Что делает умный дом умным? Руководство по протоколам и приложениям

Статья № 2 из серии IoT Foundation. Умные дома создаются с помощью хорошо подобранных устройств и протоколов связи.

статья, спонсируемая

Вместе с Цифровой ключ, а дистрибьютор электронных компонентов, мы создаем серия статей о технологиях, которые делают возможным IoT. В этой второй статье рассматриваются протоколы умных домов. Будущие статьи посвящены безопасности IoT и подключенному транспорту.

Введение

Благодаря достижениям в области технологий определение того, что такое «умный дом», продолжает развиваться с увеличением количества приложений и возможностей. Однако неизменным остается тот факт, что умный дом состоит из нескольких систем, работающих вместе, чтобы сделать дом автоматизированным, комфортным и беззаботным.

В последнее время ключевым фактором преобразования систем «умного дома» стал Интернет вещей (IoT).Интернет вещей пришел с обещанием, что мы сможем подключать элементы и объекты в нашей среде к Интернету, и это привело к огромной и динамичной трансформации во многих секторах / вертикалях, включая «Умный дом». Благодаря Интернету вещей устройства умного дома, которые раньше обменивались данными только друг с другом и в пределах дома, теперь могут обмениваться данными в Интернете, что позволяет пользователям умного дома взаимодействовать со своими домами и инфраструктурой в режиме реального времени. , откуда бы они ни были.

Это сделало решения для умного дома «умнее» и открыло возможности для нескольких новых приложений, использующих облачные вычисления и машинное обучение/ИИ (искусственный интеллект) для обработки данных, оценки сценариев в режиме реального времени и принятия разумных решений, выходящих за рамки типичных предварительных решений. запрограммированная логика. Эти возможности используются и привели к появлению нескольких новых устройств/решений для умного дома.

Протоколы связи являются основным фактором, обеспечивающим системы умного дома и переход к IoT. Они обеспечивают инфраструктуру и диктуют условия, по которым устройства взаимодействуют для автоматизации всего дома. В этой статье будет представлено руководство по коммуникационным протоколам и стандартам, учитывающим современные тенденции в умных домах.

Протоколы связи умного дома

Приложения для умного дома построены на способности нескольких устройств, датчиков, приводов и т. д. взаимодействовать друг с другом. От термостата, разговаривающего с кондиционером для регулирования температуры в доме, до датчиков движения, отключающих свет в пустой комнате. Это делает протоколы связи неотъемлемой частью приложений умного дома. Однако из-за различий в функциях, возможностях, режиме работы и требованиях производители используют несколько протоколов связи для различных приложений. Некоторые из популярных протоколов связи Умного дома включают в себя:

1. Wi-Fi

Возможно, самый известный из всех, Wi-Fi предлагает самый простой и, вероятно, самый надежный путь связи для решений для умного дома из-за его повсеместного использования в других повседневных приложениях. В большинстве домов уже есть маршрутизаторы Wi-Fi, что упрощает и удешевляет развертывание устройств умного дома на основе Wi-Fi. Его высокая пропускная способность делает его подходящим для приложений, требующих высокой пропускной способности данных, а его архитектура на основе IP делает развертывание приложений на основе IoT относительно простым и простым по сравнению с другими протоколами.

Тем не менее, все преимущества имеют свою цену, которая включает в себя высокое энергопотребление, малый радиус действия и высокую восприимчивость к помехам, что делает его непригодным для большинства приложений умного дома с батарейным питанием. Однако за прошедшие годы было внесено несколько улучшений, и самая последняя версия WiFi 6 предлагает лучшую мощность и дальность действия.

2. Зигби

Очень популярный протокол связи в сообществе умного дома. Zigbee — это открытый, гибкий (сетевая топология) и маломощный протокол связи, разработанный для диапазона 2,4 ГГц. Он идеально подходит для приложений умного дома на основе аккумуляторов, но не на основе IP. Таким образом, устройствам на основе Zigbee требуется шлюз для подключения к Интернету для приложений на основе IoT, что увеличивает стоимость развертывания. Zigbee предлагает низкую пропускную способность и иногда испытывает сильные помехи при развертывании вместе с WiFi из-за конкуренции в диапазоне 2,4 ГГц.

3. Z-волна

Z-Wave — это широко используемый проприетарный протокол с низким энергопотреблением, разработанный альянсом Z-wave. Он работает в ячеистой сетевой архитектуре, аналогичной Zigbee, но работает в диапазоне 908 МГц. Он предлагает низкую задержку и низкий уровень помех, но имеет значительно меньшую пропускную способность по сравнению с другими протоколами.

4. БЛЕ

Разработанный специальной группой Bluetooth, BLE (Bluetooth Low Energy), также известный как Bluetooth Smart, представляет собой модификацию классического протокола Bluetooth с низким энергопотреблением в качестве одного из основных направлений его деятельности. Это результат желания уменьшить количество энергии, потребляемой устройствами как при передаче данных, так и в режиме ожидания, чтобы обеспечить более длительный срок службы батареи. Однако, несмотря на то, что он предлагает простоту развертывания и малую задержку, ему серьезно мешает небольшой радиус действия.

5. Материя

Разработан Альянсом стандартов подключения (ранее Альянсом Zigbee) и поддерживается крупными производителями решений для умного дома, в том числе; Apple, Amazon и Google, и это лишь некоторые из них. Это IP-протокол, предназначенный для решения проблем функциональной совместимости решений для умного дома и обеспечивающий основу для связи между устройствами, приложениями и облачными службами. Архитектура Matter сочетает в себе элементы существующих протоколов, чтобы создать потенциально универсальный протокол. В первом выпуске спецификации стандарта представлены сетевые уровни Wi-Fi и многопоточные сети с использованием BLE для ввода в эксплуатацию.

Архитектура решений для умного дома: понимание взаимосвязи между протоколами связи и приложением IoT для умного дома

В то время как тривиальные факторы, такие как предпочтение производителя (желание создать линейку продуктов с одинаковым протоколом и т. д.), иногда влияют на процесс принятия решения, выбор протокола связи для систем умного дома в конечном итоге всегда диктуется требованиями. приложения. Некоторые из функций приложения, которые определяют используемые протоколы, включают в себя;

1. Объем данных
2. Сила
3. Рабочий цикл
4. Совместимость с платформами
5. Расходы

1. Объем данных

Основной особенностью приложений Smart Home, которая определяет, какие протоколы используются, является объем передаваемых или принимаемых данных.Приложения, которые включают в себя базовые датчики и приводы, взаимодействующие друг с другом, обычно хорошо работают с протоколами с низкой пропускной способностью, такими как Z-wave или Zigbee, из-за небольшого объема обмениваемых данных, но приложения, включающие, скажем, видео или изображения и т. д., большой объем данных, будут требуют протоколов, таких как WiFI, из-за его высокой пропускной способности и пропускной способности данных.

2. Мощность

Устройства, используемые в приложениях «Умный дом», обычно подключаются к сети или питаются от батареи. Поскольку энергопотребление является основным ограничением для большинства протоколов, способ питания устройства всегда является основным фактором, влияющим на выбор протокола. Для подключаемых устройств, как правило, существует большая свобода в отношении используемых протоколов, но для устройств с батарейным питанием такие протоколы, как WiFi с высоким энергопотреблением, обычно считаются неподходящими, что вынуждает производителей использовать более экономичные протоколы, такие как BLE.

3. Рабочий цикл

Приложения Smart Home требуют, чтобы устройства были либо «всегда включены», либо включались с перерывами между циклами сна или при срабатывании внутренних/внешних событий. В то время как большинство приложений запускают устройства в «всегда включенном» режиме, прерывистые режимы с определенным уровнем периодов сна позволяют приложениям (особенно устройствам с батарейным питанием) использовать протоколы связи, которые обычно не подходят. Например, устройство с батарейным питанием и высокими требованиями к пропускной способности может использовать протокол связи с высоким энергопотреблением, такой как WiFi (должным образом учитываются все остальные факторы), используя спящие режимы для увеличения времени работы устройства.

4. Совместимость/Взаимодействие

Некоторые приложения требуют интеграции с устройствами, приложениями и т. д. от разных производителей. Таким образом, выбор протокола для такого приложения обычно обеспечивает совместимость по всем направлениям. Это одна из основных причин, по которой были сформированы различные альянсы, чтобы устройства в одной и той же экосистеме приложений могли легко взаимодействовать.

5. Стоимость

Большая часть каждого инженерного решения — это стоимость. Для систем «умный дом» использование определенных протоколов для некоторых приложений приводит к тому, что стоимость системы превышает внутреннюю ценность приложения. Например, стоимость шлюза Z-wave может иметь смысл для приложения управления освещением, которое предполагает подключение большого количества лампочек на основе Z-wave к Интернету. Однако нет смысла развертывать такую ​​же стоимость в шлюзе Z-Wave для приложения управления гаражными воротами, поэтому может потребоваться другой протокол.

Объединяем: концентраторы для умного дома и многопротокольные концентраторы/шлюзы

Наличие нескольких умных домашних устройств, распределенных по разным приложениям в доме, быстро становится сложным для управления. Различное управление/интерфейс для каждого приложения утомляет пользователя и препятствует достижению уровня синхронизации, который должен существовать среди приложений умного дома, чтобы сделать дом по-настоящему умным и автономным.

Для решения этой проблемы были разработаны Smart Home Hubs. Умные домашние концентраторы (мосты или шлюзы) — это аппаратные устройства, которые позволяют пользователям объединять свои устройства умного дома, чтобы ими можно было управлять из единого интерфейса.

Помимо возможности доступа к нескольким устройствам/приложениям из одного интерфейса, концентраторы позволяют пользователям создавать отношения и взаимодействия между этими устройствами/приложениями. Для устройств, основанных на протоколах, не основанных на IP, иногда используются концентраторы для передачи данных с устройств в Интернет (и наоборот).

Типичная архитектура умного дома с концентратором на основе Zigbee показана на рисунке 1.

Рисунок 1: Архитектура умного дома с использованием концентратора.

Однако существование концентраторов еще больше выявило проблемы совместимости, которые преследовали системы умного дома из-за нескольких протоколов.Например, если вы приобрели несколько устройств для умного дома на основе Zigbee с концентратором на основе Zigbee, вам «не разрешено» влюбляться в набор других устройств/приложений, основанных на другом протоколе, отличном от Zigbee, если только вы не планируете приобрести другой концентратора на основе этого протокола (рис. 2) или запускайте эти устройства/приложения как автономные.

Рис. 2. Архитектура «умного дома» с концентраторами для разных протоколов.

Многопротокольные концентраторы/шлюзы, такие как концентратор Samsung Smartthings и концентратор Wink 2, которые позволяют пользователям соединять устройства на основе нескольких протоколов, включая Zigbee, Z-wave, WiFi и т. дополнительная цена, которая создает дополнительную нагрузку на пользователей и препятствует внедрению решений для умного дома.

Проблемы функциональной совместимости, среди прочих факторов, и их влияние на внедрение умного дома делают необходимость унификации протоколов/стандартов необходимой, и именно здесь появляется протокол/стандарт, такой как Matter.

Материя: почему это важно

Согласно исследованию, проведенному Google и Accenture в 2020 году, одним из основных препятствий для внедрения умного дома является отсутствие совместимости между решениями для умного дома. Согласно отчету, посвященному Азиатско-Тихоокеанскому региону; «потребители либо не покупают устройства из-за непонимания, либо не используют их в полной мере. Во многих домах устройства в значительной степени отключены друг от друга, а это означает, что опыт не такой бесшовный, а их интеллектуальные возможности используются не полностью». Это проблема, которая понятна всем, и поставщики/производители решений для умного дома со временем предприняли попытки создать единый стандарт/протокол, объединившись для формирования альянсов, хорошим примером которых является альянс Zigbee.

Хотя был достигнут значительный прогресс, фундаментальные проблемы с некоторыми протоколами, на которых основывались альянсы, снизили их жизнеспособность и не позволили альянсам реализовать свой истинный потенциал.

Именно здесь на помощь приходит Matter — стандарт связи, разработанный с учетом простоты, безопасности и элегантности, необходимых для того, чтобы сделать дома по-настоящему умными и взаимосвязанными.
Matter отвечает всем требованиям, которые не соответствовали предыдущим альянсам и стандартам.

Помимо того, что Matter является протоколом, который поддерживается и совместно разрабатывается основными игроками в индустрии умного дома (редкий подвиг), Matter чрезвычайно важен для будущего систем умного дома на основе IoT благодаря своей открытой природе и архитектуре на основе IP. который дает каждому устройству уникальный адрес. Эти два фактора уменьшат сложность развертывания решения и решат проблемы безопасности и конфиденциальности, задействовав надежную работу, уже проделанную для других протоколов на основе IP.

Вывод

Системы умного дома определяются приложениями, и по мере того, как технологии продолжают развиваться, особенно с появлением Метавселенной, приложения и возможности будут развиваться и становиться все более сложными. Коммуникационные протоколы будут продолжать играть неотъемлемую роль в этих преобразованиях, поэтому они тоже должны развиваться. Потребность в действительно интегрированном умном доме будет возрастать, а с увеличением количества домашних устройств, подключенных к Интернету, будут углубляться опасения по поводу безопасности, конфиденциальности, энергоэффективности и т. д. Таким образом, для настоящего, интегрированного умного дома необходимы протоколы, которые используют всесторонние знания, доступные для безопасности, обеспечивают высокий уровень конфиденциальности, более простое развертывание и улучшенную совместимость.

Первую статью цикла читайте здесь.

О спонсоре: Digi-Key

Цифровой ключ является одним из самых быстрорастущих дистрибьюторов электронных компонентов в мире. С момента своего основания в 1972 году компания Digi-Key стремится предлагать широчайший выбор имеющихся в наличии электронных компонентов, а также предоставлять наилучшие услуги своим клиентам, помогая инженерам на протяжении всего процесса проектирования, от прототипа до производства®.