Марк Патрик, MouserElectronics
Про Интернет вещей (Internet of Things, IoT) пишут уже много лет, но только сейчас мы начинаем наблюдать его практическое применение, в том числе, в наших домах.
Существует множество потенциальных приложений и возможностей для домашней автоматизации за счет практической общедоступности беспроводных сетей, смартфонов и облачных сервисов. Данная инфраструктура позволила разработчикам увеличить гибкость систем управления домом и уровень удобства пользователей путем создания сети интеллектуальных устройств.
Инновационная сфера Интернета вещей порождает конкуренцию, что в итоге приводит к огромному разнообразию предлагаемых потребителю продуктов. Богатство вариантов включает в себя и различные стандарты беспроводных телекоммуникаций, в каждом из которых домашняя автоматизация рассматривается определенным образом. На сегодняшний день не существует единого решения, подходящего для всех приложений.
Каждый из стандартов имеет свои плюсы и минусы, но многие из них идеальны для задач в своей области. В данной статье будут рассмотрены наиболее популярные стандарты для домашней автоматизации, а также один из новых протоколов. Возможно, именно он будет способствовать будущей унификации.
Z-Wave
В настоящее время стандарт Z-Wave, пожалуй, имеет наибольшее распространение на рынке домашней автоматизации. Сотни компаний предлагают тысячи различных типов устройств с поддержкой Z-Wave, и снижения темпов роста этого рынка не заметно. Z-Wave обладает рядом преимуществ, делающих его прекрасным кандидатом на стандарт домашней автоматики, например, малым энергопотреблением узлов и узкой занимаемой полосой частот. Основываясь на стандарте IEEE 802.15.4, Z-Wave реализует в субгигагерцевом диапазоне (использует полосу 868 МГц в европейских странах, 915 МГц в Северной Америке) топологию ячеистой сети для повышения зоны покрытия и надежности. Это отличает данный стандарт от Bluetooth и ZigBee, работающих в диапазоне 2.4 ГГц (прим. переводчика – стандарт ZigBee имеет варианты и в субгигагерцевом диапазоне). Работа в отличном от популярных стандартов частотном диапазоне делает Z-Wave менее чувствительным к помехам со стороны других сетей, а следовательно, более надежным.
Субгигагерцевый диапазон также дает преимущества по расстоянию видимости каждого Z-Wave-узла за счет меньшего влияния препятствий на распространение сигнала и большей дальности действия при той же выходной мощности (прим. переводчика – следует учитывать различие в максимальных разрешенных уровнях выходной мощности для субгигагерцевого диапазона и диапазона 2.4 ГГц, например, в РФ она составляет 25 и 100 мВт, соответственно).
Z-Wave использует ячеистую топологию сети, что позволяет передавать данные от узла-источника к узлу-получателю на расстояния большие, чем радиус действия одиночного узла. Это происходит за счет транзита данных через промежуточные узлы. Ячеистая топология также обеспечивает Z-Wave устойчивость к отказам отдельных узлов сети благодаря дублированию путей передачи данных. К глобальной сети Интернет Z-Wave чаще всего подключается через специальный узел-шлюз, имеющий и интерфейс к Z-Wave и выход в глобальную сеть (например, при подключении через Wi-Fi или Ethernet к домашнему роутеру). Контроллер также управляет сетью Z-Wave, передавая команды ее узлам.
У этого стандарта есть лишь один момент, заключающий в себе как плюсы, так и минусы: данный протокол является патентованным проприетарным протоколом, разработанным компанией Sigma Design.
Основное преимущество, которое несет в себе проприетарный протокол – то, что каждый продукт перед получением логотипа «Z-Wave» должен пройти процедуры тестирования и сертификации на соответствие стандарту; таким образом решается проблема совместимости устройств, выпущенных разными производителями. Поскольку стандарт проприетарный, это подразумевает использование систем-на-кристалле (СнК), предлагаемых компанией Sigma Design. Несмотря на возрастание затрат за счет лицензионных отчислений, упрощается процесс разработки аппаратной части продукта, так как исчезают затраты, связанные с разработкой решения для собственного микроконтроллера и/или беспроводного контроллера/трансивера.
Инженеры Sigma Design разработали новые СнК с улучшенными показателями производительности, дальности связи и энергопотребления, что, возможно, позволит расширить спектр приложений, для которых может подойти Z-Wave. При этом сохраняется совместимость с предыдущими поколениями СнК. Так, 500-я серия СнК увеличивает дальность связи до 150 м при расширении полосы пропускания в пять раз и одновременном продлении времени работы от батареи на 50%.
Возможности стандарта Z-Wave делают его подходящим для многих домашних автоматизированных систем. Широкий радиус действия, функциональная совместимость, надежность – практически то, что надо каждой домашней IoT-сети.
ZigBee
ZigBee – еще один протокол, подходящий для «домашних» беспроводных сетей. Он имеет много общего с Z-Wave в плане ячеистой организации сети и малого потребления узлов. Этот протокол был представлен на рынке чуть более 10 лет назад. Также как и Z-Wave, он основывается на стандарте IEEE 802.15.4.
Типичный максимальный радиус действия узла ZigBee – порядка ста метров. В реальной ситуации он несколько ниже из-за наличия препятствий, помех и настроек радиотракта самих узлов (в ряде случаев уровень выходной мощности сигнала уменьшается для снижения энергозатрат). Ячеистая топология позволяет расширить суммарную зону покрытия сети и скомпенсировать влияние препятствий и удаленность узлов.
ZigBee также достаточно часто применяется для домашней автоматизации, но на данный момент становится менее популярным из-за успешного развития конкурирующих протоколов. Доступность и малая цена компонентов для ZigBee до сих пор оставляют данный стандарт привлекательным для построения специализированных «закрытых» беспроводных сетей (т.е. без доступа к Интернету). Разработчикам, у которых на первом месте в приоритете малое энергопотребление узлов, все более интересен стандарт Bluetooth Low Energy (BLE), особенно после того, как в новой его версии (5.0) была заявлена поддержка топологии ячеистых сетей. Хотя ZigBee является открытым стандартом, проблемы совместимости устройств и реализаций протоколов различных производителей тормозят его распространение. По этой причине сложно спрогнозировать будущее данного протокола в области «домашнего Интернета».
Thread
Новичок среди претендентов на звание протокола для домашней автоматики – Thread, – протокол от Google Nest и ряда производителей. Он изначально ориентирован на приложения IoT и для устранения недостатков существующих беспроводных сетевых протоколов базируется на протоколе IP. Данный стандарт наследует такие свойства IP-протокола как гибкость и портабельность.
На сетевом уровне Thread использует стек протоколов 6LoWPAN, что позволяет присвоить каждому устройству индивидуальный IPv6-адрес. Такая адресация упрощает подключение устройств к Интернету и позволяет разработчикам эффективнее и проще реализовывать возможности облачных сервисов и приложений.
На физическом уровне Thread основывается, опять же, на стандарте IEEE 802.15.4, что также имеет свою выгоду – программное обеспечение практически любого устройства с поддержкой данного протокола может быть обновлено до использования Thread (включая ZigBee- и Z-Wave-устройства) (Рис. 1). Как и вышеупомянутые протоколы, Thread поддерживает ячеистую топологию сетей. Для минимизации энергопотребления Thread был разработан с нуля с поддержкой коротких сообщений и «спящих» узлов.
 |
|
| Рис. 1. | Структура стека протоколов Thread. |
Для предоставления разработчикам большей свободы выбора Thread позволяет применять различные протоколы прикладного уровня, жестко определяя только физический и сетевой уровни. К примеру, в сетях Thread можно использовать приложения, разработанные для ZigBee Cluster Library (ZCL).
Z-Wave – пока что самый распространенный протокол для домашней автоматики. Благодаря возможностям, заложенным в Thread, и поддержке сторонних прикладных протоколов, он может обратить на себя внимание многих разработчиков.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy (BLE) – еще один относительно недавно представленный протокол (2010 год), часть спецификации Bluetooth 4.0. Его ключевым преимуществом является то, что он позволяет напрямую со смартфона управлять BLE-совместимыми устройствами (при наличии поддержки смартфоном стандарта Bluetooth 4.0 и выше) без специально выделенного шлюза. В отличие от оригинальной технологии Bluetooth, ориентированной на потоковые данные, BLE разработан для передачи небольших пакетных сообщений.
Эти черты, в совокупности с поддержкой спящего режима узлов и, следовательно, с малым энергопотреблением, делают BLE достаточно сильным кандидатом на роль протокола «домашней автоматизации». Небольшой сетевой трафик и малое энергопотребление позволяют BLE-устройствам работать от одной батареи в течение нескольких месяцев.
Обычно BLE-сеть состоит из центрального узла – мастера – и нескольких связанных с ним подчиненных устройств. Фактически, такая топология подходит для управления устройствами в пределах дома: смартфон – мастер-контроллер сети, все остальные BLE-устройства – его ведомые. Недостатком такого подхода является то, что другие сети требуют более сбалансированной топологии, такой, например, как локальная сеть (LAN).
Благодаря поддержке современными смартфонами технологии BLE, данный стандарт стал стремительно набирать популярность, и, как побочный эффект, цены на BLE-контроллеры и модули упали. Новые BLE-устройства, благодаря специализированным СнК с BLE, называемыми BLE-процессорами, поддерживают все более высокие уровни гибкости и эффективности при малых затратах на разработку и эксплуатацию.
Как уже упоминалось, BLE – стандарт, набирающий популярность за счет его интеграции в смартфоны и другие портативные устройства. Однако у него есть и другие положительные черты:
настройки выходной мощности и частоты передачи данных для снижения энергопотребления;
адаптивная скачкообразная перестройка частоты, позволяющая достаточно эффективно работать в условиях наличия сетей другого типа в том же частотном диапазоне (в частности, сетей Wi-Fi).
Вместе с тем для ряда задач топологии «мастер-ведомый» может оказаться недостаточно. К тому же типовой радиус действия BLE-устройств находится в пределах десятка метров (прим. переводчика – эти проблемы пытаются решить с выходом версии Bluetooth 5.0 с поддержкой ячеистых сетей).
Wi-Fi
Среди протоколов, упомянутых в данном обзоре, Wi-Fi стоит несколько особняком – он никогда не разрабатывался как протокол для автоматизации домов, зданий и тому подобного. Высокая скорость передачи данных и значительное энергопотребление существенно ограничивают применение данной технологии для автономных устройств и устройств домашней автоматики. В то же время Wi-Fi есть практически в каждом доме – зачем строить новую сеть, если сеть уже есть? В случае с Wi-Fi разработчикам достаточно разработать продукты, которые просто работают в уже существующей сети.
Из-за более сложного и объемного стека протоколов Wi-Fi требует значительных вычислительных ресурсов, и, как следствие, отличается увеличенным энергопотреблением, что в идеальном варианте заставляет предусмотреть постоянный источник питания для узла. В условиях дома при необходимости можно обеспечить таким источником нужное количество узлов. И, несмотря на изначально нецелевое применение Wi-Fi, его можно рассматривать как стандарт домашней автоматизации для многих классов задач.
Заключение
Можно сказать, что домашняя автоматизация находится в авангарде процесса внедрения и апробации IoT. Разработчикам в данной области доступно множество платформ и технологий. Какая сетевая технология подходит – зависит от конкретной задачи и ее условий. Нет правильного или ошибочного ответа, есть только вопрос: что наиболее подходит в данной ситуации.
Совместимость, подключение к Интернету, малое энергопотребление или наиболее оптимальное использование ресурсов? Ответ на каждый из поставленных вопросов даст разное решение.
Если требуемый ответ – совместимость, то наиболее подходящий вариант – Z-Wave. Имеются в наличии тысячи продуктов от сотен производителей. Пожалуй, на рынке на текущий момент нет более развитой инфраструктуры. Помимо этого, Z-Wave предлагает малое энергопотребление, ячеистую топологию сети, высокий уровень надежности.
Если ключевое условие – подключение к Интернету с ориентацией на будущие сервисы, то стоит обратить внимание на Thread. Поддержка основных игроков отрасли дает надежду на развитие инфраструктуры в ближайшем будущем. В этом может помочь поддержка IEEE 802.15.4 как стандарта физического уровня и возможность сосуществования или интеграции с сетями ZigBee. Нативная поддержка IPv6-адресации делает Thread отличным выбором для интеграции с облачными приложениями и сервисами. Малое энергопотребление и поддерживаемые топологии сети позволяют Thread справляться с большинством задач по автоматизации дома.
Если потребление энергии является критическим, вполне может подойти стандарт BLE, так как в целом он на текущий момент обеспечивает самое малое энергопотребление. А это может быть важно для тех датчиков, которые находятся в удаленных или труднодоступных местах, куда нет возможности провести стационарное питание. BLE также решает проблему с доступом к таким датчикам: управлять ими или получать с них данные можно прямо со смартфона или планшета, то есть без дополнительного устройства-шлюза.
Наконец, если система автоматизации строится на базе существующей локальной сети дома или требуется высокая пропускная способность, например, для IP-камеры, то, вероятнее всего, ваш выбор – Wi-Fi. Главный недостаток Wi-Fi – его «прожорливость», но во многих случаях и это можно обойти, подведя стационарное питание и установив достаточно мощный резервный блок. Доступ к домашней сети из облачных приложений также не составит особых проблем.
Эти рекомендации, конечно же, являются довольно общими. Ряд функций и возможностей рассмотренных технологий перекрываются, и в связи с этим важно для каждого случая анализировать требования и изучать стандарты. Независимо от вашей задачи найдется один или несколько протоколов, которые будут иметь достаточное сочетание функций и возможностей для ее решения.
Статью подготовил и перевел Калачев Александр, г. Барнаул,
по материалам журнала «Electronics information update».
