Математическая
морфология.
Электронный
математический и медико-биологический журнал. - Т. 14. -
Вып. 3. - 2015. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-47-html/TITL-47.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-47-html/cont.htm
УДК
681.527
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ БЫТОВЫМИ ДАТЧИКАМИ
В работе
представлен обзор и основные аспекты внедрения беспроводных технологий в
автоматизированную систему управления бытовыми датчиками.
Ключевые слова: автоматизированная система управления,
бытовые датчики, беспроводные технологии.
Автоматизированная система управления бытовыми
датчиками представляет собой совокупность устройств, предназначенных для
обеспечения безопасности жизни и оповещения людей об аварийных ситуациях.
Каждый элемент системы постоянно выполняет определенную задачу и взаимосвязан с
другими устройствами комплекса.
Главным модулем автоматизированной системы является диспетчерский
блок управления или, другими словами, «мозг» системы, который обеспечивает сбор
и обработку информации о состоянии датчиков. Он следит за тем, как
функционируют все подсистемы, оптимально распределяет нагрузки, предупреждает
и, по возможности, предотвращает аварийные ситуации.
При создании уникальной автоматизированной системы
управления бытовыми датчиками очень важно, чтобы она была универсальна, проста
в монтаже и управлении. Применение беспроводных технологий для связи датчиков с
блоком управления значительно снизит затраты денег и времени на монтаж и, одновременно,
сделает систему более гибкой, расширяемой и современной.
Функциональность интеллектуального комплекса можно
расширять путем добавления беспроводных датчиков, беспроводных выключателей и
исполнительных устройств, которые отдельно продаются в магазинах. Разнообразие
оборудования позволяет построить систему любой сложности.
Беспроводные датчики и беспроводные выключатели могут
быть установлены в любом месте, на любой поверхности в любом количестве на значительном
расстоянии. Собираемая ими информация делает эффективным управление освещением
и отоплением, климатом и теплым полом, водоснабжением и поливом. Информация
может использоваться для контроля потребления электроэнергии, газа, воды,
тепла.
Рассмотрим наиболее часто используемые беспроводные
протоколы. Для оптимального выбора технологии необходимо проанализировать основные
аспекты внедрения каждой из них в автоматизированную систему управления
бытовыми датчиками.
К основным вариантам беспроводной реализации сетевого
сопряжения устройств автоматизированной системы относят следующие технологии: Wi-Fi; Bluetooth; ZigBee; Z-Wave.
Для передачи информации беспроводные
устройства Wi-Fi используют радиоволны из спектра
частот, определенных стандартом IEEE 802.11. Существует четыре
разновидности стандарта Wi-Fi (табл. 1). 802.11n
поддерживает работу сразу в двух частотных диапазонах одновременно на
четыре антенны. Суммарная скорость передачи данных при этом достигается 150–600
Мбит/с.
Таблица 1. Разновидности стандарта Wi-Fi
|
Стандарт |
802.11b |
802.11g |
802.11a |
802.11n |
|
Количество используемых неперекрывающихся радиоканалов |
3 |
3 |
3 |
11 |
|
Частотный диапазон, ГГц |
2,4 |
2,4 |
5 |
2,4/5 |
|
Максимальная скорость передачи данных
в радиоканале, Мбит/с |
11 |
54 |
54 |
150–600 |
Технология изначально не предназначалась для создания автоматизированных
систем управления бытовыми датчиками. Wi-Fi
применяется для связи с устройствами, которые могут функционировать автономно,
без помощи «интеллектуальной» системы. В последнее время подобные устройства набирают
популярность, ведь они позволяют приобщиться к технологиям умного дома, не
тратя время и силы на установку вспомогательного оборудования. Наиболее отработанные
решения – это всевозможные светодиодные лампочки и малопотребляющие
датчики дыма, управляемые с мобильных устройств по Wi-Fi каналу,
выпускаемые, например, Apple
или Philips.
Для сложных систем автоматизации Wi-Fi
не подходит: модули связи этого стандарта дороги и очень прожорливы, а
демонстрируемые ими скорости в рамках умного дома попросту не востребованы. Потребитель
постоянно стремится охватить как можно больше площади
сетью из датчиков.
Стандарт Wi-Fi удобно применять для того, чтобы связать мобильное
устройство с уже готовой автоматизированной системой. Мобильное устройство
всегда под рукой, а потому управлять домом с его помощью, порою, удобнее, чем
использовать для этой цели компьютер, настенную сенсорную панель, пульт ДУ или
интерпретатор речи. Особенно это актуально в тех случаях, когда для
взаимодействия с системой предусмотрено специальное приложение, а не только веб-интерфейс.
Как и Wi-Fi технология Bluetooth может успешно использоваться для дополнения автоматизированной
системы управления дома, но не является базовой создания. Однако, в последнее
время разработчики интеллектуальных устройств с Bluetooth
совершили значительный прорыв в данном направлении. Оптимальным решением для
автоматизированной системы управления является применение умных замков с Bluetooth каналом, которые управляются с помощью
приложения, установленного на мобильный телефон. Тем более практически каждый
смартфон поддерживает интерфейс Bluetooth. Замки имеют
беспроводную связь, которая обеспечивает продолжительную автономную работу. Для
этого Bluetooth обеспечивает радиосигнал малой мощности.
Bluetooth использует
топологию сети «точка-точка», что ограничивает его дальность действия и
надежность. Однако, с начала 2015 года разрабатывается
новая версия технологии построения ячеистых сетей. Это означает, что одно
устройство с Bluetooth может увеличить расстояние для
передачи данных с помощью ближайшего другого устройства с Bluetooth.
ZigBee - протокол верхнего уровня, базирующийся на
беспроводном стандарте IEEE 802.15.4. Он отличается более низким потреблением
энергии в сравнении с Wi-Fi.
Преимуществами протокола ZigBee
является:
- Надежность: устройства на ZigBee
могут общаться друг с другом, даже если шлюз не работает или его нет совсем.
- Масштабируемость: ZigBee и другие
протоколы на базе 802.15.4 имеют неограниченное число устройств.
- Самовосстановление: в случае домашней автоматизации,
это означает, что термостат по-прежнему работает, даже если шлюз не работает.
Данная технология обладает большим недостатком для
пользователей - проблемой с совместимостью устройств от разных производителей -
это зачастую ограничивает возможности использованием устройств только от одного
поставщика.
Несмотря на путаницу со спецификациями, основные
принципы работы ZigBee не меняются на протяжении
многих лет. Передача данных в рамках сети осуществляется по радиоканалу.
Используемые частоты зависят от региона: для Европы выбрано значение 868 МГц,
для США и ряда других стран — 915 МГц. Кроме того, стандарт предусматривает
работу на частоте 2,4 ГГц — она не имеет привязки к географическому положению.
Удивительно, но подобное обилие вариантов мало сказывается на вопросах совместимости:
по факту, практически все ZigBee-оборудование использует частоту 2,4 ГГц. Этот
вариант обеспечивает наибольшую пропускную способность — в теории, она может
достигать значения в 250 Кбит/с. Дальнобойность сигнала внутри помещения составляет
10-20 метров.
ZigBee, несмотря на все ее достоинства и недостатки, в
настоящее время используется для домашней автоматизации.
Z-Wave протокол, разработанный специально для управления,
мониторинга и считывания статуса жилых зданий. Z-Wave
является одним из самых популярных протоколов на рынке беспроводного управления.
Разработчик беспроводной технологии Z-Wave - калифорнийская компания Zensys
предложила довольно удачное решение для автоматизированных систем управления
бытовыми датчиками, основанное на принципе mesh-сети. Zensys
разработала чип, достоинствами которого являются низкая цена, малое потребление
энергии и крохотные размеры, что дает возможность интегрировать его в любое
устройство.
Технология использует выделенный частотный диапазон
(работает вне диапазона WiFi или Bluetooth)
и ячеистую топологию сети - это означает, что модули и датчики, входящие в
систему, используются как ретрансляторы, позволяя достичь оптимального
покрытия. Если сигнал не прошел одним маршрутом, то автоматически будет выбран
новый. В технологии прием команд всегда подтверждается. Каждое устройство в
этой сети одновременно принимает и передает радиосигнал. Достаточно добавить
новый прибор – и зона покрытия сети увеличится. Z-Wave
оборудование устанавливается просто и быстро, а выбор его необычайно широк. Эта
технология доступна и понятна любому человеку.
В отличие от Wi-Fi и других
IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших
потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне
частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд
(например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор
низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обуславливается
малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от загруженного
диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к мероприятиям, уменьшающим
возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств — Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth).
Преимущества:
- Используемый сетевой протокол обеспечивает
надежность;
-Удаленный
мониторинг (через Интернет или мобильный телефон);
- Сдерживающий фактор для воров, поскольку он
имитирует присутствие людей со случайным включением света;
- Не требует прокладки новых кабелей;
- Масштабируем и расширяем в любой момент новыми
устройствами;
- Может быть построен с
помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом;
- Гарантирует совместимость со всеми устройствами от
разных производителей, имеющих соответствующий логотип Z-Wave.
Недостатки:
- Хотя технология Z-Wave
является интересным решением, особенно для уже построенных домов, низкая
скорость передачи данных исключает передачу изображений, звука и других данных;
- Кроме того, для решений, где требуется более 30
устройств, Z-Wave начинает становиться более дорогим,
чем кабельные системы;
- Из-за своих
конструктивных особенностей, такие системы имеют ограниченные масштабы и радиус
действия, и требуют использования повторителей или даже кабели.
На рынке представлен большой ассортимент устройств,
работающих по протоколу Z-Wave. К ним относят: настенные выключатели и регуляторы яркости (диммеры), патроны для ламп, устройства управления
электромеханическими нагрузками (приводы экранов, жалюзи, рольставней,
ворот и т.д.), датчики движения, устройства энергосбережения, дверные замки. В
России перечень устройств значительно меньше. При выборе Z-Wave
устройств при создании автоматизированной системы
управления бытовыми датчиками надо обращать внимание на рабочую частоту, так
как оборудование Z-Wave, используемое в России,
должно работать на российской (RU 869 МГц) частоте.
В результате проведения анализа основных беспроводных
технологий, применимых внутри автоматизированной системы управления бытовыми
датчиками, можно отметить, что самой оптимальной является Z-Wave, так как
ассортимент устройств самый большой и не будет проблем с расширением системы.
При проектировании уникальной автоматизированной системы данную беспроводную
технологию целесообразно применять для управления освещением, выключателями
света, дверными замками фирмы Fibaro.
Технология Wi-Fi оптимальна
для связи мобильных устройств с блоком управления.
Соответственно, блок управления должен включать в себя модули Wi-Fi и Z-Wave протоколов. Для работы Z-Wave
на уровне радиоканала требуется специальный Z-Wave
приёмопередатчик. Основной поставщик этих трансиверов — американская компания Sigma Designs. Если встраивание Wi-Fi модуля
слишком трудоемко и дорого, то можно от него отказаться и использовать готовые Z-Wave модули Raspberry Pi от Raspberry Pi Foundation, позволяющие
совместить датчики с мобильным приложением.
Следующим шагом в разработке автоматизированной
системы управления бытовыми датчиками будет разработка мобильного приложения
для контроля через интернет. Команды и данные будут передаваться через облако. Так
же существуют приложения для iOS и Android с помощью которых также возможно
управление.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Интегральные
датчики. Состояние разработок и производства. Направления развития, объемы рынка.
/Мокров Е. А. //Датчики и системы.-2000.-№1.- 28-30 с.
2.
Системы
искусственного интеллекта в промышленности, робототехнике и транспортном
комплексе: монография. /А.В. Остроух – Красноярск: Научно-инновационный центр,
2013. – 326 с. – ISBN 978-5-906314-10-9.
3.
Умный дом.
Объединение в сеть бытовой техники и системы коммуникаций в жилищном
строительстве. /В. Харке. //Техносфера,
2006 г.
4.
http://www.ferra.ru/ru/digihome/review/SmartHome-Trends2014.
5.
http://z-wave.ru.
The paper provides
an overview of the main aspects and the introduction of wireless Internet-water
technologies to the automated control system of domestic sensors.
Key words: automated control system,
home sensors, wireless technology.
«Национальный
исследовательский университет» МЭИ» в г. Смоленске
Поступила
в редакцию 16.09.2015.