В настоящее время всё большее количество абонентов проявляет желание подключить новую телекоммуникационную услугу от известных операторов — «Умный дом». Данное желание у абонентов появилось давно с выходом фантастических фильмов середины 90-х годов XX века, где уже в то время рекламировалась данная телекоммуникационная услуга, но на тот момент не реализуемая. На сегодняшний день с помощью соответствующих приложений через смартфон или планшет любой абонент может спокойно запустить пылесос, посудомоечную машину или включить смарт-телевизор.

«Умный дом» — это система, которая объединяет различные активные устройства и сервисы (освещение, отопление, водоотведение, видеонаблюдение, голосовые помощники и т. д.) в единую экосистему. Чтобы все эти устройства могли взаимодействовать друг с другом и с пользователем в режиме реального времени, необходимо качественное и стабильное интернет-соединение.

Согласно различным аналитическим отчётам, количество умных устройств в многоквартирных жилых домах (квартирах абонентов) и частных домовладениях стремительно растёт, а вместе с этим повышаются требования к пропускной способности канала связи между абонентским маршрутизатором и коммутатором доступа, расположенным в подъезде многоквартирного жилого дома или в оптическом телекоммуникационном шкафу (ОРШ), установленном в квартале, где располагается частное домовладение.

Так же необходимо учитывать, что когда пользователь дома начинает пользоваться различными активными устройствами (телефоном, компьютером, планшетом, телевизором) то пропускная способность канала связи в 100 Мбит/с может быть полностью занята, что может привести к «зависанию» и проблемам при просмотре телевизионных программ и фильмов онлайн. Так же необходимо учитывать служебный трафик, которым обмениваются все приложения со своими серверами. Каждое устройство в телекоммуникационной услуге «Умный дом» требует свою часть пропускной способности в общем канале связи. Чем больше таких устройств, тем выше нагрузка на сеть. Для комфортного использования системы нужна скорость не менее 100 Мбит/с.

Если в доме несколько активных пользователей, которые активно просматривают видеоконтент, играют онлайн и одновременно пользуются «умными» устройствами (электрический чайник, микроволновая печь), лучше ориентироваться на 500 Мбит/с или перейти на более современную технологию GPON с пропускной способностью в 1 Гбит/с.

Не всегда есть возможность у провайдера перевести пользователя на новую оптическую технологию. Это касается как квартиры в многоэтажном жилом доме, так и в частном домовладении.

Для частного домовладения перспектива перехода, на более скоростное оптическое подключение выглядит намного привлекательнее и реализация возможна в кратчайшие сроки, остаётся лишь только одно — стоимость данных работ, за которые готов пользователь заплатить.

В статье будут рассмотрены два решения по подключению телекоммуникационной услуги «Умный дом»: по слаботочной системе по протоколу X.10 и беспроводное соединение через Wi-Fi радиоканал, положительные и отрицательные стороны каждого решения.

Первичное устройство «Умного дома» включало в себя базовые устройства: освещение (умная лампочка), водоотведение, пылесос и смарт телевизор.

Для данных четырёх устройств вполне хватит полосы пропускания, которую предлагает оператор связи до 100 Мбит/с, они могут выполнять свои функции даже при наличии других телекоммуникационных услуг. Данные тарифы распространены для оптической технологии FTTB — это для домохозяйств, которые расположены в многоквартирном жилом доме.

На рисунке 1 представлен план размещения активных устройств, образующих телекоммуникационную систему «Умный дом».

Рис. 1. Телекоммуникационная услуга «Умный дом» в квартире многоквартирного жилого дома

На рисунке 2 представлена система, образующая телекоммуникационную услугу «Умный дом» для частного домовладения.

Рис. 2. Система, образующая телекоммуникационную услугу «Умный дом» для частного домовладения

Основным элементом данной системы является контроллер, который управляет всеми активными устройствами.

Контроллер связывает все устройства системы в единую сеть. С его помощью они управляются и настраиваются. Сам контроллер подключается посредством проводного кабеля (витая пара UTP) к интернету и далее через Wi-Fi маршрутизатор радиосигнал распространяется по квартире или частному домовладению. На случай отключения электричества он оснащён резервной батареей питания.

Основной принцип работы всей системы интеллектуального дома базируется на автоматизации и контроле всех процессов, происходящих в нём. Первоначально всё управление настраивается на самостоятельные включение и отключение тех или иных механизмов, упрощающих жизнь человека в доме. Контроллер умного дома может выполнять и контролировать задачи, которые заложены у него в программе или же ранее были выставлены пользователем. При этом обязательна обратная связь между человеком управляющим домом и контроллером. Все системы, завязанные на работе с контроллером, имеют один или группу датчиков. Пользователю остаётся выбрать только режим их срабатывания, или же попросту отключить их автоматическую работу, так как часть их может быть неинтересна обычному обывателю, не вникающему в подробности работы системы. Поэтому во время настройки и установки всей системы умного дома пользователь должен решить, насколько дом будет автоматизирован. Так как, например, не всем нужно знать давление воды в магистрали, или же напряжение в электросети.

Контроллер посредством интернета получает команды от человека чрез смартфон или планшет, и в режиме онлайн сообщает ему о состоянии системы и событиях в квартире (частном домовладении). Для полноценной работы телекоммуникационной услуги «Умного дома» требуется подключение к интернету. Внешний вид контроллера на базе протокола Z-Wave, показан на рисунке 3.

Рис. 3. Внешний вид контролера управляющего телекоммуникационной услугой «Умный дом»

Схема подключения контроллера к сети интернет посредством проводного кабеля витая пара UTP, рисунок 4.

Рис. 4. Схема подключения контроллера витой парой UTP

При этом не обязательно быть абонентом, например, Ростелекома — система работает в сетях любых провайдеров.

Примерная схема подключения контроллера для различных датчиков, работающих по Wi-Fi показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема подключения контроллера для различных датчиков, работающих по Wi-Fi

Схемы подключения на примере охранных видеокамер и датчиков движения как в квартире многоквартирного жилого дома или частного домовладения, так и в частном доме по электрической проводке показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Схема подключения видеонаблюдения в квартире многоквартирного жилого дома или частного домовладения

Далее будут рассмотрены два решения по электрической проводке и по радиоканалам Wi-Fi.

Протокол X.10 использует слаботочную систему (электрическую проводку, проложенную по всей квартире (частному домовладению).

В статье [2] подробно рассмотрена работа протокола X.10. Технология X.10 основана на передаче электрических сигналов по электропроводке квартиры или частного дома. Для передачи электрических сигналов используются «пакеты» колебаний на частоте 120 кГц длительностью 1 мс, передаваемые по электропроводам [1]. Передача электрического сигнала в X.10 синхронизирована с нулевым напряжением в цепи переменного тока (рисунок 7).

Рис. 7. «Пакеты» колебаний на частоте 120 кГц

Когда напряжение достигает нулевого значения, приёмник сигнала X.10 (например, встроенный в патрон лампочки) «слушает» сеть в течение 6 мс. Если в это время передатчик сигнала X.10 посылает «пакет», приёмник воспринимает его как двоичную единицу. Отсутствие «пакета» воспринимается как двоичный ноль. Каждое устройство, управляемое посредством X.10, имеет свой адрес, состоящий из двух символов. Первый — код дома, второй — код устройства. Каждый из них может иметь 16 значений, а общее число различных адресов достигает 256. Код дома обозначают латинской буквой (от A до P), а код устройства — числом от 1 до 16. По электропроводке каждый код дома и устройства передаётся своей последовательностью нулей и единиц — двоичным кодом (см. таблицу 1).

Каждая команда X.10 также имеет свой двоичный код. Последний бит в двоичных кодах устройства и команды служит для различия типа кодов: 0 соответствует коду устройства, 1 — коду команды. Для того чтобы приёмник знал, когда начинается передача полезного сигнала, передатчик сначала посылает так называемый стартовый код — ему соответствует последовательность 1110. За ним следует код дома, а потом — код устройства или команда. Последовательность стартового кода, кода дома и кода устройства или команды называется кадром (или фреймом) X.10. Каждый кадр передаётся два раза подряд — для большей надежности (рисунок 8а).

Каждый информационный бит кадра, за исключением битов стартового кода, сопровождается комплементарным (дополняющим) битом — после 1 идёт комплементарный 0, после 0 — единица (рисунок 8б). Таким образом, для передачи одного кадра необходимо 11 циклов переменного напряжения. Для передачи команды X.10 нужно сначала отправить кадр с кодом устройства, которому предназначена команда, а за ним — кадр с самой командой [2].

Исключение составляют групповые команды, например, «All Units Off» — они отправляются всем устройствам, поэтому код устройства перед ними передавать не нужно.

При передаче последовательности адресов и/или команд между каждой парой кадров должен быть промежуток в три цикла переменного напряжения — то есть последовательность 000000. Например, адрес устройства и команда для него передаются двумя парами кадров с указанным промежутком (рисунок 2в). Для передачи такой последовательности необходимо 22+3+22=47 циклов напряжения. При частоте 50 Гц такая операция занимает примерно одну секунду. Отметим, что команды «Bright» («Ярче») и «Dim» («Темнее») следуют друг за другом без промежутка между кодами.

Мы рассмотрели передачу сигналов на примере однофазной сети. В трехфазных сетях передача сигнала происходит аналогично, но «приурочена» к нулю каждой фазы.

Рис. 8. Структура кадров X.10: a — последовательность кодов, б — информационные и комплементарные биты, в — передача последовательности адреса и команды

Таблица 1

Двоичные коды дома, устройства и основных команд X.10

Второй вариант построения сети для телекоммуникационной услуги «Умный дом» — использование протокола Wi-Fi.

Изначально сети Wi-Fi использовали частотный диапазон 2,4 ГГц. Когда его перестало хватать, открыли еще один: 5 ГГц. Со временем появились двухдиапазонные роутеры, которые умели разворачивать одновременно две сети в разных диапазонах. И каждая имела свои преимущества: например, 2,4 ГГц лучше «пробивала» стены, но была более загруженной, а 5 ГГц могла предложить более высокую скорость, но преграды на пути вызывали интенсивное затухание сигнала.

Подавляющее большинство умных устройств пока что работают исключительно в диапазоне 2.4 ГГц, а современные роутеры и гаджеты, такие как телефоны, ноутбуки, телевизоры и станции Яндекс уже поддерживают частоту 5ГГц.

Два типа использования Wi-Fi: в Wi-Fi 5 вам нужно было выбрать, к какой из частот подключать устройство, в Wi-Fi 6 разработчики решили дать возможность выбора самим устройствам.

В существующих протоколах (например, Wi-Fi 5) роутер и устройства постоянно находятся на связи. При этом они «забивают канал» и тратят энергию на передачу. Если для роутера, подключенного к сети, вопросы экономии энергии не так актуален, то для устройства IoT, многие из которых работают на аккумуляторах или батарейках, — очень даже.

Рис. 9. Разница передачи пакетов в сетях Wi-Fi 5 и Wi-Fi 6

Рис. 10. Расход аккумулятора в сетях Wi-Fi 4/5 и Wi-Fi 6

Рассмотрим на примере квартиры в несколько этажей и частного дома технологию Wi-Fi.

Один маршрутизатор Wi-Fi не сможет обслуживать такую площадь — особенно если на пути есть преграды в виде перекрытий и стен. Решение может быть в виде усилителей сигналов. Они могут помочь, но упадёт скорость передачи данных в два раза от начальной скорости.

При этом для Wi-Fi 5 есть ряд условий: технология будет работать только в диапазоне 5 ГГц, а устройства должны быть разнесены в пространстве (то есть не находиться рядом). Таким образом удаётся транслировать четыре разных потока одновременно.

В Wi-Fi 6 теперь задействованы два диапазона: 2,4 и 5 ГГц. А максимальное количество независимых каналов возросло до 8. Ещё один способ работать быстро и со всеми сразу.

Роутер раздаёт интернет внутри дома и захватывает большую часть участка. Но есть места, где приём не слишком уверенный. Поэтому была построена Mesh-система, роутер + два репитера. Используется для этой сети, естественно, диапазон 2,4 ГГц. Она обеспечивает на всём участке беспроводной доступ в Интернет на скорости от 20 до 40 Мбит/сек, что для серфинга, просмотра YouTube и прочих «бытовых» и рабочих нужд вполне достаточно. Хватит этого и для устройств умного дома. Mesh-системы позволяют организовать децентрализованную сеть с бесшовным переходом из одной зоны в другую. Скажем, в том же большом офисе мы вешаем два роутера HUAWEI Wi-Fi AX2 с поддержкой технологии Mesh, один из которых подключен к кабелю провайдера. Теперь можно ходить по офису из конца в конец и смотреть, например, видео на планшете. Гаджет будет самостоятельно переключаться между роутерами, но никаких фризов и разрывов не возникнет, потому что физически это одна сеть. Один роутер обеспечивает покрытие до 90 м ² , а при подключении второго зона обслуживания увеличивается до 160 м ² .

Сегодня роутер с Wi-Fi 6 можно купить практически по той же цене, что и хороший аналог с Wi-Fi 5. Например, современный HUAWEI Wi-Fi AX2 с поддержкой двух диапазонов (2,4 и 5 ГГц) и теоретической скоростью передачи данных до 1500 Мбит/с стоит всего 3690 руб.

При использовании сети Wi-Fi в квартире или частном доме образуется радиоканал между абонентским маршрутизатором и умным устройством.

Wi-Fi очень универсальный и широко поддерживаемый, что делает его подходящим для широкого спектра устройств умного дома. Он обеспечивает обширное покрытие, позволяя устройствам подключаться из разных точек в доме. Wi-Fi обеспечивает достаточную пропускную способность для устройств, работающих с данными (например, потоковое видео).

Информация, предающаяся по Wi-Fi, может быть подвержена помехам. Препятствия, такие как стены или мебель, влияют на силу сигнала и покрытие. Кроме того, Wi-Fi потребляет больше энергии по сравнению с устройствами на других протоколах, что делает его менее подходящим для устройств умного дома, работающих от аккумуляторов.

Wi-Fi работает на протоколах шифрования WPA3, WPA2 и WPA для защиты передаваемых данных по сети. Безопасность Wi-Fi сети также зависит от таких факторов, как надёжные пароли и регулярные обновления прошивки, которые исправляют уязвимости.

В таблице 1 приведены основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g.

Таблица 2

Основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g

Беспроводные сети стандарта IEEE 802.11, как известно, используют типологию «звезды» — все устройства в них используют единую точку входа.

Есть у Wi-Fi ещё один недостаток. Как известно, в IEEE 802.11 определяются только два уровня стека сетевых протоколов OSI, — канальный и физический. Их более чем достаточно для того, чтобы в этих сетях работали такие устройства, как ноутбуки, смартфоны и даже телевизоры. Но для датчиков, тем более, которые находятся в иерархической связи, часто требуется и прикладной уровень (Application Layer). А он в IEEE 802.11 стандартизирован слабо, что может стать серьезной проблемой и ограничением для устройств разных производителей.

Зато центр «звездочки» избавляет от необходимости приобретения дополнительного устройства — хаба. Кстати, хаб точно так же, как и беспроводной маршрутизатор, может стать «слабым звеном» в системе умного дома. А что касается проблем, связанных с совместимостью, то решить их можно, если ориентироваться не на производителей и не на используемые протоколы, а на поддерживаемые устройствами экосистемы.

Умные устройства (не считая станций Яндекс, которые подключены к сети 5 ГГц) требует минимум ресурсов и не входят в ТОП потребителей трафика, рисунок 11.

Рис. 11. Топ-5 потребителей трафика

Станция Яндекс 2 в моменте может достигать 50 Кб. Среднее потребление Яндекс Макс 10 Кб. Посмотрим на трафик умной розетки и лампочки.

На графике представлено потребление трафика умной розеткой в режиме ожидания, рисунок 12.

Рис. 12. Потребление трафика умной розеткой в режиме ожидания

На следующем графике представлено потребление трафика умной лампочки в режиме ожидания (рисунок 13).

Рис. 13. Потребление трафика умной лампочки в режиме ожидания

Как видно из графиков, потребление умных устройств не превышает 300 Байт, что более чем в 33 раза меньше потребления станции Макс. В режиме передачи команды, трафик розетки и лампочки поднимается до 750 Байт.

Система подключается к Интернету с помощью протокола Wi-Fi, а пользователь «общается» с ней через специальное приложение на своём мобильном телефоне, который также должен иметь доступ к Интернету.

При передаче и приёме кадров Wi-Fi при получении со смартфона через облачный сервер маршрутизатор сравнивает в таблице маршрутизации и DNS таблице, где прописаны названия умных устройств и их MAC-адреса, IP-адрес для всех устройств одинаков, различия только в поле сокет IP –адреса. В заголовках протоколов TCP и UDP порты хранятся в виде полей размером 16 бит и разделены на три диапазона: общеизвестные (0–1023), пользовательские (1024–49151) и частные (49152–65535).

Сетевой порт — 16-битное число . Определяет назначение пакетов данных в пределах одного хоста. Так как у пользователей IP-адресация является «серой», а белых номеров мало то применяется на конце IP-адреса сокет. Такая технология называется NAT/PAT, она часто реализуется в кластерах микрорайонов и частном секторе.

Формат пакета МАС команды показан на рисунке 14:

Рис. 14. Формат пакета МАС

Используется для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств, что позволяет координатору сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети, формат сигнального пакета, показан на рисунке 15:

Рис. 15. Формат сигнального пакета

Конечные устройства «просыпаются» только в периоды приема пакетов синхронизации, считывают адреса в пакете синхронизации и переходят в спящее состояние, если адрес устройства не обнаружен

Сигнальные пакеты необходимы для сетей типа «многоячейковая» и «кластерное дерево», обеспечивая синхронизацию всех сетевых устройств без необходимости каждым из них тратить энергию своих автономных источников питания, «слушая» эфир в ожидании получения пакета [3].

Представленные решения в статье помогут пользователю определить какое для него решение более приемлемо по затратам реализации в его домовладении.

Литература:

1. М. Э. Сопер. Практические советы и решения по созданию «Умного дома» / Сопер М. Э. — М.: НТ Пресс, 2007. — 432 с.
2. В. Н. Гололобов. «Умный дом» своими руками. / Гололобов В. Н. — М.: НТ Пресс, 2007. — 416 с.
3. Кранц Интернет вещей. Новая технологическая революция / Кранц, М. — 1-е изд. — 2018: Бомбора. — 336 с.
4. Ли, Перри Архитектура интернета вещей / Перри Ли — 2018, ДМК Пресс. — 456 с.
5. В. Н. Гололобов. «Умный дом» своими руками. / Гололобов В. Н. — М.: НТ Пресс, 2007. — 416 с.
6. Авдеев А. С. Разработка систем автоматизации жилых и офисных помещений «Умный Дом» // Сборник научных трудов студентов «Катановские чтения» — 2014». — 2014. — С. 142–143.
7. Интернет вещей: учебное пособие [текст] / А. В. Росляков, С. В. Ваняшин, А. Ю. Гребешков. — Самара: ПГУТИ, 2015. — 200 с.
8. Роберт К. Элсенпитер, Тоби Дж. Велт, Умный дом строим сами / Пер. с англ. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. — 384 с.
9. Иванов Д. А. Формулирование требований и создание устройства для сбора данных из открытых пакетов Wi-Fi сети / Д. А. Иванов, А. Л. Иванов, Т. Г. Суровцова // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. –№ 9. — С. 32–33.
10. Вишняков, В. А. Модель множественного доступа к сети / В. А. Вишняков, К. А. Радкевич // Проблемы инфокоммуникаций. — 2021 — № 1 — С. 22–27.