 |
Основные типы систем связи применяемые в системах «умный дом»
|
|
|
|
· Z-Wave
· ONE-NET
· LonWorks
· Insteon RF
Z-Wave является запатентованным беспроводным протоколом связи, разработанным для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления в жилых и коммерческих объектах. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как осветительные приборы, приборы отопления, устройства контроля доступа, развлекательные системы и бытовую технику.
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[1][2] 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.
Радиохарактеристики:
- Пропускная способность: 9.6, 40 или 100 кбит/с с полной совместимостью
- Модуляция: GFSK, Manchester channel encoding и NRZ[7]
- Радиус действия: приблизительно 30 метров в условиях прямой видимости; в помещении уменьшается в зависимости от формы и материала стен. Также зависит от вида антенны.
- Частотный диапазон: 869.0 МГц (Россия); 908.42МГц (Соединенные Штаты); 868.42 МГц (Европа и страны CEPT); 919.82 МГц (Гонконг); 921.42 МГц (Австралия / Новая Зеландия)..[8]
В Европе частотная полоса 868 МГц имеет ограничение в 1 % рабочего цикла, таким образом, Z-Wave устройство может передавать только 1 % времени. Z-Wave устройства могут находиться в режиме энергосбережения и активны только 0,1 % времени, таким образом существенно снижая потребление энергии.
Преимущества
1. 4,3 млрд зашифрованных кодов безопасности для предотвращения клонирования;
2. Используемый сетевой протокол обеспечивает надежность;
3. Удаленный мониторинг (через Интернет или мобильный телефон);
4. Не требует прокладки новых кабелей;
5. Масштабируем и расширяем в любой момент новыми устройствами;
6. Может быть построен с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом;
|
|
|
7. Гарантирует совместимость со всеми устройствами от разных производителей, имеющих соответствующий логотип Z-Wave.
Недостатки
1. Хотя технология Z-Wave является интересным решением, особенно для уже построенных домов, низкая скорость передачи данных исключает передачу изображений, звука и других данных;
2. Кроме того, для решений где требуется более 30 устройств, Z-Wave начинает становиться более дорогим, чем кабельные системы;
3. Из-за своих конструктивных особенностей, такие системы имеют ограниченные масштабы и радиус действия, и требуют использования повторителей или даже кабелей.
One-Net — Первый Открытый Протокол беспроводной сети передачи данных, разработанный для целей автоматизации зданий и управления распределёнными объектами. One-Net может быть использован со множеством существующих приемопередатчиков (трансиверов) и микроконтроллеров от самых разных производителей.
Протоколы
Соединения типа «звезда» подходят для самых простых приложений, обладают минимальной стоимостью, максимально низким энергопотреблением и позволяют использовать стратегию стандартного множественного доступа. В каждой сети с топологией «звезда» имеется один координатор (мастер) сети, который задаёт адрес и любые другие параметры сети для каждого вновь добавленного узла. При организации одноранговой или пиринговой (peer-to-peer) сети координатор назначает всем устройствам сети равные права. При этом каждый элемент сети является как клиентом, так и сервером. Поэтому оконечные устройства могут общаться непосредственно друг с другом, даже если координатор удалён из сети. Принимающему элементу не требуется знать, что он является частью P2P-соединения, настроенного координатором. Он просто реагирует на запросы устройства, которое к нему обращается, поэтому принимающий модуль может быть частью многих P2P-соединений. Каждое устройство сети One-Net может поддерживать от 4 до 15 одноранговых соединений.
При многоячейковой топологии в случае возникновения препятствия на пути сигнала от одного узла к другому(железобетонная или металлическая преграда и т.п.) выбирается альтернативный маршрут передачи данных, в результате чего сеть самовосстанавливается. Увеличение концентрации сетевых узлов повышает защищённость и надёжность системы. Для организации многоячейковой сети One-Net используются ретрансляторы. Ретрансляторы представляют собой оконечные устройства, обнаруживающие так называемые «мультихоповые» пакеты данных и повторяющие их для увеличения дальности передачи сообщений. Поскольку ретрансляторы должны следить за наличием в сети мультихоповых пакетов, они постоянно находятся в активном режиме и для обеспечения бесперебойного функционирования должны работать от сети электропитания. Мультихоповый пакет данных в сетях One-Net имеет собственный идентификационный номер, поэтому его нельзя спутать с обычным пакетом. Таким образом, ретрансляторы могут передавать пакеты без дополнительных пауз, появляющихся при передаче без ретрансляторов. Мультихоповый пакет содержит поле длиной в три бита, в котором задаётся оставшееся число ретрансляций сигнала. Благодаря этому время передачи остаётся постоянным и предотвращается «блуждание» пакета по сети. Другие три бита отвечают за максимальное количество прыжков (хопов). Эти данные необходимы для получателя, чтобы он знал, сколько было ретрансляций. При обнаружении и приёме ретранслятором мультихопового пакета количество оставшихся прыжков уменьшается, и если значение больше нуля, то происходит ретрансляция пакета.
|
|
|
Для доступа к каналу используется хорошо отработанный в сети Ethernet механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA),основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, что позволяет существенно сократить конфликты, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Попытка передачи данных всегда начинается с «прослушивания» эфира. Если канал занят (несущая обнаружена), попытка передачи данных возобновляется через 5 мс. Передача сообщения производится после обнаружения свободного канала. При возникновении конфликта данные считаются утерянными и повторная передача происходит через интервал времени от 2 до 10 мс в зависимости от приоритета сообщения. После восьми неудачных попыток принимается решение о том, что данные передать не удалось. Каждое передающее устройство освобождает канал после передачи одного пакета данных, чтобы другие устройства имели возможность участвовать в работе сети. [1]
|
|
|
Размер сети (количество узлов): 2¹² с возможностью объединения
Расстояние между узлами в помещении (вне помещения): 100 м (500 м)
Стандарт OneNet использует нелицензируемые диапазоны частот (ISM) В России при использовании трансиверов в системах охранной радиосигнализации диапазон 865…868 МГц также не требует лицензирования. [2]
Скорость передачи данных: 38,4 — 230 Кбит/с
Питание
One-Net рассчитан на низкое энергопотребление и может работать, к примеру, от внешнего аккумулятора. Маломощные устройства (датчик открывания окна, датчик уровня влажности и т. д.) могут работать 3-5 лет от щелочного элемента типа АА или ААА.
Безопасность
В настоящее время используется алгоритм XTEAXX, где XX – число циклов шифрования. При покадровой и поблочной передаче используется метод XTEA32, при потоковой передаче данных – XTEA8. По причине того, что Потоковая Транзакция осуществляется в реальном времени, к ней должен применяться метод шифрования, отличный от тех, которые применяются для Простой и Блочной Транзакций. Применяется отдельный ключ для шифрования. Не зашифрованных модулей нет.
Доступность
One-Net является полностью открытым для использования всем желающим разработчикам - One-Net основан на Open Source Initiative соглашении об открытом программном коде. Нет необходимости в уплате членских взносов: вся информация об аппаратном обеспечении, исходные коды (драйверы для приемопередатчиков, а также примеры проектов для некоторых типов микроконтроллеров) доступны в полном объеме на сайте ONE-NET. Зарегистрироваться имеет возможность любой желающий пользователь. One-Net применяется свободно на основании открытой лицензии (open source license).
LonWorks (англ. local operating network) — сетевая платформа для достижения производительности, гибкости, соответствия инсталляционным и эксплуатационным потребностям в задачах активного мониторинга и управления.
Интерфейс LonWorks разрабатывалсь американской компанией Echelon для универсального использования в промышленной среде. Ко времени создания данного интерфейса технология автоматизации сочетала наиболее передовые разработки, предназначенные для распределенных систем. Вся проблема была в том, что к тому времени рынок был уже в значительной степени пресыщен различными техническими новшествами, более приспособленными к решению задач автоматизации разнообразных технологических процессов. Наличие удачной концепции создания системы, причем не как системы, имеющей определенный протокол обмена данными, а как единого комплекса аппаратных программ, позволило интерфейсу LonWorks найти и занять своё законное место в сфере автоматизации зданий.
|
|
|
LON – это не только распределенная система управления, а целый комплекс распределенного интеллекта, в котором устройства способны на самостоятельную обработку событий при помощи собственного встроенного программного обеспечения. Сеть LON имеет несколько определенных особенностей:
- Передача сигнала может производиться в совершенно различных средах, включая питающую сеть;
- Отсутствует разделение устройств по ранжиру;
- Все устройства имеют собственное программное обеспечение;
- Выполнение программ происходит по событию.
Мощная инструментальная поддержка программного обеспечения позволила значительно упростить, а заодно и ускорить процесс адаптации системы – именно этот фактор развития интерфейса LonWorks стал решающим. Скорость интеграции комплекса программ в систему управления напрямую зависит от встроенного программного обеспечения. Широкое распространение интерфейса LonWorks не было бы столь масштабным, если бы не стремление к совместимости и унификации решений.
Основным недостатком интерфейса LonWorks является то, что он разрабатывался не только как уникальное техническое решение, но и как коммерческий проект, способный принести хорошую прибыль. Именно поэтому в стоимость каждого чипа включена стоимость лицензии на использование программного обеспечения. И все же, несмотря ни на что, интерфейс LonWorks продолжает завоевывать все больше и больше жизненного пространства и популярности, поскольку выигрыш от его использования значительно выше затрат на программное обеспечение и его установку.
Платформа построена на созданном компанией Echelon Corporation протоколе сетевого взаимодействия устройств через различные среды передачи данных, такие как, витая пара, линии электропитания, оптоволокно, и беспроводные радиочастотные. LonWorks широко используется для автоматизации различных процессов и функций зданий, например, управление освещением, отоплением, вентиляцией и кондиционированием;
Использование
Принятие протокола LonTalk как ANSI стандарта стимулировало появление стандартов в различных областях индустрии, включая IEEE 1473-L (управление в поездах), AAR (Association of American Railroads) электро-пневматических тормозных систем грузовых поездов, IFSF (управление автозаправочной станцией), SEMI (производство полупроводникового оборудования). Протокол используется как один из уровней данных/физический в BACnet ASHRAE/стандарт ANSI стандарт для автоматизации зданий. Более того, в 2005 Европейское сообщество приняло стандарт автоматизации зданий EN14908, в основу которого положен LonWorks; Китай ратифицировал технологию как национальный стандарт управляющих сетей — GB/Z 20177.1-2006, и как стандарт интеллектуальных зданий и строений — GB/T 20299.4-2006; в 2007 CECED, Европейский комитет производителей бытовой техники, принял протокол как часть стандарта Управление и Мониторинг Бытовой Техники — Спецификация Межсетевого Использования (Household Appliances Control and Monitoring — Application Interworking Specification (AIS)).
К 2006 примерно 60 миллионов устройств, использующих LonWorks технологию, были инсталлированы по всему миру. Производители в различных областях индустрии включая здания, дома, транспорт, коммунальные услуги, и индустриальная автоматизация имеют адаптированную платформу как базис для своего продукта и предложений сервиса. Статистические данные относительно количества мест использования технологии LonWorks недостаточны, но известно, что продукты и приложения построенные на платформе, включают такие разнообразные функции как встроенное управление машин и станков, системы управления освещением городских и шоссейных улиц, системы отопления и кондиционирования воздуха, интеллектуальное измерение электроэнергии, контроль и управление поездами метро, освещение стадионов и управление громкоговорителями, системы безопасности, пожарной сигнализации и пожаротушения, контроль местоположения.
Технические детали
Два физических уровня технологии передачи сигналов, по витой паре и линиям электропитания, обычно включены в каждый из стандартов созданных на базе технологии LonWorks. Дополнительно, платформа LonWorks также примыкает к IP стандарту туннелирования, EIA-852, который используется множеством производителей, как средство информационного соединения и взаимодействия устройств предварительно развернутых или новых сетей LonWorks с IP приложениями или программными средствами удаленного сетевого управления. Большинство LonWorks приложений управления реализует своего рода IP интеграцию, или на уровне Пользовательского интерфейса/Прикладного уровня или в инфраструктуре средств управления. Это достигается с использованием WEB сервисов или продуктов IP маршрутизации.
|
|
|
