Беспроводные технологии умного дома

Теперь, когда количество установленных в доме умных устройств, как ожидается, к концу десятилетия резко увеличится, важно понимать, как все эти устройства взаимодействуют друг с другом, а также с хозяином, доверяющим им управление своим домом. Для автоматизации частного жилья особую важность имеют беспроводные протоколы.

Сейчас существует пять основных и уже зарекомендовавших себя протоколов связи, и еще один только что появился. Каждый из этих протоколов имеет свои особенности, и выбор правильного сочетания для вашего дома - это важная часть процесса разработки.

В этой статье мы рассмотрим наиболее часто используемые беспроводные протоколы и обсудим, какие варианты использования являются предпочтительными для каждого из них.

Беспроводные протоколы на частотах до 1 ГГц

Для решения задач обеспечения безопасности и автоматизации дома протоколы, работающие на частотах ниже 1 ГГц,  имеют существенные преимущества над более мощными и функциональными протоколами, работающими в диапазоне 2,4 ГГц (такими как Wi-Fi, Bluetooth™ и ZigBee), т.к. для этих задач требуется низкая скорость передачи данных.

Такие относительно низкочастотные сети обеспечивают высокую дальность связи. Узкополосная связь может работать на расстояниях до километра или более. Эти сети передают данные непосредственно получателю без посредников на пути. Однако в этом случае на связь сильное влияние оказывают радиопомехи от других устройств. Если данные частоты сильно загрязнены, то это может накладывать существенные ограничения на работу сети. Важным преимуществом низкочастотных сетей является более низкое энергопотребление по сравнению с протоколами, работающими на частоте 2.4 ГГц.

Тем не менее низкочастотные сети не являются идеальным решением для всех задач умного дома. Многие из существующих низкочастотных сетей используют частные протоколы и являются закрытыми системами. Эти системы часто требуют специального приложения для обеспечения взаимодействия с другими системами. Такие протоколы для обеспечения связи внутри дома и с облаком могут быть достаточно сложными.

Примечание: важно понимать разницу между устройствами, работающими на протоколе 802.11 b/g/n, и устройствами на базе ячеистых сетей. На рис.1 показана сеть типа "звезда" в сравнении с ячеистой сетью. Первое, что вы, вероятно, заметили, что в сети "звезда" (Wi-Fi) весь трафик направляется через центральную точку, а в ячеистой сети (ZigBee, Thread, Z-wave) связь обеспечивается через соседние точки.

Рис. 1. Сеть типа "звезда" (слева), ячеистая сеть (справа).

Wi-Fi 802.11 b/g/n

Wi-Fi является наиболее известным протоколом в настоящее время. Большинство из нас используют его в своих домах каждый день уже более десяти лет. Широкое использование этой технологии обеспечивается наличием открытых и постоянно обновляемых Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) стандартов, имеющих буквенные обозначения (b/g/n), и сертификацией готовых устройств, выполняемой Wi-Fi Alliance.

Главным преимуществом Wi-Fi является то, что он знаком всем потребителям (первая версия Wi-Fi был впервые разработана в 1991 году) и это дает ощущение, что он является более простым по сравнению с другими протоколами. С этой точки зрения наиболее технически подкованные собственники жилья (а скорее именно они будут основными потребителями продуктов для умного дома) сами в состоянии перезагрузить Wi-Fi роутер для решения основных проблем.

Стандарт Wi-Fi определяет только низкие уровни взаимодействия умных устройств, такие как методы передачи данных в двоичном виде и контроль ошибок. Для обеспечения же общения устройств на одном языке должен быть стандартизован верхний, прикладной уровень протокола. И так как каждый производитель может самостоятельно определять прикладной уровень, то обеспечить связь между устройствами будет сложно или невозможно, до тех пор, пока две компании не определят их совместно. Это ограничивает использование Wi-Fi в устройствах для умного дома. Wi-Fi также предполагает наличие центральной точки доступа в сеть, которая означает, что если точка доступа не работает, то сеть перестает функционировать.

Wi-Fi потребляет относительно много энергии по сравнению с другими протоколами, поэтому отлично подходит для использования в аппаратуре с питанием от силовой сети и ограниченно подходит для автономных устройств. Кроме того Wi-Fi также имеет сложности в вопросах масштабируемости. Например, некоторые маршрутизаторы поддерживают подключение не более 15 устройств, а в умном доме, ожидается, что их будет около сотни. Еще одной проблемой является конкуренция за Wi-Fi сеть различных источников данных. Если у вас  потоковое видео конкурирует с термостатом, то оба устройства могут не получить необходимую для них полосу пропускания. И если вы до сих пор считали, неудобным, когда  просмотру вашего потокового телевизионного шоу мешало скачивание видеоигры вашими детьми, представьте себе, что ваш термостат, также пытается использовать эту полосу.

Примечание: зависимость устойчивости работы всех устройств от одного шлюза приводит к появлению того, что известно как “единая точка отказа”. Это означает, что если шлюз становится неработоспособным, то ни одно из устройств в сети не сможет взаимодействовать, что в свою очередь приводит в «падению» всей сети. Наличие таких единых точек отказа очень нежелательно, т.к. это повышает уязвимость системы.

Bluetooth™ Smart Low Energy (LE)

Bluetooth – это протокол, работающий на малых расстояниях, который широко используется в смартфонах. Хотя он не требует специального шлюза для работы, т.к он для этой цели уже использует смартфон или мобильное устройство, у него есть некоторые недостатки. Он использует топологию сети «точка-точка», что ограничивает его дальность действия и надежность. Если ваш смартфон находится вне диапазона, то связь теряется. Bluetooth в настоящее время не поддерживает IP-адресацию, однако разрабатывается новый стандарт для решения этого вопроса.

Bluetooth имеет стандартные протоколы прикладного уровня, но они, как правило, предназначены для связи телефонов и ПК, а не для устройств умного дома.

ZigBee

ZigBee впервые был стандартизирован в 2004 году, он отличается более низким потреблением энергии в сравнении с Wi-Fi. ZigBee работает на основе спецификации физического уровня IEEE 802.15.4, в отличие от Wi-Fi, использующего хорошо знакомый стандарт 802.11. ZigBee в настоящее время используется в ячеистых сетях для домашней автоматизации и для промышленного использования.

ZigBee создала несколько протоколов прикладного уровня для применения в широком спектре устройств для дома и бизнеса. Эти протоколы были разработаны в рамках альянса компаний, что обеспечило создание экосистемы продуктов и наличие конкурирующих поставщиков микросхем.

Преимуществами протокола ZigBee является надежность, масштабируемость и способность самовосстановления своей ячеистой сети:

  • Надежность: как мы говорили выше при обсуждении преимуществ  ячеистой топологии перед схемой звезда, устройства на ZigBee могут общаться друг с другом, даже если шлюз не работает или его нет совсем.
  • Масштабируемость: ZigBee и другие протоколы на базе 802.15.4 имеют неограниченное число устройств. Вы можете добавить десятки, даже сотни устройств.
  • Самовосстановление: если координатор сети PAN координатор не доступен, ячейка сети плавно переключается и продолжает функционировать. Для понимания это можно сравнить с RAID для вашего компьютера. Если жесткий диск выходит из строя, то второй зеркальный жесткий диск обеспечивает сохранение данных и работа не прерывается. В случае домашней автоматизации, это означает, что ваш термостат по-прежнему работает, даже если ваш шлюз не работает.

Проблемой ZigBee является наличие нескольких стандартов прикладного уровня (4 спецификации и более 10 стандартов), что приводит к сложностям совместной работы различного оборудования и даже несовместимости. Кроме того ZigBee не использует прямую IP-адресацию, устройства ZigBee для общения с устройствами в интернет требуют перевод адреса и прикладного уровня, тем самым создавая шлюз потенциальной точкой.

Thread

Thread – это новый открытый стандарт, который поддерживает IP адресацию каждого устройства в сети, поэтому устройства могут общаться без необходимости использования шлюза, что устраняет единую точку отказа.

Поток имеет три основных преимущества:

  • Масштабируемость: в умном доме могут быть подключены сотни устройств. Если вам кажется, что много, просто подумайте, что каждое окно и дверь будет иметь свой датчик, а для каждой комнаты будет осуществляться мониторинг температуры и влажности. В этом случае, сложность и масштаб растет в геометрической прогрессии.
  • Совместимость: учитывая такое количество устройств в одной ячеистой сети необходимо что бы все они общались между собой и с хозяином дома наиболее эффективно.
  • Менее дорогое и сложное оборудование: известно, что по мере роста популярности технологии стоимость устройств уменьшается. Технологии на основе IP хорошо известны и просты в настройке.

Пока Thread находится в стадии разработки, нет необходимости откладывать разработку устройств для умного дома на основе этой технологии. Любой продукт, использующий существующие микросхемы совместимые с протоколом 802.15.4 может быть в будущем обновлен по воздуху для обеспечения поддержки IP протокола Thread.

Z-Wave

Z-Wave протокол, разработанный специально для управления, мониторинга и считывания статуса жилых и небольших коммерческих зданиях. Зрелый, проверенный и широко использующийся во всем мире, Z-Wave является одним из самых популярных протоколов на рынке беспроводного управления.

Z-Wave использует радиокомпоненты от одного поставщика - Sigma Designs, который является ключевым участником Z-Wave Alliance, объединяющий 250 компаний. Z-Wave использует маломощные сети ячеистой топологии в диапазоне 900 МГц. Z-Wave имеет программу сертификации, гарантирующую совместимость всех изделий Z-Wave, в том числе обратную совместимость в будущем.

Основной особенностью, которая отличает Z-Wave от других технологий является реализация обработки связи между узлами сети на прикладном уровне. Экосистема умного дома Z-Wave имеет более чем 1000 продуктов, которые полностью совместимы, независимо от марки продукта или приложения. Это дает потребителям и поставщикам услуг предоставляет более широкий выбор продукции по типу, стилю и применению.

IP-подключения и подключенного дома

Многие современные умные устройства базируются на IP для обеспечения единой адресации, маршрутизации и проверки безопасности без необходимости дополнительной обработки на прикладном уровне. Быстрое распространение интернета является свидетельством того, какие возможности эта технология открывает для развития новых услуг и устройств при наличии соответствующий IP инфраструктуры.

Использование IP позволяет обмениваться информацией через различные протоколы низкого уровня, так, например, приложение, работающее на домашнем ПК, подключенному через Ethernet, может обращаться к вашему сотовому телефону, подключенному по с помощью Wi-Fi или сотовой связи. Такая бесшовная связь важна во многих новых областях применения, когда потребители хотят одинаковым образом управлять умным домом независимо от того, где они находятся - внутри дома или за много километров от него.

Сравнение беспроводных технологий

Протокол

Частота

Владелец протокола

Может использоваться в умном доме для

Не может использоваться для

 

Базовый радиостандарт

 
 

Топография сети

 

Поддержка IPv6

 
 

Протоколы 433 МГц и 866 МГц

433 МГц и 866 МГц, может работать одновременно с Wi-Fi

Отдельные небольшие компании

Для решения конкретных небольших задач в составе системы умного дома

Для создания комплексной системы умного дома

 

-

 

Точка - точка

 

Нет

 

Wi-Fi b/g/n

2,4 ГГц

Открытый протокол

Обеcпечения доступа в интернет компонентам системы и передачи потокового видео с камер

Обмена информацией с датчиками

 

IEEE 802.11

 

Звезда

 

Да

 

Bluetooth 4.1

2,4 ГГц, может работать одновременно с Wi-Fi

Открытый протокол

В настоящее время протокол не используется в умном доме

 

IEEE 802.15.4

 

Точка – точка

 

Нет

 

ZigBee

2,4 ГГц, может работать одновременно с Wi-Fi

ZigBee Alliance

В настоящее время протокол не особенно часто используется в умном доме

 

IEEE 802.15.4

 

Ячеистая

 

Нет, поддержку IP имеет спецверсия ZigBee IP

 

Thread

2,4 ГГц, может работать одновременно с Wi-Fi

Thread Group

Может применяться в любых устройствах для умного дома. Особенно эффективен при необходимости установки большого числа устройств и необходимости прямой ip адресации по всему миру

 

 

IEEE 802.15.4

 

Ячеистая

 

Да, на сетевом уровне

 

Z-Wave

868,42 МГц (Европа), 869 МГц (Россия), может работать одновременно с Wi-Fi

Z-Wave Alliance

Может применяться в любых устройствах для умного дома. Особенно эффективен для небольших систем

 

 

ITU-T G.9959

 

Ячеистая

 

Да, на прикладном уровне

 

Итоги

Умный дом – это область, в которой целый ряд компаний предлагают инновационные устройства и услуги. Некоторые из этих услуг требуют высокой пропускной способности, для чего более пригоден в использовании Wi-Fi, в тоже время в других используются датчики с автономным питанием, и для них желательно использовать маломощные беспроводные ячеистые сети.

По мере роста популярности «интернета вещей» и умного дома наличие несколько протоколов, работающих одновременно в вашем доме, будет нередким явлением. В данном случае речь идет не о «победе» одного протокола, а скорее о нахождении правильного сочетания протоколов для обеспечения общения ваших умных устройств друг с другом, со шлюзом, облаком и потребителем.

По мере развития стандартов и устройств мы уже скоро получим действительно умные дома, которые смогут сделать нашу среду обитания более удобной, комфортной и энергоэффективной.


Подготовлено по материалам:

www.silabs.com

z-wave.sigmadesigns.com