Komunikační síť poskytuje konektivitu mezi ovládanými zařízeními, senzory a akčními členy na jedné straně a kontrolérem (včetně dálkového ovládání) na straně druhé. V současnosti můžeme tyto sítě rozdělit do tří hlavních kategorií podle typu přenosového média:
Je založena na principu využití domovní elektrické instalace pro přenos signálů v pásmu od 20 kHz do 100 MHz. Standardem, který donedávna v této oblasti dominoval, je X.10, později nahrazený standardem HomePlug – ten vstoupil v platnost v roce 2010 (IEEE 1901) a jeho poslední verze – AV2 – umožnila dosáhnout přenosové rychlosti až 500Mbit/s.
Velkou výhodou tohoto typu komunikace je možnost využití stávající elektrické sítě nízkého napětí v bytech.
Nevýhodou však může být rozdělení fází a přítomnost elektroměru, který přenos datového signálu znemožňuje. Přenos dat je někdy možný při souběhu jednotlivých fází, může však být omezena přenosová rychlost, resp. spolehlivost přenosu. Přenosová rychlost závisí též na výkonovém zatížení elektroinstalace.
V této oblasti jsou známy dva otevřené standardy – KNX a LON. KNX je evropský (EN50090, 2003) a mezinárodní (ISO/IEC 14543-3, 2006) standard pro automatizaci v domech, bytech a komerčních objektech (building automation). Jde o zkratku názvu Konnex. Tento standard nahrazuje starší evropské standardy EIB (European Installation Bus), BatiBUS (primárně používán ve Francii) a EHS (European Home Systems).
LON je zkratka pro Local Operating Network, standard představený původně v roce 1990; později, v roce 2008 (ISO/IEC 14908), pak jako řešení pro automatizaci v průmyslových budovách, na letištích, stadionech a pro pouliční osvětlení.
Na rozdíl od KNX využívá Local Operating Network decentralizované řízení. V případě velkých instalací se tak řízení může obejít i bez centrálního řídicího bodu, což je důležité hlavně v případě veřejných instalací s vysokými nároky na dostupnost.
V současnosti máme k dispozici řadu technologií umožňujících bezdrátový přenos dat pro automatizaci budov a domů.
Přenosové rychlosti, frekvence a použité modulace jsou pro každou technologii odlišné. Důležitým rozlišovacím kritériem však mohou být nároky na napájení senzorů, resp. životnost baterie, která napájí nezávislý senzor. Níže uvedená tabulka shrnuje bezdrátové technologie používané pro automatizaci domácností [2].
EnOcean |
Z-Wave, KNX-RF |
ZigBee (802.15.4) |
ZigBee (802.15.4) |
Bluetooth (802.15.1) |
WLAN (802.11) |
|
frekvenční pásmo [MHz] |
868 |
868 |
868 |
2400 |
2400 |
2400 |
přenosová rychlost [kbit/s] |
125 |
30 |
20 |
250 |
720 |
11000-54000-100000 |
dosah (interiér/exteriér) [m] |
30/300 |
9.6/20 |
30/500 |
30/500 |
10/100 |
20/50 |
spotřeba energie |
extrémně nízká |
nízká |
nízká |
nízká |
střední |
vysoká |
roziko kolize dat |
velmi nízké |
střední |
střední |
nízké |
velmi nízké |
vysoké |
Zatímco pro řízení budov bylo použití bezdrátových senzorů vždy jen alternativní možností (zvláště v budovách již stojících), nové standardy počítající s velmi nízkou spotřebou energie tuto situaci postupně mění.
Bezdrátová rozhraní jako Z-Wave, ZigBee, BLE (Bluetooth Low Energy) a RFID (Radio-frequency identification) se postupně stávají součástí napájecích zásuvek, ovladačů osvětlení a domácích spotřebičů.
Totéž platí i o audiovizuální spotřební elektronice – do přístrojů se začínají montovat WLAN (WiFi) moduly připravené pro streamování multimediálního obsahu přímo z Internetu, s možností plnohodnotného ovládání prostřednictvím chytrých telefonů. Novou generaci bezdrátových technologií představuje standard EnOcean umožňující komunikovat na bezdrátovém spoji prostřednictvím energie získané z teplotních nebo světelných změn prostředí, případně získávat energii z přepínání mechanických spínačů.
Jako kontrolér označujeme řídicí jednotku, která v rámci celé inteligentní instalace hraje roli „mozku“. Do řídicí jednotky směřují informace ze senzorů, a senzory naopak přijímají řídicí příkazy. Pod příkazy pro senzory se rozumí např. nastavení úrovní, při nichž má senzor posílat hlášení, apod. Většinou je však senzor jednotka, která jednosměrně odesílá získané informace (a řídicí jednotka je pak vyhodnotí). Podle předem nastavených pravidel vyšle příkaz pro příslušný akční člen, který provede požadovanou akci. Úkolem této komponenty v rámci celé architektury je také posílání SMS zpráv, e-mailů nebo sdělení přímo řídicí jednotce (např. prostřednictvím aplikace na chytrém telefonu či tabletu).
Dnes již tyto jednotky využívají standardní operační systémy (OS), jako je Linux/Windows/OS-X, které jsou obvykle speciálně přizpůsobeny.
V případě potřeby jsou řídicí jednotky napájeny ze záložního zdroje (Uninterruptible power supply – UPS) nebo obsahují baterii, která po nějakou dobu dokáže zajistit nezávislost na hlavním napájecím zdroji v době jeho výpadku.
Jedním z hlavních důvodů rostoucí obliby automatizace domácností je možnost ovládat celý systém prostřednictvím chytrého telefonu nebo tabletu – přesněji řečeno, prostřednictvím aplikace instalované na takovémto koncovém zařízení. Již několik let neustále přibývají nové a nové aplikace pro domácnosti.
Koncová zařízení jsou prostřednictvím WLAN (WiFi), 3G/4G (přes Internet) připojena do systému domácnosti. Ovládání tak může probíhat nejen z prostor domácnosti samotné, ale i na dálku. V minulosti bylo takové dálkové řízení řešeno připojením řídicí jednotky přes telefonní linku.
ZigBee je síťový standard pracující ve směrovacím (routed) režimu, vyvinutý sdružením ZigBee Alliance [3]. Jeho současný název vznikl v 90. letech (původně se jmenoval „HomeRF“ protokol). Odsouhlasený standard byl vydán v červnu 2005 jako „ZigBee radio standard“. Tento standard současně definuje síťovou bezpečnost jako další vrstvu nad standardem IEEE 802.15.4 [4].
ZigBee byl navržen pro široké využití v různých typech aplikací, od automatizace domácností (pro niž se využívají především bateriové napájecí zdroje) po průmyslové využití při správě velkých objektů.
Standard IEEE 802.15.4 byl dokončen v roce 2003 jako Low-Rate Wireless Personal Area Network (WPAN). Zahrnuje několik vrstev – konkrétně DSSS (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum), fyzickou vrstvu Physical Radio (PHY) a spojovou vrstvu Media Access Control (MAC).
Mnozí výrobci čipů nabízejí 802.15.4 jako součást jedné integrované desky společně s mikroprocesorem a 128 KB paměti pro ZigBee aplikace.
Hlavní cíle standardu ZigBee jsou následující:
Z pohledu síťového modelu definuje ZigBee několik typů entit či zařízení:
Platí, že pouze FFD zařízení mohou řídit směrování v mesh síti. ZigBee pro tento účel definuje hvězdicovou strukturu obsahující RFD na hranách sítě a hybridní síť nazývanou cluster tree.
Rádiové rozhraní ZigBee 802.15.4 využívá pásmo 2,4 GHz, v USA je to 915 MHz a v Evropě 868 MHz. Dvě posledně uvedené nižší frekvence však nemají podporu ze strany výrobců působících na trhu pro koncové spotřebitele.
Výrobci koncových zařízení musí být členy ZigBee Alliance.
Z-Wave je (stejně jako ZigBee) síťovým standardem pracujícím v směrovacím (routed) režimu. Vlastníkem patentu na tento protokol je společnost Sigma Design [4], která patent zakoupila od jeho tvůrce, firmy ZenSys of Denmark, v roce 2008 [4].
Tento bezdrátový komunikační protokol je určen především pro aplikace související s automatizací domácností; jeho hlavní cíle jsou:
Komunikační protokol využívaný touto technologií směruje zprávy pomocí tzv. Source Routing Algotihm (SRA). Source Routing Algorithm vyžaduje od iniciátora zprávy (tzn. od příslušného zařízení/senzoru) znalost o uspořádání jiných zařízení/senzorů v síti k tomu, aby dokázal zprávu směrovat vždy nejkratší cestou. Udržování a přeposílání aktuální databáze síťové topologie aktivním zařízením v síti obstarává složitý software zařízení, které zároveň odpovídá i za jiná zařízení, jež mohou být v rámci daného prostoru mobilní (mohou měnit svou polohu).
Z-Wave (Obr. 2.1) definuje rozdílné kategorie zařízení, protože zmiňovaná logika může cenu zařízení/senzoru neúměrně zvýšit, a umožňuje definovat tzv. Slaves (podřízená zařízení). Slave nedokáže tyto stavy sledovat, a je tedy staticky naprogramován pro komunikaci s konkrétními zařízeními v síti. Popsaná logika je nejdůležitější funkcionalitou tohoto protokolu.
Bezdrátová síť Z-Wave je navržena pro omezené množství síťových uzlů, tzv. nodů, kterých může být v síti až 232. Výrobci zařízení však doporučují, aby maximální počet nodů byl 30 až 50, přičemž každý z nich komunikuje v intervalu od 5 do 15 minut.
Zprávy v systému Z-Wave mají proměnnou délku. Jen pro informaci – tělo zprávy může průměrně obsahovat od 4 do 6 bajtů, přičemž zpoždění (latence) nesmí přesáhnout 200 milisekund.
I v případě Z-Wave platí, že výrobci zařízení podporujících tento komunikační protokol musí být členy Z-Wave Alliance.
V posledních letech se technologie WiFi (IEEE 802.11) stala standardem pro širokopásmovou bezdrátovou komunikaci v domácích nebo podnikových sítích LAN. Důsledkem jejich rostoucí obliby je i jejich využití v oblasti automatizace domácností, a to především pro streamování multimediálního obsahu mezi zařízeními.
IEEE 802.11 je standard, který dnes existuje již v několika variantách – a, b, g a n. Varianta 802.11a je určena pro pásmo 5 GHz a není používána v zařízeních pro běžné domácnosti – pro ty jsou určeny verze 802.11b, g a n. Verze b, komunikující maximální rychlostí 11 Mbit/s (megabitů za sekundu), se používá od roku 1999. Následuje verze g s maximální rychlostí 54 Mbit/s, uvedená na trh v roce 2002. Verze n s rychlostí 100 Mbit/s a vyšší se začala šířeji používat v roce 2006. WiFi síť se typicky realizuje s hvězdicovou síťovou topologií. Nejde však o mesh síť – komunikace je vždy od bodu k bodu (point-to-point).
WiFi se díky svým přenosovým rychlostem řadí k nejrychlejším bezdrátovým technologiím pro domácnosti.
Velkou nevýhodou je však vysoká energetická náročnost a poměrně složitý proces konfigurace zařízení.
Při použití hvězdicové topologie je důležité brát v úvahu i dosah, který se obvykle pohybuje od 50 do 100 metrů ve volném prostoru. Centrálním přístupovým bodem je obvykle kontrolér, případně směrovač, ke kterému je kontrolér připojen zpravidla prostřednictvím Ethernetu.
Velkou výhodou WiFi je, že navazování síťových spojení a samotný přenos dat jsou založeny na protokolu TCP/IP, který se používá i v síti Internet.
Pokud jde o automatizaci domácností, WiFi se používá například pro připojení IP kamer, které jsou zpravidla napájeny ze sítě, a tedy nezávislé na bateriích. Streamovaná data se ukládají do domácího úložiště v intervalech a v kvalitě, které je možno řídit ze záznamového zařízení – takové řešení je stále běžné, ale je postupně vytlačováno řešením univerzálním v podobě WiFi přístupového bodu s domácím úložištěm dat.
Kromě přenosu videa z IP kamer se WiFi běžně využívá k připojení jakýchkoliv multimediálních zařízení v domácnosti, včetně mobilních zařízení a počítačů, mezi nimiž je možno sdílet multimediální obsah.
Standard Bluetooth byl definován skupinou Bluetooth SIG [5] a standardizován v IEEE 802.15.1 jako bezdrátová ad-hoc point-to-point technologie pro osobní sítě neboli Personal Area Networking – PAN (Personal Area Networking).
Tato technologie byla navržena mj. s cílem dosáhnout nízké náročnosti na napájení, její dosah je však omezen na zhruba 10metrový okruh (bez překážek). Bluetooth se v současnosti využívá především v mobilních telefonech a bezdrátových náhlavních soupravách (headset), tabletech a PC, obvykle jako náhrada za kabelové připojení periferních zařízení.
Nová verze této komunikační technologie, nazývaná Bluetooth Low Energy nebo Bluetooth Smart, znamená pro sítě PAN nové možnosti. V automatizaci domácností je její vývoj zaměřen především na oblast úzce související s eHealth, jehož součástí je i asistované bydlení. Jde o zařízení umístěná na těle nebo tvořící součást předmětu denní potřeby, snímající biometrické údaje uživatele.
Zájem o tuto technologii je zřetelný i ze strany výrobců mobilních zařízení, jako jsou mobilní telefony a tablety. Nejnovější zařízení disponují verzí označovanou Bluetooth 4.0. Tato zatím poslední verze se stala součástí standardu Bluetooth v roce 2010 a oficiálně byla představena společností Nokia pod názvem Wibree.
Bluetooth pracuje v pásmu 2,4GHz a s použitím principu střídání frekvencí – frequency hopping spread spectrum FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – dosahuje přenosové rychlosti až 3Mbit/s; PAN umožňuje přidání až sedmi dalších uzlů.
EnOcean je bezdrátová technologie, která využívá k napájení senzorů energii získanou z okolí, například přeměnou tepelné, elektromagnetické nebo solární energie na elektrickou. Tento princip získávání energie umožňuje napájet modul senzoru s velmi nízkou spotřebou.
EnOcean se stal standardem v roce 2012 (ISO/IEC 14543-3-10); tento standard pokrývá tři nejnižší vrstvy modelu OSI, tzn. fyzickou, spojovou a síťovou. Vlastníkem patentu je společnost EnOcean, založená jako spin-off společností Siemens AG. Cílem EnOcean byl vývoj bezdrátových modulů, které by dokázaly napájet samy sebe, bez nutnosti přidávat bateriové zdroje.
Přenášené pakety jsou relativně krátké, konkrétně 14 bajtů, s přenosovou rychlostí 125 kbit/s (kilobitů za sekundu). EnOcean se v konkrétních implementacích využívá hlavně pro aplikace nepříliš náročné na objem přenášených dat, resp. pro senzory. Konkrétně může jít o vypínače osvětlení, detektory pohybu, senzory vlhkosti a teploty atd.
EnOcean využívá pro komunikaci několik frekvenčních pásem – konkrétně 902 MHz, 928,35 MHz a 315 MHz.
Tento standard našel uplatnění především v automatizaci budov, logistice a přepravě zboží, v současnosti však proniká i do oblasti automatizace domácností. I zde platí, že výrobci modulů musí být členy EnOcean Alliance.