Интелигентните домашни системи се нуждаят от радиовръзка за безжична мрежа на устройства. Има обаче не само един, а много различни радиостанции за домашна автоматизация. Тук обясняваме защо е така и какво означава това за дизайна на интелигентния дом.
ZigBee & Co.: Какво трябва да знаете за безжичните стандарти на Smart Home
- Безжичната връзка в интелигентния дом трябва да предава данни сигурно и бързо с ниска консумация на енергия.
- WLAN предлага висока скорост на предаване, но изисква много енергия, поради което безжичният стандарт не е уловил в интелигентните домове.
- Батерийните сензори, които изпращат малки количества данни, използват предимно икономични протоколи като ZigBee, Z-Wave или EnOcean, които, подобно на WLAN, са свободно достъпни за всички производители.
- В допълнение към отворените радио стандарти има и частни такива като Homematic IP, които принадлежат на компания. Тогава устройствата са съвместими само във вашата собствена система за интелигентен дом или със системи, разработени съвместно от производителя. Тези радиостандарти се наричат също "собственически".
Защо радиостандартите са важни?
Всеки, който отчаяно се е опитал да сърфира в интернет посред гората или по магистралата, знае колко важни са стабилните радиовръзки. Същото се отнася и за умни домашни устройства, които трябва да могат да обменят информация помежду си в къщата без намеса. Защото точно като смартфоните, базираните на радио системи за интелигентен дом комуникират с помощта на електромагнитни вълни.
Радио стандартите като ZigBee, Z-Wave, WLAN или EnOcean обикновено се основават на модулацията на радио и микровълни, които принадлежат към нискочестотната част на електромагнитния спектър. Вълната се променя, така че да може да пренася информация (изображения, език, музика, текст). В Германия Федералната мрежова агенция издава честоти за радиотрафик. Много протоколи в областта на интелигентното домашно радио използват или така наречения ISM обхват (промишлен, научен и медицински обхват) между 2,4 и 2,5 GHz или SRD обхват (устройство с малък обхват) между 863 и 870 MHz.
Безжичните стандарти за интелигентния дом варират между радиовълни и инфрачервени лъчи.
За да можете да управлявате интелигентни домашни устройства със смартфон или таблет, интелигентната домашна радиочестота трябва да бъде преобразувана в WLAN сигнал. Ето защо повечето интелигентни домашни системи изискват радиомост (също шлюз или контролен център). Той е свързан с WLAN рутера у дома.
Как се различават ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co.
Безжичните връзки трябва да предават данни безопасно, бързо и без смущения. Изискванията обаче се променят в зависимост от областта на приложение. Например при системите за видеоконферентна връзка те трябва да транспортират огромни количества данни. От друга страна, сензорите за температура или движение в интелигентните домове изпращат само малки пакети данни. Тук безжичният стандарт трябва да работи предимно икономично, така че батериите да издържат възможно най-дълго.
Широчина на честотната лента
Радио стандартът използва определен честотен диапазон. Широчината на честотната лента показва разстоянието между горната и долната честота на този диапазон. Например повечето безжични рутери използват честотен диапазон от 2,4 до 2,4835 GHz. Ширината на честотната лента в този случай е 83,5 MHz. Колкото по-голяма е честотната лента, толкова повече данни могат да бъдат предадени.
канали
За да се избегнат смущения, трябва да има празнина между един канал и следващия. За WLAN мрежи в честотната лента от 2,4 GHz са налични четири канала, които не се припокриват, с широчина на канала 20 MHz и интервал от 5 MHz.
Предаване
на скоростта Скоростта на предаване е много важен за безжичен интернет. Поради тази причина WLAN се утвърди като безжичен стандарт за лаптопи, компютри и смартфони. Рутерите със стандартния Wifi 5 (802.11 ac) управляват до 1300 Mbit / s. Това е достатъчно, за да предавате серии удобно. Безжичният стандарт Z-Wave Smart Home се предлага с 9,6 Kbit / s в сравнение. Това е достатъчно за изпращане на команди между превключватели и сензори.
Високите скорости на предаване са необходими за видео чатове. WLAN е много подходящ като радио стандарт тук.
Range
Производителите често определят границите на открито за безжична връзка. В затворени помещения обаче препятствията забавят предаването на електромагнитни вълни. Леките конструктивни елементи, изработени от гипсокартон, стени със стоманени елементи и водопроводи по-специално пречат на радиопредаването. WLAN има теоретичен обхват от 300 метра - на практика обаче нивото на сигнала спада само след няколко метра. Честотата на радиосигнала също е от решаващо значение: колкото по-висока, толкова по-кратък е обхватът.
Стандарт за сигурност
Безжичното предаване е особено податливо на кражба на данни. Поради тази причина всички безжични стандарти в Smart Home Wireless имат протокол за защита, който криптира данните. Независимо от това, нито един безжичен стандарт не е 100% защитен от хакерски атаки. Прочетете нашата статия за това: Колко сигурен е интелигентният дом?
Защо не използваме WiFi за всички интелигентни домашни устройства веднага?
95 процента от всички германци имат интернет връзка, повечето от тях с WLAN рутер. И така, защо да не използваме WLAN като стандарт за интелигентни домашни системи? За това има множество причини:
Голяма консумация на енергия
В сравнение с други безжични връзки, WLAN има висока скорост на предаване. Това също означава, че WiFi устройствата консумират много енергия. Това е особено неблагоприятно за устройства, работещи с батерии. Високата честотна лента и високата скорост не са необходими за малки сензори, които предават само кратки съобщения.
Припокривания
Преди всичко в жилищните сгради се появяват смущения, когато твърде много устройства в съседни WLAN мрежи използват честотния диапазон 2,4 GHz.
Ограничен обхват
Смущенията на сигнала от други устройства, които използват една и съща честотна лента, също намаляват обхвата на радиовръзката.
Каква е разликата между отворените и патентованите безжични стандарти?
- С отворените радиостанции като ZigBee и Bluetooth, технологията е свободно достъпна за всички производители. Често няколко компании разработват протоколите в чадърна организация. Предимството е високо ниво на съвместимост, дори с различни системи за интелигентен дом. Homee е добър пример за напълно отворена система за интелигентен дом, към която могат да бъдат свързани всички устройства, които използват отворени радиостанции.
- Със собствени (затворени) радиостанции като Homematic IP, производителят разработва свой собствен протокол. Това гарантира по-голяма сигурност по време на предаване на данни. Умните домашни устройства могат да бъдат свързани само с устройства от същия производител. Това препятствие може да бъде заобиколено с подходяща съвместимост, като се използват „приложения за лепене“ като IFTTT или приложението Alexa.
- В случай на отворени радиостанции, кодът на протокола е с отворен код. Това означава, че всеки производител може да прави промени. Следователно устройствата с един и същ радио стандарт не са непременно съвместими един с друг. Тъй като много производители искат техните продукти да могат да бъдат прикачени към възможно най-различни системи, съвместимостта е вероятно.
Стандарти за интелигентно домашно радио в сравнение
|
Макс. Скорост на |
В обсега |
честотен |
Енергийна |
приложение |
Производител |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
БЕЗЖИЧЕН ДОСТЪП ДО ИНТЕРНЕТ |
1 000-1 300 |
50 м |
2.4-2.48 GHz |
Високо |
Безжичен |
Belkin WeMo DLink Тадо Начална страница на Google Netatmo пръстен |
|
Bluetooth 5.0 с |
1-3 Mbit / s |
10 м |
2,40-2,48 MHz |
ниско |
Умни домашни устройства | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 м |
2.4 GHz |
ниско |
Автоматизация на сгради |
Philips Hue Ikea Tradfri Осрам Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-вълна |
9,6-40 Kbit / s |
30 м |
868 MHz |
ниско |
Автоматизация на сгради |
Фибаро Скъпа Нео Samsung SmartThings Homee Деволо Мертен |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 м |
868 MHz |
много ниско |
Датчици за температура , |
Сименс Медиола Homee Smart Home Сомфи Уаго |
|
Homematic |
9,6 kbit / s |
20-30 м |
868-869,52 MHz |
ниско |
Управление на енергията , |
HomeMatic Макс! Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 м |
1,89-1,90 MHz |
ниско |
Автоматизация на сгради |
Magenta Smart Home AVM Gigaset |
Радио стандарти: един поглед предимства и недостатъци
1. WLAN
Още през 70-те години имаше опити да се измислят радиовръзки за бързо предаване на данни. През 1971 г. мрежата ALOHAnet свързва седем компютъра на четири различни хавайски острова, използвайки радиопротокола Aloha. Радио протоколът IEEE 802.11, който се използва навсякъде днес, съществува от 1997 г. Две години по-късно WiFi Alliance е основан с цел сертифициране на WLAN устройства и по-нататъшно развитие на технологията.
Умният звънец на Ring на комуникацията комуникира с устройство Alexa чрез WiFi.
функционалност
- Настоящите WiFi мрежи се базират на радиостанциите IEEE-802.11n и 802.11ac (WiFi 4 и WiFi 5).
- Теоретичните скорости на трансфер са 600 Mbit / s или 1500 Mbit / s. На практика обаче скоростта на предаване на данни е по-ниска, тъй като много рутери не могат да приемат множество потоци данни паралелно.
- WLAN рутерите използват честотна лента от 2,4 GHz с четири канала, които не се припокриват, новите модели също използват честотна лента от 5 GHz с 19 канала.
Ползи
- със сигурност
- висока скорост на трансфер
недостатък
- енергоемки
- Чести смущения поради големия брой потребители, особено в обхвата 2,4 GHZ
- в 5GHz по-нисък обхват поради високата честота
Приложения
Въпреки глада си за енергия, стандартът за WLAN радио играе важна роля при създаването на интелигентен дом:
- в комуникацията между Smart Home Hub и рутера
- за устройства като интелигентни телевизори и камери, които предават големи количества данни (видеоклипове)
Интелигентни домашни системи с WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Тадо
- Начална страница на Google
- Netatmo Smart Home
- Пръстен (интелигентни видео звънци)
2. Bluetooth с ниска енергия (BLE, 5.0)
През 1998 г. Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba и Intel разработиха стандарта Bluetooth. През 1999 г. Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) публикува спецификациите за първия Bluetooth протокол. В следващите години Bluetooth се превърна в един от най-важните радио стандарти за безжично предаване между мобилни телефони и компютри или за Bluetooth слушалки. От версия 4.0 нататък използва значително по-малко енергия, откъдето идва и името Low Energy (Bluetooth LE).
Поради малкия обхват Bluetooth е по-малко подходящ за интелигентния дом. Радио стандартът е по-подходящ за слушане на музика чрез безжични слушалки.
Функционалност
Стандартът за безжична връзка Bluetooth използва такива като безжичен ISM обхват от 2.402 до 2.480 GHz.
- Предавателното устройство (главно) се синхронизира с приемното устройство (подчинено). И двете устройства трябва да разрешат връзката за това.
- Изпращачът и получателят установяват връзка от точка до точка в така наречената пико мрежа. Всяко устройство има 48-битов адрес, който го идентифицира.
- Предавателят променя честотата в честотната лента 1600 пъти в секунда (процес на прескачане на честотата). Приемникът сондира за сигнали от предавателя на всеки 2 секунди, докато се установи връзката.
Ползи
- широко използвани, като по този начин висока съвместимост
- ниска енергия
недостатък
- къс обхват
- лоша стабилност
Приложения
В областта на домашната автоматизация и сигурност малко производители разчитат на Bluetooth, но това е един от водещите безжични стандарти за носене и развлекателна електроника. Полезни приложения в областта на интелигентния дом включват електронни брави за врати или интелигентни отварящи се врати за гараж.
3. ZigBee
През 2002 г. различни компании основаха ZigBee Alliance. Радиостандартът е предназначен да даде възможност за предаване на данни в мрежи с малък обем данни и минимален разход на енергия. В следващите години ZigBee се утвърди като водеща технология в индустриалната автоматизация, по-специално за управление на ключове и сензори.
ZigBee е предопределен за интелигентния дом поради ниската си податливост на отказ. Освен всичко друго, Philips Hue се основава на ZigBee като интелигентна светлина.
функционалност
- Подобно на Bluetooth, ZigBee използва стандарта IEEE 802.15.4 и разширява протокола с три слоя.
- В мрежестата мрежа отделните интелигентни домашни устройства не получават непременно съобщения само от централния шлюз. Всяко устройство става много повече от мрежов възел и може да предава информация. Например лампите и температурните сензори, свързани към главината, също комуникират помежду си.
- Ако хъбът откаже, лампата все още получава командата "Продължи лампа" от температурния сензор. В големите апартаменти и къщи с няколко стаи връзката обикновено работи без проблеми въпреки стените.
Приложения
Умните домашни устройства в домашна автоматизация като интелигентно управление на отоплението, сензори за прозорци и врати или светлини използват ZigBee най-много.
Ползи
- ниска консумация на енергия
- ниска податливост на неуспех
- високо разпространение, следователно голям избор от производители
недостатък
- нито един
Интелигентни домашни системи със ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Осрам
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Бош
4. Z-вълна
През 1999 г. датската компания Zensys разработи радиостанцията Z-Wave като собствена технология. През 2005 г. различни производители основават Z-Wave Alliance, който има членове като Huawei и Fibaro. Технологичната компания "Silicon Labs" вече притежава правата за технологията. В края на 2019 г. Silicon Labs обяви, че иска да направи Z-Wave отворен безжичен стандарт.
Z-Wave е много популярен сред производителите на интелигентни домашни устройства. Интелигентният сензор от Fibaro измерва движението, температурата и светлината и се основава на Z-Wave като безжичен стандарт.
функционалност
- Данните се предават в честотния диапазон 868 MHz с честотно изместване от 20 kHz.
- Устройствата Z-Wave образуват мрежа, която има уникален идентификатор. Всяко устройство в мрежата има идентификатор, който е дефиниран във вградения чип.
- Както при ZigBee, устройствата комуникират помежду си в мрежеста мрежа, подобна на мрежовите повторители. Безжичната мрежа работи по-гладко, колкото повече устройства с електричество се интегрират в интелигентния дом.
- Получателят трябва да потвърди всяко съобщение.
Ползи
- Ниски смущения благодарение на използването на честотната лента от 868 MHz
- ниска консумация на енергия
- високо разпространение, следователно голям избор от производители
- до 232 устройства могат да бъдат свързани помежду си
недостатък
- ниска скорост на трансфер, но достатъчна за малки сензори
Интелигентни домашни системи със Z-Wave
- Фибаро
- Скъпа
- Нео
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Деволо
- Мертен
- Интелигентен дом Vivint
5. EnOcean
През 2001 г. Siemens основава EnOcean GmbH с цел разработване на протокол за безжична комуникация в индустрията. Съюзът EnOcean, основан през 2008 г., включва над 400 компании, включително Honeywell, IBM и Microsoft.
Устройствата Enocean генерират свои собствени изисквания за електричество само с едно натискане на бутон.Умният дом на Homee е един от начините за използване на безжичния стандарт.
Как работи
Безжичният стандарт EnOcean използва принципа на събиране на енергия. Сензорите не се нуждаят от батерия.
- Енергийният преобразувател генерира електричество от движение като натискане на превключвател на светлината.
- Мини слънчевите клетки се захранват например от електричество от източници на светлина.
- Елементите на Пелтие генерират електричество чрез температурни разлики, например между радиатора и околната среда. Достатъчна е температурна разлика от два градуса.
Ползи
- почти никакво потребление на енергия
недостатък
- подходящ само за малки сензори и малки количества данни
Приложения
Много нискоенергийният радио стандарт се използва от интелигентни домашни устройства, които изпращат кратки съобщения или команди. Това са:
- Сензори за движение или детектори за движение
- Температурни сензори
- Сензори за CO2
Интелигентни домашни системи с EnOcean
- Сименс
- Медиола
- Homee Smart Home
- Сомфи
- Уаго
- Eltako (технология за сигурност)
- NodOn (детектор на движение)
6. Хомематичен IP (BidCoS)
Зад марката Homematic IP стои собственият радио стандарт BidCoS (Bidirectional Communication Standard). Изобретателят е немската технологична компания eQ-3, основана през 2007 г., която използва своя стандарт Homematic IP за собствените си системи за интелигентен дом (Max!, Homematic), но също така го предоставя на своите партньори за сътрудничество Innogy и Qivicon. Qivicon е голяма платформа за интелигентен дом, която е и основата за Qivicon / Magenta SmartHome, например.
Homematic IP е собствено радио, устройствата работят в сътрудничество, но също така и с Magenta и Innogy.
функционалност
- BidCoS е двупосочен протокол. Това означава, че получателят винаги трябва да потвърди съобщение.
- Радио стандартът предава данните с AES удостоверяване и 128-битово криптиране.
Ползи
- висока сигурност
недостатък
- не е съвместим с други системи за интелигентен дом (с изключение на партньорите за сътрудничество)
Интелигентни домашни системи с Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Макс!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Дект ULE
Радиостандартът DECT (за цифрова подобрена безжична комуникация) се разпространява още през 90-те години с появата на безжични телефони. Вариантът с ултра ниска енергия (ULE) на протокола DECT е оптимизиран за ниска консумация на енергия.
Устройствата Dect Ule могат да се управляват директно чрез Fritz! Box. Например интелигентният контакт от AVM.
функционалност
- DECT ULE не означава един протокол, а много протоколи от различни производители в обхвата 1 890-1 900 MHz.
- За да комуникират помежду си, интелигентните домашни устройства, които използват протокола DECT ULE, се нуждаят от шлюз като център за входящи и изходящи съобщения.
Приложение
Стандартът за радио не се използва само за телефони и рутери, но също така и за интелигентни лампи и сензори.
Ползи
- Ниски смущения благодарение на собствената честотна лента
недостатък
- използвани сравнително рядко
Интелигентни домашни системи с Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Умен дом на Gigaset Elements
Комбиниране на различни стандарти
Открито проектираните интелигентни домашни системи предлагат възможност за комбиниране на различни безжични стандарти. Голямо разнообразие от стандарти за интелигентен дом са интегрирани в контролните центрове на системи като Magenta или Homee.
„Адхезивни приложения“ като IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant или Amazon Alexa също действат като мост между интелигентни домашни устройства с различни безжични стандарти. По принцип информацията от различни приложения се оценява в централно приложение. Например сензорът D-Link изпраща звуков сигнал, когато сензорът Arlo открие движение. Предпоставката е отделните устройства да са съвместими с избраното приложение за залепване.
KNX-RF: Разширете шинната система с радиоустройства
За нови сгради или последващо инсталиране на интелигентен дом в стара сграда собствениците могат да помислят дали искат да внедрят управлението на интелигентния дом чрез кабелна инсталация вместо радио. Или захранващият кабел може да се използва като свързващ елемент (система на електропровода) или отделна система на шината, която работи като втора линия до електропровода (система KNX). KNX шината позволява интегрирането на интелигентни домашни устройства от различни производители и може да се комбинира с Powerline и Ethernet.
За системата KNX вече има и хибридно решение, състоящо се от кабелни и радио-базирани устройства, които могат да се управляват чрез същия потребителски интерфейс. Това е полезно, например, за разширяване на жичен интелигентен дом с допълнителни функции. Подходящият радио стандарт се нарича KNX-RF. Чист безжичен интелигентен дом също може да бъде реализиран с помощта на тази технология, както е възможно и с безжичните стандарти в сравнението по-горе. Тъй като връзката и програмирането са сравнително сложни, KNX-RF е насочен повече към KNX специалисти и собственици, които искат да комбинират KNX и KNX-RF.
