Протоколы – это основа взаимосвязи smart-устройств и экосистем, составляющих умный дом. Работу протоколов можно сравнить с общением. Для того чтобы понимать и слышать друг друга, необходимо говорить на одном языке и с достаточной громкостью. Протоколы позволяют разным устройствам и системам общаться друг с другом, чтобы сделать систему умного дома коммуникабельной и отзывчивой, а жилье более энергоэффективным, удобным и безопасным. Сегодня существует множество протоколов для умного дома, это давно известные Wi-Fi и Bluetooth, популярные Zigbee и Z-Wave, достаточно новые Thread и Matter. У каждого из них есть свои уникальные особенности и преимущества. Давайте подробнее рассмотрим работу вышеперечисленных протоколов.
Особенности работы Bluetooth
Bluetooth-протокол, с которым пользователи знакомы в течение четверти столетия. Например, используется для подключения колонки, наушников к телефону, джойстика к PlayStation или мыши и клавиатуры к ноутбуку и т.д.
Также есть устройства в умном доме, которыми можно управлять через Bluetooth, например некоторые осветительные приборы от Yeelight, Mijia, Philips Hue. Данный тип радиосвязи – прекрасное решение для того, чтобы начать работу с домашней автоматизацией, потому что каждый смартфон имеет встроенный модуль Bluetooth. Чтобы увидеть, как функционирует протокол Bluetooth на практике, вот несколько примеров:
- К примеру, можно купить умную лампочку Bluetooth, подключить ее к своему смартфону, а затем изменять цвета или яркость прямо из приложения, без приобретения каких-либо дополнительных устройств.
- При наличии разумной колонки включить/выключить или регулировать освещение с помощью голоса.
- Также Bluetooth работает полностью локально. Это означает, что при отсутствии подключения к Интернету можно управлять датчиками температуры или осветительными приборами.
Обычно в интеллектуальных устройствах используются недорогие модули Bluetooth с низким энергопотреблением. К примеру, BLE является достаточно надежным протоколом связи и позволяет устройству работать на батарейных элементах в течение длительного времени. Как правило, Bluetooth не обладает большим радиусом действия, он составляет около 10 м, поэтому эффективно сможете управлять смарт-устройствами в одной комнате. Для расширения системы используется Bluetooth Mesh. Данная технология позволяет каждому девайсу связываться друг с другом, а управление осуществляется благодаря шлюзу, поддерживающему эту связь.
Преимущества Wi-Fi связи
Wi-Fi был разработан примерно в то же время, что и Bluetooth. Принцип работы протокола Wi-Fi рассмотрим на примере Wi-Fi розетки. Она соединяется с домашним роутером, получает свой IP-адрес и становится отдельным узлом в сети, поэтому для ее работы не требуется шлюз. Далее из любой точки мира, при наличии Интернета, сможете вести мониторинг и управлять розеткой со смартфона.
Основные особенности Wi-Fi:
- высокая пропускная способность. Например, Wi-Fi 6-го поколения – до 11 Гбит/с, а 7-го – до 30 Гбит/с;
- высокая скорость передачи данных;
- широкий диапазон подключения.
Это хороший протокол для построения умного дома, потому что большинство людей дома уже имеют Wi-Fi роутеры. Довольно часто Wi-Fi протокол связи применяется там, где требуется большая пропускная способность. К примеру, в камерах видеонаблюдения и всем, что связано с передачей потокового видео. Один из недостатков этой связи, он не энергоэффективный, а роутеры достаточно слабы. К сожалению, многие интернет-провайдеры предоставляют своим клиентам, как правило, дешевые и маломощные Wi-Fi роутеры. Из-за этого возникают трудности с покрытием, стабильным сигналом, в больших домах и ограниченное количество подключаемых смарт-гаджетов. Некоторые из роутеров поддерживают только десяток или около того беспроводных подключений. Учитывая, что к роутеру уже подключены ТВ-приставки, мобильные телефоны, планшеты, ПК, ноутбуки и др., то с добавлением новых умных приборов роутеры быстро перегружаются. Wi-Fi также очень загружен и шумным протоколом, особенно в многоквартирных домах. К примеру, если вы используете всю пропускную способность Wi-Fi для просмотра видео в разрешении 4K, то сигнал включения и выключения света может застрять в очереди, замедляя весь процесс взаимодействия с умным домом.
Поэтому если решили использовать Wi-Fi устройства для создания экосистемы, сначала купите мощный роутер, работающий на разных частотах: 2.4; 5; 6 ГГц и с возможностью подключения нескольких десятков smart девайсов.
Z-Wave
Протокол Z-Wave – это беспроводной вариант управления автоматикой (Home Automation Protocol). Он был создан компанией Zensys, сейчас это Sigma Designs, которая в 2013 году улучшила характеристики, назвав протокол Z-Wave Plus. В отличие от Bluetooth и Wi-Fi, созданных по разным причинам и затем принятым индустрией умного дома, Z-Wave специально разрабатывали для домашней автоматизации. Преимущества безопасности Z-Wave включают в себя:
- высокая защищенность сетевого протокола;
- низкое энергопотребление, работа гаджетов на одной батарейке достигает нескольких лет;
- стабильность связи;
- возможность управления на расстоянии до 100 метров в открытой местности;
- совместимость с интеллектуальными приборами от разных производителей с логотипом Z-Wave;
- Z-Wave – это низкочастотная сеть, работающая в радиочастотном диапазоне около 900 МГц, которая больше не используется другими радиоустройствами. Это делает эту сеть менее восприимчивой к радиопомехам, а более низкая длина волны позволяет сигналу лучше проходить сквозь стены и другие помехи;
- Расширение доступно в любой момент, вы сможете подключить до 232 смарт гаджетов в одну экосистему.
Протокол Z-Wave создает сеть для увеличения радиуса действия и устойчивости связи. Ячеистая сеть – это сеть, которая становится сильнее и надежнее по мере добавления в нее большего количества смарт устройств. Это связано с тем, что устройства Z-Wave, подключенные к источнику электропитания, могут выступать в качестве ретрансляторов, к которым могут подключаться другие гаджеты. Позволяя передаваться сигналу от устройства к устройству, пока они не попадут на контроллер. Z-Wave – полностью локальная сеть, поэтому гарантировано, что интеллектуальные продукты будут продолжать работать, даже если интернет-соединение прервется.
К минусам сети можно отнести ограниченную пропускную способность, даже в последней 700 серии, скорость остается около 100 кбит/с, что значительно медленнее, чем Wi-Fi, и даже медленнее, чем Bluetooth, поэтому можете забыть о потоковом видео в высоком разрешении или использование камер наблюдения. Также устройства Z-Wave стоят дороже их Bluetooth, Zigbee и Wi-Fi эквиваленты. Из-за того, что стандарт был закрыт до 2019 года, выбор девайсов достаточно ограничен.
Если вы планируете в своем умном доме использовать приборы, не требующие большой пропускной способности, такие как smart датчики, умное освещение, замки, термодатчики и т. д. И находитесь в ситуации, когда оборудование домашней автоматизации находится на большом расстоянии, то можете добавить устройства Z-Wave и они будут усиливать сеть в дальних углах здания.
Преимущества Zigbee перед другими протоколами
Zigbee существует с 90-х годов, потому он имеет долгую историю и зарекомендовал себя как надежный протокол домашней автоматизации. Одним словом, это маломощный локальный и зашифрованный протокол связи умного дома. Количество продуктов Zigbee, которые вы можете найти на сайте WiseHome и в интернете просто поражает.
Сейчас Zigbee самый популярный и распространенный протокол связи для IoT продуктов. Протокол Zigbee может поддерживать до 65 тысяч устройств, объединенных в сеть с помощью сетевой топологии. Zigbee 3.0 создает ячеистую сеть, поэтому почти каждое проводное устройство, добавляемое в экосистему, может служить в качестве хаба, что делает всю систему более сильной и устойчивой к отказу. Сеть использует Zigbee шлюз, настраивающий всю сеть, к нему подключаются другие смарт-гаджеты. Проволочные модели выступают в качестве мостов, которые могут поддерживать до 20 конечных устройств, тем самым расширяя зону покрытия экосистемы.
Как и Z-Wave, Zigbee создает локальную сеть, независимую от интернет-соединения. При этом данные, передаваемые между устройствами, зашифрованы и потребляют очень мало энергии. Zigbee протокол по-прежнему остается с низкой пропускной способностью около 250 кбит/с. Это в два с половиной раза быстрее, чем Z-Wave, но все еще слишком мало для потокового видео. Как и у Z-Wave, у Zigbee есть альянс производителей и программа сертификации. Но качество продукции отличается от производителя к производителю из-за отсутствия жесткого контроля.
Thread – в чем его особенность
Thread – это новый протокол умного дома, который очень похож на Zigbee. Фактически Thread основан на том радиооборудовании, которое использует Зигби. Например, радиочастотный спектр, такой же 2,4 ГГц, та же пропускная способность 250 кбит/с, поток создает зашифрованную сеть mesh с функцией самовосстановления и низким энергопотреблением. Thread даже имеет программу сертификации, аналогичную Z-Wave и Zigbee. Поэтому можно с уверенностью сказать, что Thread вобрал в себя все сильнейшие стороны предыдущих протоколов.
Но у Thread есть, более существенные изменения, которые делают его лучше других:
- Thread отличается от других тем, что основывается на интернет-протоколе IPv6. Основное преимущество в том, что он поддерживает работу нескольких хабов в одной экосистеме. Например, если в Z-Wave или Zigbee сломается шлюз, тогда вся экосета выйдет из строя. При покупке нового шлюза придется снова подключать все устройства. Одним из основных преимуществ Thread является то, что в экосети может быть несколько шлюзов. Один из них выбирается ведущим и он становится боссом сети, если этот ведущий шлюз отключается или ломается, то другой возьмет управление на себя, что делает всю сеть более устойчивой и менее склонной к сбоям.
- Еще интеллектуальные приборы Thread могут отключать свои радиомодули, когда они не требуются, что делает их более энергоэффективными, чем устройства Zigbee и Z-Wave. Например, Zigbee может работать от батареи год, в то время как эквивалентное устройство Thread работает два или три года.
- Наконец Thread использует протокол IPv6, поэтому он свободно взаимодействует с устройствами Wi-Fi и Bluetooth. Пористая сеть Thread создает безопасную, надежную и стабильную сеть без точки отказа, смарт-устройства легко подключаются и поддерживается работа в облаке.
Используя протокол Thread, сможете создать достаточно обширную экосистему, потому что в системе может быть 1 шлюз-лидер, он держит связь с интернетом и 31 шлюз помощников, к каждому из них подключается более 500 девайсов.
Matter – новинка 2023
Matter – это глобальный протокол, над которым еще в 2019 году начала работу группа мировых компаний IoT технологий и платформ. Поскольку ни одна компания не смогла полностью покрыть устройствами свою экосистему, гиганты IoT решили создать протокол, который объединит все и им стал Matter. Уже задействовано более 300 компаний, для того чтобы устройства умного дома, работающие на выше рассмотренных протоколах, общались на одном понятном языке радиосвязи. Цель Matter сделать умный дом более доступным, современным, удобным и простым в использовании.
Стандарт связи Matter предназначен для управления всеми девайсами дома: освещением, отоплением, безопасностью, вентиляцией, бытовой техникой, различными датчиками, а также аудио и видео оборудованием и т.д. Matter взял все самое лучшее, что есть в других протоколах.
Matter может использовать безопасный обмен данными между приложениями IoT. Он использует шифрование на основе открытых ключей и авторизацию на основе сертификатов, охватывающих данные от несанкционированного доступа. Matter специально разработан для упрощения работы smart-продуктов от всех производителей и платформ.
В конце 2022 года некоторые IoT продукты получили обновление программного обеспечения и стали совместимы с Matter, в 2023 году уже доступно около 1000 умных устройств, прошедших сертификацию. Matter-протокол использует стандартные интернет-технологии, такие как IP-адресация и Wi-Fi, что делает его более универсальным и гибким, чем многие другие протоколы. Можете не беспокоиться о своих старых гаджетах, их тоже можно будет добавить в новую систему. В конце концов, благодаря Matter, потребителям и проектировщикам умных домов, не нужно волноваться о несовместимости смарт продукции.
В заключении следует отметить, что протоколы обеспечивают бесперебойную связь и взаимодействие между устройствами и системами. Поскольку спрос на технологии разумного дома продолжает расти, производителям и разработчикам важно внедрять и интегрировать новейшие протоколы для усовершенствования IoT технологий, чтобы ими мог воспользоваться любой.