Интернет вещей (internet of things, IoT) – концепция сети передачи данных между физическими объектами («вещами»), оснащёнными встроенными средствами и технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. Предполагается, что организация таких сетей способна перестроить экономические и общественные процессы, исключить из части действий и операций необходимость участия человека.[1]

Именно так можно обозначить текущее наше окружение, те вещи которыми мы обладаем и которыми пользуемся, будь то автомобиль, стиральная машина, освещение и даже целый дом. Все это может взаимодействовать между собой самостоятельно без участия человека, реагируя на нас и помогая нам.

Интернет вещи/умные вещи повсюду. Они помогают автоматизировать логистику внутри производства, следят за безопасностью и охраной труда, следят за состоянием пациентов, помогают фермерам, отслеживают состояние окружающей среды, корректируют городской поток автомобилей, помогают эффективно управлять энергией, давать свет и тепло…

Но давайте остановимся на том, что окружает нас и то, с чем мы взаимодействуем каждый день, это наш дом! Представьте себе ваш день следующим образом:

 

– Вы произносите: Доброе утро! Легкая музыка будит вас, постепенно открываются шторы, приятный голос рассказывает о погоде и дорожной обстановке до работы, подсказывает через сколько будет ближайший автобус;

– Пока вы встаете с кровати и не спеша идете умываться, включается ваша любимая радиостанция, а чайник или кофе-машина уже готовят ваш утренний напиток;

– Вы проснулись и подкрепились, вам предстоит продуктивная и интересная работа. Вы уходите, дверь без замка надежно запирается, свет выключается, ставится сигнализация. Будьте уверены, когда вы вернетесь, будет убрано, питомцы сыты и напоены, растения политы, вещи постираны, а посуда помыта. Об этом позаботится ваш дом, Сам!

– Пока вы на работе, ваш телефон покажет и расскажет, как там чувствуют себя все обитатели дома, все ли на месте, нет ли протечки, в школе ли дети и зарядился ли автомобиль. Вы вспомнили, что нужно забежать по пути домой и что-то купить, просто скажите вслух возле телефона: напомни после работы купить хлеб. Будьте уверены, как только вы выйдите с работы, вам обязательно напомнят!

– Приближаясь к дому свет оживает, ворота и двери и автоматически открываются. Пока вас не было, дом позаботился о экономии электричества и тепла сократив расход, но когда вы ступили на порог – полы приятно нагреты, вам приятно и комфортно;

– Сегодня вы пришли раньше всех, вы просто спрашиваете, где все и дом сообщает вам, что все в порядке, домашние на пути домой! Вы хотите сделать приятное и порадовать всех вкусным ужином, просто скажите в слух… Готово и на пороге приветливый курьер с вкусной едой, осталось только накрыть на стол;

– Все за столом, вам хочется сделать окружение еще приятней, скажи голосом чего не хватает и вуаля: основной свет выключен, вспомогательная подсветка делает помещение теплей;

– Вышла новая серия интересного сериала, пошлите смотреть! Вы убираете посуду, и идете в комнату с отличным телевизором и аудиосистемой, скажи, что смотрим и все готово: шторы закроются, освещение приглушится, а телевизор уже готов запустить нужную серию;

– День завершается, вы приятно устроились в кровати и делитесь с домашними приятными мыслями и планами, последнее на сегодня – пожелать всем спокойной ночи и приятных сновидений… Шторы закрываются, свет и приборы выключаются, а комната наполняется приятной влажностью и прохладой, твой дом позаботится об этом!

 

Все это и есть – Умное окружение, Умный дом, Интернет вещей. Давайте разбираться вместе, я расскажу вам все, что знаю об этом, и вы поймете — это намного проще, чем может показаться на первый взгляд, а самое главное доступно!

 


[1] https://ru.wikipedia.org/wiki/Интернет_вещей

Оглавление

Принцип работы

  • Контроллер – это «мозг» умного дома. Этот прибор контролирует работу сети и всех входящих в нее устройств, хранит в своей памяти сложные сценарии (определенные наборы действий) и обеспечивает связь системы умного дома с вашим смартфоном, планшетом или компьютером.
  • Различные датчики, определяющие движения, задымления, протечки – это «органы чувств» умного дома. Благодаря им система непрерывно получает информацию о том, что происходит в доме.
  • Исполнители – группа устройств, которые выполняют команды системы, отдаваемые на основании данных от датчиков. Например, шаровой кран мгновенно перекрывает воду, если датчик обнаруживает протечку. Реле выключают и включают свет, а диммеры меняют яркость.
  • Устройства управления – приборы для комфортного использования системы умного дома. Это пульты дистанционного управления или, например, выключатели света на батарейках, которые можно разместить там, где вам удобно. Прочие интегрируемое оборудование и веб-сервисы — видеокамеры, оборудование и сервисы, имеющие открытый API (мультимедиа-оборудование, различная современная техника, проекторы и т.д.) или управляемые ИК пультами дистанционного управления.

Становление и использование технологий умного дома.

Вернемся в прошлое – Умный дом это дорого и сложно. Все управление по проводу, а значит требуется прокладка коммуникаций на стадии ремонта. Управление осуществляется через массивные контролёры с сложным управлением и программированием. Все управляемое оборудование выпускается ограниченным кол-вом производителей, стоимость высокая, а выбор не велик.

Сейчас же кажется, что нет ничего невозможного: текущие технологии производства микроэлектроники позволяют делать контроллеры минимального размера, а уровень развития беспроводной-энергоэффективной передачи данных позволяют сделать любое устройство умным, без необходимости прокладки коммуникаций и даже постоянного питания. Настройка минимальна, а запись сценариев доступна и интуитивно понятна из UI.

Рассмотрим используемы стандарты и технологии в построении умного дома.

Варианты построения умного дома - управление.

1. Умный дом на базе локального контролера управления с коммуникацией по проводам.

Вариант построения умного дома зависит от многих факторов и часто зависят от множества факторов, перечислим некоторые из них:

  • необходимость построения на этапе ремонта;
  • функциональные требования;
  • сложность реализации и поддержки автоматизации;
  • стоимость;
  • общий дизайн оборудования и сочетание с отделкой;
  • отказоустойчивость, в т.ч. зависимость от постоянного интернета;
  • уровень безопасности, в т.ч. интернет защита; 

Обозначим основные варианты построения умного дома (сразу стоит отметить, что варианты построения умного дома могут сочетаться между собой при помощи прямой и облачной интеграции).

Реализация как правило предполагает установку в умном доме локального контролера, взаимодействующего с сенсорами и исполнительными устройствам по средством проводов. Отдельные устройства могут подключаться и по беспроводному каналу. В виду необходимости реализации на этапе ремонта, более высокой стоимости и ограниченности функционала, утрачивает позиции в пользу других вариантов. Данный вариант все же остается основным вариантом для промышленной автоматизации в виду высокой отказоустойчивости.

Используемые стандарты построения, протоколы коммуникации и основные Вендоры:

  • KNX. Стандарт шины KNX стал развитием более ранней разработки EIB (аббр. от англ. European Installation Bus, рус. Европейская установочная шина, Европейская шина установочных изделий). EIB — устаревшее обозначение, но оно продолжает использоваться, особенно в Европе. Иногда используется обозначение EIB/KNX. Управляется ассоциацией, в задачи которой входит: продвигать на рынке саму технологию, следить за качеством и совместимостью оборудования, производимого её членами, и подготавливать программы обучения специалистов. В настоящее время продукцию под логотипом KNX выпускают более 500 компаний во всем мире.

    Наиболее известные производители: ABB, Gira, Zennio, Vimar, Ekinex, Schneider Electric.Отдельно стоит отметить российских вендора с своим оборудованием: Wiren Board, iRiDi.

  • LonWorks. Разрабатывалась американской компанией Echelon в расчете на универсальное общепромышленное применение, аппаратную основу технологии LonWorks определяет Neuron Chip. Эту специальную микросхему содержит каждое  устройство сети LON. Компания Honeywell является спонсором ассоциации LonMark, на сегодняшний день LonMark объединяет более 500 членов. Среди них производители оборудования, интеграторы, разработчики приложений и конечные пользователи.

  • BACnet. Разработку BACnet начало американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ASHRAE, что привело к созданию американского стандарта ANSI/ASHRAE 135, а затем и стандарта ISO 16484-5. BACnet – это не программное средство или аппаратное решение. На самом деле, это – книга  (методология), в которой описано, как должна работать система автоматизации здания, включая оборудование и ПО, чтобы быть совместимым с аналогичным оборудованием других BACnet-производителей и выполнять все функции.

    Наиболее известные интеграторы: Johnson Controls, Sauter.

  • Modbus. Открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий — ведомый. Modbus был разработан компанией Modicon (в настоящее время принадлежит Schneider Electric) для использования в своих контроллерах с  программируемой логикой. В настоящее время развитием Modbus занимается некоммерческая организация Modbus-IDA.

  • CBus. это протокол связи, основанный на семиуровневой модели OSI для автоматизации дома и зданий, который может обрабатывать кабели длиной до 1000 метров, используя Кабель Cat-5. C-Bus был создан подразделением Clipsal Integrated Systems компании Clipsal Australia (теперь входит в состав Schneider Electric ) для использования с его брендом домашней автоматизации и управления освещением зданий.

  • Крупные Вендоры с поддержкой собственных протоколов:

    Larnitech, немецкая система на протоколе CAN.HDL, китайская система на собственном протоколе Buspro.

2. Экосистемы умного дома.

На текущий момент является самым популярным в виду простоты внедрения, широкого перечня представленных разработчиков экосистем и богатого выбора устройств. Пожалуй, основное преимущество – это удобная облачная управляющая среда доступная через приложения, а также доступные по стоимости устройства готовые работать «из коробки», не требующие подключение по проводам.

Популярные экосистемы:

            Россия: Умный дом Яндекс, Сбер, Умный дом Mail, Rubetec (застройщик ПИК), Sprut Hub, HitePro.

Другие страны: MiHome (Xiaomi), Tuya Smart, HomeKit (Apple), Google Home, Aqara, Fibaro, Legrand.

       Перечень устройств на данный момент не поддается счету, почти все, что нас окружает можно подключить к экосистеме умного дома. Некоторые примеры: колонки с поддержкой голосовых ассистентов (Алиса, Siri, Alexa, Google, Салют, Маруся), автомобили (Tesla, BMW, Mercedes), телевизоры, стиральные машины, холодильники, пылесосы, освещение (лампочки, люстры, светодиодные ленты), сенсоры и датчики (освещение, температура, давление, движение, присутствие, шорох, стук, протечка), выключатели, клавиши, треккеры координат, дверные замки, шторы, поилки и кормушки животных и многое другое.

            Вот, собственно, и все, что нужно знать о экосистеме умного дому! 🙂 Главное определиться, какая система вам ближе. Почти все экосистемы и устройства, работающие в этих экосистемах, поддерживаются между собой.

По сути, экосистема умного дома – это облачный сервис позволяющий интегрировать экосистемы и устройства разных разработчиков и производителей в один управляющий интерфейс с прострой настройкой автоматизации и управления. Определяющим для работы является поддержка протоколов связи и доступ в интернет.

3. Open source платформы умного дома.

Упрощенно являются гибридом 1 и 2 варианта с преимуществами обеих вариантов и продвинутыми возможностями автоматизации и поддержке интеграций. Opensource платформы разрабатываются энтузиастами из разных групп. Отдельно ведется разработка и поддержка интеграций других систем и устройств. Главное преимущество в данном варианте пользователи видят в локальном управлении устройствами (даже облачные возможно перестроить на локальное управление), а также открытости платформы, которая позволяет самостоятельным разработчикам-энтузиастам реализовать собственные потребности. А развитый community и встроенный магазин приложений/интеграций позволяет легко обмениваться разработками и внедрять их обычным пользователям. Данные решения возможно настроить на работу со всеми известными протоколами и устройствами других вариантов умного дома. Обратная сторона – это необходимость продвинутых навыков пользования ПК для более сложной настройки интеграций, создания автоматизации и создания интерфейса управления. В некоторых случаях потребуются навыки работы с Linux, сетевой параметризацией, понимание yaml и javascript, дизайн карт помещений, UI-разметка.

Основные платформы:

  • Home Assistant – система умного дома, написанная на языке Python. Наиболее востребована и активно развивающаяся, обновления с новыми решениями выходят ежемесячно, исправления вне графика на постоянной основе. Постоянно дополняется поддержкой очень большого количества новых устройств от сторонних разработчиков и энтузиастов. Также она довольно простыми способами интегрируется с большинством популярных экосистем и в ней осуществляется поддержка популярных онлайн-сервисов. Встроен достойный интерфейс и средства управления, доступно собственное приложение для мобильных телефонов. Дополнительно все устрйоства умного дома с сервера Home Assistant можно добавить в интерфейс экосистем и управлять от туда.

  • Homebridge – сервер, написанный на Nodejs с использованием API Apple, который позволяет добавить в управление устройства, которые не имеют сертификацию и изначально не поддерживают интеграцию в Apple HomeKit.

  • MajorDoMo – система автоматизации, написанная на языке PHP. Имеет более скромную аудиторию, но с достаточно сильной командой Российских разработчиков, т.к. .к. изначально развивался в русскоязычном сегменте. Хотя есть поддержка модульной структуры и большое количество готовых модулей, чтобы настроить сложные автоматизации, потребуются немалые знания языка PHP.

  • Другие известные платформы:
    Domoticz, openHAB, ioBroker. Достаточное кол-во интеграций, большие возможности автоматизации, но недостаточно приветливый UI интерфейс. Отображений комнат, групп, показателей сильно уступает Home Assistant и экосистемам.

Варианты построения умного дома – коммуникация оборудования.

            Важно понимать, что Умный дом варианта 1 и 3 будучи установленным на сервер, может работать автономно – внутри контура дома. Постоянный доступ в сеть интернет требуется только для удаленного управления и работы голосовых ассистентов. Вариант 2 – Экосистемы, является облачным сервисом и требует постоянного подключения к сети интернет.

 Взаимодействие же самого оборудования, упрощенно можно разделить на Физические линии управления (проводная коммуникация) и Радиоканал (беспроводная коммуникация).

Проводная коммуникация по-прежнему востребована в силу надежности, но используется реже в виду необходимости прокладки линий на этапе ремонта. 


Физические линии управления (проводная коммуникация):

  • Витая пара (сетевой кабель) — кабель с фиксированной скоростью передачи 9600 бит/с;
  • IP-сеть Ethernet;
  • PTP (Point-To-Point) через RS-232;
  • MS/TP (Master-Slave/Token-Passing) через RS-485;
  • LonWorks;
  • Modbus;
  • 1-Wire;


Радиоканал (беспроводная коммуникация):

 

  • WiFi 2.4/5 ГГц;

     

  • Z-Wave — это беспроводная радио технология с низким энергопотреблением, разработанная специально для дистанционного управления. 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 с малыми задержками (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обусловлен 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).
    Z-Wave предназначен для создания недорогой и энергоэффективной потребительской электроники, в том числе устройств на батарейках, таких как пульты дистанционного управления, датчики дыма, температуры, влажности, движения и других датчиков безопасности.

     

  • ZigBee — Наиболее востребованный и популярный стандарт. Основная особенность технологии Zigbee заключается в том, что она энергоэффективная – позволяет создавать миниатюрные устройства и датчики, работающие долгое время от батареи. Поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Это позволяет иметь стабильное подключение устройств между собой;

     

  • Matter — это единый стандарт управления умными гаджетами, разработку которого инициировали Google, Amazon и Apple в конце 2019 года. Задача создания Matter — унификация управления между гаджетами разных производителей. Разработкой стандарта занимается альянс Connectivity Standards Alliance, в него входят несколько сотен компаний, в том числе Xiaomi, Haier, Amazon, Google, Apple, Samsung, а также российские Сбер и Яндекс. Ожидается схожесть и преемственность с ZigBee.

     

  • Bluetooth — радиосвязь осуществляется в ISM-диапазоне, который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях. Частоты Bluetooth: 2,402-2,48 ГГц являются достаточно загруженными.
    Отдельная спецификация Bluetooth BLE предполагает высокую энергоэффективность на уровне ZigBee.

Варианты построения умного дома – сравнение решений.

 

 

Умный дом на базе локального контролера управления с коммуникацией по проводам

Экосистемы умного дома

Open source платформы умного дома

Стоимость
Простата монтажа оборудования
Простата настройки и обслуживания
Разнообразие и доступность периферии
Удобство использования, UI
Взаимодействие между экосистемами
Локальная работа
Надежность
Безопасность