Protokoły komunikacji w inteligentnym domu

Podstawą działania Internetu rzeczy jak i inteligentnego domu, jest wymiana informacji między nadajnikiem (sensorem, np. czujnik ruchu, wilgotności, lokalizacji czy temperatury) a odbiornikiem (np. centralą, smartfonem, komputerem, chmurą czy bramą garażową) oraz reakcja na zaistniałe sygnały. Opierać się ona na może przykładowo na łączności Wi-Fi, Bluetooth, NFC oraz Z-wave (w inteligentnych domach).

Opis działania i wymiana informacji. Źródło: [Raport Internet rzeczy w Polsce, s.10]

Należy jednak zauważyć, że nie wszystkie urządzenia systemu muszą być bezpośrednio podłączone do Internetu. Niektóre przedmioty, jak na przykład czujniki, komunikują się między sobą bezprzewodowo, poprzez zlokalizowaną sieć, w układzie M2M (maszyna-do-maszyny), a następnie przesyłają dane do centrali, która to jest podłączona do Internetu.

Należy również zwrócić uwagę na bezpieczeństwo łączności wszystkich urządzeń systemu, ponieważ istnieje ryzyko przechwytywania danych, a tym samym nawet przejęcie całego systemu przez hakera

Protokoły komunikacji

Protokoły komunikacyjne są niezwykle ważne w Smart Home. To one pozwalają działać całemu systemowi. Muszą spełniać wymogi szyfrowania i zabezpieczenia, być energooszczędne. Większość z nich daje możliwość sterowania przez Internet ze smartphone, tabletu lub komputera, a lokalnie za pomocą inteligentnego głośnika, bezprzewodowego pilota lub centrali systemu.

Protokołów komunikacyjnych jest wiele, jedne z nich to te przewodowe, takie jak X10, obecnie wyparty z rynku przez KNX. Cechą charakterystyczną jest używanie przez standard istniejącej sieć elektrycznej do komunikowania się urządzeń w systemie. Jest on oparty na europejskich protokołach: EHS, EIB i BatiBUS, co daje dużą popularność na Starym Kontynencie. Jest w stanie łączyć instalacje przykładowo elektryczne, teletechniczne, alarmowe, monitoringu czy HVAC. W systemie opartym na KNX nie jest potrzebna centrala dzięki temu, że każdy element systemu posiada procesor i elementy niezbędne do samodzielnej pracy. Dlatego z wyjątkiem uszkodzonego elementu magistralnego inteligentny dom działa poprawnie. Największą popularnością cieszą się bezprzewodowe protokoły komunikacji, ponieważ są łatwe do implementacji w praktycznie każdych warunkach i nie potrzebują pomocy ekspertów do zamontowania. Poniżej zaprezentuję najpopularniejsze rozwiązania bezprzewodowej komunikacji, takie jak Z-wave, ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth oraz Internet mobilny. Należy zwrócić uwagę na mnogość rozwiązań, które aż przytłaczają niezorientowanych użytkowników, takich jak choćby BACnet, Insteon, EnOcean czy Thread firmy Google. Wszystko to komplikuje się jeszcze bardziej, gdy w systemie są wykorzystane urządzenia różnych firm. Część producentów stawia na swoje własne standardy, które najlepiej działają wtedy, gdy wszystkie urządzenia noszą to samo logo. Na szczęście zmieniło się to w sytuacji, kiedy powstały nowe standardy komunikacji oraz kiedy zyskały one na popularności.

Z-wave

Logo Z-wave

Z-wave jako protokół komunikacyjny używa topologii mesh, tak zwanej sieci kratowej. Wykorzystuje niskoenergetyczne fale radiowe do wysyłania między urządzeniami informacji. Jest jednym z najczęściej stosowanych protokołów komunikacji w inteligentnych domach. Został opracowany przez duńską firmę Zensys, a wprowadzony na rynek w 1999 roku, zaprojektowany, aby zapewnić niezawodną transmisję małych pakietów danych o małych opóźnieniach z szybkością do 100 kilobit na sekundę. Międzynarodowym zakresem częstotliwości radiowych używanym w protokole jest 800-900 MHz z zasięgiem do 100 metrów w warunkach idealnych, lecz w różnych rejonach świata używane są inne częstotliwości, dlatego przy sprowadzaniu urządzeń z innych rynków należy upewnić się, że działają w paśmie obsługiwanym przez zakupioną przez nas centralę. Poniżej przedstawiono dokładną tabelę:

Częstotliwość w MHzZastosowanie
921,4
919,8
Australia, Nowa Zelandia, Malezja
919,8
921,4
Brazylia
868,40
868,40
869,85
Kraje CEPT (Europa i inne kraje w regionie), Gujana Francuska
919,8
921,4
Chile, Salwador, Peru
868,4Chiny, Singapur, Południowa Afryka
919,8Hongkong
865,2Indie
869Rosja
916Izrael
920 – 925Tajwan
922 – 926Japonia, Tajwan
920 – 923Tajlandia
919 – 923Korea Południowa
908,4
908,42
916
USA, Kanada, Argentyna, Gwatemala, Bahamy, Jamajka, Barbados, Meksyk, Bermudy, Nikaragua, Boliwia, Panama, Brytyjskie Wyspy Dziewicze, Surinam, Kajmany, Trinidad i Tobago, Kolumbia, Turks i Caicos, Ekwador, Urugwaj
Tabela obsługiwanych częstotliwości zależnie od rejonu świata.

W 2005 roku powstało formalne stowarzyszenie skupiające się zarówno na rozbudowie Z-Wave, jak i na ciągłej współpracy dowolnego urządzenia wykorzystującego Z-Wave w standardzie. Dzięki temu protokół zyskał na popularności. W październiku 2013 r. ogłoszono nowy program certyfikacji protokołu i interoperacyjności o nazwie Z-Wave Plus, oparty na nowych funkcjach i nowych standardach wymagań dla systemu. Już w lutym 2014 roku uzyskał go pierwszy produkt. Obecnie stowarzyszenie skupia 700 członków. Głównymi członkami sojuszu są ADT Corporation, Alarm.com, Assa Abloy, FIBARO, Huawei, Ingersoll Rand, Jasco, Leedarson, LG Uplus, Nortek Security & Control, Silicon Labs i SmartThings Samsunga. Standard Z-Wave jest zoptymalizowany dla urządzeń zasilanych bateryjnie i przez większość czasu pozostaje w trybie oszczędzania energii, budząc się tylko w celu wykonywania swojej funkcji. 17 listopada 2016 r. Z-Wave Alliance ogłosił wyższe standardy bezpieczeństwa dla urządzeń wspierających certyfikację Z-Wave. Zapewnia on zaawansowane zabezpieczenia dla inteligentnych urządzeń domowych. Podnosi standardy szyfrowania dla transmisji między czujnikami i wymaga nowych procedur parowania dla każdego urządzenia, z unikalnym kodem PIN lub kodami QR na każdym urządzeniu. Nowa warstwa uwierzytelniania ma zapobiegać przejęciu przez hakerów kontroli nad niezabezpieczonymi lub słabo zabezpieczonymi urządzeniami. Według Z-Wave Alliance nowy standard bezpieczeństwa jest najbardziej zaawansowanym zabezpieczeniem dostępnym na rynku dla urządzeń inteligentnego domu.

W przypadku sieci bezprzewodowych w inteligentnym domu istnieje wiele technologii konkurujących, aby stać się pierwszym standardem wyboru konsumenta. Wi-Fi zużywa dużo energii, a Bluetooth ma ograniczony zasięg sygnału i liczbę urządzeń. Z-Wave ma długi zasięg działania na wolnym powietrzu na poziomie 90 metrów (na zewnątrz) i powyżej 24 metrów (wewnątrz budynku). Standard Thread działa na ruchliwej częstotliwości Wi-Fi 2,4 GHz, podczas gdy Z-Wave działa np. w Europie na 868,40,     868,40 lub 869,85 MHz, co ma zmniejszyć szum i zwiększyć obszar zasięgu. Zaletą Z-wave jest także komunikowanie się z urządzeniami nawet kiedy połączenie internetowe zawodzi. Obliczenia i operacje w systemie wykonywane są lokalnie za pośrednictwem centrali, a potem przesyłane na serwer, w przeciwieństwie do systemów opartych na rozwiązaniach cloud2cloud lub Wi-Fi. Każde urządzenie Z-wave komunikuje się z centralą inteligentnego domu, będąc zarazem przekaźnikiem sygnału dla innych urządzeń. Umożliwia to zbudowanie bezprzewodowej sieci o dużo większym zasięgu niż konkurencyjne standardy.

Aby być pewnym, czy nasze urządzenie wspiera ten standard komunikacji, należy na czujnikach poszukiwać jego logo. Urządzenie musi być „włączone” do sieci Z-Wave, zanim będzie mogło być kontrolowane przez Z-Wave. Ten proces (znany również jako „parowanie” lub „dodawanie”) zwykle osiąga się przez naciśnięcie sekwencji przycisków na kontrolerze i na urządzeniu dodawanym do sieci. Sekwencja ta musi być wykonana tylko raz, po czym urządzenie jest zawsze rozpoznawane przez kontroler. Urządzenia można usunąć z sieci Z-Wave w podobny sposób.

Dodatkowe informacje jak zachowuje się Z-wave w centrali SmartThings są opisane tutaj.

ZigBee

Logo ZigBee

ZigBee to kolejny protokół komunikacyjny używany w automatyce domowej. Powstał w 1998 roku, a pierwsza wersja została ratyfikowana 14 grudnia 2004 roku. Charakteryzuje się topologią siatki, specyfikacją opartą na IEEE 802.15.4 – dzięki czemu posiada udogodnienia w prowadzeniu bezpiecznej komunikacji (zastosowanie szyfrowania i kluczy kryptograficznych), niski poziom poboru energii, zasięg między węzłami wynosi do 100 metrów (w warunkach idealnych). Posiada transmisję w pasmach 784 MHz (w Chinach), 868 MHz (w Europie), 915 MHz (w USA i Australii) oraz w każdym z regionów 2,4 GHz. W paśmie 2,4 GHz przewidziano 16 kanałów szerokości 5 MHz. Korzysta z niskich przepustowości 20 kilobit na sekundę w paśmie 868 HMz oraz do 250 kilobit na sekundę w paśmie 2,4 GHz.

Urządzenia w sieci dzielą się na 3 typy:

  • koordynator (ZigBee Coordinator)

W każdej sieci występuje tylko raz, służy jako węzeł początkowy, gdzie są podpinane kolejne urządzenia w sieci. Zbiera on informacje z całej sieci. W SmartHome takim urządzeniem jest centrala systemu.

  • router (ZigBee Router)

Przekazuje dane dalej, umożliwia multi-hop routing, czyli wiele przekazów pakietów danych.

  • urządzenie końcowe (ZigBee End Device)

Urządzenie – czujnik, który przesyła dane do centrali, do której jest podłączony, nie musi być połączone cały czas (możliwość usypiania) w celu zmniejszenia zużycia energii.

          Standard komunikacji ZigBee jest wpierany przez stowarzyszenie ZigBee Alliance. Zrzesza ona 150 firm z całego świata, które wspólnie rozwijają protokół komunikacji. Powstało w 2002 roku. Termin Zigbee jest zastrzeżonym znakiem towarowym tej grupy, a nie pojedynczym standardem technicznym. Zigbee Alliance ma trzy poziomy członkostwa: Adopter, Participant, and Promoter.

  • Adopter (Naśladowca) – mają dostęp do wypełnionych specyfikacji i standardów Zigbee. Są nimi np. D-Link i setka innych firm.
  • Participant (Uczestnik) – mają prawo głosu, odgrywają rolę w rozwoju standardu oraz mają szybki dostęp do specyfikacji i standardów rozwoju. Są nimi np. Amazon Lab126, T-mobile, GE, IKEA, OSRAM, Bosch, Samsung, Simens, Toshiba, ZF i kilka innych.
  • Promoter (Promotor) – członkowie zarządu w stowarzyszeniu. Są nimi COMCAST, Somfy, Landis+Gyr, MMB Networks i Schneider Electric.

Najczęściej stosowany jest w sieciach sensorycznych i personalnych, systemach alarmowych, monitoringu i przemysłowych oraz w inteligentnych domach. Urządzenia, aby przejść certyfikację, muszą posiadać żywotność baterii co najmniej dwa lata. Aby się dowiedzieć, czy urządzenie wspiera standard ZigBee, należy szukać na jego opakowaniu loga standardu.

WiFi

Logo

Standard komunikacji Wi-Fi jest również wykorzystywany do łączenia czujników, lecz częściej jako połączenie centrali z routerem, który ma dostęp do Internetu. Protokół komunikacji ma wiele zalet jak i wad, przez co nie jest idealnym rozwiązaniem do budowy systemu automatyki domowej. Posiada zalety, takie jak dużej szybkości transmisje danych, w porównaniu do Z-wave i ZigBee, łatwość połączenia, mobilność, szeroki zasięg. Wadami, gdzie powstały i spopularyzowały się inne protokoły komunikacji, a nie właśnie Wi-Fi są np. jego pasmo radiowe. Korzysta z 2,4GHz, wchodząc w konflikt z innymi sieciami Wi-Fi np. sąsiadów oraz też z Bluetooth. Czasami (szczególnie w miastach) połączenia mogą być wzajemnie zakłócane przez dużą liczbę urządzeń działających na tych samych kanałach. Połączenia na duże odległości nie są stabilne i są podatne na zakłócenia. W porównaniu do standardu Z-wave i ZigBee pobiera więcej energii, co zmniejsza czas czuwania czujnika zasilanego bateryjnie.

Przykład użycia wielu protokołów komunikacyjnych w jednej sieci.

Ile urządzeń może znajdować się w sieci Z-Wave lub ZigBee ?

  • Z-Wave: do 232 urządzeń. Kontroler liczy się do całkowitej liczby urządzeń w sieci; innymi słowy, do 231 urządzeń można połączyć z jednym hubem SmartThings.
  • ZigBee: Sieci ZigBee nie mają konkretnego ograniczenia liczby urządzeń. Niektórzy użytkownicy mogą mieć setki urządzeń lub więcej w jednej sieci. Większe sieci będą jednak wymagać repeaterów bezprzewodowych, aby zapewnić łączność oraz optymalny zasięg i siłę sygnału.

59 myśli w temacie “Protokoły komunikacji w inteligentnym domu

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s