智能家居Z-Wave入门实战

　　相信没有人会反对过去的５０年是人类历史上科技发展最快速的半个世纪，我们这代人或多或少都经历了因科技带来的生活方式的改变，现在的小孩一出生就接触平板电脑、智能手机，小学生课余不是去球场踢球，而是在家里用平板电脑玩网络游戏，这些都是我们小时候那个年代连科学家都无法想象的。一个科技的发展往往会成就另一个新科技的诞生，托马斯·爱迪生（ＴｈｏｍａｓＥｄｉｓｏｎ，１８４７－１９３１） 发明直流发电机和灯泡启发了他的助手尼古拉特斯拉（ＮｉｋｏｌａＴｅｓｌａ，１８５６－１９４３） 发明交流电发电机和变压器，成功地解决了远距离电力传输的难题，最终让电力和电灯得以进入美国人的家庭。电灯的技术也成就了真空管的发明，到后来半导体的发明也让集成电路变成现实，从而发展出半导体微处理器，也就是今天一切ＩＴ科技发展的基石。没有个人电脑的普及，也就不会有互联网的普及，没有互联网与无线电通信的发展，也不会有今天的智能手机。

　　ＩＴ科技的发展有两个主要方向： 一个是互联网化（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ）； 另一个是功能的聚合化（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）。智能手机就是这两个主线发展的最佳例子，不仅可用于打电话，而且还把很多功能，如拍照、录像、音乐与视频播放、支付、信息沟通、电子商务、社交、导航、游戏等越来越多的功能“聚合” 在里面。旅游或者出差前，先用智能手机的电子商务软件把机票预订好，再打开电子地图计划一下行程、预订合适的酒店，顺便找到酒店附近评价不错的餐厅，并订好桌。到达机场后，等行李出来的时候，可以打开出租车预约ＡＰＰ预约送到餐厅的路线，上车之后， 马上用智能手机找到餐厅的公共账号， 打开菜单，先看看有什么好吃的，上菜的时候，用智能手机拍些照片，发到社交网上与朋友分享，用餐完毕后，使用电子钱包结账，回到酒店，觉得这个餐厅还真不错，于是打开饮食网站的ＡＰＰ，上传美食照片，再给个赞。以上这些情节，你是不是觉得很熟悉？一系列的工作，今天只需要一个智能手机加上网络就能超快速完成。这就是“聚合” 和“网络” 的威力。

　　这两个ＩＴ主线发展到今天，不但没有慢下来，而且仍在继续聚合更多的产品和功能。很多人相信，下一波要聚合与互联的目标不是什么科幻的新发明，而是你家里天天打交道的东西。

　　大约从２０００年开始， 欧美出现越来越多的技术与想法， 为反向整合（Ｒｅｔｒｏｆｉｔ） 提供了各种方案。反向整合就是倒过来把家里传统的非智能设备，如照明、空调、窗帘、影音，甚至一个水杯，通过有线或无线的方式连接本地网络与互联网而建立一个“物联网”，通过智能手机和互联网访问和控制家中的一切。近年不断被炒作的“智能化” 一般是指通过物联网上产品本身自带的传感器或网络传感器为系统控制器（一般是网关） 提供环境监测数据，提供条件触发的信息，系统通过预先设定的各种条件操作家里的一切设备，无需人手操作，为用户带来生活上更多的方便性、安全性及降低能源的浪费。这仅仅是物联网可以带来的无数可能性中的一些基本功能而已。

　　随着智能终端产品与互联网的全面普及，物联网进入寻常百姓家庭如箭在弦上，我们称其为后ＩＴ时代。后ＩＴ时代将具有比前ＩＴ时代更巨大的产业，因为这次变革所牵涉的不仅仅是一个新产品，而是几乎在任何生活上都能接触到的“传统” 产品，跨度之广前所未有，未来的３０年对于ＩＴ行业将会是充满机会与挑战的，准备好了吗？

　　施镇乾

　　ＣＫＳｚｅ

　　２０１６－６－２１

施镇乾，出生和成长于香港，拥有工商管理硕士与市场策略专业学位。80年代入行 IT 行业，90 年代做互联网，职业生涯主要面向欧美市场。具有多年 的 IT 相关行业经验。2008 年在美国得知 Z-Wave 技术，经研究认为 Z-Wave 技术与智能家居 产业在未来会有广阔的发展前景，于 2009 年初带领当时任职公司的一个小团队开发了一些技术难度比较大至今仍然经典的产品，向欧美市场证明华人团队也能做出技术含量高的产品。 CK 于 2013 年创立 Ubitech 团队，主要是为区内需要开发与生产 Z-Wave 产品的企业提供芯片 模块与技术支持，同时协助海外客户寻找合适生产厂家。 除此之外， CK 亦不遗余力投入 Z-Wave 技术的市场教育工作。 他是 Z-Wave 联盟在亚洲的发言人（Z-Wave Evangelist）。

第0章　从过去看未来―――让我们先看树林再看树木1 

0.1　百花齐放的10年（1975－1984年） 2 

0.2　新的游戏规则5 

0.3　蓝色巨人崛起的背景6 

0.4　大卫挑战巨人―――Unix操作系统的冒起7 

0.5　科技行业的发展规律9 

0.6　Z.Wave的市场现况10 

第1章　概述15 

1.1　什么叫智能家居16 

1.2　智能家居的定义20 

1.3　无线通信网络的层级模型20 

1.4　对家居无线管控的要求22 

1.5　无线家居网络的选择23 

1.5.1　运用27MHz或433MHz频带的模拟管控23 

1.5.2　供应商的自定义（Proprietary） 数码协议23 

1.5.3　Wi.Fi或WLAN 24 

1.5.4　基于IEEE802.15.4的通信网络25 

1.5.5　ZigBee 25 

1.5.6　EnOcean 27 

1.5.7　DECTULE 27 

1.5.8　Z.Wave 28 

1.6　Z.Wave的历史29 

1.7　Z.Wave成为开放标准32 

第2章　无线电层33 

2.1　无线电基础34 

2.2　Z.Wave采用的频谱34 

2.3　无线传送距离的估算40 

Ⅹ　

2.3.1　天线（Antenna） 40 

2.3.2　衰减（Attenuation） 42 

2.3.3　与其他无线电信号源的距离43 

2.3.4　墙壁效应厚度44 

2.3.5　无线电波的阴影区域（WirelessShadow） 45 

2.3.6　反射（Reflection） 45 

2.3.7　干扰（interference） 45 

2.3.8　什么架设高度最合适46 

2.4　电磁能（EME） 与健康47 

第3章　Z.Wave网络的技术基础49 

3.1　G.9959数据通信50 

3.1.1　PHY物理层的功能50 

曼彻斯特编码（ManchesterEncoding） 51 

不归零编码NRZ（NonReturnZero） 52 

3.1.2　无线数据帧（WirelessFrame） 52 

3.1.3　网络识别码（HomeID） 和节点识别码（NodeID） 53 

3.1.4　网络媒介的接入功能―――MAC 58 

3.1.5　数据可靠性及纠错60 

3.2　路由（Routing） 62 

3.2.1　路由的基础62 

3.2.2　路由的演算方法64 

3.3　设备及网络种类67 

3.3.1　网络中的角色：控制器（Controller） 及从机（Slave） 设备67 

3.3.2　给设备供电的不同方式69 

3.3.3　总结73 

3.4　对网络的人工更新73 

3.4.1　【排除】―――移除一个功能设备73 

3.4.2　故障节点列表74 

3.4.3　故障设备的移除75 

3.4.4　网络的重新组织（NetworkRe.organization） 76 

3.5　网络的自动更新（AutomatedUpdating） 77 

3.5.1　静态更新型控制器（StaticUpdate.Controller） ――― “旧” 方法78 

智能家居Z.Wave入门实战

Ⅺ　

3.5.2　探索帧（ExplorerFrame） ――― “新” 方法80 

3.5.3　网络中探索帧和SUC／SIS的比较80 

3.6　网络组态（NetworkConfiguration） 83 

3.6.1　拥有单一可携控制器的Z.Wave网络83 

3.6.2　拥有单一静态控制器的Z.Wave网路83 

3.6.3　网络中有可携静态控制器84 

3.6.4　网络中有SUC／SIS控制器85 

3.6.5　不同网络组态的比较86 

第4章　Z.Wave应用层（ApplicationLayer） 87 

4.1　设备及指令88 

4.1.1　Z.Wave设备的种类88 

4.1.2　指令集（CommandClass） 89 

4.1.3　Basic指令集91 

4.1.4　设备集（DeviceClass） 92 

4.2　设备的管理96 

4.2.1　节点资料帧（NodeInformationFrame） 96 

4.2.2　提问（Interview） 97 

4.2.3　设置（Configuration） 98 

4.2.4　电池管理100 

4.2.5　电池电量寿命的优化102 

4.2.6　关联（Association） 105 

4.3　场景（Scenes） 108 

4.3.1　实例108 

4.3.2　场景快照（Snapshot） 111 

4.3.3　IP网关内场景的定义111 

4.3.4　运用计时器激活场景111 

4.3.5　用无线设备激活场景113 

4.3.6　用布尔逻辑（BooleanLogic） 激活场景114 

4.3.7　具备脚本（Scripting） 的复杂场景116 

4.3.8　场景及关联组的比较116 

4.4　用户界面（UserInterface） 117 

4.4.1　壁上控制器及遥控器117 

4.4.2　安装工具包118 

4.4.3　面向用户的网页界面（WebInterface） 120 

4.5　智能家居无线技术的安全性120 

4.5.1　安全性及典型攻击的一般资料121 

4.5.2　加密（Encryption） 及重播式攻击（Replay.Attacks） 121 

4.5.3　拒绝服务式攻击（Denial.of.ServiceAttack） 123 

4.5.4　无线安全性的其他方面123 

4.5.5　Z.Wave的安全性概念124 

4.5.6　安全性的成本124 

4.5.7　论题125 

4.6　Z.WavePlus 126 

4.7　S2安全性技术128 

第5章　实施Z.Wave的一些注意事项和技巧（Tips＆ Tricks） 133 

5.1　建立网络―――基本的流程134 

5.1.1　定义需要的功能134 

5.1.2　选择正确的设备135 

5.1.3　Z.Wave壁上按钮和嵌入件的比较137 

5.1.4　将所有的设备【添加】进一个网络中139 

5.1.5　【添加】设备的方法139 

5.1.6　【添加】控制器142 

5.1.7　【添加】电池供电设备145 

5.1.8　设置（Configuration） 145 

5.1.9　关联（Association） 及场景（Scene） 146 

5.2　日常维护―――如何让网络保持稳定146 

5.2.1　无线电层级147 

5.2.2　Z.Wave的组网及路由147 

5.3　已知的问题及侦错方法149 

5.3.1　语言的一致性149 

5.3.2　功能的不匹配150 

5.3.3　缺乏向前兼容性（ForwardCompatibility） 150 

5.3.4　多通道（MultiChannels） 与多事件（MultiInstances） 151 

5.3.5　历史遗留下来的问题152 

智能家居Z.Wave入门实战.　

5.3.6　IP网关152 

5.3.7　弱的校验总和（CheckSum） 153 

第6章　更多Z.Wave的专题155 

6.1　法律状况156 

6.1.1　Z.Wave的重要专利157 

6.1.2　对Z.Wave不利的重要专利158 

6.2　软件开发工具包（SDKs） 160 

6.3　调光器的一般资料161 

6.3.1　前缘相位控制（Leading.edgePhaseControl） 162 

6.3.2　应用在电感性负载的前缘相位控制163 

6.3.3　后缘相位控制调光器（Trailing.edgePhaseControl） 163 

6.3.4　万用调光器（UniversalDimmer） 164 

6.3.5　萤光灯／日光灯（FluorescentLamps） 165 

6.3.6　LED灯165 

6.3.7　调光器的总结165 

附录A　Z.Wave的设备集（DeviceClass） 167 

附录B　Z.Wave的指令集（CommandClass） 171 

附录C　有用的线上资源185 

附录D　参考书目（Bibliography） 187 

附录E　技术词汇中英文对照表（Terminology，English／Chinese

conversion） 189