使用Z-Wave 700网状网络和增强的边缘智能升级智能家居的智商

虽然许多物联网(IoT)或互联网(IoE)技术的采用尚未赶上炒作,但一个应用程序已经满足了大量的采用和创新。物联网未来的增长,扩展和多样化部分是智能家居或智能建筑。房主,租房者和办公楼经理们越来越多地寻求家庭和建筑物的物联网解决方案,以提高便利性,改善物理安全性并节省成本。1,2这些因素以及额外的健康和安全问题是老龄房主和老年租户建筑物的优先事项。3 这些智能家居设备中最大的一部分包括智能灯,锁具,电器,恒温器,安全系统,扬声器以及不断增长的新型产品。
据报道,绝大多数相关智能家居/建筑行业的专业人士认为,新的机会和解决方案潜力巨大。2然而,同样的大多数人也在努力应对开发这些连接解决方​​案的挑战,除了高成本和提供高质量的用户界面问题外,这一广泛的多数人难以将他们的解决方案与其他设备集成在一起,以及安全和隐私问题,并且相信他们将受益于更强大的连接设备通信标准。2
在观察到这一需求后,Silicon Labs已经为连接设备,Z-Wave无线标准和相关硬件采用了已经成功的无线通信平台,并升级了标准和硬件功能,以更好地满足OEM和供应商的需求。新的Z-Wave 700智能家居/建筑物网状网络技术提供了超越其他智能家居连接解决方​​案的若干技术发展,专注于为最终用户和OEM提升智能家居技术的最关键方面。4,5,6 Z-Wave 700的主要优势包括增强的范围,令人难以置信的电池寿命和功率效率,一流的协议安全性,与所有现有Z-Wave系统的互操作性/向后兼容性,简化和简化的开发以及前所未有的计算资源以增强边缘情报。
本文旨在讨论Z-Wave 700技术和新Z-Wave 700硬件提供的这些进步和优势,因为它们涉及使用物联网智能家居/建筑解决方案的OEM所面临的挑战。

Z-WAVE 700有什么新功能

随着家庭和建筑业主和租户越来越熟悉智能技术提供的便利性,节省和可访问性,对更多情境感知,智能和多样化智能家居/建筑技术的需求不断增长。Z-Wave 700解决方案旨在帮助OEM满足这些需求,比以前的Z-Wave产品更加方便和易于理解。

通讯范围

无线智能家居和建筑设备的范围已成为许多应用的限制因素。网状网络解决方案的出现为用户打开了许多大门,无需安装分布式集线器即可创建更大的无线网络。然而,即使早期的网状系统也需要几个额外的节点才能延伸到家庭或建筑物之外。Z-Wave 700技术通过确保每个节点能够达到100米以上,远远超过城市或郊区房产的典型长度或宽度,克服了这一挑战。
这意味着只需几个新的Z-Wave 700节点,用户就可以在整个家庭,院子,车库和车道上实现有效的网格覆盖。对于多层住宅或公寓楼,Z-Wave 700的扩展范围功能可以实现智能建筑技术的快速和低成本安装,而无需在整个结构中运行网络互连和电源线。虽然智能家居以前仅限于没有无线扩展器或额外集线器的楼层,但使用Z-Wave 700,可以创建完整的智能房产无线网络,促进与智能家居和智能庭院技术的通信。
更长的单节点范围意味着不仅仅是更大的网状网络覆盖范围。它还意味着,对于节点跨网格进行通信,更大的节点范围转换为更少的跳数。反过来,更少的跳跃意味着更低的延迟和更可靠的网状网络操作。此外,更少的跳跃与更节能的节点配对,直接导致更高的网状网络能效。

电源效率和电池寿命

功率效率以及电池寿命一直是开发用于家庭和建筑物的创新和增值物联网技术的主要限制因素。许多建筑和设备定期进行翻新,但大约每十年一次。这意味着,为了将先前的智能家居/建筑技术集成到结构中,要求这些设备易于维护和电池更换,或者需要专用电力线,因此需要合格的电工和相关的额外建筑成本。对于基于Z-Wave 700的智能家居/建筑解决方案而言,情况并非如此,它们能够通过纽扣电池提供更高的性能以及10年的电池寿命。
凭借令人难以置信的10年纽扣电池寿命,Z-Wave 700设备可以安装在家用电器,家具甚至建筑结构中,无需额外的翻新或维护,以确保设备继续工作。示例用例可以包括嵌入干墙后面的传感器和其他难以到达的区域,例如地下室和阁楼爬行空间,其将检测水分积聚或泄漏或温度传感器以检测火灾。其他例子包括嵌入家具内的传感器或通信器,如坐椅或床,这可能有助于监测老年人的日常习惯或警告可能的健康状况。

安全

购买许多智能家居/建筑物联网设备以增强个人和财产安全。因此,当由于缺乏易于利用的安全协议和硬件而发现这些系统受到损害时,通常会出乎意料。
另一方面,Z-Wave 700利用了为Z-Wave独特开发的安全生态系统,它提供了安全的端到端通信,同时还具有极其用户友好性和功效。新的Z-Wave安全系统S2 Security仅为嵌入式设备提供了较小的代码占用空间,而服务提供商则可以从简单的安装过程中受益。
Z-Wave 700的S2安全功能包括从传感器到用户家庭网络(LAN)的安全通信,以及互联网服务(WAN),并确保对多个设备进行安全的多播寻址。带外(OOB)认证用于将Z-Wave 700节点添加到Z-Wave个人区域网络(PAN),然后使用强临时密钥为一个或多个安全类别分配密钥。此分段允许在S2 Authenticated类中允许传感器等设备,而在S2 Access Control类中可以分割更多安全关键设备,并且仅在S2 Unauthenticated类中允许不支持身份验证的设备。
Z-Wave S2 Security是在最恶劣的假设下构建的,即用户的家庭网络已经被恶意软件和机器人攻陷。因此,Z-Wave S2 Security Z / IP Gateway仅允许来自可信LAN客户端或Internet主机的命令转发,DTLS用于在LAN主机和Z-Wave节点之间创建安全通信。Z / IP网关用于促进此通信,并通过终止DTLS加密并在通过安全信道将Z-Wave命令转发到Z-Wave网络之前对Z / IP和IP报头进行分离来保护通信。此外,为了绕过繁琐的防火墙设置和访问问题,S2 Security利用安全的基于TLS的隧道通过互联网服务提供商门户,互联网仅接受可信网关,其网关仅接受来自可信主机的通信。

开发,安装和维护

在部署新的物联网技术时,许多OEM,服务提供商和安装人员担心系统的开发,部署,安装和维护难度。这些问题还包括可能必须替换可能未达到可接受的ROI的已安装或遗留系统。考虑到这些因素,Silicon Labs设计了Z-Wave 700技术,提供内在的向后兼容性和互操作性,以及旨在简化开发和加快产品上市时间的资源生态系统。7,8
Z-Wave严格的认证流程的一部分是确保先前的Z-Wave产品和未来的Z-Wave产品兼容,其中包括升级每个Z-Wave产品固件的能力。凭借这种互操作性,来自任何供应商的Z-Wave认证产品能够与过去和未来的Z-Wave产品协同工作,这一过程由全功能的Z-Wave开发工具和高质量的测试工具辅助。虽然Z-Wave认证非常严格,但这一过程实际上有助于开发人员更快地进入市场,使OEM能够快速升级到最新一代的Z-Wave功能,进一步提高可扩展性。
其他有利于OEM和开发人员的Z-Wave功能是丰富的开发资源生态系统,其中包括低成本的开发人员工具包,功能强大的开发软件工具和库以及现成的和经过认证的参考代码。在这些软件工具中,Silicon Labs的Simplicity Studio通过提供源级调试和实时能量分析器来进一步缩短开发时间,从而优化电池寿命和功率效率,而无需耗时的物理测试。借助参考代码和预先认证的构建模块本身可满足90%的开发人员需求,Z-Wave开发人员资源有助于大幅缩短原型,开发和生产周期。
Z-Wave 700设备不需要表面声波(SAW)滤波器来调整无线电性能以与各个区域兼容。因此,单个Z-Wave SKU现在可以在没有任何额外硬件的情况下服务于多个区域。此外,Z-Wave 700设备也不需要外部存储器用于空中(OTA)更新,EEPROM或额外的MCU用于额外的中断,这些都可以降低BOM复杂性和设备成本/占用空间。
最后,对于安装人员,可以使用QR码预先配置和激活Z-Wave 700设备,这是一种称为SmartStart的功能。SmartStart设备无需插入各种设备ID,只需启动Z-Wave网关附近的设备即可完成包含过程。这消除了用户或安装者经历非标准化和复杂的包含过程的需要,并降低了智能家居/建筑设备进入消费者的障碍。

边缘情报

包括智能家居/建筑在内的环境感知智能环境需要传感器,连接和智能的完美组合。此外,为了优化上下文感知智能家居技术,先进的机器学习和AI功能正越来越多地集成到智能家居服务中。但是,由于电池寿命和外形尺寸的限制,许多用于智能环境的物联网设备基本上是笨拙的,具有有限的本地处理能力。这些类型的设备依赖于将他们的感觉信息传送到云以便处理和发回指令,这在吞吐量(因特网带宽)和功率方面可能是昂贵的。此外,这些类型的设备无法在互联网中断期间提供服务,例如在自然灾害,雷暴和设备故障期间。
 
为了克服这些挑战并完全依赖云处理,Z-Wave 700设备提供强大而灵活的板载智能,由功能强大的Arm Cortex-M4 CPU和64 kB应用程序闪存实现。机载计算能力的数量消除了对协处理器的需求,并允许单个Z-Wave设备在边缘处使用多个传感器接口,外围设备和安装它的智能算法。凭借增强的边缘智能,Z-Wave 700设备可以设计用于制定决策,分析传感器数据,提供复杂的控制,甚至预处理数据然后发送到云 - 因此,更有效地使用电池电量而不是必须依靠与云处理资源和情报服务的大量通信。

Z-WAVE 700开发板,SIP和SOC

使用Z-Wave 700平台开始开发的最简单方法是使用Z-Wave 700 Zen Gecko无线入门套件9 Z-Wave 700开发套件是用于网关和终端设备的单一全球开发套件,配有Z-Wave软件堆栈,示例代码和与Simplicity Studio的兼容性。可以通过Simplicity Studio访问Z-Wave 700 SDK,以及所有文档,开发人员指南和无线应用程序开发功能,例如用于网状网络分析和视觉能量分析和优化工具的Z-Wave协议嗅探器工具。
 
Z-Wave 700开发套件包括两个入门套件主板,两个无线电板,一个Z-Wave 700 USB棒桥模块(UZB-7),两个按钮和扩展板,一个网络嗅探器USB棒,两个柔性天线和相关联调试电缆。9,10,11入门套件无线电板包括新的Z-Wave 700 SiP模块,UZB-7包括Z-Wave 700调制解调器SoC,可用于在Linux机器上启动Z-Wave 700网关开发。开发板还包括所有必要的集成RF匹配网络,晶体和去耦电容硬件,以及SMA天线连接器和可选的PCB天线。

结论

在新的智能家居/建筑物联网解决方案不断增加的采用和兴奋的时代,设计,开发和部署物联网解决方案仍然存在重大的技术和应用障碍。继续保持易于开发,安装和使用的传统,下一代Z-Wave平台Z-Wave 700专为应对这些挑战而设计,为希望提供环境感知智能家居的OEM带来简单性和可扩展性/建筑解决方案。

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