УДК 004

Протоколы связи в системах автоматизации дома

Абуев Кайырбек Нурбекович – магистрант кафедры Компьютерной инженерии и программной инженерии Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан, г. Астана).

Аннотация: В данной статье рассматривается широко используемые протоколы связи в системах. Протоколы связи имеют большую важность для систем автоматизации и соответственно от выбора конкретного протокола связи зависят многие параметры самой системы.

Ключевые слова: связь, соединение, протокол, система автоматизации дома.

Одним из важнейших вопросов в разработке систем автоматизации дома является выбор протокола соединения с внешним миром и между внутренними модулями. Надежность сети, стоимость развертывания и безопасность являются одними из основных факторов, которые следует учитывать при выборе протокола связи. В этом случае как проводные, так и беспроводные протоколы имеют свою изрядную долю преимуществ и компромиссов. Для любого интеллектуального приложения также необходимо убедиться в совместимости с сетью. Стандартизированные протоколы не только упрощают разработку, но и позволяют бесшовно подключятся к модулям для умного дома [1]. Типичные домашние сети используют комбинацию протоколов Ethernet и Wi-Fi. Однако многие распространенные сетевые технологии, доступные сегодня в интеллектуальных устройствах, такие как ZigBee (открытый протокол) и Z-wave (проприетарный протокол), не совместимы с IP. Потребителям по-прежнему требуется какая-либо форма концентратора или шлюза для подключения их к существующей сети. Чтобы решить проблему подключения, многие ведущие производители отрасли внедряют открытые протоколы по IP для расширения возможностей подключенных устройств. Кроме того, решения с поддержкой IP также решают вопросы конфиденциальности и безопасности. Поняв это, оценим некоторые распространенные протоколы автоматизации.

Wi-Fi

На первый взгляд, Wi-Fi предлагает наиболее экономичное и доступное решение с высокой пропускной способностью. Однако в обмен на гигабитные скорости передачи данных Wi-Fi потребляет много энергии. Кроме того, Wi-Fi страдает от проблем с дальностью действия и надежностью. Типичная дальность связи измеряется десятками метров и быстро уменьшается из-за таких препятствий, как стены и потолки. Чтобы преодолеть проблемы с дальностью действия, потребители должны приобрести дополнительные ретрансляторы или удлинители дальности, что увеличивает стоимость и сложность развертывания[2]. Wi-Fi уязвим для широкого спектра помех, которые могут негативно повлиять на производительность сети. Пользователям следует с осторожностью рассчитывать на Wi-Fi в сетях с большим количеством устройств, поскольку пропускная способность может быть снижена, а задержка начинает увеличиваться. Это не позволяет Wi-Fi быть масштабируемым решением для больших домов.

ZigBee

Zigbee – это открытый протокол, обеспечивающий беспроводную ячеистую сеть с низкой пропускной способностью. Через ячеистую сеть сигналы могут передаваться с устройства на устройство без “набора номера” в сеть Wi-Fi. Он предназначен для сосуществования с каналами Wi-Fi без помех (теоретически). Однако частота Zigbee иногда переплетаются с WiFi, поскольку они совместно используют переполненный канал 2,4 ГГц. Недостатком Zigbee является то, что это фрагментированная экосистема. Хотя устройства ZigBee совместимы, они не используют IP-адресацию. Поэтому необходимо установить шлюзы для подключения устройств к Интернету и облачным сервисам, а также к другим мобильным устройствам. Это не идеально, так как шлюзы требуют дополнительных затрат и могут быть сложными в настройке. Zigbee обычно используется для диммеров, дверных замков, термостатов и т.д.

Z-Wave

Подобно Zigbee, Z-Wave – это протокол ячеистой сети с открытым исходным кодом. Но его пропускная способность значительно ниже. Преимуществом Z-Wave является экологичное энергопотребление, подходящее для устройств, работающих от батарей. Как проприетарный протокол, устройства с поддержкой Z-Wave должны быть сертифицированы альянсом Z-Wave для обеспечения совместимости plug-and-play (но это может измениться в будущем). Работая в гораздо более низком, незагроможденном диапазоне 908 МГц, Z-Wave обеспечивает низкую задержку и отсутствие помех Wi-Fi, Bluetooth и другим беспроводным устройствам, использующим диапазон 2,4 ГГц. Z-Wave обычно используется в RFID-метках, детекторах движения, датчиках дыма и газа, а также во многих других сенсорных устройствах.

Thread

Разработанный группой компаний, включая Nest, Samsung, QUALCOMM и OSRAM, Thread представляет собой протокол беспроводной ячеистой сети с низким энергопотреблением. У него много общего с ZigBee. Оба построены с использованием открытых стандартов, работают по одному и тому же протоколу аппаратного уровня (IEEE 802.15.4) и используют диапазон 2,4 ГГц. Потоковый протокол имеет огромное преимущество: он может быть адресован по IP (на основе IPv6). Отличительной особенностью является то, что она позволяет устройствам продолжать работать даже при отключении сети Wi-Fi. Однако продукты, должны создаваться с нуля, чтобы соответствовать обязательным требованиям безопасности. Системные интеграторы должны стратегически подходить к проектированию сети, чтобы обеспечить надежную совместимость с существующими устройствами.

Bluetooth

Беспроводной протокол Bluetooth обеспечивает отличную совместимость с устройствами, а также низкое энергопотребление. Это способствует простоте развертывания и гибкости сетей интеллектуальных устройств благодаря эластичному расширению и меньшей задержке. Недостатком является его ограниченный диапазон.

HD-PLC

HD-PLC – это открытый стандарт, поддерживаемый несколькими поставщиками. Это дает вам гибкость при выборе среди множества поставщиков продуктов, начиная от дискретных чипов приемопередатчиков и заканчивая полностью интегрированными решениями system on chips (SoC). Эта мощная коммуникационная технология способна обеспечивать быструю двунаправленную связь на основе IP по любому проводу. Он позволяет потребителям использовать существующую электропроводку для связи по существующим проводам (витая пара, линия электропередачи, телефонные линии, коаксиальный кабель и т.д.). Кроме того, он включает в себя удобную функцию соединения, которая позволяет легко подключаться к Ethernet и беспроводным сетям (WiFi, BLE и т.д.). Можно расширить IP до конечных точек для бесшовной интеграции с другими системами на базе IP. Это упрощает проектирование и интеграцию сети и устраняет дорогостоящие устройства шлюза, сложную проводку и разработку сложного программного обеспечения. По сравнению с другими проводными технологиями HD-PLC отличается максимальной пропускной способностью до 240 Мбит/с. Используя технологию multi-hop, он может поддерживать до 1024 узлов и дальность действия до нескольких километров [3].

В заключении, cреди этих протоколов преимущество Wi-Fi заключается в том, что он практически повсеместно распространен в домах. Однако это сопряжено с такими проблемами, как ограничения дальности действия, проблемы с надежностью и высокое энергопотребление. Протоколы с низкой пропускной способностью, такие как ZigBee или Z-Wave, имеют ряд преимуществ, особенно в приложениях с ограниченным энергопотреблением. Обеспечивая совместимость устройств, подключение к Интернету между этими устройствами требует дополнительного концентратора. HD-PLC, основанный на протоколе IP (совместимом с IEEE 1901), обеспечивает наилучшую функциональность интегрированного сетевого моста. Можно использовать любое устройство с поддержкой HD-PLC для соединения сетей Ethernet и последовательных сетей. Этот интегрированный мост Ethernet / WiFi / Serial обеспечивает конвергенцию системы, можно подключать все устройства к другим системам умного дома на базе IP.

Список литературы

  1. Треяль В.Я. Технологии создания интеллектуальных промышленных устройств, подключенных к Интернет / В.Н. Крутов, В.Я. Треяль, О.А. Коршакова, А.В. Приемышев // Учебное пособие. СПб.: Изд-во «Лань», 2016. 100 с.
  2. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. Учебник. СПб.: Питер, 2000.
  3. Харке В.Н. «Умный дом. Объединение в сеть бытовой техники и систем коммуникаций в жилищном строительстве» / Харке В.Н. М.: Техносфера, 2006. 292 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: