Протоколы связи для "умного дома"

1-Wire

Пожалуй, самый банальный способ связать все устройства воедино — это взять на вооружение стандарт 1-Wire. Дело в том, что основной магистралью для передачи данных здесь выступает двунаправленная шина, которая в простейшем случае выглядит как двужильный провод. Другими словами, при создании сети можно обойтись даже дешевым телефонным кабелем. Один провод в данном случае используется для питания и передачи данных, другой — для заземления. Топология сети — общая шина, т. е. ведомые устройства буквально «нанизываются» на единый кабель, как бусины на нить. Конечно, сеть 1-Wire не обязана выглядеть топорно: можно взять за основу качественную «витую пару» или FireWire-кабель, а компоненты подключить через RJ-розетки. Собственно, чем добротнее организована сеть, тем большую протяженность она может иметь: в идеальных условиях это значение достигает 300 метров. Тем не менее, главная «фишка» данного стандарта — дешевизна и неприхотливость. Есть у него и негативная характеристика — низкая отказоустойчивость.

«Гирлянда» из устройств 1-Wire, как правило, подключается к компьютеру — для этого используются специальные адаптеры. Реже управление сетью отдается на откуп микроконтроллеру. Обычно список используемых компонентов 1-Wire ограничивается датчиками температуры, освещенности, влажности и протечки, а также электрическими розетками, способными включаться и отключаться по команде. В некоторых случаях данное решение также используется для управления освещением. В целом, 1-Wire подойдет экономным пользователям, которые не предъявляют серьезных требований к функционалу умного дома.

X10

X10 — стандарт, разработанный еще в далеком 1975 году. Пик его популярности уже позади, но, тем не менее, он по-прежнему активно используется при проектировании умных домов. Секрет подобной живучести — необычайная универсальность при относительно низкой стоимости. В отличие от 1-Wire, X10 не требует прокладки специального кабеля: для передачи сигнала используется электропроводка здания. Также предусмотрена возможность использования трансиверов, которые ловят радиосигнал от беспроводных устройств, преобразуют его в нужный формат и передают в электрическую сеть. Данная функция используется для взаимодействия с датчиками и пультами ДУ.

X10 может похвастаться обилием всевозможных исполнительных модулей (актуаторов): при их должной подборке, автоматика способна управлять электроприборами, освещением, отоплением, вентиляцией и охранными системами. Можно даже заставить ваш дом самостоятельно осуществлять полив растений и регулировать степень открытия оконных штор на основании различных факторов. Для корректной работы всего этого добра необходимы специальные контроллеры. Как правило, их можно единожды запрограммировать с помощью компьютера, и в дальнейшем они будут выступать в качестве независимых устройств.

Серьезным недостатком X10 является низкая скорость передачи данных, из-за которой отклик на какое-либо действие происходит с секундной задержкой. Ну, а поскольку команды передаются последовательно, то, скажем, организовать сложное динамическое освещение посредством данного протокола практически невозможно. Кроме того, для использования X10 может потребоваться незначительная доработка электропроводки.

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. Актуаторы в данном случае отличаются разнообразием и позволяют под завязку «упаковать» дом нетривиальным функционалом.

С программно-аппаратной точки зрения KNX хорош — это серьезный стандарт для решения серьезных задач. Вот только он плохо подходит для энтузиастов-одиночек: оборудование стоит дорого и связать его воедино непросто. Ну а если доверить проектирование и монтаж KNX-решения специалистам, то итоговая стоимость проекта будет совсем уж неприличной.

Wi-Fi

Вездесущий Wi-Fi используется практически в каждом умном доме. Обычно этот стандарт связи применяется для того, чтобы подружить смартфон или планшет с уже готовой автоматизированной системой. Мобильное устройство всегда под рукой, а потому управлять домом с его помощью, порою, 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 — лампочка LIFX. В последнее время подобные устройства набирают популярность, ведь они позволяют приобщиться к технологиям умного дома, не тратя время и силы на установку вспомогательного оборудования. Для сложных систем автоматизации Wi-Fi не подходит: модули связи этого стандарта дороги и очень прожорливы, а демонстрируемые ими скорости в рамках умного дома попросту не востребованы.

ZigBee

ZigBee — протокол связи по радиоканалу, превосходно вписывающийся в концепцию умного дома. Во-первых, стандарт позволяет создавать датчики с низким энергопотреблением и превосходной отзывчивостью: большую часть времени их беспроводные модули находятся в спящем режиме, но на пробуждение последних тратится всего 15 миллисекунд.  Во-вторых, ZigBee поддерживает ячеистую топологию сети, при которой отдельные компоненты могут выступать в качестве посредника, передающего сигнал от одного устройства к другому. Подобная структура способна к самоорганизации и самовосстановлению, выход из строя одного-двух элементов, как правило, не приводит к серьезным последствиям. Ячеистая топология также позволяет существенно увеличить область покрытия беспроводной сети, так что при грамотном подходе ZigBee можно использовать для автоматизации не только жилых домов, но и крупных рабочих помещений.

Компоненты сети разделяются на три типа: координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства. Первые берут на себя функции управления сетью, т. е. в системе обязательно должен присутствовать хотя бы один координатор. В роли маршрутизаторов выступают устройства-посредники. Они обязаны быть «на взводе» постоянно, и потому нуждаются в питании от электросети. Конечные устройства — это всевозможные датчики и контроллеры исполнительных устройств. Они могут работать от комплекта батареек месяцами и даже годами.

В целом, ZigBee подходит для решения всех типовых задач, связанных с проектированием умного дома. При этом стоимость оборудования можно назвать умеренной, да и процесс монтажа относительно прост. Впрочем, есть у стандарта и небольшой минус: ZigBee-устройства разных производителей нередко оказываются несовместимыми.

Z-Wave

Z-Wave — протокол беспроводной связи, который во многом схож с ZigBee — здесь и низкое энергопотребление, и поддержка ячеистой топологии сети. Эти стандарты также сопоставимы по стоимости оборудования. Разумеется, при детальном изучении протоколов можно обнаружить некоторые различия в технической части, однако куда важнее тот факт, что их разработчики по-разному относятся к вопросу стандартизации. У Z-Wave с этим строго: все устройства, вне зависимости от фирмы-производителя, базируются на беспроводных модулях Sigma Designs (именно эта компания разработала протокол). Как следствие, все они совместимы друг с другом. Также для данного стандарта выпущено меньше программного обеспечения, нежели для ZigBee, но зато оно гарантированно работает с любым оборудованием Z-Wave.

Таким образом, Z-Wave — это конструктор LEGO от мира умных домов. Да, это не самый дешевый и не самый надежный вариант, но для тех, кто хочет самостоятельно автоматизировать свое жилище, он подойдет как нельзя кстати.

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.