ОБЗОР ПРОТОКОЛ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ В «УМНОМ ДОМЕ»

OVERVIEW OF WIRELESS NETWORK PROTOCOLS IN THE SMART HOME

Konstantin Paniotov

Master's degree, 2nd year, Information Technology, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

Вне зависимости от возраста, места проживания или благосостояния, каждый из нас стремится сделать свой дом, квартиру или офис уютным и комфортным. Современные технологии лишь изменяют стандарты этого комфорта. Системы умного дома представляют собой новый этап в эволюции жилищного комфорта. В данной статье была рассмотрена общая концепция «умного дома», беспроводные протоколы связи, которые могут использоваться в системе, а также, приведен пример простой реализации своего протокола.

ABSTRACT

Regardless of age, place of residence or well-being, each of us strives to make our home, apartment or office cozy and comfortable. Modern technologies only change the standards of this comfort. Smart home systems represent a new stage in the evolution of residential comfort. This article reviewed the general concept of a "smart home", wireless communication protocols that can be used in the system, as well as an example of a simple implementation of its protocol.

Ключевые слова: умный дом; контролер; протокол.

Keywords: smart home; controller; protocol.

«Умный дом» является моделью современного жилищного пространства, где присутствует множество различных инженерных систем: освещение, отопление, кондиционирование, вентиляция, силовая электрика, домашний кинотеатр, сигнализация. Все это необходимо для достижения желаемого уровня комфорта. Только система умного дома способна контролировать все инженерные системы в доме, объединяя их в единый комплекс для обеспечения жизнедеятельности человека. Современные дома оснащены большим количеством оборудования, предназначенного для обеспечения быта, комфорта, связи и безопасности его владельца. Удобство заключается в том, что «умный дом» продолжает поддерживать оптимальные условия в доме даже в отсутствие жильцов.

Исследовательская компания Technavio сообщила, что около 90% «умных домов» в мире находятся в западной Европе и Северной Америке. Общее количество «умных домов» в этих регионах в 2015 году составило 17,9 миллиона, согласно отчету Berg Insight. К 2020 году каждый пятый дом в Европе и каждый третий в США станут умными.

В странах СНГ владелец может столкнуться с рядом трудностей в чрезвычайных ситуациях. Но с каждым годом, благодаря компании Yandex и ей подобным, smart-система становится все более развитой в русскоязычном сегменте.

Применение концепции "интеллектуального здания" позволяет сэкономить от 20 до 30% на коммунальных услугах. Создание системы умного дома собственноручно позволяет достичь большего комфорта и надежности, поскольку вы знаете, что и где соединено, а также каждое оборудование будет подобрано и установлено вами.

В основе любого «умного дома», помимо датчиков, часто находится контролер или хаб. Его выбор следует осуществлять исходя из структуры системы управления. Обычно выделяют два основных типа: централизованный и децентрализованный.

Централизованный контроллер управляется одним основным блоком с высокой производительностью и различными функциями. Он работает на специальной операционной системе, установленной на небольшом компьютере, помещенном в небольшой пластиковый корпус. В зависимости от конфигурации, он может быть оснащен gsm-модулем для удаленного доступа, а также сенсорным экраном с кнопочным интерфейсом. Для подключения к сети предусмотрены различные разъемы.

Децентрализованный (региональный) системный подход предполагает наличие нескольких управляющих подсистем, каждая из которых занимается управлением конкретных помещений, комнат или группы устройств определенного назначения. Каждая из подсистем оснащена небольшим электронным блоком без операционной системы, способным выполнять только простейшие задачи и сценарии, основанные на времени или информации от датчиков. Например, датчик освещенности может подавать сигнал о необходимости включения освещения при наступлении темноты, а управление процессом включения осуществляется через реле.

Следующий шаг, это решить, как будут взаимодействовать между собой все устройства, подключённые к системе и тут нам, помогут радиосети.

Беспроводные сети, также известные как радиосети, играют важную роль в обеспечении обмена данными между локальными компьютерными сетями. Их применение становится особенно актуальным в случаях, когда использование кабельных технологий проблематично или нецелесообразно из-за высокой стоимости.

Протокол является основой любой беспроводной сети, поскольку он регламентирует ее топологию, маршрутизацию, адресацию, порядок доступа каналу передачи данных, формат пакетов, управляющие команды для узлов сети и систему защиты информации.

Существует несколько способов классификации разнообразных протоколов беспроводной передачи данных. Один из популярных методов классификации основан на максимальном радиусе действия сети. Ниже представлена такая классификация, отсортированная по убыванию радиуса.

WWAN (беспроводные сети широкой области, Wireless Wide Area Network) в основном представляют собой сети сотовой связи, обладающие радиусом действия десятков километров. Примерами таких протоколов являются GSM, CDMAone, iDEN, PDC, GPRS и UMTS.

WMAN (беспроводные сети масштаба города, Wireless Metropolitan Area Networks) - это беспроводные сети, охватывающие территорию города. Радиус действия подобных сетей составляет несколько километров. Примером протокола такой сети является WiMAX.

WLAN (беспроводные локальные сети, Wireless Local Area Network) - это беспроводные сети, охватывающие локальную вычислительную сеть. Радиус действия таких сетей составляет несколько сотен метров. Примерами протоколов такой сети являются UWB, Zigbee, Wi-Fi.

WPAN (беспроводные сети персонального масштаба, Wireless Personal Area Network) используются для связи различных устройств, включая компьютеры, бытовые приборы, оргтехнику, средства связи и прочие. Радиус действия WPAN варьируется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Эти сети используются как для взаимосвязи устройств друг с другом, так и для связи с более высокими уровнями сетей. Примерами таких протоколов являются RUBEE, X10, Insteon, Bluetooth, Z-Wave, ANT, RFID.

В «умном доме» могут использоваться различные протоколы беспроводной связи для управления устройствами и передачи данных, далее рассмотрим некоторые из них.

Wi-Fi (802.11): Это один из наиболее распространенных протоколов беспроводной связи, используемый для подключения к интернету и управления умными устройствами в домашней сети.

Bluetooth: Bluetooth используется для связи между устройствами на небольших расстояниях. Он широко применяется для управления умными устройствами, такими как звуковые колонки, освещение и замки.

Zigbee: Zigbee представляет собой низкопотребляющий протокол, который обеспечивает сетевую связь между устройствами на небольших расстояниях в умном доме. Он часто используется для устройств, требующих низкого энергопотребления, таких как датчики окружающей среды, умные термостаты и умное освещение.

Z-Wave: Этот протокол также предназначен для низкопотребляющих устройств и широко используется в умных домах. Устройства Z-Wave могут образовывать сеть, что делает его хорошим выбором для расширения умного дома.

Выбор конкретного протокола зависит от требований к устройствам и инфраструктуре умного дома, а также от совместимости и личных предпочтений пользователя.

Помимо готовых протоколов, можно попробовать написать свой, более упрощенный, ну тут нужно учитывать, как планируется общение между устройствами сети.

В качестве примера, возьмем радио модуль NRF24L01 и попробуем создать под него логику для взаимодействия с устройствами нашей сети.

Таблица 1.

Характеристики nRF24L01 +

С помощью модуля nRF24L01 возможно установить связь между несколькими приборами посредством радиоканала передачи данных. Эти приборы могут быть объединены в единую радиосеть топологии "звезда" на частоте 2,4 ГГц. В рамках этой сети один из приборов выступает в роли ведущего, тогда как остальные приборы являются ведомыми.

Поскольку полезная информация имеет размер до 32 байт, для работы хватит и двух байт, если привести к одному формату команд.

В качестве примера, возьмём модель управление лампой. Первый байт – номер параметра, второй – значение.

Таблица 2.

Протокол Marlin

Далее, основную работу по общению модулей, установленного в лампу и на хабе, сделает библиотека для NRF24L01, которая поможет написать прошивку, нам нужно только передать адрес и полезную нагрузку, а т.к формат команд будет один и тот же, можно завернуть все в собственную библиотеку и наш протокол назвать «Marlin».

В заключение статьи, необходимо отметить, что под понятием "умный дом" мы в первую очередь понимаем жилище, оснащенное специальными устройствами, имеющими возможность хранения информации, обеспечивающие доступ в сеть интернет, принимающие инструкции от пользователей и действующие в соответствии с заложенными программами. Имея базовые знания работы с сетью и программирования, а также минимальное понимание во взаимодействие контролеров, можно самому реализовать данную идею.

Список литературы:

1. Виталий Мосеев «Умный дом по-русски: комфорт против энергоэффективности» - URL: https://iot.ru/gorodskaya-sreda/umnyy-dom-po-russki-komfort-protiv-energoeffektivnosti
2. Плотников А.С. «Сердце умного дома – контролер» - URL: https://amperof.ru/elektropribory/ymniy-dom/serdtse-umnogo-doma-kontroller.html#i-5
3. А. И. Колыбельников. «Обзор технологий беспроводных сетей» ТРУДЫ МФТИ. — 2012. — Том 4, № 2.
4. Nordic Semiconductor. «nRF24L01+ Product Specification v1.0» - URL: https://docs.nordicsemi.com/bundle/nRF24L01P_PS_v1.0/resource/nRF24L01P_PS_v1.0.pdf