Systemy inteligentnego domu wymagają połączenia radiowego do bezprzewodowej sieci urządzeń. Jednak istnieje nie tylko jeden, ale wiele różnych standardów radiowych dla automatyki domowej. Wyjaśniamy tutaj, dlaczego tak jest i co to oznacza dla projektu inteligentnego domu.
ZigBee & Co.: Co powinieneś wiedzieć o standardach bezprzewodowych Smart Home
- Połączenie bezprzewodowe w inteligentnym domu musi przesyłać dane bezpiecznie i szybko przy niskim zużyciu energii.
- WLAN oferuje wysoką szybkość transmisji, ale wymaga dużej ilości energii, dlatego standard bezprzewodowy nie przyjął się w inteligentnych domach.
- Czujniki zasilane bateryjnie, które wysyłają niewielkie ilości danych, najczęściej korzystają z ekonomicznych protokołów, takich jak ZigBee, Z-Wave lub EnOcean, które podobnie jak WLAN są swobodnie dostępne dla wszystkich producentów.
- Oprócz otwartych standardów radiowych istnieją również prywatne standardy, takie jak Homematic IP, które należą do firmy. Urządzenia są wtedy kompatybilne tylko w ramach własnego systemu inteligentnego domu lub z systemami, które zostały opracowane wspólnie przez producenta. Te standardy radiowe są również określane jako „zastrzeżone”.
Dlaczego standardy radiowe są ważne?
Każdy, kto kiedykolwiek desperacko próbował surfować po Internecie w środku lasu lub na autostradzie, wie, jak ważne są stabilne połączenia radiowe. To samo dotyczy urządzeń smart home, które mają wymieniać między sobą informacje w domu bez zakłóceń. Ponieważ podobnie jak smartfony, systemy inteligentnego domu oparte na radiu komunikują się za pomocą fal elektromagnetycznych.
Standardy radiowe, takie jak ZigBee, Z-Wave, WLAN lub EnOcean, są generalnie oparte na modulacji fal radiowych i mikrofal, które należą do części widma elektromagnetycznego o niskiej częstotliwości. Fala zostaje zmieniona tak, aby mogła przenosić informacje (obrazy, język, muzykę, tekst). W Niemczech Federalna Agencja ds. Sieci wydaje częstotliwości dla ruchu radiowego. Wiele protokołów z zakresu inteligentnego radia domowego wykorzystuje tak zwane pasmo ISM (pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne) między 2,4 a 2,5 GHz lub pasmo SRD (urządzenie bliskiego zasięgu) między 863 a 870 MHz.
Bezprzewodowe standardy inteligentnego domu obejmują zasięg fal radiowych i podczerwieni.
Aby móc sterować inteligentnymi urządzeniami domowymi za pomocą smartfona lub tabletu, częstotliwość radiowa inteligentnego domu musi zostać przetłumaczona na sygnał WLAN. Dlatego większość systemów inteligentnego domu wymaga mostka radiowego (także bramki lub centrum sterowania). Jest podłączony do routera WLAN w domu.
Czym różnią się ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co.
Połączenia radiowe powinny przesyłać dane bezpiecznie, szybko i bez zakłóceń. Jednak wymagania zmieniają się w zależności od obszaru zastosowania. Na przykład w przypadku systemów wideokonferencyjnych muszą przenosić ogromne ilości danych. Z drugiej strony czujniki temperatury lub ruchu w inteligentnych domach wysyłają tylko małe pakiety danych. Tutaj standard bezprzewodowy powinien przede wszystkim działać ekonomicznie, aby baterie działały jak najdłużej.
Szerokość pasma
Standard radiowy wykorzystuje pewien zakres częstotliwości. Szerokość pasma pokazuje odległość między górną i dolną częstotliwością tego zakresu. Na przykład większość routerów bezprzewodowych wykorzystuje zakres częstotliwości od 2,4 do 2,4835 GHz. Szerokość pasma w tym przypadku wynosi 83,5 MHz. Im większa przepustowość, tym więcej danych można przesłać.
kanały
Aby uniknąć zakłóceń, między jednym kanałem a następnym musi być odstęp. W przypadku sieci WLAN w paśmie częstotliwości 2,4 GHz dostępne są cztery nienakładające się kanały o szerokości 20 MHz i odstępie 5 MHz.
Przekładnia
prędkość Szybkość transmisji jest bardzo ważne w bezprzewodowy Internet. Z tego powodu WLAN stał się standardem bezprzewodowym dla laptopów, komputerów PC i smartfonów. Routery ze standardowym Wi-Fi 5 (802.11 ac) zarządzają prędkością do 1300 Mbit / s. To wystarczy, aby wygodnie odtwarzać seriale. W porównaniu do standardu bezprzewodowego Z-Wave Smart Home osiąga 9,6 Kbit / s. To wystarczy, aby przesyłać polecenia między przełącznikami i czujnikami.
Do rozmów wideo potrzebne są wysokie szybkości przesyłania danych. WLAN jest tutaj bardzo odpowiedni jako standard radiowy.
Przedział
Producenci często określić zakres na świeżym powietrzu dla połączenia bezprzewodowego. Jednak w pomieszczeniach zamkniętych przeszkody spowalniają transmisję fal elektromagnetycznych. W szczególności lekkie elementy konstrukcyjne wykonane z płyt gipsowo-kartonowych, ściany z elementami stalowymi i wodociągi zakłócają transmisję radiową. WLAN ma teoretyczny zasięg 300 metrów - w praktyce jednak poziom sygnału spada już po kilku metrach. Istotna jest również częstotliwość sygnału radiowego: im wyższa, tym krótszy zasięg.
Standard bezpieczeństwa
Transmisja bezprzewodowa jest szczególnie podatna na kradzież danych. Z tego powodu wszystkie standardy bezprzewodowe w inteligentnym domu mają protokół bezpieczeństwa, który szyfruje dane. Niemniej jednak żaden standard sieci bezprzewodowej nie jest w 100% bezpieczny przed atakami hakerów. Przeczytaj nasz artykuł na ten temat: Jak bezpieczny jest inteligentny dom?
Dlaczego nie skorzystać od razu z Wi-Fi dla wszystkich inteligentnych urządzeń domowych?
95 procent Niemców ma połączenie z Internetem, w większości z routerem WLAN. Dlaczego więc nie wykorzystać sieci WLAN jako standardu w systemach inteligentnego domu? Istnieje wiele powodów takiego stanu rzeczy:
Wysokie zużycie energii
W porównaniu z innymi połączeniami bezprzewodowymi, WLAN ma wysoką szybkość transmisji. Oznacza to również, że urządzenia Wi-Fi zużywają dużo energii. Jest to szczególnie niekorzystne w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie. Wysoka przepustowość i duża prędkość nie są wymagane w przypadku małych czujników, które przesyłają tylko krótkie komunikaty.
Nakładanie się
Przede wszystkim w budynkach mieszkalnych zakłócenia występują, gdy zbyt wiele urządzeń w sąsiednich sieciach WLAN korzysta z zakresu częstotliwości 2,4 GHz.
Ograniczony zasięg
Zakłócenia sygnału z innych urządzeń, które używają tego samego pasma częstotliwości, również zmniejszają zasięg łącza radiowego.
Jaka jest różnica między otwartymi a zastrzeżonymi standardami bezprzewodowymi?
- Dzięki otwartym standardom radiowym, takim jak ZigBee i Bluetooth, technologia ta jest swobodnie dostępna dla wszystkich producentów. Często kilka firm opracowuje protokoły w ramach organizacji parasolowej. Zaletą jest wysoki poziom kompatybilności, nawet z różnymi systemami inteligentnego domu. Homee to dobry przykład całkowicie otwartego systemu inteligentnego domu, do którego można podłączyć wszystkie urządzenia wykorzystujące otwarte standardy bezprzewodowe.
- Dzięki zastrzeżonym (zamkniętym) standardom radiowym, takim jak Homematic IP, producent opracowuje własny protokół. Zapewnia to większe bezpieczeństwo podczas transmisji danych. Urządzenia smart home można łączyć tylko z urządzeniami tego samego producenta. Tę przeszkodę można obejść dzięki odpowiedniej kompatybilności za pomocą „aplikacji do klejenia”, takich jak IFTTT lub aplikacja Alexa.
- W przypadku otwartych standardów radiowych kod protokołu jest open source. Oznacza to, że każdy producent może wprowadzać zmiany. Dlatego urządzenia o tym samym standardzie radiowym niekoniecznie są ze sobą kompatybilne. Ponieważ jednak wielu producentów chce, aby ich produkty można było podłączać do jak największej liczby różnych systemów, zgodność jest prawdopodobna.
Porównanie standardów inteligentnego radia domowego
|
Maksymalna szybkość |
Zasięg |
zakres częstotliwości |
Zużycie |
podanie |
Producent |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
DOSTĘP DO BEZPRZEWODOWEGO INTERNETU |
1000–1300 |
50 m |
2,4–2,48 GHz |
wysoki |
Internet bezprzewodowy |
Belkin WeMo DLink Tado Strona główna Google Inteligentny dom Netatmo pierścień |
|
Bluetooth 5.0 |
1-3 Mbit / s |
10 m |
2,40-2,48 MHz |
Niska |
Inteligentne urządzenia domowe | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
Niska |
Automatyka budynkowa |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 Kbit / s |
30 m |
868 MHz |
Niska |
Automatyka budynkowa |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Homee Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
bardzo niski |
Czujniki temperatury , |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
HomeMatic |
9,6 kbit / s |
20-30 m |
868–869,52 MHz |
Niska |
Zarządzanie energią , |
HomeMatic Max! Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89-1,90 MHz |
Niska |
Automatyka budynkowa |
Magenta Smart Home AVM Gigaset |
Standardy radiowe: w skrócie zalety i wady
1. WLAN
Już w latach siedemdziesiątych podejmowano próby wynalezienia łączy radiowych do szybkiej transmisji danych. W 1971 roku sieć ALOHAnet połączyła siedem komputerów na czterech różnych wyspach hawajskich przy użyciu protokołu radiowego Aloha. Protokół radiowy IEEE 802.11, który jest dziś używany wszędzie, istnieje od 1997 roku. Dwa lata później założono WiFi Alliance w celu certyfikacji urządzeń WLAN i dalszego rozwoju technologii.
Inteligentny dzwonek Ringa komunikuje się z urządzeniem Alexa przez Wi-Fi.
funkcjonalność
- Obecne sieci WiFi są oparte na standardach radiowych IEEE-802.11n i 802.11ac (WiFi 4 i WiFi 5).
- Teoretyczne szybkości transferu to 600 Mbit / s lub 1500 Mbit / s. W praktyce jednak szybkość transmisji danych jest niższa, ponieważ wiele routerów nie może równolegle odbierać wielu strumieni danych.
- Routery WLAN wykorzystują pasmo częstotliwości 2,4 GHz z czterema nienakładającymi się kanałami, nowsze modele również wykorzystują pasmo częstotliwości 5 GHz z 19 kanałami.
korzyści
- na pewno
- wysoka prędkość transferu
niekorzyść
- energochłonne
- Częste zakłócenia spowodowane dużą liczbą użytkowników, zwłaszcza w paśmie 2,4 GHZ
- w dolnym zakresie 5GHz ze względu na wysoką częstotliwość
Zastosowania
Pomimo braku energii, standard radiowy WLAN odgrywa ważną rolę w tworzeniu inteligentnego domu:
- w komunikacji między Smart Home Hub a routerem
- do urządzeń takich jak telewizory smart i kamery, które transmitują duże ilości danych (wideo)
Systemy inteligentnego domu z siecią WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Strona główna Google
- Inteligentny dom Netatmo
- Dzwonek (inteligentne dzwonki wideo)
2. Bluetooth Low Energy (BLE, 5.0)
W 1998 roku Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba i Intel opracowały standard Bluetooth. W 1999 roku Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) opublikował specyfikacje pierwszego protokołu Bluetooth. W następnych latach Bluetooth stał się jednym z najważniejszych standardów radiowych do bezprzewodowej transmisji między telefonami komórkowymi a komputerami lub słuchawkami Bluetooth. Począwszy od wersji 4.0, zużywa znacznie mniej energii, stąd nazwa Low Energy (Bluetooth LE).
Ze względu na mały zasięg Bluetooth jest mniej odpowiedni dla inteligentnego domu. Standard radiowy jest bardziej odpowiedni do słuchania muzyki przez słuchawki bezprzewodowe.
Funkcjonalność
Bezprzewodowy standard Bluetooth wykorzystuje takie jak bezprzewodowe pasmo ISM 2,402 do 2,480 GHz.
- Urządzenie nadawcze (master) synchronizuje się z urządzeniem odbiorczym (slave). Oba urządzenia muszą w tym celu autoryzować połączenie.
- Nadawca i odbiorca nawiązują połączenie punkt-punkt w tak zwanej sieci pico. Każde urządzenie ma 48-bitowy adres, który je identyfikuje.
- Nadajnik zmienia częstotliwość w paśmie częstotliwości 1600 razy na sekundę (proces przeskoku częstotliwości). Odbiornik skanuje sygnały z nadajnika co 2 sekundy, aż do ustanowienia połączenia.
korzyści
- szeroko stosowany, stąd wysoka kompatybilność
- niski poziom energii
niekorzyść
- krótki zasięg
- słaba stabilność
Zastosowania
W dziedzinie automatyki domowej i bezpieczeństwa niewielu producentów polega na technologii Bluetooth, ale jest to jeden z wiodących bezprzewodowych standardów urządzeń do noszenia i elektroniki rozrywkowej. Do przydatnych zastosowań w obszarze Smart Home należą elektroniczne zamki do drzwi lub inteligentne otwieracze do drzwi garażowych.
3. ZigBee
W 2002 roku różne firmy założyły ZigBee Alliance. Standard radiowy ma na celu umożliwienie transmisji danych w sieciach o małej ilości danych i minimalnym zużyciu energii. W następnych latach ZigBee ugruntowało swoją pozycję jako wiodąca technologia w automatyce przemysłowej, szczególnie do sterowania przełącznikami i czujnikami.
ZigBee jest predestynowany do inteligentnego domu ze względu na niską podatność na awarie. Między innymi Philips Hue bazuje na ZigBee jako inteligentnym świetle.
funkcjonalność
- Podobnie jak Bluetooth, ZigBee wykorzystuje standard IEEE 802.15.4 i rozszerza protokół o trzy warstwy.
- W sieci kratowej poszczególne inteligentne urządzenia domowe niekoniecznie odbierają komunikaty tylko z centralnej bramy. Każde urządzenie staje się bardziej węzłem sieci i może przekazywać informacje. Na przykład lampy i czujniki temperatury podłączone do piasty również komunikują się ze sobą.
- Jeśli piasta ulegnie awarii, lampa nadal otrzymuje polecenie „Kontynuuj lampę” z czujnika temperatury. W dużych mieszkaniach i domach wielopokojowych połączenie zwykle działa bezproblemowo pomimo ścian.
Zastosowania
Urządzenia inteligentnego domu w automatyce domowej, takie jak inteligentne sterowanie ogrzewaniem, czujniki okien i drzwi czy oświetlenie, wykorzystują najczęściej ZigBee.
korzyści
- niskie zużycie energii
- niska podatność na awarie
- wysoka dystrybucja, stąd duży wybór producentów
niekorzyść
- Żaden
Systemy inteligentnego domu z ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-Wave
W 1999 roku duńska firma Zensys opracowała standard radiowy Z-Wave jako zastrzeżoną technologię. W 2005 roku różni producenci założyli sojusz Z-Wave, który ma członków, takich jak Huawei i Fibaro. Firma technologiczna „Silicon Labs” jest teraz właścicielem praw do technologii. Pod koniec 2019 roku Silicon Labs ogłosił, że chce uczynić Z-Wave otwartym standardem bezprzewodowym.
Z-Wave jest bardzo popularny wśród producentów inteligentnych urządzeń domowych. Inteligentny czujnik firmy Fibaro mierzy ruch, temperaturę i światło i bazuje na Z-Wave jako standardzie bezprzewodowym.
funkcjonalność
- Dane są przesyłane w zakresie częstotliwości 868 MHz z przesunięciem częstotliwości o 20 kHz.
- Urządzenia Z-Wave tworzą sieć, która ma unikalny identyfikator. Każde urządzenie w sieci ma identyfikator zdefiniowany we wbudowanym chipie.
- Podobnie jak w przypadku ZigBee, urządzenia komunikują się ze sobą w sieci kratowej podobnej do repeaterów kratowych. Sieć bezprzewodowa działa płynniej, im więcej urządzeń zasilanych energią elektryczną jest zintegrowanych z inteligentnym domem.
- Odbiorca musi potwierdzić każdą wiadomość.
korzyści
- Niskie zakłócenia dzięki zastosowaniu pasma częstotliwości 868 MHz
- niskie zużycie energii
- wysoka dystrybucja, stąd duży wybór producentów
- można połączyć ze sobą do 232 urządzeń
niekorzyść
- niska prędkość transferu, ale wystarczająca dla małych czujników
Systemy inteligentnego domu z Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
W 2001 roku Siemens założył EnOcean GmbH w celu opracowania protokołu komunikacji bezprzewodowej w przemyśle. EnOcean Alliance, założone w 2008 roku, obejmuje ponad 400 firm, w tym Honeywell, IBM i Microsoft.
Urządzenia Enocean generują własne zapotrzebowanie na energię elektryczną za jednym naciśnięciem przycisku Smart Home from Homee to jeden ze sposobów wykorzystania standardu bezprzewodowego.
Jak to działa
Bezprzewodowy standard EnOcean wykorzystuje zasadę zbierania energii. Czujniki nie potrzebują baterii.
- Konwerter energii wytwarza energię elektryczną w wyniku ruchu, takiego jak naciśnięcie włącznika światła.
- Na przykład mini ogniwa słoneczne są zasilane energią elektryczną ze źródeł światła.
- Elementy Peltiera wytwarzają energię elektryczną poprzez różnice temperatur, na przykład między promiennikiem a otoczeniem. Wystarczy różnica temperatur wynosząca dwa stopnie.
korzyści
- prawie żadnego zużycia energii
niekorzyść
- nadaje się tylko do małych czujników i małych ilości danych
Zastosowania
Standard radiowy o bardzo niskim zużyciu energii jest używany przez inteligentne urządzenia domowe, które wysyłają krótkie wiadomości lub polecenia. To są:
- Czujniki ruchu lub czujniki ruchu
- Czujniki temperatury
- Czujniki CO2
Systemy inteligentnego domu z EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (technologia bezpieczeństwa)
- NodOn (czujnik ruchu)
6. Homematic IP (BidCoS)
Za marką Homematic IP stoi zastrzeżony standard radiowy BidCoS (Dwukierunkowy Standard Komunikacji). Wynalazcą jest niemiecka firma technologiczna eQ-3, założona w 2007 roku, która wykorzystuje swój standard Homematic IP we własnych systemach inteligentnego domu (Max!, Homematic), ale udostępnia go także współpracującym partnerom Innogy i Qivicon. Qivicon to duża platforma inteligentnego domu, na której opiera się na przykład Qivicon / Magenta SmartHome.
Homematic IP to autorskie radio, urządzenia działają na zasadzie współpracy ale także z Magentą i Innogy.
funkcjonalność
- BidCoS jest protokołem dwukierunkowym. Oznacza to, że odbiorca zawsze musi potwierdzić wiadomość.
- Standard radiowy przesyła dane z uwierzytelnianiem AES i szyfrowaniem 128-bitowym.
korzyści
- wysoki poziom bezpieczeństwa
niekorzyść
- niekompatybilny z innymi systemami smart home (poza partnerami kooperacyjnymi)
Systemy inteligentnego domu z Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Dect ULE
Standard radiowy DECT (dla cyfrowej ulepszonej komunikacji bezprzewodowej) rozprzestrzenił się już w latach 90-tych, wraz z pojawieniem się telefonów bezprzewodowych. Wariant Ultra Low Energy (ULE) protokołu DECT jest zoptymalizowany pod kątem niskiego zużycia energii.
Urządzeniami Dect Ule można sterować bezpośrednio przez Fritz! Box. Na przykład inteligentne gniazdo firmy AVM.
funkcjonalność
- DECT ULE nie oznacza pojedynczego protokołu, ale wiele protokołów różnych producentów w paśmie 1890–1900 MHz.
- Aby móc komunikować się ze sobą, inteligentne urządzenia domowe korzystające z protokołu DECT ULE potrzebują bramki jako centrum wiadomości przychodzących i wychodzących.
Zastosowanie
Standard radiowy jest stosowany nie tylko w telefonach i routerach, ale także w inteligentnych lampach i czujnikach.
korzyści
- Niskie zakłócenia dzięki własnemu pasmu częstotliwości
niekorzyść
- używane stosunkowo rzadko
Systemy inteligentnego domu z Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Gigaset Elements Smart Home
Połącz różne standardy
Otwarte systemy inteligentnego domu dają możliwość łączenia różnych standardów bezprzewodowych. W centrach sterowania systemów takich jak Magenta czy Homee zintegrowano wiele różnych standardów inteligentnego domu.
„Aplikacje samoprzylepne”, takie jak IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Asystent Google lub Amazon Alexa, również działają jako pomost między urządzeniami inteligentnego domu o różnych standardach bezprzewodowych. Zasadniczo informacje z różnych aplikacji są oceniane w aplikacji centralnej. Na przykład czujnik D-Link wysyła sygnał dźwiękowy, gdy czujnik Arlo wykryje ruch. Warunkiem jest zgodność poszczególnych urządzeń z wybraną aplikacją klejącą.
KNX-RF: rozbudowa systemu magistrali o urządzenia radiowe
W przypadku nowych budynków lub późniejszej instalacji inteligentnego domu w starym budynku właściciele mogą zastanowić się, czy chcą wdrożyć sterowanie inteligentnym domem za pomocą instalacji kablowej zamiast radia. Kabel zasilający może być używany jako element łączący (system Powerline) lub jako oddzielny system magistrali, który działa jako druga linia obok linii energetycznej (system KNX). Magistrala KNX umożliwia integrację inteligentnych urządzeń domowych różnych producentów i może być łączona z Powerline i Ethernet.
W przypadku systemu KNX dostępne jest teraz również rozwiązanie hybrydowe składające się z urządzeń przewodowych i radiowych, którymi można sterować za pomocą tego samego interfejsu użytkownika. Jest to przydatne np. Do rozbudowy przewodowego inteligentnego domu o dodatkowe funkcje. Odpowiedni standard radiowy nosi nazwę KNX-RF. W tej technologii można również zrealizować czysty bezprzewodowy inteligentny dom, co jest również możliwe w przypadku standardów bezprzewodowych z powyższego porównania. Ponieważ jednak połączenie i programowanie są stosunkowo złożone, KNX-RF jest skierowany bardziej do specjalistów i właścicieli KNX, którzy chcą połączyć KNX i KNX-RF.