Протоколи – це основа взаємозв'язку smart-пристроїв та екосистем, що становлять розумний будинок. Роботу протоколів можна порівняти зі спілкуванням. Для того, щоб розуміти та чути одне одного, необхідно говорити однією мовою і з достатньою гучністю. Протоколи дозволяють різним пристроям та системам спілкуватися один з одним, щоб зробити систему розумного будинку комунікабельною та чуйною, а житло більш енергоефективним, зручним та безпечним. Сьогодні існує безліч протоколів для розумного будинку, це давно відомі Wi-Fi та Bluetooth, популярні Zigbee та Z-Wave, досить нові Thread та Matter. Кожен із них має свої унікальні особливості та переваги. Давайте докладніше розглянемо роботу перелічених вище протоколів.
Особливості роботи Bluetooth
Bluetooth-протокол, з яким користувачі знайомі протягом чверті століття. Наприклад, він використовується для підключення колонки, навушників до телефону, джойстика до PlayStation або миші та клавіатури до ноутбука та ін.
Також є пристрої в розумному будинку, якими можна керувати через Bluetooth, наприклад, деякі освітлювальні прилади від Yeelight, Mijia, Philips Hue. Даний тип радіозв'язку чудове рішення для того, щоб почати роботу з домашньою автоматизацією, тому що кожен смартфон має вбудований модуль Bluetooth. Щоб побачити, як функціонує протокол Bluetooth на практиці, ось кілька прикладів:
- Наприклад, можна купити розумну лампочку Bluetooth, під'єднати її до свого смартфона, а потім змінювати кольори або яскравість прямо з програми, без придбання будь-яких додаткових пристроїв.
- За наявності розумної колонки, увімкнути/вимкнути або регулювати освітлення за допомогою голосу.
- Також Bluetooth працює повністю локально. Це означає, що ви можете керувати датчиками температури або освітлювальними приладами, коли відсутнє підключення до Інтернету.
Зазвичай в інтелектуальних пристроях використовують недорогі модулі Bluetooth з низьким енергоспоживанням. Наприклад, BLE є досить надійним протоколом зв'язку і дозволяє пристрою працювати на батарейних елементах протягом тривалого часу. Як правило, Bluetooth не має великого радіуса дії, він становить близько 10 м, тому ефективно зможете керувати смарт-пристроями в одній кімнаті. Для розширення системи використовується Bluetooth Mesh. Дана технологія дозволяє кожному девайсу зв'язуватися один з одним, а керування здійснюється завдяки шлюзу, що підтримує цей зв'язок.
Переваги Wi-Fi зв'язку
Wi-Fi був розроблений приблизно в той самий час, що і Bluetooth. Принцип роботи протоколу Wi-Fi розглянемо з прикладу Wi-Fi розетки. Вона з'єднується з домашнім роутером, отримує свою IP-адресу і стає окремим вузлом у мережі, тому для її роботи не потрібен шлюз. Далі з будь-якої точки світу, за наявності інтернету, зможете вести моніторинг та керувати розеткою зі смартфона.
Основні особливості Wi-Fi:
- висока пропускна спроможність. Наприклад, Wi-Fi 6-го покоління – до 11 Гбіт/с, а 7-го – до 30 Гбіт/с;
- висока швидкість передачі;
- широкий діапазон підключення.
Це хороший протокол для побудови розумного будинку, тому що більшість людей вдома вже мають Wi-Fi роутери. Досить часто Wi-Fi протокол зв'язку застосовується там, де потрібна велика пропускна здатність. Наприклад, у камерах відеоспостереження та всім, що пов'язане з передачею потокового відео. Один із недоліків цього зв'язку, він не енергоефективний, а роутери досить слабкі. На жаль, багато інтернет-провайдерів надають своїм клієнтам, як правило, дешеві та малопотужні Wi-Fi роутери. Через це виникають труднощі з покриттям, стабільним сигналом, у великих будинках і обмежена кількість смарт-гаджетів, що підключаються. Деякі з роутерів підтримують лише десяток або близько до цього бездротових підключень. Враховуючи, що до роутера вже під'єднано ТБ-приставки, мобільні телефони, планшети, ПК, ноутбуки та ін., то з додаванням нових розумних приладів, роутери швидко перевантажуються. Wi-Fi також є дуже завантаженим та галасливим протоколом, особливо у багатоквартирних будинках. Наприклад, якщо ви використовуєте всю пропускну здатність Wi-Fi для перегляду відео в роздільній здатності 4K, то сигнал увімкнення та вимкнення світла може застрягти в черзі, уповільнюючи весь процес взаємодії з розумним будинком.
Тому якщо вирішили використовувати Wi-Fi-пристрої для створення екосистеми, спочатку купіть потужний роутер, що працює на різних частотах: 2.4; 5; 6 ГГц та з можливістю підключення кількох десятків smart девайсів.
Z-Wave
Протокол Z-Wave – це бездротовий варіант управління автоматикою (Home Automation Protocol). Він був створений компанією Zensys, зараз це Sigma Designs, яка у 2013 році покращила характеристики, назвавши протокол Z-Wave Plus. На відміну від Bluetooth і Wi-Fi, створених з різних причин і потім прийнятих індустрією розумного будинку, Z-Wave спеціально розробляли для домашньої автоматизації. Переваги безпеки Z-Wave включають:
- високу захищеність мережного протоколу;
- низьке енергоспоживання, робота гаджетів на одній батарейці сягає кількох років;
- стабільність зв'язку;
- можливість керування на відстані до 100 метрів на відкритій місцевості;
- сумісність з інтелектуальними приладами від різних виробників з логотипом Z-Wave;
- Z-Wave – це низькочастотна мережа, що працює в радіочастотному діапазоні близько 900 МГц, який більше не використовується іншими радіопристроями. Це робить цю мережу менш сприйнятливою до радіоперешкод, а нижча довжина хвилі дозволяє сигналу краще проходити крізь стіни та інші перешкоди;
- Розширення доступне будь-якої миті, ви зможете під'єднати до 232 смарт гаджетів в одну екосистему.
Протокол Z-Wave створює мережу для збільшення радіуса дії та стабільності зв'язку. Комірчаста мережа – це екомережа, яка стає сильнішою і надійнішою в міру додавання до неї більшої кількості смарт пристроїв. Це пов’язано з тим, що пристрої Z-Wave, які підключені до джерела електроживлення, можуть бути у ролі ретрансляторів, до яких можуть підключатися інші гаджети. Дозволяючи передаватися сигналу від пристрою до пристрою, поки вони зрештою не потраплять на контролер. Z-Wave – це повністю локальна мережа, тому гарантовано, що інтелектуальні продукти продовжуватимуть працювати, навіть якщо інтернет-з'єднання перерветься.
До мінусів мережі можна віднести обмежену пропускну здатність, навіть в останній 700 серії, швидкість залишається близько 100 кбіт/с, що значно повільніше, ніж Wi-Fi, і навіть повільніше, ніж Bluetooth, тому можете забути про потокове відео у високій роздільній здатності або використання камер спостереження. Також пристрої Z-Wave коштують дорожче, ніж їх Bluetooth, Zigbee та Wi-Fi еквіваленти. Через те, що стандарт був закритим до 2019 року, вибір девайсів досить обмежений.
Якщо ви плануєте у своєму розумному будинку використовувати прилади, що не потребують великої пропускної здатності, такі як smart датчики, розумне освітлення, замки, термодатчики і т. д. І перебуваєте в ситуації, коли обладнання домашньої автоматизації є на великій відстані, то можете додати пристрої Z-Wave і вони посилюватимуть мережу в дальніх кутах будівлі.
Переваги Zigbee перед іншими протоколами
Zigbee існує з 90-х років, тому він має довгу історію і зарекомендував себе як надійний протокол домашньої автоматизації. Одним словом, це малопотужний локальний та зашифрований протокол зв'язку розумного будинку. Кількість продуктів Zigbee, які ви можете знайти на сайті WiseHome та в інтернеті просто вражає.
Зараз Zigbee найпопулярніший і найпоширеніший протокол зв'язку для IoT продуктів. Протокол Zigbee може підтримувати до 65 тис. пристроїв, об'єднаних у мережу за допомогою мережевої топології. Zigbee 3.0 створює пористу мережу, тому майже кожен дротовий пристрій, який додається в екосистему, може служити в ролі хаба, що робить всю систему сильнішою та стійкою до відмови. Мережа використовує Zigbee шлюз, який налаштовує всю мережу, до нього підключаються інші смарт гаджети. Дротові моделі виступають у ролі мостів, які можуть підтримувати до 20 кінцевих пристроїв, тим самим розширюючи зону покриття екосистеми.
Як і Z-Wave, Zigbee створює локальну мережу, незалежну від інтернет-з'єднання. При цьому дані, що передаються між пристроями, зашифровані та споживають дуже мало енергії. Zigbee протокол, як і раніше, залишається з низькою пропускною здатністю, близько 250 кбіт/с. Це у два з половиною рази швидше за Z-Wave, але все ще занадто мало для потокового відео. Як і у Z-Wave, у Zigbee є альянс виробників та програма сертифікації. Але якість продукції відрізняється від виробника до виробника через відсутність жорсткого контролю.
Thread – у чому його особливість
Thread – це новий протокол розумного будинку, який дуже схожий на Zigbee. Фактично Thread заснований на тому радіообладнанні, яке використовує Зігбі. Наприклад, радіочастотний спектр, такий самий 2,4 ГГц, та ж пропускна здатність 250 кбіт/с, потік створює зашифровану мережу mesh з функцією самовідновлення і низьким енергоспоживанням. Thread навіть має програму сертифікації, аналогічну Z-Wave і Zigbee. Тому можна з упевненістю сказати, що Thread увібрав у себе всі сильні сторони попередніх протоколів.
Але в Thread є, більш істотні зміни, які роблять його краще за інших:
- Thread відрізняється від інших тим, що ґрунтується на інтернет-протоколі IPv6. Основною перевагою є те, що він підтримує роботу кількох хабів в одній екосистемі. Наприклад, якщо в Z-Wave або Zigbee зламається шлюз, тоді вся екомережа вийде з ладу. При покупці нового шлюзу, доведеться знову підключати всі пристрої. Однією з основних переваг Thread є те, що в екомережі може бути кілька шлюзів. Один з них обирається ведучим і він стає босом мережі, якщо цей провідний шлюз відключається або ламається, то інший візьме управління на себе, що робить всю мережу більш стійкою і менш схильною до збоїв.
- Ще інтелектуальні прилади Thread можуть відключати свої радіомодулі, коли вони не потрібні, що робить їх більш енергоефективними, ніж пристрої Zigbee і Z-Wave. Наприклад, Zigbee може працювати від батареї рік, у той час, як еквівалентний пристрій Thread працює два чи три роки.
- Нарешті, Thread використовує протокол IPv6, тому він вільно взаємодіє з пристроями Wi-Fi та Bluetooth. Пориста мережа Thread створює безпечну, надійну та стабільну мережу без жодної точки відмови, смарт-пристрої легко підключаються та підтримується робота у хмарі.
Використовуючи протокол Thread, зможете створити досить велику екосистему, тому що в системі може бути 1 шлюз-лідер, він тримає зв'язок з інтернетом та 31 шлюз помічників, до кожного з них підключається понад 500 девайсів.
Matter – новинка 2023
Matter – це глобальний протокол, над яким ще 2019 року почала працювати група світових компаній IoT технологій та платформ. Через те, що жодна компанія не змогла повністю покрити пристроями свою екосистему, гіганти IoT вирішили створити протокол, який об'єднає все і ним став Matter. Вже задіяно понад 300 компаній, для того, щоб пристрої розумного будинку, які працюють на вище розглянутих протоколах, спілкувалися однією зрозумілою мовою радіозв'язку. Мета Matter зробити розумний будинок більш доступним, сучасним, зручним та простим у використанні.
Стандарт зв'язку Matter призначений для керування всіма девайсами в будинку: освітленням, опаленням, безпекою, вентиляцією, побутовою технікою, різними датчиками, а також аудіо та відео обладнанням тощо. Matter взяв усе найкраще, що є в інших протоколах.
Matter може використовувати безпечний обмін даними між програмами IoT. Він використовує шифрування на основі відкритих ключів та авторизацію на основі сертифікатів, які охоплюють дані від несанкціонованого доступу. Matter був спеціально розроблений для спрощення роботи smart-продуктів від усіх виробників та платформ.
Наприкінці 2022 року деякі IoT продукти отримали оновлення програмного забезпечення та стали сумісні з Matter, у 2023 році вже доступно близько 1000 розумних пристроїв, які пройшли сертифікацію. Matter-протокол використовує стандартні інтернет-технології, такі, як IP-адресація та Wi-Fi, що робить його більш універсальним та гнучким, ніж багато інших протоколів. Можете не перейматися своїми старими гаджетами, їх теж можна буде додати в нову систему. Зрештою завдяки Matter, споживачам та проектувальникам розумних будинків, не потрібно хвилюватись про несумісність смарт продукції.
У висновку варто зазначити, що протоколи забезпечують безперебійний зв'язок та взаємодію між пристроями та системами. Оскільки попит на технології розумного будинку продовжує зростати, виробникам та розробникам важливо впроваджувати та інтегрувати новітні протоколи для вдосконалення IoT технологій, щоб ними міг скористатися будь-хто.