Последнее обновление 10 марта 2023
Выбор протокола для Умного Дома. Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave
«Умный дом», «Интеллектуальный офис», «Смарт-автомобиль», «Интернет вещей» – все эти названия говорят о том, что неодушевленное окружение человека становится все «умнее», функциональнее. Среди главных достоинств этих технологий – возможности дистанционного контроля состояния и управления, причем, вне зависимости от местоположения хозяина и его удаленности.
К сожалению, создатели экосистем и разработчики устройств пока так и не наши единого подхода к проблеме обмена данными в системах, «общего языка», на котором ее компоненты будут общаться между собой и с человеком.
В результате актуальным становится вопрос – что выбрать: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave, какой технологии отдать предпочтение в системе «Умного дома» и аналогичных.
Критерии сравнения
Стандарт, который станет основой для автоматизации в доме, должен быть выбран еще до того, как начнется построение системы, до появления в ее составе первой пары устройств. Не вызывает сомнений единственный факт – сеть должна быть беспроводной.
Остальное – достоинства и недостатки Zigbee, Z-Wave, Wi-Fi, Bluetooth, особенности технологий и архитектуры, предложение устройств, требуют тщательного анализа. Не последнюю роль играет правильный выбор критериев сравнения.
Энергоэффективность, потребление энергии аккумулятора
Энергопотребление – один из главных параметров, на который следует ориентироваться при выборе технологии. Это обусловлено:
- Стремлением к миниатюризации входящих в систему устройств. Пока нет технологий, позволяющих встроить в миниатюрные девайсы соответствующие по габаритам источники с огромной энергоемкостью, снижение потребления останется в приоритете.
- Требуемым сроком автономной работы. Далеко не все компоненты могут быть постоянно подключены к питающей сети. Некоторым такое подключение противопоказано с точки зрения безопасности для человека, для других периодическая зарядка становится гарантией продления срока жизни батареи и увеличения долговечности девайса в целом. При этом система должна оставаться работоспособной и при дистанционном управлении, когда человек не имеет возможности (возможно, длительное время) решать вопросы с подзарядкой аккумуляторов гаджетов.
Соответственно, мощность потребления и время работы без подзарядки учитывать обязательно.
Покрытие, топология сети и безопасность
Среди главных требований к системе;
- надежная связь между любыми входящими в нее устройствами;
- обмен данными, отправка и исполнение команд без задержек;
- минимальное влияние помех на работу сети.
Выполнение первых двух напрямую зависит от радиуса действия передатчиков в составе девайсов и чувствительности приемников, топологии сети.
На уровне организации эти требования можно сформулировать как:
- Любой девайс должен находиться в зоне покрытия центрального элемента сети или ретрансляторов.
- Пропускная способность каналов должна быть достаточной для обмена данными без задержек или маршруты передачи должны дублироваться.
- Производительности центрального узла должно быть достаточно для обработки запросов десятков (сотен, тысяч) устройств сети или узлов, или узлов, выполняющих функции центрального, должно быть несколько.
Добиться такой реализации можно и в централизованных сетях, и в распределенных ячеистых (т.н. mesh-сетях).
Особенностями последних являются:
- Возможность любых двух «умных» устройств устанавливать связь непосредственно друг с другом.
- При необходимости работа любых соседних устройств в качестве ретрансляторов.
- Способность других узлов автоматически принять на себя функции центрального при выходе последнего из строя.
Мнение эксперта
Яковлев Алексей Сергеевич
Электрик с 20 летним стажем и богатым опытом
Такая топология кроме гарантированного качества связи обеспечивает и одну из важнейших составляющих безопасности – отказоустойчивость. Именно по этой причине mesh-сети рассматриваются как фактический стандарт для «умных» реализаций, а поддержка их становится одним из критериев сравнения технологий.
При рассмотрении вопросов безопасности следует обратить внимание также на шифрование данных и помехоустойчивость системы. Однако это не должно означать излишние сложности при включении в сеть новых устройств.
Выполнение запланированных и экстренных задач
Работа по расписанию – важная часть функционирования «умных» систем. Возможности включить кондиционер, нагреть воду или прекратить подачу газа в котел в заданный момент времени сегодня реализованы или в планах на реализацию в ближайшем будущем в большинстве устройств, выполненных по любой беспроводной технологии.
Однако не менее важно, чтобы компоненты системы могли принимать и выполнять команды или генерировать их вне графика, в зависимости от обстоятельств. Наглядным примером служит включение системы пожаротушения при срабатывании датчиков температуры и задымления.
Совместимость
Основу автоматизации домашнего и офисного окружения составляет единственный постулат – все «умные» устройства, взаимодействуя в системе, ведут непрерывное «общение».
В идеале любые устройства, включенные в сеть, должны поддерживать обмен данными внутри нее. Пока же ситуация требует особого контроля при выборе и технологии, и конкретных девайсов.
Дело в том, что совместимость не обеспечивается не только для гаджетов, поддерживающих разные стандарты. Зачастую даже в рамках одного стандарта «умные» устройства не «понимают» друг друга.
Именно поэтому совместимость, о которой принципиально речь идти не должна, попадает в список основных критериев для сравнения.
Мнение эксперта
Яковлев Алексей Сергеевич
Электрик с 20 летним стажем и богатым опытом
Обеспечить совместимость устройств не только одного, но и разных протоколов можно, если в беспроводном стандарте проработан верхний (седьмой) уровень модели OSI – уровень приложений (Application). Когда он не определен, добиться «понимания» девайсов можно исключительно в рамках внутренних соглашений разработчиков, а не на глобальном уровне.
Стандарты беспроводной связи для «умных» систем (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave)
Сегодня в решениях для домашней автоматизации (Home Automation) наблюдается настоящая война стандартов. Отдать предпочтение какому-либо достаточно сложно, поскольку у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны.
Wi-Fi
Wi-Fi может казаться самым очевидным решением для домашней автоматизации. Такую точку зрения поддерживает, прежде всего, его широкое распространение – по утверждениям консорциума Wi-Fi Alliance уже сегодня более 50% интернет-трафика приходится именно на долю Wi-Fi.
В реальных «умных» системах положение кардинально отличается от ситуации с построением локальных сетей. Несмотря на детальную проработку стандартов, поддержку IEEE, высокую производительность и работу практически в каждом ноутбуке и смартфоне, Wi-Fi оказался в числе аутсайдеров рынка и не рассматривается разработчиками в качестве базы для серьезных решений.
Все дело в соотношении достоинств и недостатков стандарта.
Семейство протоколов создано для высокоскоростной передачи значительных объемов информации. Этот несомненный плюс в системах типа «умный дом» оказывается даже избыточным. Зона покрытия достаточно велика, один маршрутизатор сможет обеспечить сеть в средних размеров квартире или доме. Вопрос с бОльшими площадями, поглощением радиосигнала стенами и перекрытиями легко решается установкой ретрансляторов.
Зона покрытия достаточно велика, один маршрутизатор сможет обеспечить сеть в средних размеров квартире или доме. Вопрос с бОльшими площадями, поглощением радиосигнала стенами и перекрытиями легко решается установкой ретрансляторов.
Доступность инфраструктуры. Тот факт, что Wi-Fi модуль сегодня установлен в каждом ноутбуке и смартфоне, интегрирован в абсолютное большинство маршрутизаторов позволяет легко решить вопрос как с аппаратной реализацией центральных узлов сети, так и с управляющими приложениями.
В семействе стандартов IEEE 802,11 проработаны только 2 нижних уровня модели OSI. На транспортном и сетевом используются стандартные протоколы TCP-IP и UDP, IPv.4 и IPv,6 соответственно. Верхний прикладной уровень не определен вовсе. Это означает, что совместимость устройств реально достижима, только если у разработчиков есть соответствующие договоренности.
Высокая производительность требует значительного энергопотребления. Это, пожалуй, один из главных недостатков Wi-Fi, препятствующих созданию компактных автономных устройств, остающихся в рабочем состоянии недели и месяцы без подзарядки.
Основная топология сети – «звезда», предполагает обязательное наличие центрального узла (маршрутизатора), с которым общаются все устройства. Это позволяет добавлять и удалять периферийные девайсы без проблем для общей работоспособности системы. Но в ней появляется критическая точка – роутер, выход которого из строя останавливает всю систему. Кроме того, такая топология лишает потенциальные контроллеры сети (смартфоны и планшеты) одной из основных функций смарт-систем автоматизации - поиска устройств в сети и управления ими напрямую.
Протоколы безопасности требуют назначить для каждого Wi-Fi устройства сетевой ключ. Это легко сделать с компьютерами, смартфонами и роутерами и практически невозможно без дополнительных устройств и/или интерфейсов для сенсоров и актуаторов, что существенно усложняет их конструкцию и добавление в систему.
Несмотря на широкое распространение и огромные объемы производства Wi-Fi модулей, цена их остается на 30-50% выше, чем у аналогичных устройств других стандартов.
BlueTooth LE (Low Energy)
Исходный стандарт BlueTooth известен еще с 1994 г. Технология, изначально ориентированная на обмен данными между мобильными телефонами, сегодня стала одной из основных для связи между узлами и подключения периферийных устройств в локальных сетях. Однако даже после этого стандарт никак не подходил для организации сетей home automation.
Ситуация изменилась с появлением в 2010 г. BlueTooth Low Energy. Она разрабатывалась с прицелом на работу с компактными автономными устройствами, для многих из которых источниками служат малогабаритные маломощные батарейки.
Такое решение одной из основных проблем домашней автоматизации не могло не привлечь внимание разработчиков. Однако потенциал технологии до сих пор не получил реальной оценки, перспективы ее применения так и остаются неясными.
В стандарте проработаны все 7 уровней модели OSI. Фактически, это открывает возможности для любых модификаций протокола без согласований и делает технологию перспективной с точки зрения улучшения всех характеристик как отдельных устройств, так и сети в целом. Кроме того, точное определение верхнего прикладного уровня модели обеспечивает совместимость устройств разных разработчиков. В BLE реализована концепция профилей, по которой разные девайсы одного профиля полностью совместимы. Допускается внедрение в устройство нескольких профилей, что существенно расширяет функциональность. Однако совместимость продуктов разных производителей будет обеспечена при наличии хотя бы оного общего профиля.
Несмотря на использование общего с многими конкурентами диапазона 2.4 ГГц, BLE выигрывает у многих про производительности, обеспечивая обмен на скорости до 1 (для BLE v.5 –до 2) Мбит/с.
Стандарт, в отличие от исходного, ориентирован на работу с устройствами, проводящими основное время в спящем режиме с коротким сеансами обмена. Это позволило добиться высокой энергоэффективности – некоторые девайсы могут работать без замены малоразмерной «таблетки» до 1 года.
Наличие дополнительного функционала, такого как «определение близости». С ее помощью «маячки» в сети позволяют решать множество задач – от определения точных координат объекта до передачи данных в зависимости от изменения конфигурации сети.
Возможность прямого соединения любых двух устройств в сети, что выгодно отличает BLE от Wi-Fi. При этом BlueTooth-модули сегодня есть практически в каждом ноутбуке или смартфоне.
Простота процедуры добавления новых устройств в сеть.
Работа в супер загруженном диапазоне 2.4 ГГц. Это приводит к: необходимости разработки специальных средств борьбы с помехами (успешно решено за счет смены каналов), уменьшению зоны покрытия отдельного устройства (теоретически возможный радиус до 100м, на практике ограничен 10м), необходимости использования ретрансляторов из-за поглощения волн стенами и перекрытиями.
Топология «звезда» в BlueTooth-сети, с критической точкой – маршрутизатором.
Мнение эксперта
Яковлев Алексей Сергеевич
Электрик с 20 летним стажем и богатым опытом
Последний недостаток может устранить появившаяся в 2017 г. спецификация mesh-сети для BLE. В ней использована технология лавинной маршрутизации, что существенно увеличивает загрузку каналов связи. Это ограничивает возможности построения масштабных экосистем, которые пока так и не реализованы. Единственный рабочий вариант в настоящий момент – управление умным освещением.
Z-Wave
Z-Wave – стандарт, разработанный в 1999 г. специально для получения сигналов датчиков и управления исполнительными устройствами «умного дома». Основное его отличие – работа с миниатюрными девайсами с низким энергопотреблением. Используется радиочастотный диапазон 800-900 Мгц (нелицензируемый), в котором скорость передачи составляет до 100 кбит/с (для устройств спецификации Z-Wave Plus). Основная топология – mesh-сеть с маршрутизацией «от источника».
На сегодня Z-Wave уверенно возглавляет ТОП стандартов для home automation, разработкой устройств занимается более 700 компаний, выпускающих более 2400 наименований сертифицированных девайсов, а количеcтво установленных устройств превысило 100 млн.
Охвату всех 7 уровней модели OSI. Главный плюс – полная совместимость всех устройств, которая достигается за счет закрытости некоторых уровней и обязательной сертификации. На сегодня Z-Wave, пожалуй, единственная технология, которая обеспечивает абсолютную совместимость всех устройств от любых разработчиков.
Минимальный размер пакета (максимум 1% времени на режим передачи), существенно снижает нагрузку на каналы.
Радиус действия единичного устройства составляет до 40м (с чипами 700 серии – до 100м). С учетом использования для передачи сообщения до 4 узлов сети в качестве транзитных, общей зоны покрытия достаточно даже для очень крупных решений. Добавляет масштабируемости и тот факт, что сети, каждая из которых включает до 232 устройств, легко объединяются.
Mesh-сеть включает основной и вторичные контроллеры, которые в процессе работы синхронизируются с основным. В результате повышается отказоустойчивость системы.
На контроллерах реализованы таблицы маршрутизации, описывающие оптимальные и альтернативные маршруты передачи данных. В результате при выходе из строя одного ретранслятора работа сети не нарушается, доставку пакетов от передатчика к приемнику гарантируют другие ретранслирующие узлы.
Процедура «Explorer Frame» для проверки состояния узлов и доступности маршрутов позволят протестировать сеть и восстановить ее работоспособность в течение не более 1 с.стота процедуры добавления новых устройств в сеть.
Возможность прямой связи (ассоциации) между двумя устройствами. За счет этого исключается необходимость обмена данными через контроллер, например в тандеме сенсор-актуатор.
Протоколы безопасности и спецификации шифрования позволяют простое добавление устройств в сеть (в т.ч. с использованием QR-кодов).
За счет выбора диапазона частот достигается и увеличение радиуса действия устройства, и улучшение проникающей способности при наличии стен и перекрытий. Кроме того, диапазон практически свободен от помех.
Одна из основных проблем – различные свободные частоты из диапазона в разных странах. Это означает, что модули сети, созданные для применения, например в США (908.42 МГц) не будут работать в Европе или Китае (868.42 МГц) и России (869.0 МГц) и наоборот.
Закрытость протоколов и жесткие требования при сертификации существенно влияют на цену устройств, что выводит решения Z-Wave из категории бюджетных.
ZigBee
Стандарт ZigBee, как и Z-Wave ориентирован на работу с маломощными компактными устройствами home automation и на сегодня, пожалуй, единственный кто может составить ему достойную конкуренцию и даже выигрывать в этой борьбе.
В отличие от Z-Wave использует стандартный нелицензируемый диапазон частот 2.4 ГГц. Отличаются и требования к сертификации. У подхода есть собственные преимущества и недостатки.
Полную проработку трех верхних уровней модели OSI, что позволяет решать проблемы с совместимостью на прикладном уровне.
Использование на нижних уровнях стандарта IEEE 802.15.4, хорошо проработанного, поддерживаемого несколькими производителями чипов. При этом в диапазоне 2.4ГГц скорость передачи лежит в пределах 250 кбит/с.
Открытость стандарта, что привлекает разработчиков. Этому способствует и более мягкие требования к сертификации, для которой необходимо выполнить только часть требований стандарта. В результате и по цене, и по количеству сертифицированных решений, и по числу установленных устройств ZigBee выигрывает у Z-Wave.
Высокий уровень энергоэффективности – часть устройств стандарта позволяют работать без замены малогабаритных батарей в течение 2 до лет.
Отличная масштабируемость. Сеть теоретически может включать до 65 тыс. узлов, что позволяет реализовывать даже самые крупные решения.
Ячеистая (mesh) топология сети, обеспечивающая высокую отказоустойчивость и надежность.
Низкий уровень совместимости устройств из-за смягченных требований к сертификации. Возможность производителей добавлять только часть функционала приводит к тому, что сертифицированные девайсы разных производителей вряд ли «подружатся» между собой. Частично исправляет ситуацию введение нескольких профилей и применение языка Dotdot для разработки. Однако до полного решения проблемы пока далеко.
Уязвимости в безопасности. Реально протокол Zigbee может гарантировать безопасность сети и добавления устройств. Однако те же смягченные требования к сертификации позволяют разработчикам использовать только часть протоколов безопасности, что приводит к появлению уязвимостей.
Использование на нижних уровнях IEEE 802.15.4 закрывает возможности кардинальной модификации, что усложняет решение некоторых проблем, связанных с диапазоном 2.4ГГц.
Работа в диапазоне 2.4ГГц снижает радиус действия устройств (как правило, до 20-40м), требует наличия ретрансляторов для обеспечения уровня сигнала при прохождении через стены и перекрытия. Характерны и другие общие проблемы – загруженность полосы и уровень помех, которые, в дальнейшем, обещают только усугубляться.
Это не мешает многим производителям, например Panasonic, Xiaomi, Huawei ориентировать собственные экосистемы на Zigbee.
Что выбрать для «умного дома»
Рассматривая достоинства и недостатки различных технологий для «умного дома», можно сделать выводы:
- От технологии Wi-Fi лучше отказаться. Использовать ее рационально только в том случае, когда необходимо передавать данные сенсоров в облачное хранилище или некоторым устройствам необходим выход в интернет (например, «умному» холодильнику – для заказа продуктов в магазине).
- BlueTooth LE можно рассматривать как перспективную технологию, однако придется дождаться появления на рынке нужного ассортимента девайсов (датчиков и исполнительных устройств).
- Использование Z-Wave – хорошее решение, однако при его применении придется внимательно отнестись к подбору устройств по рабочим частотам и быть готовым к значительным расходам на систему.
- ZigBee – отличный вариант с точки зрения масштабов и стоимости, однако обязательным условием работоспособности системы становится проверка совместимости ее компонентов.
Вопросы и ответы
Почему производительность Wi-Fi считается избыточной для home automation?
Wi-Fi ориентирован на высокую скорость при передаче огромных объемов данных. В домашней автоматизации, где основная часть обмена – показания датчиков и сигналы для исполнительных устройств (типа «Включть/Выключить») такая производительность просто не нужна.
Можно ли решить проблему с простым добавлением устройств Wi-Fi в сеть?
На настоящий момент оптимального варианта решения не найдено. Часть производителей комплектует устройства интерфейсами micro-USB или BlueTooth для первоначальной настройки, однако значительным упрощением это назвать нельзя.
Чем отличается технология лавинной маршрутизации, используемая в mesh-сетях BLE?
Здесь нет прописанных маршрутов, каждое устройство выдает пакет на все доступные до достижения приемника. Это улучшает помехо- и отказоустойчивость сети, но увеличивает загрузку каналов.
Как подобрать компоненты ZigBee с гарантированной совместимостью?
Хорошим вариантом станет подбор компонентов одного производителя, в которых интегрирован одинаковый профиль, например «Home automation».
Можно ли построить систему, использующую различные технологии с их достоинствами?
Такие решения вполне жизнеспособны, особенно с учетом того, что, например, Silicon Labs выпускает хабы с поддержкой различных стандартов, позволяющих обеспечить обмен между Wi-Fi, Z-wave, BLE и другими устройствами.
Я думал, что Wi-Fi – это оптимальный вариант, но оказалось, что у него недостатков больше, чем преимуществ.
Если честно, то я знал только про Wi-Fi и Bluetooth, про остальные протоколы и не подозревал.
Вопрос касается в первую очередь безопасности. Лично я, к сожалению, её здесь не обнаружил. Все сигналы перехватываются и становятся доступными преступникам.