Существует несколько платформ и протоколов, с помощью которых связываются подсистемы умного дома:
a) 1-Wire
1-Wire — двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода — один общий (GND), а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания).
Обычно используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими, как, например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды.
Устройство 1-Wire может находиться как на печатной плате вместе с устройством управления, так и отдельно. Иногда они предназначены лишь для поддержки устройств 1-Wire, но во многих коммерческих приложениях устройство 1-Wire — просто один из чипов, создающих нужное решение. Иногда они присутствуют, например, в аккумуляторных батареях ноутбуков и сотовых телефонов.
Некоторые лабораторные системы и другие системы сбора данных и управляющие системы подключают к устройствам 1-Wire, используя шнуры с электрическим соединителем или с витой парой, с устройствами, установленными в разъём, включёнными в небольшую печатную плату, или присоединёнными к исследуемому объекту. В таких системах популярен разъём RJ11.
Системы датчиков и приводов могут быть связаны компонентами 1-Wire, каждый из которых включает в себя всё необходимое для функционирования шины 1-Wire. В качестве примера можно привести термометрию, таймеры,
датчики напряжений и токов, контролирование батарей, и память. Они могут быть подключены к ПК с помощью последовательных интерфейсов USB, RS-232, или параллельного интерфейса (LPT).
b) X10
X10 — международный открытый промышленный стандарт, применяемый для связи электронных устройств в системах домашней автоматизации. Стандарт X10 определяет методы и протокол передачи сигналов управления электронными модулями, к которым подключены бытовые приборы, с использованием обычной электропроводки или беспроводных каналов.
Стандарт X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics для управления домашними электроприборами.
Для связи модулей сети X10 используется обычная домашняя электрическая сеть. Закодированные цифровые данные передаются c помощью радиочастотного импульса вспышки частотой 120 кГц, длительностью 1мс и синхронизированы с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. За один переход через нуль передаётся один бит информации. Сами модули сети обычно просто вставляются в розетку, хотя существуют более сложные встраиваемые модули, например, заменяемые розетки, выключатели и пр.
Передаваемый по сети пакет состоит из адреса и команды, отправляемых контроллером управляемому модулю. Более сложные контроллеры также умеют опрашивать такие же управляемые модули об их статусе. Этот статус может быть достаточно простым («включено» или «выключено»), указывать числовое значение (текущее значение яркости, температура или данные с других датчиков).
Вне зависимости от среды передачи (электрическая сеть или радиосигнал), пакеты X10 состоят из:
· 4 бита — код дома;
· 4 бита — код модуля (может быть задано несколько модулей);
· 4 бита — команда.
Во избежание путаницы и удобства пользователей код дома задаётся латинскими буквами от A до P, а код модуля — цифрами от 1 до 16.
Когда сеть X10 установлена, каждый модуль настраивается таким образом, чтобы откликаться на один из 256 возможных адресов (16 кодов домов × 16 кодов модулей = 256). Каждый модуль реагирует только на команды, отправленные непосредственно ему и на несколько широковещательных команд.
Например, по сети может прийти сообщение вида: «модуль A3» а за ним команда «включиться» (turn on), что заставляет модуль A3 включить подсоединённое к нему устройство. Управление несколькими модулями осуществляется сообщением вида: «модуль A3», «модуль A15» и «модуль A4», а затем команда «включиться». Результат — все вышеперечисленные модули должны включить подключённые к ним устройства.
Стоит отметить, что нет ограничения на использование более чем одного кода дома в случае перечисления, однако, широковещательные команды вида «включить весь свет» или «выключить все модули» влияет только на модули с одним кодом дома. Таким образом, коды домов могут быть использованы для разделения сети X10 на отдельные зоны.
Для обеспечения работы беспроводных пультов, переключателей и прочих устройств был разработан протокол использования радиоканала. Беспроводные устройства передают по радио пакеты данных, почти идентичные передаваемым по проводной сети. Для передачи используется частота 310 МГц в США и 433 МГц в Европе. Ресивер, подключённый к обычной электросети, транслирует полученные по радио команды в стандартную сеть X10.
c) KNX
KNX — дорогостоящий вариант, пользующийся популярностью в Европе. Стандарт характеризуется обилием заложенных в него функций, а также сложностью проектирования и монтажа. В качестве среды для передачи данных протокол KNX может использовать шину (витую пару), электрическую сеть или радиоканал. Чаще всего применяется первый вариант, нередко необходимые провода прокладываются совместно с силовыми кабелями еще на этапе строительства. Стандарт предусматривает различные варианты топологии сети. Итоговая система обязана иметь собственный источник питания, но при этом в ней может отсутствовать центральный контроллер, т. е. KNX позволяет создавать децентрализованные решения, в которых сенсоры и исполнительные модули взаимодействуют напрямую. Протокол подходит для автоматизации крупных зданий, в одну сеть можно объединить до 58000 устройств.
d) Wi-Fi
Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводное качество» или «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.
Wi-Fi используется практически в каждом умном доме. Обычно этот стандарт связи применяется для того, чтобы связать смартфон или планшет с уже готовой автоматизированной системой. Мобильное устройство всегда под рукой, а потому управлять домом с его помощью, удобнее, чем использовать для этой цели компьютер, настенную сенсорную панель, пульт ДУ или интерпретатор речи. Особенно это актуально в тех случаях, когда для взаимодействия с системой предусмотрено специальное приложение, а не только веб-интерфейс.
Иногда Wi-Fi применяется для связи с устройствами, которые могут функционировать автономно, без помощи «умной» сети. Пример такого гаджета — светодиодная Wi-Fi лампочка. В последнее время подобные устройства набирают популярность, ведь они позволяют приобщиться к технологиям умного дома, не тратя время и силы на установку вспомогательного оборудования.
e) ZigBee
ZigBee — стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей, таких как, например, беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети.
Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений — профили приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации.
f) Z-Wave
Z-Wave — это беспроводная радио технология с низким энергопотреблением, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд с малыми задержками (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обусловлен малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от загруженного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к мероприятиям, уменьшающим возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств — Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth).
Z-Wave предназначен для создания недорогой и энергоэффективной потребительской электроники, в том числе устройств на батарейках, таких как пульты дистанционного управления, датчики дыма, температуры, влажности, движения и других датчиков безопасности.
По состоянию на 2014 год, Z-Wave поддерживается более чем 250 производителями по всему миру и покрывает широкий спектр потребительских и коммерческих продуктов в США, Европе и Азии. Нижние слои протокола, MAC и PHY, описываются ITU-Т G.9959 и полностью обратно совместимы. Радио чипы Z-Wave поставляются компаниями Sigma Designs и Mitsumi. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой. Совместимость подтверждается процессом сертификации Z-Wave или Z-Wave Plus.
В основе решения Z-Wave лежит ячеистая сеть (mesh сеть), в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы. Mesh это самоорганизующаяся сеть с маршрутизацией, зависящей от внешних факторов — например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия.
g) Insteon
Insteon пользуется большой популярностью в США, однако в Европу и Россию он пришел совсем недавно. Фактором, сдерживающим распространение, стала несовместимость изначальной версии протокола с нашими электросетями: как и X10, Insteon использует проводку здания для передачи сигналов. Однако, в отличие от устаревшего конкурента, новый стандарт также поддерживает связь по радиоканалу, причем проводная и беспроводная сеть функционируют одновременно, дополняя друг друга и существенно повышая надежность автоматизированной системы. Кроме того, у Insteon нет проблем с отзывчивостью, свойственных X10.
К плюсам Insteon также можно отнести ячеистую топологию сети и совместимость с устройствами X10: есть возможность постепенно перейти со старого стандарта на новый. Интересная особенность — возможность организовать работоспособную сеть без использования центрального контроллера. Конечно, в этом случае функционал умного дома будет сильно ограничен, но сам факт радует.
С точки зрения проектирования, заморский гость схож с Z-Wave: все жестко стандартизировано, значительная часть оборудования выпускается под брендом Insteon самими создателями протокола — фирмой Smartlabs. Систему для умного дома на основе нового стандарта можно собирать постепенно, докупая необходимые компоненты по ходу. В общем, Insteon хорош. К его минусам можно отнести разве что проблемы с доступностью нужного оборудования в России.
Передающие среды
Система «умный дом» предусматривает использование четырех сред передачи данных: отдельная шина (витая пара), электропроводка, радиоканал и IP-сеть. Нельзя сказать, что они равноправны: как правило, витая пара стоит во главе, а остальные варианты являются вспомогательными либо отсутствуют вовсе. Шинное соединение позволяет использовать различные варианты топологии сети и объединять большое количество устройств, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.