Насколько беспроводным является современный «умный дом»

ZigBee и WLAN

Для того чтобы иметь возможность управлять жалюзи, кондиционером или освещением не только через смартфон, но и посредством виртуальных частных помощников (virtual private assistant, VPA), таких как Alexa(виртуальный ассистент, разработанный компанией Amazon, кроме целого ряда интеллектуальных функций поддерживает управление устройствами в «умном доме»), Siri (облачный персональный помощник и вопросно-ответная система компании Apple), Google Assistant (облачный сервис персонального ассистента от компании Google), Bixby (виртуальный помощник, предложенный Samsung Electronics) или Cortana (виртуальная голосовая помощница с элементами искусственного интеллекта от Microsoft), а также через другие приборы, например детекторы дыма, будильники или камеры наблюдения, все взаимосвязанные устройства должны сформировать общую систему, обычно подключенную по интерфейсам облаков их поставщиков. Используя эти интерфейсы, радиобудильник, который пытается разбудить вас утром, может через сеть Wi-Fi получить музыку из Интернета и отправить сигнал Alexa, чтобы эта система постепенно увеличила яркость освещения спальни.

Связь между VPA и системой освещения (или конкретным источником света) обычно осуществляется через шлюз ZigBee WLAN или напрямую через Wi-Fi. Преимущество данного решения заключается в том, что для ламп со встроенным Wi-Fi не требуется дополнительного решения для связи, поскольку они подсоединяются к домашнему маршрутизатору Wi-Fi напрямую. К недостаткам следует отнести довольно высокий уровень энергопотребления в режиме ожидания и дополнительный трафик данных в сети WLAN. В насыщенных, скажем так, очень «умных» домохозяйствах, это может привести к ситуации, когда доступная скорость передачи данных в сети окажется недостаточной.

Для того чтобы избежать описанной ситуации, некоторые поставщики используют протокол ZigBee Light-Link. Он потребляет меньше энергии, чем соединение через Wi-Fi, и не загружает сеть Wi-Fi, уменьшая ее пропускную способность. Однако по сравнению с беспроводными технологиями, такими как ANT или Bluetooth5, уровень энергопотребления в этом случае все еще относительно высок. Кроме того, сеть ZigBee занимает 5 МГц в полосе частот 2,4 ГГц шириной 80 МГц. При таком раскладе можно реализовать либо три сети Wi-Fi, либо 16 параллельных сетей ZigBee, а также использовать их в комбинациях — например, две сети Wi-Fi и пять сетей ZigBee. Слишком много сетей приводят к их частичному перекрытию и, следовательно, к снижению производительности. Из-за перегрузки сеть, пусть и на короткое время, способна даже впасть в ступор.

ZigBee — это один из стандартов серии IEEE 802.15.4. Имя бренда происходит от танца медовых пчел, после их возвращения в свой улей. Технология является еще одним удачным решением, ориентированным на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях, которая обеспечивает возможность длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей). Сети, образованные по протоколу ZigBee, начали рассматриваться еще с 1998 года, когда многие разработчики осознали, что протоколы Wi-Fi и Bluetooth стали недостаточно эффективными для целого ряда приложений, а для решений «умного дома» он во многих случаях оказался просто незаменимым.

Thread

 Протокол Thread относительно новый, он совсем недавно вошел в нашу жизнь, но уже находит свое место во все более «умных» домашних приложениях. Идеологом и разработчиком этого протокола является ThreadGroup, некоммерческая организация, в состав которой входит ряд крупных инжиниринговых компаний. Thread (от англ. thread — «нить») — протокол среднего уровня, основанный на энергоэффективном беспроводном стандарте 6LoWPAN, действующем по протоколу IEEE 802.15.4. Технология Thread (как это отражено в ее логотипе «игла и нить», что показывает суть протокола — сшивание) предназначена для адаптации простых IoT-устройств к коммуникации с использованием интернет-протокола IPv6, который осуществляет связь через локальную сеть (LAN) и по сравнению с проприетарной, локально ограниченной адресацией, предлагает много преимуществ.

Для профилей приложений с Thread доступно несколько альянсов, включая альянс ZigBee с его решением Dotdot, что позволяет реализовать связь «один к одному». Dotdot — набор протоколов более высокого уровня от ZigBee Alliance, объединяющий профили приложений в библиотеки, которые, как надеются в альянсе, станут основой унифицированных сетей IoT, использующих другие стандарты беспроводной связи. С помощью Dotdot определяются принципы взаимодействия устройств, например, в «умном доме». В частности, Dotdot позволяет практически любым устройствам передавать друг другу информацию о том, для чего они предназначены.

Можно сказать, что Thread своего рода универсальный язык общения для Интернета. Если, например, радиобудильник способен управлять устройствами от разных поставщиков, он также может включить телевизор для просмотра утренних передач за завтраком. Но для того чтобы гарантировать совместимость в будущем, желательно уже с самого начала интегрировать протокол Thread, по крайней мере с учетом требований к оборудованию.

Bluetooth

Протокол связи Bluetooth был разработан еще в середине 1990-х годов специально для того, чтобы предоставить возможность организовывать персональную локальную сеть, соединяющую различные носимые устройства, сотовые телефоны, компьютерную периферию и т. д. Bluetooth использует диапазон ISM 2,4 ГГц, и первоначально был утвержден как стандарт IEEE 802.15.1. Его продвижением занимается специальная группа Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), объединяющая тысячи компаний, создающие устройства по технологии Bluetooth.

С Bluetooth 5 Bluetooth SIG также ввела режимы работы, которые представляют интерес для приложений «умного дома». Так, режим 2 Мбит/с позволяет передавать видеосигналы, скажем, с камеры газонокосилки-робота или системы контроля дверей. Режимы 500 и 125 кбит/с обеспечивают повышенную мощность передачи и более длинное кодирование отдельных битов, благодаря чему беспроводные сигналы могут передаваться через несколько сотен метров и даже через несколько стен. Bluetooth 5, в отличие от технологий, основанных на протоколах IEEE802.15.4, таких как ZigBee и Thread, предусмотрен в современных смартфонах и поэтому уже подходит для их прямого подключения в систему «умного дома» (рис. 1).

Рис. 1. Управление «умным домом» с планшета посредством беспроводной сети

Дополнением к Bluetooth 5 в качестве промежуточного уровня для поддержки больших сетей с многочисленными устройствами является протокол Bluetooth Mesh 1.0 из Bluetooth 4.0. Этот Bluetooth-протокол также поддерживается совместимостью смартфонов, относительно низким энергопотреблением и очень низкой задержкой благодаря лавинной (flooding), а не сетчатой маршрутизации.

ANT и EnOcean

Если пользователь хочет пойти еще дальше, то радиобудильник не только включит музыку и свет в спальне, но и сделает это в идеальный момент. Он определит это с помощью «умных» часов или фитнес-трекера (рис. 2), который узнает о фазе сна пользователя через мониторинг пульса и детектор движения. Однако для того чтобы будильник имел доступ к данным устройствам, ему необходим протокол ANT (ANT — буквально: «муравей», проприетарный мультивещательный протокол беспроводной сенсорной сети с низким потреблением энергии, разработан в 2004 году компанией Dynastream Innovations, которая впоследствии была поглощена компанией-изготовителем GPS — Garmin). Так сложилось, что в подобных устройствах Bluetooth используется крайне редко, это в прямом смысле редкое исключение. Причина в том, что ANT самая экономичная беспроводная технология для датчиков, находящихся в непосредственной близости, и поэтому отлично подходит для всех приложений, которые могут работать с небольшими элементами питания дискового типа (кнопочными) или аналогичными небольшими аккумуляторами, причем в течение нескольких месяцев и лет без подзарядки аккумулятора или замены батареи.

Рис. 2.
а) «Умные» часы;
б) фитнес-трекер

Еще более энергоэффективным, чем ANT, является только стандарт EnOcean, работающий в субгигагерцевом диапазоне. Протокол не столь эффективен, как ANT, но благодаря запатентованным расширениям для сбора свободной энергии (технология energy harvesting) беспроводная технология EnOceanпозволяет полностью обойтись без отдельной системы накопления энергии, то есть функционирует без батареи. Для этого она использует кинетическую энергию при работе переключателей, солнечную энергию или получает энергию за счет разности температур (используется эффект Зеебека — возникновение ЭДС на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах). Выключатели с EnOcean уже присутствуют, например, в сборных домах компании Weber. Имеющийся выключатель света также можно использовать и для того, чтобы сообщить радиобудильнику, что вы собираетесь лечь спать, и таким образом запустить таймер сна.

NFC

Все перечисленные технологии по-своему хороши, однако если устройство оснащено этими беспроводными технологиями, оно не слишком удобно для владельца. Конечным пользователям необходимо настроить все подключения к своим устройствам и системам, и в этой ситуации поможет технология, основанная на передаче в области так называемого ближнего поля — Near Field Communication («коммуникация ближнего поля», «ближняя бесконтактная связь») более известная пользователям по уже распространенной аббревиатуре NFC. Это технология беспроводной передачи данных малого радиуса действия, которая предусматривает обмен сведениями между устройствами, находящимися на расстоянии до 4 см. Другими словами, конечным пользователям нужен лишь смартфон, и они должны коснуться каждого подключаемого устройства только один раз, чтобы настроить сети, не особо заморачивая себе голову (рис. 3). Удобство такой системы связи еще и в том, что здесь вместе с данными можно передавать и мощность для зарядки батареи [5].

Рис. 3. Связь смартфона и будильника через систему ближнего поля NFC

Рис. 4. Система на кристалле nRF52840

Все в одном модуле

Исходя из сказанного выше перед разработчиками стоит задача интегрировать все эти стандарты беспроводной связи «умного дома» в одно приложение. С системой на кристалле (System-on-Chip, SoC) nRF52840 от компании Nordic Semiconductor это действительно просто: решение «все в одном» предлагает не только мощный микроконтроллер с беспроводными устройствами для ZigBee, Thread, Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, ANT, и NFC, но и порт USB. Кроме того, в nRF52840 для оценки сигналов от датчиков имеются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и лучшая в классе система шифрования данных между блоками передачи данных и защиты областей памяти. Что не менее важно, система на кристалле nRF52840 лишь ненамного дороже, чем простое решение ZigBee.

В основе nRF52840 лежит 32-битный процессор ARM Cortex M4F, работающий на частоте 64 МГц. Его встроенная память (1 Мбайт флэш-памяти и 256 кбайт ОЗУ) обеспечивает достаточно места для одновременной работы нескольких беспроводных протоколов. Система на кристалле nRF52840 поддерживает измерение RSSI с высоким разрешением и такие функции, как EasyDMA, которые снижают нагрузку на процессор и обеспечивают прямой доступ к памяти. Чтобы снизить требования к питанию, все периферийные компоненты имеют функцию синхронизации и управления питанием. Это гарантирует, что они будут отключены, когда не используются. Криптографический сопроцессор ARM CryptoCell-310 обеспечивает крайне высокую степень безопасности. Он поддерживает генератор случайных чисел и множество асимметричных, симметричных и хэш-криптографических сервисов. Кроме того, сопроцессор ускоряет операции, уменьшает загрузку процессора и снижает энергопотребление. Система на кристалле nRF52840 имеет полную программную совместимость протоколов с продуктами компании Nordic Semiconductor серий nRF52, nRF51, nRF24L и nRF24AP.

Любой, кто сейчас не желает упустить то преимущество, которое обеспечивает технология EnOcean, может использовать модуль на основе nRF52, совместимый с модулями сбора энергии EnOcean. Поставки модуля, как и решения для всех других беспроводных технологий, уже доступны от компании Rutronik.

Более подробно ознакомиться с беспроводными технологиями, в том числе для «умного дома» и «Интернета вещей» можно в [1–4].