2 Architektúra riadenia inteligentnej domácnosti
2.3 Komunikačná sieť

Komunikačná sieť poskytuje konektivitu medzi zariadeniami pod kontrolou, senzormi a akčnými členmi na jednej strane a kontrolérom vrátane diaľkového ovládania na opačnej strane. V súčasnosti je možné tieto siete rozdeliť do troch hlavných kategórií podľa spôsobu prenosového média na:

  • Komunikáciu prostredníctvom napájacej siete.
  • Komunikáciu prostredníctvom metalickej siete.
  • Bezdrôtovú komunikáciu.

Komunikácia prostredníctvom napájacej siete

Je založená na princípe využitia elektrickej inštalácie bytu prenosom signálov na úrovni od 20kHz do 100MHz. Štandardom, ktorý donedávna dominoval v tejto oblasti bol X.10, neskôr bol nahradený štandardom HomePlug. Ten nadobudol platnosť v roku 2010 (IEEE 1901). Jeho posledná verzia – AV2 – umožnila dosiahnuť prenosovú rýchlosť až do 500Mb/s.

Veľkou výhodou tohto typu komunikácie je možnosť využitia elektrickej siete s nízkym napätím v byte.

Nevýhodou ale môže byť samotné rozdelenie fáz a prítomnosť elektromera v elektrickej sústave, ktorý prenos dátového signálu znemožňuje. Prenos informácie je niekedy možný pri súbehu jednotlivých fáz, ale môže obmedziť prenosovú rýchlosť, resp. spoľahlivosť prenosu informácie. Prenosová rýchlosť závisí od výkonového zaťaženia elektroinštalácie.

Komunikácia prostredníctvom metalickej siete

V tejto oblasti sú známe dva otvorené štandardy – KNX a LON. KNX je európsky (EN50090, 2003) a medzinárodný (ISO/IEC 14543-3, 2006) štandard pre automatizáciu v domoch, bytoch a  komerčných objektoch (building automation). Ide o skratku názvu Konnex. Tento štandard nahrádza staršie európske štandardy EIB (European Installation Bus), BatiBUS (primárne používaný vo Francúzsku) a EHS (European Home Systems).

LON je skratkou pre Local Operating Network, pôvodne predstavený v roku 1990. Neskôr v roku 2008 (ISO/IEC 14908) ako riešenie pre automatizáciu v priemyselných budovách, letiskách, štadiónoch a pouličnom osvetlení.

Oproti KNX architektúre Local Operating Network využíva decentralizované riadenie. V prípade veľkých inštalácií sa tak riadenie mohlo zaobísť aj bez centrálneho riadiaceho bodu, čo je dôležité hlavne v prípade verejných inštalácií s vysokými nárokmi na dostupnosť.

Bezdrôtová komunikácia

Dnes je k dispozícii viac technológií umožňujúcich bezdrôtový prenos pre automatizáciu budov a domov.

Prenosové rýchlosti, frekvencie a použité modulácie sú pri každej technológii rôzne. Dôležitým rozlišovacím kritériom môžu byť ale nároky na napájanie senzorov, resp. životnosť batérie, ktorá napája nezávislý senzor. Uvedená tabuľka sumarizuje používané bezdrôtové technológie pre domovú automatizáciu [2].

Bezdrôtové technológie používané v inteligentnej elektroinštalácií

EnOcean

Z-Wave a KNX-RF

ZigBee (802.15.4)

ZigBee (802.15.4)

Bluetooth (802.15.1)

WLAN (802.11)

frekvencia [MHz]

868

868

868

2400

2400

2400

prenosová rýchlosť (kbit/s)

125

30

20

250

720

11000-54000-100000

dosah (vo vnútri/von v metroch)

30/300

9.6/20

30/500

30/500

10/100

20/50

energetická spotreba

extrémne nízka

nízka

nízka

nízka

stredná

vysoká

Riziko kolízie dát

veľmi nízke

stredné

stredné

nízke

veľmi nízke

vysoké

Zatiaľ čo pre riadenie budov bolo použitie bezdrôtových senzorov vždy len druhou možnosťou, hlavne do už existujúcich budov, existencia nových štandardov využívajúcich veľmi nízku spotrebu napájacej energie túto situáciu postupne mení.

Bezdrôtové rozhrania ako Z-Wave, ZigBee, BLE (Bluetooth Low Energy) a RFID (Radio-frequency identification) sa dnes postupne stávajú súčasťou napájacích zásuviek, ovládačov osvetlenia a prístrojov v domácnosti.

To isté platí aj o audio a video spotrebnej elektronike, kde sa do prístrojov začínajú montovať WLAN (WiFi) moduly, pripravené streamovať multimediálny obsah priamo z internetu, s možnosťou byť plného ovládania prostredníctvom smartfónov. Novú generáciu v oblasti bezdrôtových technológií predstavuje štandard EnOcean, schopný komunikovať na bezdrôtovej linke prostredníctvom energie získanej z teplotných alebo svetelných zmien v prostredí, prípadne získaním energie z mechanického prepnutia ovládača osvetlenia.

Riadiaca jednotka (kontrolér)

Pod kontrolérom sa rozumie riadiaca jednotka, ktorá plní úlohu „mozgu“ v celej inteligentnej inštalácii . Do riadiacej jednotky smerujú informácie zo senzorov a naopak senzory prijímajú riadiace príkazy. Pod príkazmi pre senzory sa rozumie napr. nastavenie úrovní, pri ktorých má senzor posielať hlásenia, a pod. Väčšinou je však senzor jednotka, ktorá jednosmerne odosiela zbierané informácie, ktoré riadiaca jednotka vyhodnotí. Na základe vopred nastavených pravidiel vyšle príkaz pre príslušný akčný člen, ktorý vykoná žiadanú akciu. Úlohou tohto komponentu v architektúre je taktiež posielanie SMS správ, e-mailov alebo oznámení priamo na ovládaciu jednotku (prostredníctvom aplikácie napr. na smartfóne/tablete).

Tieto jednotky v súčasnosti podporujú štandardný operačný systém (OS) ako je Linux/ Windows/ OS-X, ktoré sú špeciálne prispôsobené pre tieto jednotky.

V prípade potreby sú riadiace jednotky napájané záložným zdrojom (Uninterruptible power supplies - UPS) alebo obsahujú batériu, ktorá istú dobu dokáže zabezpečiť nezávislosť na hlavnom napájacom zdroji počas jeho výpadku.

Diaľkové ovládanie

Jedným z hlavných dôvodov narastajúcej popularity domovej automatizácie v rezidenčnom segmente je možnosť ovládať celý systém prostredníctvom smartfónu alebo tabletu. Presnejšie povedané prostredníctvom aplikácie inštalovanej na tomto koncovom zariadení. Počas niekoľkých rokov, ale aj v súčasnosti prebieha v oblasti uvádzania nových aplikácií pre domácnosti veľký rozvoj.

Koncové zariadenia sú prostredníctvom WLAN (WiFi), 3G/4G (cez Internet) pripojené do domáceho systému. Ovládať nastavenia je tak možné nielen z priestorov domu, ale aj na diaľku. V minulosti bolo takéto diaľkové riadenie riešené pripojením riadiacej jednotky na telefónnu linku.

Porovnanie bezdrôtových technológií

ZigBee

ZigBee je sieťový štandard pracujúci v smerovacom (routed) móde, vyvinutý členmi ZigBee Alliance [3]. Jeho posledné pomenovanie vzniklo v 90-tych rokoch, kedy sa originálne nazýval „HomeRF“ protokol. Ratifikovaný štandard bol verejne uvoľnený v júni 2005 ako „ZigBee radio standard“. Tento štandard zároveň definuje aj sieťovú bezpečnosť ako ďalšiu vrstvu nad existujúcim IEEE 802.15.4 štandardom [4].

ZigBee bol navrhovaný pre použitie v širokom rozmedzí rôznych typov aplikácií od domovej automatizácie po priemyselné využitie pri riadení veľkých objektov, pri ktorých sa využívajú hlavne batériovo napájané zdroje.

Štandard IEEE 802.15.4 bol finalizovaný v roku 2003 ako Low-Rate Wireless Personal Area Network (WPAN), ktorý zahŕňa viacero vrstiev. Konkrétne sú to DSSS (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), fyzická vrstva Physical Radio (PHY) a  linková vrstva Media Access Control (MAC).

Viacerí výrobcovia čipov ponúkajú 802.15.4 ako súčasť jednej integrovanej dosky spolu s mikroprocesorom a 128KB pamäťou pre ZigBee aplikácie.

Hlavnými cieľmi ZigBee štandardu sú:

  • Bezdrôtová sieť pre priemyselné riadenie, pripájanie medicínskych zariadení a domovej automatizácie.
  • Mesh sieť s vlastným organizovaním, bez potreby použiť riadiacu jednotku. Napríklad v prípade výpadku komunikácie po ceste, úlohu preposielača dát zo vzdialeného senzora preberá najbližší senzor v dosahu.
  • Nízka dátová náročnosť.
  • Nízka energetická spotreba. Minimálne rok na jednu batériu bez potreby jej nabitia alebo výmeny.

ZigBee z pohľadu sieťového modelu definuje niekoľko typov entít:

Platí, že iba FFD zariadenia môžu kontrolovať smerovanie v Mesh sieti. ZigBee pre tento účel definuje hviezdicovú štruktúru obsahujúcu RFD na hranách siete a hybridnú sieť, nazývanú cluster tree.

ZigBee 802.15.4 rádio používa 2,4 GHz frekvenciu, v prípade USA je to 915 MHz a v Európe 868 MHz. Posledné dve nižšie frekvencie ale nemajú podporu zo strany výrobcov operujúcich na trhu pre koncových spotrebiteľov.

Výrobcovia koncových zariadení musia byť členmi ZigBee Alliance.

Z-Wave

Z-Wave je rovnako ako ZigBee sieťovým štandardom pracujúcim v smerovacom (routed) móde. Vlastníkom patentu na tento protokol je spoločnosť Sigma Design [4], ktorá patent zakúpila od jeho tvorcu, firmy ZenSys of Denmark v roku 2008 [4].

Tento bezdrôtový komunikačný protokol je zameraný predovšetkým na oblasť aplikácií pre automatizáciu domácností, kde hlavnými cieľmi sú:

  • Nízka cena riešenia pre bežnú domácnosť.
  • Veľmi dlhá výdrž batérií napájajúcich senzory.
  • Jednoduchá inštalácia aj bežným používateľom.
  • Jednoduché pripojenie senzorov do siete.
  • Interoperabilita medzi zariadeniami v sieti od rôznych výrobcov.

Komunikačný protokol tejto technológie smeruje správy prostredníctvom tzv. Source Routing Algotihm (SRA). Source Routing Algorithm požaduje od iniciátora správy (rozumej zariadenia/senzora) znalosť o usporiadaní iných zariadení/senzorov v sieti na to, aby dokázal smerovať správu vždy najkratšou cestou. Udržiavanie a preposielanie aktuálnej databázy sieťovej topológie aktívnym zariadeniam v sieti je úlohou zložitého softvéru zariadenia, ktoré zároveň zodpovedá aj za iné zariadenia, ktoré môžu byť v priestore mobilné (môžu meniť svoju polohu).

Z-Wave (Fig. 2.1) definuje rozdielnu kategorizáciu zariadení, nakoľko môže spomenutá logika predražiť cenu zariadenia/senzora a umožňuje definovať tzv. Slaves (podriadené zariadenia). Slave zariadenie nedokáže tieto stavy sledovať a je teda staticky programované na komunikáciu s konkrétnymi zariadeniami v sieti. Opísaná logika je najdôležitejšou funkcionalitou tohto protokolu.

image
Fig. 2.1 – Z-Wave technológia

Z-Wave bezdrôtová sieť je navrhnutá pre limitované množstvo uzlov alebo tzv. nodov, ktorých môže byť v sieti maximálne 232. Výrobcovia zariadení však odporúčajú maximálny počet 30 až 50 nodov, pričom každé z nich komunikuje v intervale od 5 do 15 minút.

Z-Wave správy majú variabilnú dĺžku. Len pre informáciu môže mať telo správy priemerne od 4 do 6 bajtov, pričom oneskorenie (latencia) nesmie prekročiť 200 milisekúnd.

Rovnako aj pre Z-Wave platí, že výrobcovia zariadení s podporou tohto komunikačného protokolu musia byť členmi Z-Wave Alliance.

WiFi

V posledných rokoch sa WiFi (IEEE 802.11) stalo štandardom pre širokopásmové bezdrôtové sieťovanie domácich alebo firemných LAN. Zväčšujúca sa popularita spôsobila, že sa uplatňuje aj domovej automatizácii a to hlavne v oblasti streamovania multimediálneho obsahu medzi zariadeniami v domácnosti.

IEEE 802.11 je štandardom, ktorý aktuálne prichádza s niekoľkými verziami a, b, gn. 802.11a je licencovaný pre pásmo 5GHz, nie je používaný v zariadeniach pre bežné domácnosti. V sektore bežných používateľov sa používajú verzie 802.11b, gn. Verzia b komunikuje rýchlosťou 11Mb/s (megabitov za sekundu), používaná je od roku 1999. Nasleduje verzia g s rýchlosťou 54Mb/s, uvedená na trh v roku 2002. Verzia n s rýchlosťou 100Mb/s a viac sa začala používať v roku 2006. WiFi sieť sa typicky implementuje v hviezdicovej sieťovej topológii. Nie je to však Mesh sieť, to znamená, že ide vždy o point-to-point komunikáciu.

WiFi sa svojimi prenosovými rýchlosťami radí k najrýchlejším z bezdrôtových technológií používaných v domácnosti.

Veľkou nevýhodou je ale vysoká energetická spotreba a zložitejší proces konfigurácie zariadenia.

Pri hviezdicovej topológii je dôležité myslieť aj na dosah, ktorý je zvyčajne od 50 do 100 metrov vo voľnom priestore. Centrálnym prístupovým bodom je zvyčajne kontrolér alebo smerovač, ku ktorému je kontrolér pripojený spravidla prostredníctvom ethernetového pripojenia.

Veľkou výhodou WiFi je, že na sieťové spojenia a transport dát využíva TCP/IP protokol využívaný aj v internete.

WiFi, čo sa týka domovej automatizácie, sa používa práve na pripojenie IP kamier, ktoré sú zpravidla pripojené do napájacej siete a nezávisia na batérii. Prenesený dátový stream sa ukladá do domáceho úložiska dát v intervaloch a dobrej kvalite. To je možné riadiť na to určeným záznamovým zariadením, ktoré je stále bežné ale už postupne nahradzované univerzálnym riešením v podobe WiFi prístupového bodu s domácim úložiskom dát.

Okrem prenosu videa z IP kamier je WiFi s obľubou využívané na pripojenie akéhokoľvek multimediálneho zariadenia v domácnosti, vrátane mobilných zariadení a počítačov medzi ktorými je možné zdieľať multimediálny obsah.

Bluetooth

Bluetooth je definovaný skupinou Bluetooth SIG [5] a štandardizovaný v IEEE 802.15.1 ako bezdrôtová ad-hoc point-to-point technológia pre Personal Area Networking PAN (Personal Area Networking).

Táto technológia bola navrhovaná taktiež s cieľom dosiahnuť nízku náročnosť na napájanie, avšak limitovaná, čo sa týka dosahu na zhruba 10 metrový okruh (bez prekážok). Bluetooth sa využíva v súčasnosti predovšetkým v oblasti mobilných telefónov a bezdrôtových súprav na hlavu (headset), tabletov a PC hlavne ako náhrada za káblové pripojenie periférií.

Nová verzia tejto komunikačnej technológie, nazývaná Bluetooth Low Energy alebo Bluetooth Smart prináša v oblasti PAN nové možnosti. Vývoj tejto technológie sa v domovej automatizácii zameriava práve na oblasť úzko súvisiacu s eHealth, ktorého súčasťou je aj asistované bývanie . Ide o zariadenia umiestené na tele alebo ako súčasť predmetu dennej spotreby, snímajúce biometrické ukazovatele používateľa.

Záujem o túto technológiu neobišiel ani výrobcov mobilných zariadení ako sú mobilné telefóny a tablety, ktoré v súčasnosti nasadzujú práve túto verziu v špecifikáciách zariadenia uvádzanú ako Bluetooth 4.0. Posledná verzia sa stala súčasťou Bluetooth štandardu v roku 2010, oficiálne bola predstavená spoločnosťou Nokia pod menom Wibree.

Bluetooth operuje v pásme 2,4 GHz a s použitím frequency hopping spread spectrum FHSS (frequency hopping spread spectrum) dosahuje prenosovú rýchlosť do 3Mb/s (megabity za sekundu) a PAN podporuje pridanie siedmich uzlov.

EnOcean

EnOcean je bezdrôtovou technológiou, ktorá využíva na napájanie senzorov energiu získanú z okolia, napríklad premenou tepelnej, elektromagnetickej alebo solárnej energie na elektrickú. Princíp získavania energie dovoľuje ultra nízka energetická náročnosť na napájanie modulu senzora.

EnOcean sa stal štandardom v roku 2012 (ISO/IEC 14543-3-10). Tento štandard pokrýva tri vrstvy OSI modelu. Konkrétne fyzickú, linkovú a sieťovú. Vlastníkom patentu je spoločnosť EnOcean, založená ako spin-off spoločnosťou Siemens AG. Cieľom EnOcean bolo vyvinutie bezdrôtových modulov, ktoré dokážu napájať sami seba bez potreby pridania batériového zdroja.

Prenášané pakety sú relatívne malé, konkrétne 14 bajtov dlhé s prenosovou rýchlosťou 125 kb/s (kilobitov za sekundu). EnOcean sa v konkrétnych implementáciách využíva hlavne na dátovo nenáročné aplikácie, resp. senzory, ktoré nemusia prenášať väčšie množstvo dát. Ide konkrétne o vypínače osvetlenia, detektory pohybu, senzory vlhkosti a teploty atď.

EnOcean využíva viaceré transportné frekvencie. Konkrétne 902 MHz, 928,35 MHz a 315 MHz.

Uplatnenie si tento štandard našiel hlavne v automatizácií budov, logistike a preprave tovarov v priemyselnom využití. V súčasnosti ale preniká aj do oblasti domovej automatizácie . Aj tu platí, že výrobca modulov musí byť členom EnOcean Alliance.