Выбор беспроводного протокола для домашней автоматизации
Какой беспроводной протокол следует использовать при проектировании устройства домашней автоматизации?
Поскольку Интернет Вещей начинает распространять наши личные и профессиональные миры, одно из первых мест, на которое оно повлияло, было нашим домом. Вездесущность беспроводных сетей, смартфонов и облачных соединений создала богатые возможности для производителей устройств, которые повышают ценность наших домов благодаря умной, подключенной бытовой технике.
С возможностью, однако, приходит конкуренция, и в беспроводном домашнем автоматизированном пространстве есть недоумение количества конкурирующих протоколов. За путаницей существует метод безумия; сегодня ни один протокол не является оптимальным для каждого варианта использования, но многие из этих протоколов превосходят некоторые приложения в пространстве ввода-вывода. Давайте рассмотрим лучшие беспроводные протоколы, используемые сегодня для интеллектуальной домашней автоматизации, а также перспективный новый стандарт, надеющийся объединить их всех.
Z-Wave
Z-Wave в настоящее время является самым популярным беспроводным протоколом для домашней автоматизации и имеет более тысячи устройств и более ста компаний, производящих совместимые продукты, и не видит признаков замедления. Z-Wave является проприетарным беспроводным протоколом для домашней автоматизации, разработанным для использования в условиях низкой мощности и низкой пропускной способности Интернета.
Z-Wave использует стандарт физической радиосвязи IEEE 802.15.4 и использует сетчатые сети для увеличения рабочего диапазона и повышения надежности сети. В отличие от Bluetooth и ZigBee, работающих в диапазоне 2, 4 ГГц, Z-Wave работает на частоте 868 МГц в Европе и 915 МГц в Северной Америке. Работа на частотах до 1 ГГц дает Z-Wave сигнал, невосприимчивый к сетям Bluetooth или Wi-Fi. Более низкая частота также дает превосходный диапазон Z-Wave, позволяя ему работать примерно в три раза больше, чем ZigBee.
Топология сети Z-Wave является сеткой, причем каждый узел выступает в качестве повторителя, увеличивая рабочий диапазон и позволяя сети продолжать работать в случае сбоя одного узла. В каждой сети Z-Wave есть как минимум один контроллер, как правило, подключенный к Wi-Fi концентратор, который выдает команды в сети и часто также выступает в качестве шлюза в Интернет.
В качестве проприетарного протокола все производители устройств Z-Wave должны использовать один из чипов SoC, лицензированных Sigma Designs (PDF). Подход SoC позволяет большинству проектов внедряться на радиочипе без необходимости использования внешних микроконтроллеров, что упрощает разработку аппаратного обеспечения. Разработка программного обеспечения осуществляется через стандартный SDK, доступный от Sigma. Новые, 500 серии Z-Wave SoCs предлагают увеличенный диапазон до 150 м, 50% срок службы батареи и 250% увеличение полосы пропускания, но поддерживают совместимость со всеми предыдущими поколениями Z-Wave устройств. После разработки продукты должны быть сертифицированы, прежде чем они смогут носить логотип Z-Wave.
Закрытая система означает несколько более высокие цены, но это также означает, что продукты Z-Wave легко взаимодействуют.
Прочная и бесшумная сигнализация Z-Wave и превосходная интероперабельность с более чем тысячей других продуктов Z-Wave на рынке делают ее отличным выбором для устройств IoT в области домашней автоматизации.
ZigBee
В качестве открытого стандарта, созданного в 2005 году, с использованием физического уровня IEEE 802.15.4, ZigBee был первым крупным беспроводным протоколом, специально разработанным для IoT. Как и Z-Wave, он работает с низким энергопотреблением и сеткой.
Несмотря на то, что устройства ZigBee рассчитаны на расстояние до 100 м на открытом воздухе, часто намного меньше, чем в случае, когда радио настроено на энергоэффективность вместо рабочего диапазона. Однако сетка ZigBee позволяет сетям больших размеров, которые могут выходить далеко за пределы диапазона отдельного устройства ZigBee. Сетевая сеть позволяет сети работать вне зоны видимости, вокруг углов, прошлых препятствий или на разных слоях здания.
Будущее ZigBee неопределенно. Его энергоэффективность превзошла Bluetooth Low Energy и несколько новых или будущих протоколов, которые также имеют сетчатую сеть, в том числе новую версию BLE.
Наличие дешевых, хорошо подготовленных модулей ZigBee до сих пор сохраняет свою популярность, и это делает его разумным выбором для проектов закрытой сети IoT, но его плохая функциональная совместимость затрудняет его просмотр в качестве основного протокола домашней автоматизации в будущем.
Нить
Выпущенный в июле 2015 года Thread - очень перспективный новый протокол беспроводной домашней автоматизации на основе IP, созданный Google Nest в сотрудничестве с лидерами отрасли, включая Samsung, Freescale и ARM.
Thread стремится объединить продукты домашней автоматизации в рамках одного перспективного протокола, который может работать на существующем оборудовании. В отличие от Z-Wave и ZigBee, потоковые устройства по своей сути адресуются IP-адресам, используя 6LowPAN на сетевом уровне, чтобы предоставить каждому устройству Thread свой собственный IPv6-адрес. Это упрощает объединение сетей Thread в Интернет и значительно упрощает интеграцию с облачными приложениями.
Вместо того, чтобы вводить новый физический уровень, Thread использует 802.15.4, как ZigBee и Z-Wave. Канальные радиомодули (PDF) уже выходят на рынок, и многие существующие модули ZigBee также могут быть обновлены для поддержки Thread. Помимо упрощения создания новых устройств Thread, это также означает, что некоторые текущие продукты ZigBee могут легко добавлять поддержку Thread.
Резьба поддерживает очень короткие сообщения и «сонные» устройства, чтобы свести к минимуму потребление энергии. Как и ZigBee и Z-Wave, Thread поддерживает сетевую сеть для мощных сетевых архитектур.
Стек потока Предоставлено группой потоков
Важно отметить, что стек потоков определяет физические и сетевые уровни, но оставляет слой приложения в воздухе.
До сих пор только Nest Weave использует Thread как собственный сетевой уровень. Библиотека ZigBee Cluster Library (ZCL) также объявила о совместимости с новым протоколом, что означает, что приложения, предназначенные для ZCL, теперь могут работать в сетях Thread.
Как очень новый протокол, Thread еще не видел широко распространенного внедрения Z-Wave. Но с продуманным, IP-адресуемым дизайном, сильной поддержкой отрасли и возможностью работы с существующим кремнием у него есть много всего для этого.
Thread - это протокол, который сегодня должны поддерживать производители устройств IoT.
Низкая энергия Bluetooth
Bluetooth Low Energy (BLE) вышла на сцену в 2010 году в рамках спецификации Bluetooth 4.0. Благодаря встроенному Bluetooth в операционные системы Android и iOS, поддержка BLE уже встроена в современные смартфоны, что делает ее чрезвычайно привлекательным протоколом для устройств, ориентированных на клиента, включая домашнюю автоматизацию.
В то время как устройства, использующие другие протоколы IoT (даже Thread!), Должны быть доступны через шлюз, устройства BLE могут быть доступны непосредственно со смартфона или планшета.
В отличие от традиционного Bluetooth, который был разработан для потоковой передачи данных, технология Bluetooth Low Energy оптимизирована для обеспечения низкой пропускной способности и нечастой, интенсивной связи. Это делает его подходящим для передачи информации о контроле и контроле. BLE может быть очень энергоэффективным, а беспроводные датчики BLE, оптимизированные для повышения эффективности, могут обеспечить срок службы батареи в течение нескольких недель, месяцев или даже лет.
Соединения типа «ведущий-ведомый» являются самой популярной топологией BLE. В топологии ведущий-ведомый одно ведущее устройство BLE может подключаться к нескольким подчиненным устройствам, но подчиненный подключается только к одному ведущему устройству. Эта топология полезна для небольших асимметричных сетей, таких как смартфон и его периферийные устройства, автомобиль и его электронные компоненты, или промышленный компьютер и датчики на соседнем оборудовании. С другой стороны, топология master-slave менее подходит для подключения большого количества устройств в локальной сети.
Помимо подключений «ведущий-ведомый», устройства Bluetooth Low Energy могут также связываться, передавая данные на близлежащие устройства. В этом режиме одно устройство BLE транслируется на неограниченное количество прослушивающих устройств. Например, термостат мог использовать этот режим для регулярной передачи информации о температуре.
Как очень популярный протокол, чипы BLE подешевели, и теперь они очень доступны. Многие чипы BLE поставляются в SoC-дизайне с интегрированным прикладным процессором, позволяя легко и быстро создавать мощные устройства IoT и датчики по низкой цене.
Вездесущность Bluetooth Low Energy в смартфонах делает его идеальным для устройств домашней автоматизации, а его энергоэффективность делает его привлекательным для связи M2M. Он использует адаптивную скачкообразную перестройку частоты, чтобы избежать помех, поэтому он может сосуществовать с другими беспроводными протоколами, такими как Wi-Fi. Однако следует отметить, что BLE не является сетчатым сетевым протоколом, поэтому диапазон BLE сильно зависит от радиопомех и экологических препятствий.
Вай-фай
Wi-Fi никогда не предназначался для домашней автоматизации и неэффективен для приложений с низкой пропускной способностью по сравнению с другими протоколами. Тем не менее, он остается чрезвычайно важным протоколом домашней автоматизации, потому что почти каждый дом имеет беспроводную сеть.
Wi-Fi-устройства могут использовать существующие сети вместо того, чтобы создавать свои собственные. Это делает его чрезвычайно привлекательным протоколом для устройств домашней автоматизации, которые могут просто подключаться к существующим домашним сетям.
С другой стороны, помимо проблем энергоэффективности, Wi-Fi также имеет относительно большой стек, требующий большей памяти и вычислительной мощности, чем другие протоколы. Тем не менее, для устройств, которые имеют для этого ресурсы, повсеместность беспроводных сетей и их IP-характер заставляют Wi-Fi поддерживать один из лучших способов обеспечения простой связи и взаимодействия с конечными пользователями.
Вопросы протокола
Как мы видели, каждый из протоколов домашней автоматизации беспроводной сети имеет свои сильные и слабые стороны, которые делают его более подходящим для определенных приложений, чем другие.
Если интероперабельность важна, следует рассмотреть Z-Wave. В настоящее время он имеет самую большую экосистему совместимых устройств. Z-волна может похвастаться хорошей энергетической эффективностью и сеткой с лучшим диапазоном, чем ZigBee, и более надежным сигналом, поскольку он работает на частотах до 1 ГГц.
Для облачной связи и «будущей надежности» относительно новый протокол Thread имеет очень продуманный IP-адресный дизайн и поддержку основных игроков отрасли. Он имеет низкую мощность, сеть с сеткой и адресацию IPv6 для легкой интеграции с облачными приложениями. Несмотря на то, что это новый протокол, его легко поддерживать, поскольку он работает на существующих радиостанциях 802.15.4 и может сосуществовать с ZigBee.
Для приложений с низким энергопотреблением Bluetooth Low Energy в настоящее время является самым низким энергетическим протоколом на рынке, а также с самым легким стеклом. Это делает его хорошо подходящим для небольших дешевых устройств, которые должны длиться долгое время без зарядки. Кроме того, пользователи могут напрямую обращаться к этим устройствам со своим смартфоном или планшетом, без необходимости проходить через периферийное устройство или концентратор.
Наконец, для максимальной простоты использования, с Wi-Fi трудно спорить. Это будет лучше всего для устройств, которые могут быть подключены к сети, поскольку Wi-Fi не очень эффективен с точки зрения энергопотребления, но это зависит от скорости. Wi-Fi превосходит приложения с высокой пропускной способностью, такие как камеры безопасности. Кроме того, повсеместность сетей Wi-Fi и присущая ему IP-адресация делает Wi-Fi привлекательным протоколом для любого устройства IoT, способного его поддерживать.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.