Systémy Smart Home potrebujú bezdrôtové pripojenie zariadení k bezdrôtovým sieťam. Existuje však nielen jeden, ale veľa rôznych rádiových štandardov pre domácu automatizáciu. Vysvetľujeme tu, prečo je to tak a čo to znamená pre dizajn inteligentnej domácnosti.
ZigBee & Co.: Čo by ste mali vedieť o bezdrôtových štandardoch Smart Home
- Bezdrôtové pripojenie v inteligentnej domácnosti musí prenášať dáta bezpečne a rýchlo pri nízkej spotrebe energie.
- WLAN ponúka vysokú prenosovú rýchlosť, ale vyžaduje veľa energie, a preto sa bezdrôtový štandard v inteligentných domácnostiach nechytil.
- Senzory napájané z batérie, ktoré odosielajú malé objemy dát, väčšinou využívajú ekonomické protokoly ako ZigBee, Z-Wave alebo EnOcean, ktoré sú rovnako ako WLAN voľne prístupné všetkým výrobcom.
- Okrem otvorených rádiových štandardov existujú aj súkromné, napríklad Homematic IP, ktoré patria spoločnosti. Zariadenia sú potom kompatibilné iba s vaším vlastným systémom inteligentnej domácnosti alebo so systémami, ktoré vyvinul výrobca. Tieto rádiové štandardy sa tiež označujú ako „vlastnícke“.
Prečo sú rádiové normy dôležité?
Každý, kto sa zúfalo snažil surfovať po internete uprostred lesa alebo na diaľnici, vie, aké dôležité sú stabilné rádiové spojenia. To isté platí pre zariadenia inteligentnej domácnosti, ktoré by mali byť schopné navzájom si vymieňať informácie v domácnosti bez rušenia. Pretože rovnako ako smartphony, aj rádiové inteligentné domáce systémy komunikujú pomocou elektromagnetických vĺn.
Rádiové štandardy ako ZigBee, Z-Wave, WLAN alebo EnOcean sú všeobecne založené na modulácii rádia a mikrovĺn, ktoré patria do nízkofrekvenčnej časti elektromagnetického spektra. Vlna sa zmení tak, aby mohla prenášať informácie (obrázky, jazyk, hudba, text). V Nemecku vydáva Federálna sieťová agentúra frekvencie pre rádiovú prevádzku. Mnoho protokolov v oblasti inteligentného domáceho rádia využíva buď takzvané pásmo ISM (priemyselné, vedecké a lekárske pásmo) medzi 2,4 a 2,5 GHz alebo pásmo SRD (zariadenie s krátkym dosahom) medzi 863 a 870 MHz.
Bezdrôtové štandardy pre inteligentnú domácnosť sa pohybujú medzi rádiovými vlnami a infračerveným žiarením.
Aby bolo možné ovládať zariadenia inteligentnej domácnosti pomocou inteligentného telefónu alebo tabletu, musí byť rádiová frekvencia inteligentnej domácnosti preložená do signálu WLAN. Preto väčšina systémov inteligentnej domácnosti vyžaduje rádiový most (tiež bránu alebo riadiace centrum). Je pripojený k routeru WLAN doma.
Ako sa líšia ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co.?
Rádiové spojenia by mali prenášať údaje bezpečne, rýchlo a bez rušenia. Požiadavky sa však menia v závislosti od oblasti použitia. Napríklad pomocou videokonferenčných systémov musia prenášať obrovské množstvo dát. Snímače teploty alebo pohybu v inteligentných domoch zasa zasielajú iba malé dátové pakety. Tu by mal bezdrôtový štandard fungovať predovšetkým ekonomicky, aby batérie vydržali čo najdlhšie.
Šírka pásma
Rádiový štandard používa určitý frekvenčný rozsah. Šírka pásma zobrazuje vzdialenosť medzi hornou a dolnou frekvenciou tohto rozsahu. Napríklad väčšina bezdrôtových smerovačov používa frekvenčný rozsah 2,4 až 2,4835 GHz. Šírka pásma je v tomto prípade 83,5 MHz. Čím väčšia je šírka pásma, tým viac dát je možné preniesť.
kanály
Aby sa zabránilo rušeniu, musí byť medzi jedným a druhým kanálom medzera. Pre siete WLAN vo frekvenčnom pásme 2,4 GHz sú k dispozícii štyri neprekrývajúce sa kanály so šírkou kanálu 20 MHz a rozstupom 5 MHz.
Prenosová
rýchlosť Prenosová rýchlosť je v bezdrôtovom internete veľmi dôležitá. Z tohto dôvodu sa sieť WLAN etablovala ako bezdrôtový štandard pre notebooky, počítače a smartphony. Smerovače so štandardným pripojením Wifi 5 (802.11 ac) spravujú až 1 300 Mbit / s. To stačí na pohodlné streamovanie sérií. Bezdrôtový štandard Z-Wave Smart Home je v porovnaní s 9,6 Kbit / s. To stačí na zasielanie príkazov medzi spínačmi a snímačmi.
Pre videochaty sú potrebné vysoké prenosové rýchlosti. WLAN sa tu veľmi dobre hodí ako rádiový štandard.
Dosah
Výrobcovia často určujú dosah na voľnom priestranstve pre bezdrôtové pripojenie. V uzavretých miestnostiach však prekážky spomaľujú prenos elektromagnetických vĺn. Ľahké konštrukčné prvky zo sadrokartónu, steny s oceľovými prvkami a vodovodné potrubie rušia predovšetkým rádiový prenos. WLAN má teoretický dosah 300 metrov - v praxi však úroveň signálu klesá po niekoľkých metroch. Dôležitá je tiež frekvencia rádiového signálu: čím vyššia, tým kratší je dosah.
Bezpečnostný štandard
Bezdrôtový prenos je obzvlášť náchylný na krádež dát. Z tohto dôvodu majú všetky bezdrôtové štandardy v bezdrôtovej sieti Smart Home bezpečnostný protokol, ktorý šifruje dáta. Žiadny bezdrôtový štandard však nie je stopercentne bezpečný pred hackerskými útokmi. Prečítajte si náš článok o tom: Aká bezpečná je inteligentná domácnosť?
Prečo ihneď nepoužívať WiFi pre všetky inteligentné domáce zariadenia?
95 percent všetkých Nemcov má pripojenie na internet, väčšina z nich má WLAN smerovač. Prečo teda nepoužívať WLAN ako štandard pre inteligentné domáce systémy? Existujú rôzne dôvody:
Vysoká spotreba energie
V porovnaní s inými bezdrôtovými pripojeniami má WLAN vysokú prenosovú rýchlosť. To tiež znamená, že WiFi zariadenia spotrebúvajú veľa energie. To je zvlášť nevýhodné pre prístroje napájané z batérie. Vysoká šírka pásma a vysoká rýchlosť sa nevyžadujú u malých senzorov, ktoré prenášajú iba krátke správy.
Prekrývania
Predovšetkým v bytových domoch dochádza k rušeniu, keď príliš veľa zariadení v susedných sieťach WLAN využíva frekvenčný rozsah 2,4 GHz.
Obmedzený dosah
Rušenie signálu od iných zariadení, ktoré používajú rovnaké frekvenčné pásmo, tiež znižuje dosah rádiového spojenia.
Aký je rozdiel medzi otvorenými a patentovanými štandardmi bezdrôtových sietí?
- Vďaka otvoreným rádiovým štandardom, ako sú ZigBee a Bluetooth, je táto technológia voľne dostupná pre všetkých výrobcov. Niekoľko spoločností často vyvíja protokoly v zastrešujúcej organizácii. Výhodou je vysoká úroveň kompatibility, dokonca aj s rôznymi systémami inteligentnej domácnosti. Homee je dobrým príkladom úplne otvoreného systému inteligentnej domácnosti, ku ktorému je možné pripojiť všetky zariadenia, ktoré používajú otvorené bezdrôtové štandardy.
- S proprietárnymi (uzavretými) rádiovými štandardmi, ako je Homematic IP, výrobca vyvíja svoj vlastný protokol. To zaisťuje väčšiu bezpečnosť počas prenosu dát. K zariadeniam inteligentnej domácnosti je možné pripojiť iba zariadenia od rovnakého výrobcu. Túto prekážku je možné obísť s príslušnou kompatibilitou pomocou „lepiacich aplikácií“, ako je IFTTT alebo aplikácia Alexa.
- V prípade otvorených rádiových štandardov je kód protokolu open source. To znamená, že každý výrobca môže vykonávať zmeny. Zariadenia s rovnakým rádiovým štandardom preto nie sú navzájom nevyhnutne kompatibilné. Pretože mnoho výrobcov chce, aby bolo možné ich produkty pripojiť k čo najväčšiemu počtu rôznych systémov, je pravdepodobná kompatibilita.
Porovnanie štandardov inteligentného domáceho rádia
|
Max. |
Dosah v |
frekvenčný |
Spotreba |
žiadosť |
Výrobca |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
BEZDRÁTOVÝ PRÍSTUP K INTERNETU |
1 000 - 1 |
50 m |
2,4 - 2,48 GHz, |
vysoká |
Bezdrôtové pripojenie na |
Belkin WeMo DLink Tado Domovská stránka Google Netatmo krúžok |
|
Bluetooth 5.0 |
1-3 Mbit / s |
10 m |
2,40 - 2,48 MHz |
nízka |
Inteligentné domáce zariadenia | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
nízka |
Automatizácia budov |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 Kbit / s |
30 m |
868 MHz |
nízka |
Automatizácia budov |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Smart Home Home Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
veľmi nízky |
Teplotné |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
Homematic |
9,6 kbit / s |
20 - 30 m |
868 - 869,52 MHz |
nízka |
Energetický |
HomeMatic Max. Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89 - 1,90 MHz |
nízka |
Automatizácia budov |
Purpurová inteligentná domácnosť AVM Gigaset |
Rádiové štandardy: výhody a nevýhody v skratke
1. WLAN
Už v 70. rokoch 20. storočia sa objavili pokusy o vynájdenie rádiových spojení na rýchly prenos údajov. V roku 1971 sieť ALOHAnet pripojila pomocou rádiového protokolu Aloha sedem počítačov na štyroch rôznych havajských ostrovoch. Rádiový protokol IEEE 802.11, ktorý sa dnes všade používa, existuje od roku 1997. O dva roky neskôr bola založená Alliancia WiFi s cieľom certifikovať zariadenia WLAN a ďalej rozvíjať túto technológiu.
Inteligentný zvonček od spoločnosti Ring komunikuje so zariadením Alexa cez WiFi.
funkčnosť
- Súčasné WiFi siete sú založené na rádiových štandardoch IEEE-802.11n a 802.11ac (WiFi 4 a WiFi 5).
- Teoretické prenosové rýchlosti sú 600 Mbit / s alebo 1 500 Mbit / s. V praxi je však dátová rýchlosť nižšia, pretože veľa smerovačov nemôže prijímať viac dátových tokov paralelne.
- Smerovače WLAN využívajú frekvenčné pásmo 2,4 GHz so štyrmi neprekrývajúcimi sa kanálmi, novšie modely tiež využívajú frekvenčné pásmo 5 GHz s 19 kanálmi.
výhody
- pre istotu
- vysoká prenosová rýchlosť
nevýhoda
- energeticky náročné
- Z dôvodu vysokého počtu používateľov dochádza k častému rušeniu, najmä v pásme 2,4 GHz
- v 5GHz nižšom rozsahu kvôli vysokej frekvencii
Aplikácie
Napriek svojmu hladu po energii hrá bezdrôtový štandard WLAN pri vytváraní inteligentnej domácnosti dôležitú úlohu:
- v komunikácii medzi Smart Home Hub a routerom
- pre zariadenia, ako sú inteligentné televízory a fotoaparáty, ktoré prenášajú veľké množstvo dát (videá)
Inteligentné domáce systémy s WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Domovská stránka Google
- Netatmo Smart Home
- Ring (inteligentné zvončeky pre video)
2. Bluetooth s nízkou spotrebou energie (BLE, 5,0)
V roku 1998 vyvinuli spoločnosti Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba a Intel štandard Bluetooth. V roku 1999 skupina Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) zverejnila špecifikácie prvého protokolu Bluetooth. V nasledujúcich rokoch sa Bluetooth stalo jedným z najdôležitejších rádiových štandardov pre bezdrôtový prenos medzi mobilnými telefónmi a počítačmi alebo pre slúchadlá Bluetooth. Od verzie 4.0 ďalej spotrebúva podstatne menej energie, preto dostal názov Low Energy (Bluetooth LE).
Vďaka krátkemu dosahu je Bluetooth pre inteligentnú domácnosť menej vhodný. Rádiový štandard je vhodnejší na počúvanie hudby cez bezdrôtové slúchadlá.
Funkčnosť
Bezdrôtový štandard Bluetooth využíva bezdrôtové pásmo ISM 2,402 až 2,480 GHz.
- Vysielacie zariadenie (hlavný) sa synchronizuje s prijímacím zariadením (slave). Na to musia obidve zariadenia autorizovať pripojenie.
- Odosielateľ a prijímateľ nadväzujú spojenie typu point-to-point v takzvanej pico sieti. Každé zariadenie má 48-bitovú adresu, ktorá ho identifikuje.
- Vysielač mení frekvenciu vo frekvenčnom pásme 1 600 krát za sekundu (proces preskakovania frekvencie). Prijímač sníma signály z vysielača každé 2 sekundy, kým sa nenadviaže spojenie.
výhody
- široko používaný, teda vysoká kompatibilita
- málo energie
nevýhoda
- krátky dosah
- zlá stabilita
Aplikácie
V oblasti domácej automatizácie a bezpečnosti sa len málo výrobcov spolieha na Bluetooth, je to však jeden z popredných štandardov bezdrôtového pripojenia pre nositeľné zariadenia a zábavnú elektroniku. Medzi užitočné aplikácie v oblasti inteligentných domov patria elektronické zámky dverí a inteligentné otvárače garážových brán.
3. ZigBee
V roku 2002 založili rôzne spoločnosti ZigBee Alliance. Rádiový štandard má umožniť prenos dát v sieťach s nízkym objemom dát a minimálnou spotrebou energie. V nasledujúcich rokoch sa ZigBee etablovala ako popredná technológia v oblasti priemyselnej automatizácie, najmä v oblasti ovládania spínačov a senzorov.
ZigBee je pre inteligentnú domácnosť predurčený pre nízku náchylnosť k poruchám. Spoločnosť Philips Hue je okrem iného založená na ZigBee ako inteligentnom svetle.
funkčnosť
- Rovnako ako Bluetooth, aj ZigBee používa štandard IEEE 802.15.4 a rozširuje protokol o tri vrstvy.
- V sieťovej sieti mesh nemusia jednotlivé inteligentné domáce zariadenia nevyhnutne prijímať správy iba z centrálnej brány. Každé zariadenie sa stáva oveľa viac sieťovým uzlom a môže prenášať informácie. Napríklad žiarovky a snímače teploty pripojené k náboju tiež navzájom komunikujú.
- Ak dôjde k poruche náboja, lampa stále dostane od teplotného snímača príkaz „Pokračovať lampa“. Vo veľkých apartmánoch a domoch s niekoľkými izbami pripojenie zvyčajne funguje bez rušenia aj napriek múrom.
Aplikácie
Inteligentné domáce zariadenia v domácej automatizácii ako inteligentné riadenie kúrenia, snímače okien a dverí alebo svetlá využívajú ZigBee najviac.
výhody
- nízka spotreba energie
- nízka náchylnosť na zlyhanie
- vysoká distribúcia, teda veľký výber výrobcov
nevýhoda
- žiadny
Inteligentné domáce systémy so ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-vlna
V roku 1999 dánska spoločnosť Zensys vyvinula rádiový štandard Z-Wave ako vlastnú technológiu. V roku 2005 založili rôzni výrobcovia alianciu Z-Wave Alliance, ktorá má členov ako Huawei a Fibaro. Práva na túto technológiu teraz vlastní technologická spoločnosť „Silicon Labs“. Koncom roka 2019 spoločnosť Silicon Labs oznámila, že chce urobiť zo Z-Wave otvorený bezdrôtový štandard.
Z-Wave je veľmi obľúbený u výrobcov inteligentných domácich zariadení. Inteligentný snímač od spoločnosti Fibaro meria pohyb, teplotu a svetlo a vychádza z bezdrôtového štandardu Z-Wave.
funkčnosť
- Dáta sa prenášajú vo frekvenčnom rozsahu 868 MHz s frekvenčným posunom 20 kHz.
- Z-Wave zariadenia tvoria sieť, ktorá má jedinečné ID. Každé zariadenie v sieti má ID, ktoré je definované vo vstavanom čipe.
- Rovnako ako v prípade ZigBee, aj zariadenia navzájom komunikujú v sieťovej sieti, podobne ako sieťové opakovače. Bezdrôtová sieť beží plynulejšie, čím viac zariadení napájaných elektrinou je integrovaných do inteligentnej domácnosti.
- Príjemca musí každú správu potvrdiť.
výhody
- Nízke rušenie vďaka použitiu frekvenčného pásma 868 MHz
- nízka spotreba energie
- vysoká distribúcia, teda veľký výber výrobcov
- je možné navzájom prepojiť až 232 zariadení
nevýhoda
- nízka prenosová rýchlosť, ale postačujúca pre malé snímače
Inteligentné domáce systémy s technológiou Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
V roku 2001 spoločnosť Siemens založila spoločnosť EnOcean GmbH s cieľom vyvinúť protokol pre bezdrôtovú komunikáciu v priemysle. Aliancia EnOcean založená v roku 2008 zahŕňa viac ako 400 spoločností vrátane spoločností Honeywell, IBM a Microsoft.
Zariadenia Enocean generujú svoje vlastné požiadavky na elektrickú energiu jednoduchým stlačením tlačidla. Smart Home od Homee je jedným zo spôsobov použitia bezdrôtového štandardu.
Ako to funguje
Bezdrôtový štandard EnOcean využíva princíp získavania energie. Senzory nepotrebujú batériu.
- Prevodník energie vyrába elektrinu z pohybu, ako je stlačenie spínača svetla.
- Mini solárne články sú napájané napríklad elektrinou zo svetelných zdrojov.
- Peltierove prvky vyrábajú elektrinu prostredníctvom teplotných rozdielov, napríklad medzi radiátorom a prostredím. Stačí teplotný rozdiel dva stupne.
výhody
- takmer žiadna spotreba energie
nevýhoda
- vhodné iba pre malé snímače a malé objemy dát
Aplikácie
Veľmi nízkoenergetický rádiový štandard používajú inteligentné domáce zariadenia, ktoré odosielajú krátke správy alebo príkazy. Sú to:
- Senzory pohybu alebo detektory pohybu
- Teplotné senzory
- CO2 senzory
Inteligentné domáce systémy s EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (bezpečnostná technológia)
- NodOn (detektor pohybu)
6. Homematic IP (BidCoS)
Za značkou Homematic IP stojí patentovaný rádiový štandard BidCoS (obojsmerný komunikačný štandard). Vynálezcom je nemecká technologická spoločnosť eQ-3 založená v roku 2007, ktorá používa svoj štandard Homematic IP pre svoje vlastné inteligentné domáce systémy (Max!, Homematic), ale sprístupňuje ho aj svojim kooperačným partnerom Innogy a Qivicon. Qivicon je veľká platforma pre inteligentné domácnosti, ktorá je základom napríklad aj pre Qivicon / Magenta SmartHome.
Homematic IP je autorizované rádio, zariadenia pracujú na základe spolupráce, ale tiež s firmami Magenta a Innogy.
funkčnosť
- BidCoS je obojsmerný protokol. To znamená, že príjemca musí správu vždy potvrdiť.
- Rádiový štandard prenáša údaje pomocou autentifikácie AES a 128 bitového šifrovania.
výhody
- vysoká bezpečnosť
nevýhoda
- nie je kompatibilný s inými systémami inteligentnej domácnosti (okrem spolupracujúcich partnerov)
Inteligentné domáce systémy s Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max.
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Dect ULE
Rádiový štandard DECT (pre digitálnu bezšnúrovú komunikáciu) sa rozšíril už v 90. rokoch s príchodom bezdrôtových telefónov. Varianta Ultra Low Energy (ULE) protokolu DECT je optimalizovaná pre nízku spotrebu energie.
Zariadenia Dect Ule je možné ovládať priamo cez Fritz! Box. Napríklad inteligentná zásuvka od AVM.
funkčnosť
- DECT ULE nestojí za jediným protokolom, ale s mnohými protokolmi od rôznych výrobcov v pásme 1 890 - 1 900 MHz.
- Na vzájomnú komunikáciu potrebujú inteligentné domáce zariadenia, ktoré používajú protokol DECT ULE, bránu ako centrum pre prichádzajúce a odchádzajúce správy.
Použitie
Rádiový štandard sa nepoužíva iba pre telefóny a smerovače, ale aj pre inteligentné žiarovky a senzory.
výhody
- Nízke rušenie vďaka vlastnému frekvenčnému pásmu
nevýhoda
- používa sa pomerne zriedka
Inteligentné domáce systémy s Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Inteligentná domácnosť Gigaset Elements
Kombinujte rôzne štandardy
Otvorene navrhnuté systémy inteligentnej domácnosti ponúkajú možnosť kombinácie rôznych bezdrôtových štandardov. V riadiacich centrách systémov ako Magenta alebo Homee je integrovaná široká škála štandardov inteligentnej domácnosti.
„Lepiace aplikácie“ ako IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant alebo Amazon Alexa tiež fungujú ako most medzi inteligentnými domácimi zariadeniami s rôznymi bezdrôtovými štandardmi. V zásade sa informácie z rôznych aplikácií vyhodnocujú v centrálnej aplikácii. Napríklad senzor D-Link zapípa, keď senzor Arlo zaznamená pohyb. Predpokladom je, aby jednotlivé zariadenia boli kompatibilné s vybranou lepiacou aplikáciou.
KNX-RF: Rozšírte systém zbernice o rádiové zariadenia
V prípade nových budov alebo následnej inštalácie inteligentného domu v starej budove môžu majitelia zvážiť, či chcú namiesto rádia implementovať ovládanie inteligentného domu pomocou káblovej inštalácie. Napájací kábel je možné použiť buď ako spojovací prvok (systém elektrického vedenia), alebo ako samostatný systém zbernice, ktorý vedie ako druhé vedenie vedľa elektrického vedenia (systém KNX). Zbernica KNX umožňuje integráciu inteligentných domácich zariadení od rôznych výrobcov a je možné ju kombinovať so sieťami Powerline a Ethernet.
Pre systém KNX teraz existuje aj hybridné riešenie pozostávajúce z drôtových a rádiových zariadení, ktoré je možné ovládať cez rovnaké užívateľské rozhranie. To je užitočné napríklad na rozšírenie káblovej inteligentnej domácnosti o ďalšie funkcie. Príslušný rádiový štandard sa nazýva KNX-RF. Pomocou tejto technológie je možné implementovať aj čisto bezdrôtový inteligentný dom, ako je to možné aj pri bezdrôtových štandardoch vo vyššie uvedenom porovnaní. Pretože pripojenie a programovanie je pomerne zložité, KNX-RF je zameraný skôr na odborníkov a majiteľov KNX, ktorí chcú kombinovať KNX a KNX-RF.
