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Technik

Z-Wave

Das Z-Wave-Protokoll ist eine praktische, drahtlose, radiofrequenzbasierte Kommunikationstechnologie. Es lässt sich in Wohn- und Geschäftsumgebungen installieren und macht es möglich, verschiedene elektronische Geräte miteinander zu verbinden. So können Sicherheitsstandards erhöht, Energie gespart oder auch ein größerer Arbeitskomfort ermöglicht werden. Mit weltweit über 100 Millionen verkauften Produkten ist Z-Wave mit großem Abstand der Weltmarktführer im Bereich der drahtlosen Steuerung.

Was ist Z-Wave?

Z-Wave, vereinzelt auch Z Wave oder Zwave genannt, ist ein Protokoll für die Kommunikation zwischen Geräten zur Automatisierung von Prozessen in Smart Homes. Es konfiguriert ein Netzwerk, das Niedrigenergie-Funkwellen verwendet, um eine Kommunikations- Verbindung zwischen Geräten herzustellen. Das Protokoll ermöglicht die drahtlose Steuerung von Haushaltsgeräten sowie anderen technischen Geräten, beispielsweise von Lichtsteuerung, Thermostaten, Schlössern, Schwimmbädern, Garagentoröffnern und Sicherheitssystemen. Z-Wave wurde von Zensys Inc., einem jungen Unternehmen mit Sitz in Dänemark, entwickelt. Die Technologie kam 2004 auf den Markt. Z-Wave ist darauf ausgerichtet, einfachere und kostengünstigere Geräte als ZigBee, sein größter Konkurrent im Bereich der Kommunikationsstandards, anzubieten. Seit 2009 verwendet der Smart Home-Anbieter Sigma vermehrt Designs von Z-Wave.

Wie funktioniert die Technologie?

Z-Wave arbeitet in Europa mit einer Frequenz von 868,42 MHz unter Verwendung einer Mesh-Netzwerktopologie, also eines dezentralen Netzwerksystems. Ein Netzwerk kann bis zu 232 Knotenpunkte enthalten, welche die Funktion haben, einzelne Netzwerke zu einem größeren zu verbinden. Es arbeitet also mit einer großen Anzahl kooperierender Profile. Z-Wave nutzt die GFSK-Modulation, welche den Anteil der Oberwellen bei der Signalübertragung reduziert, und die Manchester-Kodierung, eine Form der Phasenmodulation bei der Taktung. Um ein Netzwerk einzurichten und zu verwalten, wird ein zentrales Netzwerkcontroller-Gerät benötigt. Damit es von Z-Wave gesteuert werden kann, muss ein Gerät in das Netzwerk „eingeschlossen“ sein.

Jedes Z-Wave-Netzwerk kann durch eine Netzwerk-ID identifiziert werden. Die Netzwerk-ID bildet die gemeinsame Identifikation aller Knoten, die zu einem Z-Wave-Netzwerk gehören. Sie hat eine Länge von 4 Bytes und wird jedem Gerät vom primären Controller zugewiesen, wenn dieses dem Netzwerk hinzugefügt wird. Knoten mit unterschiedlichen Netzwerk-IDs können nicht miteinander kommunizieren. Jedes Gerät wird weiterhin durch eine Knoten-ID identifiziert. Die sogenannte Node ID ist die Adresse des im Netzwerk vorhandenen Geräts beziehungsweise Knotens. Sie hat eine Länge von 1 Byte.

Z-Wave verwendet ein Source Routing-System, in welchem sich zu jeder Zeit alle Dateipfade vollständig nachvollziehen lassen, und hat einen primären Controller, also einen zentralen Server zur Authentifizierung. Sekundäre Controller können bei Bedarf integriert werden, sind aber optional. Geräte können miteinander kommunizieren, indem sie Zwischenknoten verwenden, um die Dateipfade festzulegen. Sie weichen hierbei radioaktiven, toten Flecken aus, die durch einen sogenannten Selbstheilungsprozess entstehen können. Verzögerungen werden während des Heilungsprozesses vom System beobachtet. Eine Nachricht von Knoten A an Knoten C kann also erfolgreich übertragen werden, selbst wenn die zwei Knoten nicht in gegenseitiger Reichweite sind. Voraussetzung hierfür ist, dass ein dritter Knoten B sowohl mit Knoten A als auch mit Knoten C kommunizieren kann. Wenn die bevorzugte Route nicht verfügbar ist, wird das Gerät, von dem die Nachricht stammt, andere Routen ausprobieren, bis ein Pfad zum Knoten C gefunden wird.

Aufgrund dieser Funktionsweise kann sich ein Z-Wave-Netzwerk viel weiter erstrecken als die Funkreichweite einer einzelnen Einheit. Damit Z-Wave-Einheiten Nachrichten weiterleiten können, dürfen sie sich zu keinem Zeitpunkt im Schlafmodus befinden. Daher sind batteriebetriebene Geräte generell nicht als Repeater in den Kommunikationsprozessen geeignet. Ein einzelnes Netzwerk kann aus bis zu 232 Geräten zusammengesetzt sein, es besteht jedoch zudem die Möglichkeit, Netzwerke zu überbrücken und so miteinander zu verbinden, wenn mehr Geräte benötigt werden.

Wofür wird Z-Wave eingesetzt?

Durch die Nutzung von Z-Wave können Haushaltsprodukte, wie Leuchten, Türschlösser und Thermostate, intelligent gesteuert werden. Das System verleiht ihnen die Fähigkeit, miteinander zu kommunizieren und die vom Benutzer gewünschten Funktionen auszuführen. Es arbeitet dabei drahtlos und sicher. Die Funktionen der vernetzten Geräte können überall auf der Welt ganz einfach per Smartphone, Tablet oder Computer aus der Ferne eingesehen und gesteuert werden. Die Z-Wave-Technologie empfängt einen Befehl vom Smartphone des Benutzers und leitet den Befehl an das Zielgerät weiter.

So kann mittels Z-Wave zum Beispiel ein Garagentor geschlossen werden. Der Benutzer kann den Befehl per App auf dem Smartphone auswählen und initiieren. Es spielt keine Rolle, wo sich der Benutzer zu diesem Zeitpunkt befindet, solange dort Zugriff auf das Internet besteht. Das Smartphone sendet den Befehl zum Schließen über das Netzwerk an das smarte Garagentor des Eigentümers. Sobald es geschlossen wurde, wird eine Benachrichtigung darüber, dass der Befehl ausgeführt wurde, an das Smartphone gesendet. Um im System verwendet werden zu können, müssen Geräte über eine integrierte 2-Wege-Kommunikation ohne Unterbrechung durch das WLAN-Netzwerk im Haus verfügen. Nur so ist es möglich, sie in das Netzwerk einzugliedern.

Vorteile von Z-Wave

Das System bietet viele Vorteile, wie zum Beispiel seine Interoperabilität. Wenn ein Produkt Z-Wave-zertifiziert ist, kann es mit jedem anderen Home Automation-Produkt von Z-Wave vernetzt werden. Dies ist unabhängig vom Herstellungsjahr, dem Markennamen und der Z-Wave-Version möglich. Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass keine Interferenz mit anderen Systemen vorkommen kann. Das Z-Wave-Protokoll läuft auf einem anderen Frequenzband als alle anderen Home Automation-Protokolle. ZigBee, WLAN und Bluetooth beispielsweise laufen alle auf demselben Frequenzband, während das WLAN-Netzwerk des Nutzers von Z-Wave nicht gestört wird. Dies ermöglicht eine schnellere Kommunikation mit dem Netzwerk und die Vermeidung von Verzögerungen.

Ebenso vorteilhaft ist die Mesh-Struktur des Netzwerks. Ein Mesh-Netzwerk oder auch Meshnet verbindet die Infrastrukturknoten in lokalen Netzwerken direkt, dynamisch und nicht-hierarchisch mit so vielen anderen Knoten wie möglich. Hierdurch können alle Geräte zusammenarbeiten, um Daten effizient von und zu Clients zu leiten. Diese Nicht- Abhängigkeit von einem einzelnen Knoten ermöglicht es jedem Knotenpunkt, an der Weiterleitung von Informationen teilzunehmen. Mesh-Netzwerke organisieren und konfigurieren sich eigenständig, was den Installationsprozess einfach macht. Je mehr Z-Wave Home Automation-Produkte der Benutzer im Haus hat, desto stärker wird das Z-Wave-Signal und desto weiter kann es verteilt werden. Bestimmte Z-Wave-Geräte können als Signalverstärker fungieren, die das Signal von einem Gerät zum anderen sowie zum Hub verstärken.

Die Z-Wave-Technologie nutzt dabei die Low-Power-RF-Kommunikationstechnologie, die vollständige Mesh-Netzwerke unterstützt, in denen kein Koordinatorknoten erforderlich ist. Die Kommunikation zwischen den Geräten erfolgt so bei minimalem Energieverbrauch, was sich vorteilhaft auf die Stromrechnung auswirkt. Praktisch ist außerdem, dass bei der Automation keinerlei potenziell störende Kabel erforderlich sind. Die Technologie ist zudem sehr sicher: Das System unterstützt AES-128, einer Technologie, die von der US-Regierung zum Schutz von Verschlusssachen verwendet wird. Dieses Verschlüsselungssystem zu decodieren gestaltet sich als recht schwierig. Außerdem ist die Installation des Systems einfach und sein Erwerb vergleichsweise günstig, was Z-Wave besonders von anderen Produkten am Markt abhebt.

Nachteile von Z-Wave

Die Technologie birgt jedoch nicht nur Vor- sondern auch einige Nachteile. Zum Beispiel ist die Abdeckung begrenzt und es erfordert daher viele Z-Wave-Geräte, um eine große Reichweite aufzubauen. So erhöhen sich die Gesamtkosten, wenn zur Erweiterung des Signals mehr Geräte oder Router verwendet werden müssen. Außerdem unterstützt Z-Wave nur eine vergleichsweise kleine Knotenanzahl von 232, die weit unter der Zahl liegt, welche sein größter Konkurrenzanbieter unterstützt. Darüber hinaus ist im Z-Wave-System eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von nur 100 Kbit/s möglich, die im Vergleich zur Leistung einiger Konkurrenzprodukte ebenfalls eher gering ist. Aufgrund der geringeren Geschwindigkeit kann Z-Wave daher nur für kleine Datengrößen, wie beispielsweise für die Überwachung und Steuerung in Smart Homes, verwendet werden.

Welche Produkte können mit Z-Wave verwendet werden?

Die Geräte im System sind untereinander vollständig kompatibel. Alle Z-Wave-Geräte funktionieren ausnahmslos in Verbindung mit anderen Z-Wave-Geräten – dies wird von der Z-Wave-Allianz sichergestellt, die von einer privaten Organisation betrieben wird. Die Allianz verfügt zurzeit über 700 Mitglieder mit 2.400 zertifizierten Produkten auf der ganzen Welt. Es werden auf dem Markt etwa 94 Millionen Geräte mit Z-Wave angeboten, die insgesamt 70 Prozent des Smart Home-Marktes abdecken. Zu den beliebtesten Geräten gehören unter anderem:

  • Fibaro Button
  • Kwikset Obsidian Smart Lock
  • Oomi Dual In-Wall Switch
  • Logitech Home Harmony Hub Extender
  • August Smart Lock
  • Zipato Bulb 2
  • Yale Keyfree Connected
  • D-Link mydlink sensors
  • Somfy ILT Series blinds
  • ADT Security Hub

Die Geschichte von Z-Wave

Das Protokoll wurde 2001 von Zensys, einem dänischen Unternehmen mit Sitz in Kopenhagen, entwickelt. In diesem Jahr führte Zensys ein Consumer-Lichtsteuerungssystem ein, das sich wenig später zu Z-Wave, damals ein System mit Chip, auf einem nicht-lizensierten Frequenzband im 900-MHz-Bereich entwickelte. In den folgenden Jahren kamen viele weiterentwickelte Chip-Sets auf den Markt. Der Chip ZW0201 bietet eine hohe Leistung bei niedrigen Kosten. Die Chips der Serie 500, auch bekannt als Z-Wave Plus, wurden im März 2013 veröffentlicht und verfügen im Vergleich zu den Vorgängermodellen über einen vierfachen Speicher, eine verbesserte Funkreichweite sowie eine verbesserte Akkulaufzeit. Die Technologie begann, sich 2005 in Nordamerika durchzusetzen, als fünf Unternehmen – darunter Danfoss, Ingersoll-Rand und Leviton Manufacturing – anfingen, das Protokoll zu vertreiben. Zu dieser Zeit erfolgte die Gründung der Z-Wave-Allianz.

2006 trat Intel Capital der Allianz bei und kündigte kurz darauf an, in Zensys zu investieren. Im Jahr 2008 konnte Zensys außerdem Investitionen von Panasonic, Cisco Systems, Palamon Capital Partners und Sunstone Capital verzeichnen. Z-Wave wurde im Dezember 2008 von Sigma Designs übernommen. Am 23. Januar 2018 kündigte Sigma an, dass es sein Z-Wave-Geschäft für 240 Millionen US-Dollar an die Firma Silicon Labs verkaufen würde, der Verkauf erfolgte kurz darauf. Im Jahr 2005 verwendeten nur sechs Produkte auf dem Markt die Z-Wave-Technologie. Als die Smart Home-Technologie ab dem Jahr 2012 immer beliebter wurde, gab es in den USA schon etwa 600 Produkte, die die Z-Wave-Technologie nutzten. Bis Mai 2017 wurden über 1.700 Produkte von der Z-Wave Alliance zertifiziert, Tendenz steigend.

Alternativen zu Z-Wave

X10 ist das älteste Hausautomationsprotokoll und seit Mitte der 70er-Jahre erhältlich. Es wurde zuerst als ein auf Powerline basierendes System entwickelt, war allerdings nach einer Weile drahtlos nutzbar. Das Protokoll ermöglicht weder große Geschwindigkeit noch die Kommunikation zwischen den Einheiten. X10-Systeme sind außerdem in der Regel eher schwierig zu installieren. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung des Standards UPB: Universal Powerline Bus ist ein reines Powerline-Kommunikationsprotokoll. Das System steht unter höherer Spannung und gibt ein stärkeres Signal als X10 aus. Universal Powerline Bus-Geräte verwenden vorhandene elektrische Haushaltsleitungen, um Daten untereinander auszutauschen. Sie sind vergleichsweise teuer und schwer zu installieren.

Insteon ist ein Hausautomatisierungsprotokoll, das entwickelt wurde, um die Lücke zwischen auf Powerline basierenden und Wireless-Protokollen zu schließen. Insteon erweitert die Beleuchtung und Geräte im Haus um eine Fernsteuerungsautomatisierung und kann in verschiedene Sicherheitssysteme integriert werden, beispielsweise ist es mit X10-Geräten kompatibel. Derzeit ist eine große Auswahl an Insteon-Geräten verfügbar. Das System ZigBee ist ein 802 IEEE-Standard für drahtlose Kommunikation. IEEE ist eine Form von technischen Standards, die den Betrieb von drahtlosen Personal Area-Netzwerken mit niedriger Rate steuert. Ähnlich wie Z-Wave wuchs ZigBee in den letzten Jahren beträchtlich und ist in einer relativ großen Anzahl von Geräten zu finden. Es verbraucht sehr wenig Strom und verwendet eine Mesh-Netzwerkstruktur, um ausgezeichnete Reichweite und schnelle Kommunikation zwischen Geräten zu bieten.

Bei der Nutzung eines WLAN-Routers muss der Nutzer keinen Hub oder Zugriffspunkt auswählen, damit die kompatiblen Geräte eine Verbindung zu ihm herstellen können. Dies hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass es häufig zu Interferenz- und Bandbreitenproblemen kommt. Wenn das Haus bereits mit über das WLAN verbundenen Gadgets, wie Fernsehern, Spielkonsolen, Laptops oder Telefonen ausgestattet ist, müssen die Smart Home-Geräte in der gleichen Frequenz mit ihnen konkurrieren und reagieren daher möglicherweise langsamer. Das WLAN-System verbraucht außerdem im Vergleich zu anderen Lösungen viel Strom. Es gibt die Möglichkeit, alternativ ein Bluetooth-basiertes System zu nutzen. BLE steht für Bluetooth Low Energy und wird teilweise in der Hausautomation verwendet, normalerweise jedoch nicht als Hauptprotokoll. Wie der Name erahnen lässt, verbraucht BLE nicht viel Strom, hat aber im Vergleich zu anderen Netzwerkprotokollen eine relativ begrenzte Reichweite und ist daher nicht ideal für Geräte, die ständig in Verbindung bleiben müssen.