（main-powered）设备被用作双向信号中继器。这个网状网络提供了一个扩展通信区域同时保持低发射功率，提高覆盖范围，冗余和容错链路，并使电池供电的设备在尽可能大的范围内进行通讯。为了获得尽可能低的延迟，Z-Wave网格使用一些发现和路由机制，如果需要的话，源节点会启动一种称为Explorer Frame的点对点按需路由机制（ad hoc on-demand routing mechanism），通过这些措施可以保证即便是在动态网络中消息也可以被传递。 Explorer Frame是新设备入网就可以被发现即插即用的关键，同时在环境条件变化而破坏网络链路时，使网络链路可以动态自愈。不像其他流行的网状网络，Z-Wave的网状网络不需要“协调器”或主设备来创建路由和直接通讯。这消除了在大多数其他流行的网状网络技术可能会出现的单点故障。

在Z-Wave协议中称呼添加和删除设备为inclusion/exclusion.

如上图所示，Z-Wave网关发出添加设备命令；被添加的设备发送NIF（Node Information Frame节点信息）给网关，通报网关自己支持的功能等信息。网关分配HomeID和NodeID给被添加设备。 NodeID在该Z-Wave网络中用来唯一识别该设备，整个Z-Wave网络有一个共同的HomeID；负责添加和删除的节点称为Primary Controller，一个ZWAVE网络只能有一个Primary Controller；在智能家居应用场景中，通常ZWAVE网关就是Primary Controller。

无线链路可能受到信号衰减，无线电波反射，干扰，湿度和其他物理现象不同程度上的影响。

如上图中，网关发出的无线电信号在天线的各个方向上传播，它可能会因为墙壁的反射而被衰减，也可能因为穿透墙壁而被衰减，也可能被工作在同一个频率上的其他设备的无线电波干扰。

天气变化，人在室内走动，或者打开冰箱的门等都可能会影响这种现象。另外一个需要注意的是，建筑材料中的金属存在，所以可能一个节点仅仅移动了很小一段距离，但是无线链路却很可能就会收到影响。

ZWAVE的每个数据帧都携带有校验和，因此接收节点可以通过此校验和来验证接收到的数据帧的完整性。如果发现校验和不对，则认为该帧是无效的，丢弃它。

接收节点通常会返回Ack消息以便确认已经接收到帧，如果发送节点没有接收到Ack，则它必须假设传输失败。然后发送节点将重传相同的消息，直到它从接收节点获得反馈。如果尝试三次传输都不成功的话，发送节点就将认为链路失效，被关掉了。

发送ACK确认消息是用来确认帧的完整性，但是它不意味着接收节点已经理解或执行该命令。

在ZWAVE协议中可能会有一些节点作为repeater，用来将消息路由到目的地，在ZWAVE协议中称为routing。

在加入网络时，Primary Controller会要求新加入的节点去发现它周边的邻居节点，借助于邻居节点信息，Primary Controller可以建立一张网络地图，并据此来知道到达某个节点的所有可能路线。当使用中继器（repeater）时，发送节点会在发送的数据帧中包括路由信息，每个中继器解析路由信息并相应地转发帧。

例如上图中，5号节点需要发送一个消息给远处的是11号节点灯泡。当需要中继时，5号节点会在数据帧中包含路由信息，告诉到达11号节点需要经过3->4->8这几个节点的中继。

如果在添加设备时候节点无法直接连上Primary Controller的话，也可以使用路由。当链路失败时，发送节点会使用网络地图信息来选择另外一个路径尝试发送数据。当所有已知的路径都失效后，发送节点最后会发送一个Explorer Frame来尝试找到新的路由。Explorer Frame会被附近的其他节点中继，并且纪录所经过的路由，直到它到达目的节点。目的节点会利用Explorer Frame中纪录的路由信息，反向路由回复Controller发出的Explorer Frame。通过这种方法，重新找到新的路由。如下图所示：

不同的节点会有具有不同的能力，在添加设备的过程中，被添加的设备会发送它的NIF。被添加设备通过NIF描述它的具有的网络能力和以及它可以完成的应用功能（例如锁）等；

一个设备可能会有包含有多个sensor或者控制其他设备的功能（例如温度计联动控制风扇等），即便是这样，这个设备也只能有一个NodeID，但是它的多个sensor或者控制器通过End Point来区分和识别。类似于互联网上的应用，一台PC有一个IP地址，但是一台电脑上可以用多个不同的应用，这些应用通过port来区分彼此。

Primary Controller可以通过设备发来的Association Group Information (AGI)信息来知道这个设备可以上报哪些事件。AGI告诉哪些事情会触发事件上报，典型的有：按键被按下，sensor数据读取，或者一个告警被触发。AGI同时也给出了sensor的类型，通过AGI信息Primary Controller可以知道这个设备包含有哪些类型的sensor。

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