Open Source im professionellen Einsatz
Linux-Magazin 12/2016
© aimage, 123RF

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Z-Wave: Basics der Funktechnologie fürs Smart Home

House-Funk

Z-Wave verbindet Komponenten im Smart Home und sorgt dafür, dass abgesetzte Kommandos der Kontrollstation tatsächlich Aktionen an echten Haushaltsgeräten einleiten. Doch wie funktioniert es genau, wie weit funkt es und ist das Protokoll sicher? Einige Grundlagen, die jeder Z-Waver kennen sollte.

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Das Türschloss öffnet sich, wenn das Mobiltelefon des Besitzers sich dem Eingang nähert. Das Licht in der Wohnung geht an, als der Bewegungsmelder ein herumwandelndes Wesen registriert und der Lichtsensor feststellt, dass es Nacht ist. Das Garagentor schließt sich automatisch, als das Auto eingefahren ist, und ein Controller erkennt, dass der schusslige Fahrer mal wieder vergessen hat, vor dem Entsteigen durch die Hintertür den Schließen-Knopf des Tores zu drücken, und nun das Tor selbst zumacht.

Das ist die Fiktion des Smart Home, die wohl bald Realität wird. Bevor es aber so weit ist, muss sich der Hausherr noch entscheiden, welches Verfahren zum Einsatz kommt, um von Sensoren aufgeschnappte Signale an Controller zu melden, die dann wiederum Aktionen einleiten und Endgeräte bedienen.

Einfach kabellos

Nicht jeder baut sein Haus selbst neu und kann für jeden Firlefanz Kabel in der Wand verlegen, also bieten sich drahtlose Lösungen an. In den 90er Jahren begannen vor allem in den USA bastelfreudige Elektriker Lampen oder gar Haushaltsgeräte mit einer Technologie namens X10 ein- und auszuschalten, die entweder über die Stromleitung oder drahtlos mit RF-Technologie Signale übertrug. Doch bot X10 keine zuverlässige Kommunikation, ob ein Gerät ein gesendetes Signal tatsächlich empfangen hatte, ließ sich oft nicht mit Sicherheit sagen.

In den USA, wo Schlamperei und Unzuverlässigkeit eher akzeptiert sind, lief das Produkt ganz gut, doch in Deutschland widersprach es offensichtlich der Perfektions-närrischen deutschen Seele und setzte sich nie flächendeckend durch. Neben anderen drahtlosen Alternativen wie Zigbee [1], En Ocean [2] oder auch dem guten alten WLAN kam in den 90ern das Z-Wave-Protokoll [3] der dänischen Firma Zensys auf den Markt. Im Jahr 2008 erwarb der Chiphersteller Sigma Designs [4] die Rechte an Z-Wave.

Das Industriekonsortium Z-Wave Alliance, dem heute etwa 300 Unternehmen mit etwa 1000 zertifizierten Produkten angehören, leitet die Weiterentwicklung und die Zertifizierung neuer Produkte. Für wenig Geld bauen sich Bastler kleine Lösungen, die sie Stück für Stück zu einem professionell automatisierten Smart Home mit Dutzenden von Komponenten erweitern können.

Quittung, bitte!

In einem drahtlosen Z-Wave-Netzwerk schicken Controller, die Steuerungsgehirne des Systems, Kommandos an ihre Slaves, also Aktoren, die Aktionen einleiten. Als Beispiel steuert ein Rechner mit eingestecktem USB-Stick wie in Abbildung 1 über eine drahtlose Funkverbindung den Netzschalter in Abbildung 2, der elektrische Verbraucher wie eine Lampe oder einen anderen Rechner ein- und ausschaltet.

Abbildung 1: Der Z-Wave-Controller Aeon Labs DSA02203 als USB-Stick erlaubt es einem Rechner, drahtlos Kommandos an Z-Wave-Slaves zu schicken.
Abbildung 2: Der Z-Wave-Slave in Form des Netzschalters Aeon Labs DSC06106 empfängt drahtlos Kommandos zum Ein- und Ausschalten des Verbrauchers.

Zur Inbetriebnahme neuer Gadgets im Netzwerk ist meist ein Knopf auf dem entsprechenden Gerät (zum Beispiel seitlich auf dem Netzschalter in Abbildung 2), zu drücken, worauf dieses seine Präsenz im Netzwerk ankündigt. Einen Master Controller wie den USB-Stick in Abbildung 1 versetzt der User dann ebenfalls in einen speziellen Integrationsmodus, der die Hilfesignale des neuen Gadget aufschnappt und ihm seinen neuen Namen im Netzwerk beibringt, damit es weiß, auf welche Kommandos im Äther es künftig reagieren muss.

Zum Abmelden eines Geräts aus dem Netzwerk gilt Ähnliches, der User muss am Gerät selbst üblicherweise durch Knopfdruck bestätigen, dass es nun aus dem Verbund austritt.

Im aktiven Betrieb halten sich Controller und Slave an ein Handshake-Protokoll, bei dem der Slave dem Controller Empfang und Ausführung zuvor gesendeter Kommandos bestätigt. Kommt, wie im oberen Teil von Abbildung 3 sichtbar, das »ACK« des Slave wieder beim Controller an, weiß Letzterer, dass Ersterer das Paket mit dem Kommando erhalten und geprüft hat. Es sagt nichts darüber aus, ob der Slave das Kommando ausführen konnte oder ob der damit verbundene erwünschte Effekt eingetreten ist. Eine nachfolgend abgesetzte Statusabfrage kann dies allerdings klären.

Abbildung 3: Z-Waves Handshake-Protokoll verlangt, dass der Slave vom Controller gesendete Kommandos per ACK bestätigt.

Einzelheiten des Protokolls waren bis vor Kurzem nur über den Erwerb eines kostspieligen SDK von Sigma Designs zu erfahren, aber im September 2016 stellte die Firma die Spezifikation [3] endlich online. Da das Z-Wave-Konsortium allerdings weiterhin auf der Zertifizierung neuer Geräte besteht, darf niemand einfach neue Z-Wave-Geräte auf den Markt werfen. Hierzu ist weiterhin die kostenpflichtige Registrierung als Development-Partner erforderlich. Die Spezifikation erlaubt es Bastlern aber, ihre eigene Steuersoftware, zum Beispiel für den Controller in Abbildung 1, zu schreiben.

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