Умный дом на Z-Wave
без проводов и ремонта
info@moy-domovoy.ru
Золоторожский вал,
д. 34, стр. 6

В наши дни редко кто может долго обходиться без цифровых устройств. Сегодня даже наши дома становятся цифровыми, позволяя нам контролировать жилище, где бы мы ни находились: в автомобиле, офисе или в другой стране.

Поскольку дома становятся умнее, нам нужен универсальный способ, с помощью которого все домашние устройства будут «общаться» между собой и с нами. Сейчас такого «универсального языка», к сожалению, нет. Вместо этого мы видим несколько конкурирующих и практически несовместимых между собой беспроводных стандартов умного дома. Каждый из них борется за звание главной технологии управления жилищем. К таким стандартам относятся не только хорошо знакомые всем Wi-Fi и Bluetooth, но и специализированные протоколы — Z-Wave, ZigBee и Thread. Все они имеют преимущества и недостатки, не очевидные с первого взгляда. Но выбор стандарта, вокруг которого будет построена вся домашняя автоматизация, нужно делать еще до того, как в вашем доме появится первое устройство умного дома.

В чем различия между Z-Wave, Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth BLE и Thread? Каковы плюсы и минусы беспроводных стандартов домашней автоматизации?  По каким критериям выбрать протокол управления умным домом? В рамках этой серии статей мы разберем каждый беспроводный протокол связи, претендующий на главную роль в умном доме. Это поможет вам сделать ставку на технологию, которая оправдает ваши ожидания.


Содержание

Часть 1. Общие требования к беспроводным технологиям домашней автоматизации                       

Часть 2. Почему не Wi-Fi?

Часть 3. Z-Wave: высокая взаимосовместимость устройств умного дома и надежность сети автоматизации 

Часть 4. ZigBee: кот в мешке в плане совместимости устройств

Часть 5. THREAD —темная лошадка с завышенными ожиданиями на рынке умных домов

Часть 6. Bluetooth для умного дома: новая жизнь старой технологии

Выводы


Часть 1. Общие требования к беспроводным технологиям домашней автоматизации

Прежде всего давайте разберемся, что такое протоколы связи и какова их роль в том, чтобы наши дома и офисы становились умными. Протокол — это набор правил, которые позволяют двум или более устройствам в сети установить надежную связь и успешно обмениваться данными друг с другом. Для того чтобы “Интернет вещей” и умный дом как одно из его проявлений стал реальностью, огромная часть коммуникаций должна быть беспроводной. Какие требования предъявляются к технологиям и устройствам беспроводной автоматизации?

1. Энергопотребление

Энергопотребление важный параметр протоколов Z-Wave, Zigbee, Thread, Bluetooth BLE

За последние годы появился широкий спектр технологий для организации беспроводной связи между устройствами. В подавляющем большинстве случаев они подчиняются крайне жестким требованиям к энергопотреблению и пропускной способности. Два эти фактора значительно увеличивают время работы от батареи и позволяют использовать большее количество устройств в ограниченном пространстве умного дома или офиса. Доступный для домашней автоматизации радиочастотный спектр ограничен. Поэтому для одновременной работы множества устройств крайне важно оптимизировать его использование каждым таким  устройством.

Таким образом, идеальный гаджет для умного дома должен использовать беспроводный приемник и передатчик, которые потребляют минимальное количество энергии, чтобы устройство могло работать в течение многих месяцев или даже лет без необходимости замены батареи. Сам элемент питания также должен быть миниатюрным, так как его размер зачастую оказывает прямое влияние на итоговый размер самого продукта. А значит, требования к стандарту беспроводного протокола связи по потребляемой мощности устройствами вашего будущего умного дома должны быть очень жесткими.

2. Радиус действия и безопасность

Радиус действия протоколов Z-Wave, Zigbee, Bluetooth, Thread

Сигнал от любого вашего гаджета должен стабильно и с минимальной задержкой достигать любого другого умного устройства, установленного в самом отдаленном участке жилища. Лампочки, которые включаются с задержкой несколько секунд, или умный замок, не сразу пускающий вас внутрь — это не то, с чем у нас ассоциируется современный умный дом. Не говоря уже о датчиках задымленности, протечки газа или вибрации, которые должны срабатывать четко и быстро. Поэтому сигналы от любого вашего устройства должны преодолевать любые преграды, в том числе распространяться через стены и полы дома. Все умные гаджеты, независимо от их количества, должны работать как единый слаженный механизм. И, конечно же, помехи от других беспроводных сетей или других устройств, работающих на той же частоте, должна быть устранены или хотя бы сведены к минимуму.

Любые сообщения вашего устройства должны быть защищены шифрованием, а добавление нового устройства в сеть должно происходить легко, быстро и в то же время безопасно. Но процедуры безопасности не должны усложнять подключение.

3. Возможность работы по расписанию и без него

Программный функционал, реализованный и доступный для некоторых популярных беспроводных технологий домашней автоматизации, позволяет задать расписание для таких событий, как, например, открытие жалюзи, включение света или отопления. Но многие события, происходящие в нашем умном доме, нельзя спланировать заранее. Протечка воды, утечка газа, появление дыма или взлом невозможно предсказать. А датчики температуры, выключатели, диммеры, шаттеры и т. д. не всегда можно запрограммировать на выполнение автоматических сценариев. Поэтому также важно, чтобы каждое IoT-устройство в умном доме могло отправить или получить команду на выполнение тех или иных действий не по сценарию, а в зависимости от ситуации.

4. Отказоустойчивость

Ячеистая (mesh) топология сетей умного дома Z-Wave, Zigbee, Thread, Bluetooth

Топология беспроводной сети, которую поддерживает тот или иной протокол умного дома, имеет решающее значение для такого важного фактора, как отказоустойчивость. Кроме того, она оказывает прямое влияние на уже упомянутые нами энергосбережение и радиус действия устройства. Современный взгляд на построение беспроводных сетей домашней автоматизации предполагает децентрализованный подход, который использует ячеистую топологию сети (mesh-сеть). Каждое устройство в такой сети может напрямую связываться с любым другим устройством в радиусе своего действия. Если два устройства находятся слишком далеко друг от друга, то сигналы могут передаваться через промежуточные устройства этой сети, таким образом значительно увеличивается зона действия устройств.

Кроме того, новые гаджеты могут добавляться, а старые удаляться без негативного влияния на надежность сети. Однако для большинства ячеистых сетей также требуется «основное» устройство, которое служит сетевым контроллером для координации совместной работы десятков или даже сотен устройств в одной сети. Если основное устройство выходит из строя, то другое устройство должно уметь автоматически принимать управление сетью на себя. Это свойство mesh-сетей имеет решающее значение для обеспечения постоянной бесперебойной работы всей системы.

5. Взаимная совместимость

Совместимость устройств умного дома Z-Wave, Zigbee, Bluetooth, Thread

И, наконец, на самом базовом уровне идея домашней автоматизации заключается в том, что все наши умные устройства должны объединяться в сеть и беспрепятственно «общаться» друг с другом. Однако реальность еще далека от этой идеальной концепции. Рынок умного дома все еще находится на ранней стадии развития и сильно фрагментирован. Речь пока даже не идет об обеспечении совместимости разных стандартов беспроводных протоколов связи, которая позволяла бы устройствам и системам взаимодействовать друг с другом. Вопрос заключается в совместимости в рамках одного стандарта. Проще говоря, далеко не каждая технология, которую вы выберете в качестве главной для домашней автоматизации, может гарантировать, что разные умные продукты, поддерживающие один и тот же стандарт, будут «понимать» друг друга. Сейчас, например, может оказаться, что когда при задымлении датчик дыма отправил сообщение управляющему устройству, вы можете не получить предупреждение об опасности. Причина в том, что датчик и контроллер, хоть и основаны на одном стандарте, но выпущены разными производителями, могут «не понять» друг друга.

Почему так происходит? Вопрос совместимости — это не проблема исключительно сетевых протоколов, обеспечивающих подключение. Неочевидные с первого взгляда, но от этого не менее серьезные проблемы спрятаны глубже, и заключаются в отсутствии стандартных форматов данных или общих программных интерфейсов. Тем не менее, заставить умные устройства беспрепятственно «общаться» друг с другом, то есть гарантировать совместимость независимо от производителя или даты производства — это элементарная потребность, которую необходимо удовлетворить, чтобы сделать ваш умный дом реальностью.

Модель OSI - единый критерий сравнения протоколов умного дома

Модель OSI для протоколов умного дома

Поскольку большинство конкурирующих беспроводных стандартов умного дома зачастую обладают схожими свойствами, может показаться, что все они выполняют в основном одну и ту же работу. Однако стоит чуть углубиться в тему, и мы сразу обнаружим принципиальные различия между ними. Разные технологии беспроводной связи разрабатывались для выполнения разных задач. Соответственно, и работу свою они выполняют по-разному. Многие аспекты станут очевидными, если взглянуть на эти сетевые технологии сквозь призму эталонной модели OSI.

Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) разработала модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI) еще в 80-х годах прошлого века. OSI — основа для координации разработки стандартов связи и до сих пор остается эталонной моделью для коммуникационных сетей. Структура OSI рассматривает процесс коммуникаций в сети как управляемую иерархию, состоящую из семи уровней. Каждый из них отвечает за определенные функции и решает четко определенные задачи в рамках одного уровня, а также взаимодействия с уровнями, расположенными непосредственно ниже и выше. Семиуровневая эталонная модель OSI выглядит следующим образом:

  • Прикладной уровень (Application).
  • Уровень представления (Presentation).
  • Сеансовый уровень (Session).
  • Транспортный уровень (Transport).
  • Сетевой уровень (Network).
  • Канальный уровень (Data Link).
  • Физический уровень (Physical).

В рамках данной статьи мы не будем заострять внимания на том, какие сервисы и задачи реализуются на каждом уровне. Тем не менее, при более подробном рассмотрении каждой конкретной беспроводной технологии домашней автоматизации мы будет возвращаться к этой модели, чтобы показать, на каких уровнях и каким образом работает каждый стандарт связи, и что это значит для конечных пользователей. Это связано с тем, что некоторые из стандартов, претендующих на лидерство на рынке умных домов, реализуют лишь малую часть 7-уровневой модели OSI и делегируют полномочия другим технологиям, чтобы они “заботились” об остальных аспектах коммуникаций.

Само по себе это не означает, что какой-то стандарт лучше или хуже остальных. Но каждый из этих уровней важен, так как определяет задачи, которые являются неотъемлемой частью процесса коммуникаций между устройствами умного дома. Они позволяют гаджетам, использующими один и тот же протокол, «общаться» между собой, обеспечивая необходимый функционал для стабильной работы сети, безопасности, быстрого обмена данными и т. д.

Кроме того, самый верхний — прикладной — уровень является ключом к взаимной совместимости устройств. Если прикладной уровень не определен стандартом, устройства разных производителей просто не могут “понять” друг друга. Этот аспект объясняет, почему проблема совместимости существует не только в ситуациях, когда два устройства, использующие разные протоколы, не могут обмениваться данными. Дело в том, что даже если эти устройства используют один и тот же протокол, они все равно не смогут взаимодействовать, если в этом конкретном протоколе не определен самый верхний уровень модели OSI.

В следующих разделах рассмотрим особенности каждого протокола домашней автоматизации по отдельности.

 

Часть 2. Почему не Wi-Fi?

Wi-Fi для построения умного дома

Начнем с самого очевидного, на первый взгляд, решения для домашней автоматизации — с Wi-Fi. Это самая распространенная беспроводная сетевая технология с миллиардами пользователей по всему земному шару. Согласно данным отраслевого консорциума Wi-Fi Alliance, с помощью этого стандарта происходит передача около половины всего мирового Интернет-траффика. Wi-Fi широко используется в частных домах, офисах и общественных местах. Эта технология является наиболее популярной для подключения компьютеров, смартфонов и планшетов ко Всемирной сети. Технически, с помощью Wi-Fi можно осуществить соединение двух устройств “точка-точка”, чтобы они обменивались информацией между собой. Казалось бы, вот она — идеальная технология для объединения в сеть различных IoT-устройств и лучшая основа для умного дома. Но, несмотря на то, что ожесточенная война сетевых стандартов на рынке умных домов идет уже не первый год, Wi-Fi за все это время так и остался в аутсайдерах. Большинство ведущих производителей решений вычеркнули его из топ-списка технологий, претендующих на роль лидера рынка домашней автоматизации.

Что пошло не так? Почему эта мощная беспроводная технология осталась на задворках концепции “интернет вещей”, и, по сути, считается худшим решением для умного дома из всех возможных? Давайте разберемся.

 

Wi-Fi по модели OSI

Технология Wi-Fi основана на семействе стандартов беспроводных сетей IEEE 802.11x. Они определяют только первые два уровня модели OSI — физический и канальный. Сеть Wi-Fi имеет топологию “звезда”, а это означает, что все ее узлы соединяются непосредственно с центральным элементом — беспроводным маршрутизатором. В такой топологии конечные устройства можно добавлять и удалять из сети, не влияя на целостность ее структуры и передачу данных в ней. Но этот подход создает единую точку отказа.

Wi-Fi охватывает не все уровни модели OSI

Протокол Wi-Fi в модели OSI

Что касается сетевого и транспортного уровней, то для них Wi-Fi обычно использует другие стандартные протоколы — UDP или TCP для транспортного уровня, и IPv4 или IPv6 для сетевого уровня. А прикладной уровень, который, как мы уже знаем, отвечает за совместимость устройств, не определен вовсе, и полностью отдан на откуп производителям программных и аппаратных решений.

 

Преимущества Wi-Fi как протокола домашней автоматизации

Wi-Fi — это мощное и надежное беспроводное решение, которое успешно используется для построения локальных сетей уже много лет. 802.11 де-факто стал глобальным стандартом связи, поскольку предлагает множество гибких функций и постоянно совершенствуется Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE).

Разработанный для быстрого обмена значительными объемами данных на небольших расстояниях, Wi-Fi отлично справляется со своей задачей. Основные параметры, такие как диапазон покрытия или скорость передачи данных, различаются между различными вариантами стандарта 802.11. Но в большинстве случаев обычного домашнего беспроводного маршрутизатора достаточно, чтобы обеспечить покрытие сети для небольшой квартиры. В больших зданиях можно увеличить количество точек доступа или ретрансляторов сигнала для увеличения охвата.

Wi-Fi может легко передавать видеопотоки высокой четкости, а теоретический предел его пропускной способности намного выше, чем потребности среднего пользователя. Некоторые более старые версии стандарта 802.11 имеют ограничение 11 Мбит/с или 54 Мбит/с, но широко используемый сейчас 802.11n способен передавать уже десятки и сотни мегабит в секунду, а более новый 802.11ac — еще больше. Эти цифры, безусловно, выглядят отлично на фоне других популярных решений для домашней автоматизации. Значения их пропускной способности выражаются в Кбит/с, а не в Мбит/с.

Кроме того, одно из главных преимуществ Wi-Fi — повсеместная доступность инфраструктуры 802.11. Тот факт, что этот стандарт интегрируется в новые ноутбуки, смартфоны и планшеты, имеет большое значение с точки зрения реализации управляющих приложений умного дома и “интернета вещей”.

 

Недостатки Wi-Fi как протокола умного дома

Перечисленные выше преимущества общеизвестны. Благодаря им Wi-Fi вошел в наш быт и стал повседневной технологией беспроводного доступа в Интернет. Но когда речь заходит о домашней автоматизации, высокая скорость доступа в Интернет и возможность быстро передавать огромные объемы информации — это не те параметры, на которые вы будете обращать хоть какое-либо внимание. Более того, возможности Wi-Fi в этом плане чрезмерны для подавляющего большинства умных программных решений автоматизации дома или офиса. Эти решения работают в среде, где типичные устройства передают простые управляющие команды (такие как “включить/выключить”), сигналы смены состояния или мизерные объемы данных (например, результаты измерений, передаваемые датчиком).

Высокое энергопотребление WI-FI не позволяет создавать автономные устройства умного дома

Wi-Fi имеет слишком низкую энергоэффективность, чтобы использовать его в автономных датчиках умного дома

Сама по себе избыточная пропускная способность — не проблема, но ее поддержка связана со значительным энергопотреблением. Будучи высокоскоростным стандартом беспроводной связи, Wi-Fi чрезмерно энергозатратен для “Интернета вещей”. Очевидно, что энергопотребление не играет большой роли, если какое-либо устройство подключено к постоянному источнику питания — обычной электрической розетке, патрону лампы и т.п. Но оно становится огромной проблемой для тех решений, которые должны работать от автономных источников питания без проводов. Практически невозможно создать устройство Wi-Fi с поддержкой возможности оперативного реагирования  и одновременно — питанием от батареи или аккумулятора, которое может работать достаточно долго. Например, автономный датчик движения, задымления, открытия/закрытия дверей на основе Wi-Fi создавать бессмыссленно: его аккумулятор быстро разрядится. Иными словами, несмотря на широкую распространенность и впечатляющую скорость передачи данных и , Wi-Fi просто не может эффективно поддерживать важнейшую составляющую мира умных домов — автономные беспроводные сенсоры и исполнительные устройства. А без них домашняя автоматизация теряет практический смысл.

Еще одно серьезное ограничение возникает из-за топологии Wi-Fi-сети. Зависимость всего траффика от центрального маршрутизатора имеет серьезный недостаток: как только маршрутизатор выходит из строя, отдельные узлы сети прекращают взаимодействовать друг с другом. А это ведет к сбою всей сети автоматизации. Конечно, можно ожидать, что большую часть времени маршрутизатор Wi-Fi будет работать стабильно. Часто таки и происходит. Но как только  он "зависает" или ломается, сразу же возникнут огромные проблемы: весь умный дом перестанет работать. Не стоит также забывать о том, что при замене вышедшего из строя беспроводного маршрутизатора, скорее всего, потребуется перестройка и конфигурирование сети с нуля.

Wi-Fi можно найти в каждом новом смартфоне или ноутбуке, что в теории делает их кандидатами на роль контроллеров умных домов. Однако в случае Wi-Fi этот потенциал нельзя реализовать полностью. Несмотря на то, что смартфон и устройство умного дома с поддержкой Wi-Fi используют один и тот же “язык общения” , эта связь не является прямой. Она всегда осуществляется через центральную точку доступа к сети. Вот почему устройства Wi-Fi не могут использовать некоторые важные функции, такие как, например, обнаружение устройств, расположенных поблизости.

Учитывая, что практически каждый потребитель имеет смартфон с поддержкой Wi-Fi, можно предположить, что добавление новых умных устройств в Wi-Fi-сеть станет легким делом. К сожалению, это не так. Прежде чем добавить устройство умного дома в Wi-Fi-сеть, нужно сообщить ему пароль сети. Это легко сделать, если вы хотите подключить ноутбук или смартфон. Но задача усложняется, если на вашем устройстве нет ни клавиатуры, ни экрана. Можно ли доверить эту работу смартфону, ведь он также “говорит” на языке Wi-Fi? Почему бы не использовать его, чтобы сообщить устройству пароль? Неплохая идея, но проблема в том, что для этого ваше умное устройство сначала нужно подключить к сети. А это возвращает нас туда, откуда мы начали. Производители используют различные методы, чтобы сделать процесс настройки более управляемым. Но каждый такой способ имеет определенные недостатки и привносит дополнительную сложность для пользователей. В большинстве случаев для добавления умных устройств в сеть Wi-Fi нужно установить специальное мобильное приложение или десктопную утилиту, затем перевести каждое добавляемое устройство в режим сопряжения, ввести через приложение пароль Wi-Fi, а уж затем - добавть устройство в систему домашней автоматизации. Некоторые поставщики зашли так далеко, что добавили в свои умные Wi-Fi-устройства порты microUSB исключительно для целей первоначального подключения и настройки. Хотя это и решает проблему с установкой, едва ли вам понравится использовать USB-порты для добавления в сеть умные датчики дыма или движения, установленные в труднодоступных местах.

Вопрос совместимости — самый важный момент в домашней автоматизации. Что предлагает в этом отношении Wi-Fi? К сожалению, не так много. Стандарт Wi-Fi не определяет прикладной уровень сетевой модели OSI. А это означает, что если производители устройств не договорились о том, что их продукты будут взаимодействовать между собой, то коммуникация класса “машина-машина” между такими устройствами практически невозможна. Часто технологи Wi-Fi ошибочно приписывают полную интероперабельность только потому, что она обеспечивает связь между пользователями. Но такая связь возможна только потому, что в процесс взаимодействия вмешиваются люди. К примеру, настройка Skype-соединения — это то, что можно назвать добавлением условного прикладного уровня к Wi-Fi. Умные устройства не могут справиться с этой задачей самостоятельно именно по той причине, что сам по себе Wi-Fi не обеспечивает никакой совместимости в мире подключенных устройств.

Наконец, существует фактор цены. Модули Wi-Fi всегда были относительно дороги. И хотя в последнее время они подешевели, разница с радиомодулями на основе некоторых других технологий домашней автоматизации  по-прежнему остается 50-100%, причем не в пользу Wi-Fi. При составлении сметы умного дома это будет очень заметно.

 

Перспективы Wi-Fi в качестве технологии умного дома

Следует отметить, что Wi-Fi Alliance знает о недостатках Wi-Fi и прилагает усилия для их устранения. В 2016 году был представлен новый стандарт — IEEE 802.11ah. Он пообещал избавить Wi-Fi от многих ограничений, с которыми сталкиваются технологии 802.11 на рынке умных домов и “интернета вещей”, предъявляющем жесткие требования к ресурсам. Часть аналитиков восприняли 802.11ah с осторожным оптимизмом, но рынок в целом скептически отнесся к перспективам нового стандарта. Так, к примеру, исследовательская компания ABI Research прогнозирует, что к 2020 году будет отгружено только 11 млн чипсетов 802.11ah. Для IoT-рынка это капля в море.

Почему рынок столь пессимистично настроен к перспективам стандарта 802.11ah? Причин несколько. Да, он устраняет часть серьезных недостатков предыдущих стандартов 802.11, увеличив зону действия и добавив более низкое энергопотребление для устройств. Но часть проблем осталась нерешенными — совместимость между отдельными устройствами; роутер, как единая точка отказа всей сети; сложный процесс добавления в сеть умных устройств; а также отсутствие дополнительных функций безопасности, таких как управление ключами. Кроме того, будучи совершенно новым радиостандартом, он несовместим со всеми беспроводными маршрутизаторами, которые уже присутствуют в миллионах домашних хозяйств и офисов по всему миру. Иными словами, одно из самых больших преимуществ Wi-Fi исчезает.

Таким образом, Wi-Fi практически никогда не следует рассматривать как фундамент умного дома. Исключение — те редкие случаи, когда требуется только надежное соединение с облаком, и вы не планируете внедрять умные устройства на основе других стандартов.

Таблица. Преимущества и недостатки Wi-Fi ка протокола домашней автоматизации

Преимущества

Недостатки

Широко распространен в компьютерах и мобильных устройствах

Высокое энергопотребление не позволяет использовать Wi-Fi в автономных датчиках и актуаторах умного дома

Обеспечивает высокую скорость передачи данных

Сетевая топология “звезда” не гарантирует отказоустойчивости сети

Имеет достаточный радиус действия

Совместимость устройств разных производителей под вопросом, поскольку прикладной уровень OSI не стандартизирован

 

Сложный процесс добавления в сеть некоторых устройств

 

Проблемы с безопасностью, такие как механизм управления ключами

 

Часть 3. Z-Wave: высокая взаимосовместимость устройств умного дома и надежность сети автоматизации

Умный дом Z-Wave

Уже более десяти лет Z-Wave — неоспоримый лидер среди технологий домашней автоматизации по количеству инсталлированных устройств (свыше 100 млн по всему миру). Этот протокол беспроводной связи с ультранизким энергопотреблением специально разработан, чтобы дать обычным пользователям возможность эффективного и надежного удаленного управления широким спектром датчиков и исполнительных устройств умного дома.

Z-Wave представлен в 2003 году фирмой Zensys, приобретенной спустя пять лет компанией Sigma Designs. В конце 2017-го технология Z-Wave стала собственностью крупной полупроводниковой компании Silicon Labs. Она лицензирует на взаимную совместимость каждый продукт, использующий Z-Wave, и является основным поставщиком модулей и полупроводниковых компонентов Z-Wave. За многолетнюю историю Z-Wave стал относительно недорогим  и самым простым решением всех наиболее важных потребностей стремительно развивающегося сегмента умного дома. Эта технология превратилась в общепризнанный международный стандарт беспроводной связи для управления и автоматизации жилых помещений.

 

Z-Wave согласно модели OSI

Z-Wave охватывает все уровни сетевой модели OSI, от физического до прикладного. Это гарантирует высокий уровень совместимости оборудования для домашней автоматизации от разных поставщиков. Z-Wave — хорошо отлаженный протокол, ориентированный на обмен короткими командами и сообщениями между устройствами, что сводит к минимуму загруженность радиоканала и снижает вероятность потери данных.

Z-Wave использует концепцию ячеистой топологии сети (mesh-сеть). Протокол разработан таким образом, что узлы сети, выполняющие роль ретрансляторов, имеют возможность перенаправлять через себя сообщение, пока оно не достигнет адресата. Такой подход не только позволяет значительно расширить радиус действия беспроводной сети, но и повышает ее надежность. В случае перемещения/деактивации/выхода из строя любого узла сеть не будет парализована, а продолжит работу в штатном режиме: сообщения начнут автоматически направляться через ретранслирующие узлы сети в обход вышедшего из строя.

Каждая логическая сеть Z-Wave может поддерживать работу до 232 устройств. При необходимости подключения большего количество устройств существует возможность объединения сетей. Несколько сетей Z-Wave могут спокойно сосуществовать на одной и той же территории, не мешая друг другу. Это достигается минимизацией размера передаваемого пакета и обязательным требованием к минимальной нагрузке на радиоканал, которое обязывает устройство находиться в состоянии передачи не более 1 % времени. Однако узлы разных сетей не могут “видеть” друг друга и, соответственно, как-либо связываться друг с другом. Связь между сетями осуществляется через устройства, выполняющих роль сетевых мостов.

Протокол умного дома Z-Wave поддерживает все уровни OSI

Z-Wave охватывает все уровни модели OSI

Устройства в одной сети могут обмениваться информацией между собой, даже когда находятся вне зоны прямой видимости. В этом случае устройство использует промежуточные узлы (другие устройства в той же сети, кроме тех, которые питаются от батареек и большую часть времени функционируют в «спящем» режиме ради экономии заряда батареи), чтобы передать информацию другому устройству, когда оно находится вне радиуса действия первого устройства. Оптимальный и альтернативные доступные маршруты, которыми может осуществляться передача сообщения между двумя устройствами через промежуточные узлы, определены заранее.

У каждой сети Z-Wave есть основной контроллер (с него, собственно, и начинается построение сети), на который возложены обязанности добавления новых устройств в сеть и удаление старых, составления карт маршрутизации, обеспечения безопасного подключения, обеспечения возможности создавать сценарии автоматизации и прочих функций по организации и контролю работы сети. В сети также может располагаться один или несколько вторичных контроллеров, которые для нормальной работы запрашивают информацию о топологии сети у основного контроллера. Обычно основным контроллером является тот, с которого началось построение сети. Но со временем эту функцию можно передать одному из вторичных контроллеров. Часто новые устройства Z-Wave можно добавить в сеть с помощью QR-кода или пин-кода. Эта быстрая и безопасная процедура происходит один раз во время инсталляции нового устройства, после чего устройство считается принадлежащим этой сети.

Отличительной особенностью экосистемы Z-Wave изначально было то, что она целенаправленно развивалась как закрытый проприетарный протокол, защищенный многочисленными патентами управляющей компании (сначала — Zensys, затем — Sigma Designs, теперь — Silicon Labs). Все доступные функции протокола реализованы в программном коде компании-владелицы технологии и поставляются производителям оборудования в скомпилированном виде после подписания лицензионного договора.

С одной стороны, закрытость технологии — это минус, так как без знания проприетарных спецификаций сторонние разработчики не могут по своему усмотрению использовать протокол для разработки программного обеспечения для управления устройствами Z-Wave. Это усложнило проникновение Z-Wave на корпоративный рынок. Однако владельцы умных домов от такой «закрытости» оказались в большом выигрыше. Бренд Z-Wave — единственный на рынке домашней автоматизации, который может гарантировать обратную взаимосовместимость используемых устройств независимо от производителя, цены, функциональных задач, поколений микросхем, конкретного устройства и т. д.

Постепенно, начиная с 2012 года, желая облегчить жизнь разработчиков и расширить границы применения своего протокола, Sigma Designs открыла часть спецификации Z-Wave. Но, чтобы поддерживать обратную совместимость устройств, она продолжила контролировать производителей с помощью жестких требований сертификации.

Нижние уровни (физический и канальный) протокола Z-Wave стали открытыми еще в 2012 году и с тех пор описываются стандартом Международного союза электросвязи ITU-T G.9959. Они отвечают непосредственно за беспроводную передачу данных, детально описывая используемые частоты, способы кодирования и адресации.

В 2016 году Sigma Designs выложила в открытый доступ официальную спецификацию протокола Z-Wave. В частности, были опубликованы классы команд (описывают, как формируется каждая отдельная команда и как интерпретировать пакет данных) и классы устройств (описывают спецификацию существующих устройств, и то, как эти устройства, в зависимости от своего типа, воспринимают разные команды). Было опубликовано описание новейших спецификаций шифрования в Z-Wave, получивших название Security 2 (S2). Кроме того, обнародовано описание Z/IP (Z-Wave over IP) — программной надстройки для передачи пакетов Z-Wave поверх TCP/IP. Это значительно упростило разработку сторонних веб-приложений для Z-Wave.

Все еще остаются закрытыми сетевой и транспортный уровни, которые обеспечивают беспрецедентную для отрасли стабильность работы больших Z-Wave-сетей и отвечают, в том числе, за маршрутизацию сообщений в сети умного дома, их ретрансляцию и подтверждение получения.

 

Преимущества Z-Wave

Разработчики Z-Wave на многие годы опередили свое время, и ячеистая топология долго обладала уникальным функционалом, дающим этому протоколу весомое конкурентное преимущество. Сейчас речи об наличи mesh-топологии только у Z-Wave уже не идет. Но свою актуальность ячеистые сети не утратили, оставаясь по сей день оптимальным решением для домашней автоматизации. В отличие от многих конкурентов, Z-Wave существует уже много лет, и разработчики до совершенства отшлифовали процесс маршрутизации сообщений. Из всех представленных на рынке домашней автоматизации решений, устройства Z-Wave являются, пожалуй, самыми энергоэффективными, надежными, безопасными и экономными с точки зрения времени эфира, занимаемого под обмен данными.

Чтобы нивелировать задержки при передаче и не перегружать сеть, допускается использование до 4 промежуточных узлов для транзитной передачи данных. С учетом того, что радиус действия в зоне прямой видимости современных модулей Z-Wave составляет порядка 40 метров (а новое поколение устройств Z-Wave на чипсетах 700-й серии увеличивает это значение до 100 м), то итоговой дальности передачи сигнала в одной сети Z-Wave вполне достаточно для реализации большинства крупных проектов домашней автоматизации.

Огромным уникальным преимуществом технологии Z-Wave является возможность практически мгновенного самолечения сети, когда какой-то узел перестает отвечать. Она достигается благодаря использованию процедуры Explorer Frame («Исследовательский кадр»), которая запускается автоматически. Для определения всех возможных «рабочих» маршрутов и, соответственно, восстановления работоспособности сети Z-Wave требуется не более секунды. Причем с появлением процедуры Explorer Frame в сети Z-Wave стало возможно полноценно использовать переносные устройства, работоспособность которых в более старых реализациях была сильно ограничена.

Mesh топология сети умного дома Z-Wave

Ячеистая топология сети Z-Wave

Еще одна функция, повышающая отказоустойчивость и быстродействие сети Z-Wave, — ассоциации между устройствами. Благодаря этой функции  одно устройство может отправлять команду находящемуся поблизости другому устройству, минуя центральный контроллер. Например сирена может включиться по датчику движения мгновенно, не дожидаясь, пока ей придет команда от контроллера. Исполнив действие, устройство отправит контроллеру отчет о выполнении. Это не только ускоряет срабатывание исполнительных устройств, но и повышает надежность ответственных узлов сети. Например, связка “датчик-исполнительное устройство” будет работать, даже если контроллер вышел из строя. Да, пользователь перестанет получать от контроллера уведомления о срабатывании устройств. Но благодаря ассоциациям сами эти устройства продолжат работать в связке. Для этого они должны быть расположены поблизости друг от друга, т.е. для прохождения команды не потребуется маршрутизация. Кроме того, они должны подразумевать возможность совместной работы  (например датчик протечки и автоматический шаровый кран).

Еще одно преимущество Z-Wave — безопасность. Здесь она реализована на самом высоком уровне. Технология Z-Wave использует те же технологии шифрования, что и системы онлайн-банкинга. Новый стандарт безопасности, известный как Security 2 (или S2), стал обязательным для сертификации всех умных устройств Z-Wave после 2 апреля 2017 года. Он совершенствует стандарты шифрования для осуществления обмена данными между узлами, а также задает новые процедуры подключения новых устройства к сети умного дома с помощью уникальных для каждого устройства PIN-кодов или QR-кодов. Новый уровень защиты аутентификации гарантирует, что хакерам не удастся взять под контроль устройства во время подключения их к сети. S2 является самой современной системой безопасности, доступной на рынке домашней автоматизации. Огромное внимание, которое разработчики Z-Wave уделили усовершенствованию защиты уже дало свои плоды — Z-Wave за последние пару лет существенно укрепил позиции на рынке умных систем безопасности, став, к примеру, безусловным лидером для такого показательного сегмента, как умные дверные замки.

Z-Wave работает в нелицензируемой части диапазона 800-900 МГц, выделенной для устройств малого радиуса действия. Отличительная черта этих частот - способность уверенно преодолевать различные преграды, в том числе перекрытий и стен. Ведь, как известно, чем больше длина волны, тем лучше она преодолевает препятствия. Во многом в этом причина впечатляющего для рынка домашней автоматизации радиуса действия Z-Wave устройств (при этом они еще и самые энергоэффективные). Для этой части диапазона также характерно малое количество помех, производимых другими устройствами, работающими на этих же частотах. С учетом того, что другие конкурирующие технологии домашней автоматизации вынуждены ютиться в сверхпопулярном диапазоне 2,4 ГГц, который используют огромное количество устройств по всему миру, даже такие далекие от беспроводной связи, как обычные микроволновые печи, практическое отсутствие помех в рабочем диапазоне Z-Wave (и как следствие — малое время задержки), становится очередным конкурентным преимуществом этого протокола домашней автоматизации.

Ассортимент устройств Z-Wave самый большой на рынке умных домов

Более 100 млн инсталлированных устройств умного дома Z-Wave работают в жилищах по всему миру

На сегодняшний день на рынке представлено более 2400 сертифицированных (совместимых друг с другом) наименований устройств от более чем 700 компаний. Более 100 млн умных Z-Wave-устройств уже работают в миллионах домохозяйств по всему миру. Это впечатляющее проникновение на рынок, пожалуй, является очень сильной заявкой в гонке за доминирование на IoT-рынке среди протоколов беспроводной связи. Огромная инсталлированная база устройств Z-Wave создает эффект снежного кома, благодаря чему технология доминирует в сегменте домашней автоматизации. Свои решения с поддержкой Z-Wave предлагают как крупнейшие игроки на рынке умного дома, так небольшие стартапы, реализовавшие одну или несколько идей. Огромный ассортимент устройств Z-Wave выгоден пользователям: с Z-Wave они могут выбирать все, что угодно: функционал, дизайн, цену и даже цвет продукта.

Причем выгоды от этой свободы выбора не ограничены с точки зрения совместимости устройств от разных поставщиков. Огромную роль в вопросе совместимости играет сертификационная программа, созданная отраслевым консорциумом Z-Wave Alliance. Тестирование, проводимое альянсом, гарантирует, что любые сертифицированные устройства, независимо от их производителя, будут прекрасно ладить между собой. Таким образом, гарантированная совместимость является сильнейшим конкурентным преимуществом Z-Wave. И это при том, что протокол также обеспечивает обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является еще одной уникальной особенностью для IoT-рынка.

 

Недостатки Z-Wave

У Z-Wave осталось не так много узких мест, достойных упоминания: за годы существования технологии ее успели отлично отладить. Пожалуй, один из недостатков вытекает из достоинства: это частотный диапазон. Выбор низкочастотного, стабильного и наиболее свободного диапазона для устройств малого радиуса действия, а не более популярного и загруженного (2,4 ГГц) оказался дальновидным и правильным решением, избавившим пользователей умного дома Z-Wave от серьезных проблем с помехами в сильно загруженных «частотах Wi-Fi». Но у всего есть своя цена. Исторически сложилось, что в разных странах для работы устройств малого действия выделены разные частоты. К примеру, для всей Европы (страны CEPT), а также Китая и ряда других стран Азии — это 868,42 МГц. А вот в США и Мексике эти частоты заняты технологией GSM, поэтому решения Z-Wave там работают на частоте 908,42 МГц. Россия, которая подписала соглашение CEPT, но так его и не ратифицировала, пошла своим путем и выбрала для Z-Wave рабочий диапазон 869,0 МГц. Что это значит с точки зрения обычного пользователя? Докупать новый продукт в другой стране и подключать его к своей сети домашней автоматизации нужно с большой осторожностью. Например устройство, созданное для рынка США, будет несовместимо с устройствами “российского” диапазона. Поэтому для использования в России лучше всего покупать устройства Z-Wave в проверенных российских магазинах.

Купить датчики умного дома Z-Wave российской частоты

При покупке устройств Z-Wave нужно обращать внимание на радиочастоту: в России используется 869,0 МГц

Кроме того, как мы уже отмечали ранее, долгое время Z-Wave развивался как закрытая технология. Это позволило разработчикам гарантировать отличную совместимость, безопасность, отказоустойчивость и т. д. Но такая «закрытость» обходится дороже в разработке устройств. Поэтому решения Z-Wave нельзя назвать самым бюджетным вариантом для умного дома. Другое дело, что отношение цена/качество, где технология Z-Wave не оставила конкурентам практически никаких шансов.

Таблица. Преимущества и недостатки протокола Z-Wave

Преимущества Z-Wave

Недостаток

Мировой лидер по распространенности и количеству инсталлированных устройств в системах умного дома

В разных странах для Z-Wave используются разные радиодиапазоны, на что необходимо обращать внимание при покупке в интернет-магазинах

Высокая отказоустойчивость и масштабируемость благодаря ячеистой топологии сети, а также механизмам самовосстановления и ассоциаций

 

Высокий уровень безопасности, реализованный набором протоколов S2

 

Низкое энергопотребление устройств

 

Отличная взаимная совместимость устройств Z-Wave различных производителей благодаря сертификации, выполняемой консорциумом Z-Wave Alliance

 

Защищенность от помех, создаваемых устройствами Wi-Fi, Bluetooth, микроволновыми печами и другим оборудованием, работающим в диапазоне 2,4 ГГц

 

 

Перспективы Z-Wave

Если говорить о перспективах, то будущее Z-Wave выглядит весьма радужным. Протокол стал безусловным лидером рынка домашней автоматизации и стремительно завоевывает сегмент за сегментом. Z-Wave - это надежный состоявшийся бренд, узнаваемый пользователями по всему миру. Протокол переживает свой звездный час и, что не менее важно, продолжает развиваться. Каждое новое поколение технологии повышает дальность и уменьшает задержки при передаче, снижает и так самое низкое в отрасли энергопотребление, привлекает на свою сторону все больше производителей и становится надежной основой для организации умного дома для все большего количества домохозяйств по всему миру.

Особое внимание заслуживает покупка в начале 2018 года бизнеса Z-Wave компанией-производителем полупроводниковых элементов Silicon Labs. Для бренда Z-Wave — это однозначно очень позитивные новости. Во-первых, Silicon Labs — ведущий игрок на IoT-рынке, активно участвующий в разработке и продвижении всех ведущих протоколов для Интернета Вещей и выпускающий чипы для них (ZigBee, Wi-Fi и Bluetooth, Thread, а теперь и Z-Wave). Приобретение Z-Wave открывает уникальную возможность для создания межплатформенных решений, объединяющих сразу несколько протоколов в рамках одного чипсета. Во-вторых, у Silicon Labs много ресурсов и опыта, которые она может и готова потратить на развитие протокола, намного больше, чем их когда-либо было у компании Sigma Designs. И это касается всех сфер: разработки, производства и продвижения. Поэтому данное событие является своеобразным сигналом всему рынку: Z-Wave будет развиваться и станет неотъемлемой частью будущего Интернета Вещей.

В ближайшем будущем нас также ждет широкое коммерческое распространение платформы Z-Wave нового поколения — на основе чипсетов 700-й серии. Решения на ее основе, как и раньше, будут полностью совместимы со всей экосистемой Z-Wave. Радиус действия новых устройств Z-Wave будет увеличен до 100 метров. На данный момент решения Z-Wave являются лидерами рынка домашней автоматизации по такому важнейшему параметру, как энергоэффективность. В новых продуктах Z-Wave энергопотребление (благодаря более оптимизированному алгоритму просыпания и возвращения в спящий режим) будет снижено еще на 80 %, что позволит различным датчикам Z-Wave с батарейным питанием проработать более 10 лет на одной обычной миниатюрной батарейке (т.н. «монетке») без замены. Добавьте к этому лучшую в отрасли защиту S2, отлаженные преднастроенные решения для разработчиков, позволяющие удешевить процесс разработки и ускорить вывод новых продуктов на рынок, а также отлаженную и надежную программу сертификации, и вы получите самое продвинутое решение для домашней автоматизации из всех, существующих сейчас на рынке.

 

Часть 4. ZigBee: кот в мешке в плане совместимости устройств

Умный дом Zigbee

Уже более десяти лет ZigBee является основным конкурентом Z-Wave, ведя упорную борьбу за лидерство на рынке домашней автоматизации. За это время ZigBee, наряду с Z-Wave, стал одним из наиболее широко используемых беспроводных коммуникационных технологий в современных умных домах.

Развитие ZigBee началось в конце 90-х годов прошлого века, но только в 2004 году его первая спецификация была опубликована отраслевым консорциумом ZigBee Alliance. Как и Z-Wave, это стандарт с низкими показателями скорости и малым энергопотреблением, оптимизированный для удаленного мониторинга и управления умным домом. Оба эти стандарта используют mesh-сети и имеют схожие функции. На первый взгляд, с точки зрения возможностей эти стандарты кажутся идентичными, но при более детальном рассмотрении между ZigBee и Z-Wave обнаруживаются кардинальные различия. Как обычно, модель OSI очень хорошо это показывает.

 

ZigBee в рамках модели OSI

Набор протоколов ZigBee определяет только верхние уровни модели OSI — сетевой, транспортный и прикладной. Он построен поверх стандарта IEEE 802.15.4, который определяет нижние уровни беспроводной сети, ориентированной на конечные устройства (а не на пользователей, как, например, Wi-Fi), и характеризуется низким энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Стандарт IEEE 802.15.4 поддерживается несколькими поставщиками чипов и используется не только для ZigBee, но и несколькими десятками других протоколов. В качестве рабочего диапазона этот стандарт определяет нелицензируемые частоты 2,4 ГГц (по всему миру), 915 МГц (для Америки и Австралии) и 868 МГц (для Европы). Максимальная скорость передачи данных составляет 250 Кбит / с в диапазоне 2,4 ГГц, 40 Кбит / с в диапазоне 915 МГц и всего 20 Кбит / с в диапазоне 868 МГц. Поэтому практически все устройства ZigBee работают только на частоте 2,4 ГГц.

Уровни OSI, реализованные в умном доме Zigbee

Поддержка уровней OSI протоколом Zigbee

В отличие от Z-Wave, которая для доставки пакетов к отдельным узлам сети использует схему маршрутизации от источника сообщения, ZigBee использует маршрутизацию от адресата. Таким образом, в реализации mesh-сети ZigBee участвует три класса устройств: координатор (“мозг” сети, который ее формирует и координирует ее работу), маршрутизатор (постоянно активен, поэтому должен быть подключен к системе постоянного питания; ответственный за подключение и обслуживание до 32 конечных устройств, поэтому их местоположение нуждается в оптимизации, а количество должно быть достаточным для обслуживания всех устройств в сети; также является ключевым элементом при трансляции и динамической маршрутизации пакетов в сети) и конечные устройства (большую часть времени находятся в спящем режиме ради экономии заряда батареи, могут принимать и отправлять пакеты, но не участвуют в их ретрансляции). Таким образом, ZigBee предлагает несколько отличный с технической точки зрения подход к организации mesh-сети, но он, как и в случае с Z-Wave, способен обеспечить самовосстановление сети и может быстро перенаправить пакеты данных, чтобы обеспечить их доставку, если какой-либо узел не работает или не отвечает.

 

Преимущества ZigBee

ZigBee — зрелая технология домашней автоматизации. На данный момент Zigbee Alliance насчитывает сотни членов, а на рынке существует тысячи разнообразных решений с заявленной поддержкой Zigbee. Большое рыночное проникновение, безусловно, является сильной стороной технологии, так как у пользователей существует возможность выбора.

ZigBee —открытый стандарт беспроводной связи, что прежде всего выглядит привлекательным с точки зрения разработчиков и производителей. Это позволяет им быть более гибкими в выборе необходимой им функциональности, а также с меньшими затратами выводить на рынок новые продукты. Так, к примеру, благодаря этому ZigBee имел определенный успех на корпоративном рынке. В частности, некоторые кабельные ТВ-сети и телекоммуникационные компании использовали ZigBee в своих сет-топ-боксах и спутниковых трансиверах, а коммунальные предприятия добавляли поддержку этого протокола в интеллектуальные счетчики электроэнергии и воды, чтобы усовершенствовать возможности мониторинга, контроля и управления потребления услуг для своих пользователей.

Топология сети Zigbee

Варианты топологии сети Zigbee

Основной козырь Zigbee — ориентация на бюджетных потребителей. Этому во многому способствует не только открытость стандарта, но мягкий подход Zigbee Alliance к сертификации новых продуктов, позволяющий производителям использовать в своих решениях только ту функциональность, которая им необходима. Таким образом, сеть Zigbee — сравнительно дешевый способ реализации беспроводной домашней автоматизации.

Как мы уже отмечали, энергопотребление можно отнести к сильным сторонам решений с поддержкой Zigbee. Несмотря на то, что достижения Zigbee в этом аспекте не столь впечатляющие, как у основных конкурентов (Z-Wave и даже Bluetooth), отдельные устройства Zigbee способны проработать до 2 лет без необходимости замены элемента питания.  В целом, это неплохой показатель для современного рынка домашней автоматизации.

ZigBee обладает хорошей масштабируемость. Способный поддерживать до 65 000 узлов, этот стандарт теоретически может обеспечить огромный охват, несмотря на относительно небольшой радиус действия отдельных модулей (10-20 м в помещении). Правда, к этим цифрам следует относиться с долей скептицизма. К примеру, сети с четырехзначным числом узлов сталкиваются с серьезными проблемами при поддержании бесперебойной работы даже в лабораторных условиях. Задержки в обмене данными, как правило, происходят даже в случае гораздо меньших развертываний (исчисляемых всего несколькими сотнями устройств). И это неудивительно, учитывая тот факт, что ZigBee работает в сверхзагруженном диапазоне 2,4 МГц, а максимальная скорость передачи данных составляет 250 Кбит / с.

 

Недостатки ZigBee

ZigBee плохо справляется с ситуациями, когда в зоне действия сети существуют сильные помехи, создаваемые другими устройствами. Будучи одноканальным решением, ZigBee далеко не всегда может эффективно бороться с помехами, которые часто встречаются в перегруженной полосе 2,4 ГГц, совместно используемой протоколом с такими вездесущими технологиями, как Wi-Fi или Bluetooth. И в обозримом будущем ситуация станет еще хуже, так как загруженность полосы 2,4 ГГц с каждым годом будет расти. Проблемы для ZigBee усугубляет еще тот факт, что стандарт IEEE 802.15.4, определяющий физический уровень стека протоколов ZigBee, ограничивающий в том числе скорость передачи данных до 250 Кбит/с, находится под контролем IEEE. Он используется не только ZigBee, но и десятками других решений. Поэтому, чтобы, в случае необходимости внести в него какие-либо изменения, отвечающие потребность рынка, ZigBee Alliance придется вступить в длительные переговоры с IEEE. Результаты этих переговоров непредсказуемы, так как IEEE преследует собственные цели. Поэтому такие организации, как Z-Wave Alliance, полностью контролирующие свои протоколы, находятся в гораздо более выгодном положении. Z-Wave Alliance определяет каждый отдельный уровень модели OSI, и поэтому все решения, касающиеся любого аспекта связи, находятся в руках одной организации.

Что касается безопасности, то ZigBee предлагает широкий спектр расширенных мер для обеспечения достаточной защиты данных, которыми обмениваются умные устройства. С 128-битным алгоритмом AES, используемым для шифрования данных и аутентификации, и тремя типами ключей, используемых для управления безопасностью, конечным пользователям на первый взгляд не стоит беспокоиться. Однако, время от времени появляются тревожные новости о проблемах безопасности, обнаруженных в устройствах с поддержкой ZigBee. Например, в середине 2015 года компания Cognosec продемонстрировал на конференции Black Hat USA, как можно использовать некоторые уязвимости в продуктах ZigBee. Они, в основном касались незащищенного формирования парных ключей при подключении нового устройства к сети.

Уязвимости сети умного дома Zigbee

Протокол Zigbee безопасен, но не все производители реализуют его механизмы защиты полностью

В заявлении, опубликованном ZigBee Alliance, организация указала, что способ взлома, описанный в докладе Cognosec, ей известен и применим к любой системе ZigBee, использующей обмен открытыми ключами при подключении к сети. Так в чем же проблема, почему эта уязвимость все еще существует, если она известна в течение длительного времени? Все прозаично просто. Большинство проблем безопасности с сетями ZigBee не имеют никакого отношения к самому протоколу. Несмотря на возможность использования определенных уязвимостей, даже Cognosec признает в своем докладе, что функции, предоставляемые стандартом ZigBee, могут считаться очень продвинутыми и надежными. Проблема в том, что производители не обязаны внедрять их в свои продукты полностью. ZigBee Alliance не требует, чтобы производители устройств придерживались всей спецификации. Вместо этого им предоставляется свобода выбора тех механизмов, которые необходимы для конкретных решений. В результате, желая сэкономить, производители зачастую реализуют только минимальный набор функций безопасности, необходимый для прохождения процедуры сертификации. И такие «обрезанные» реализации обычно приводят к уязвимости всей сети.

В целом, несмотря на вышеописанные недостатки, ZigBee, безусловно, эффективная технология. По идее, она должна прекрасно справляться и с большей частью задач домашней автоматизации, и с ролью основной в умном доме. Все было бы именно так, если бы не одно «но». Слишком часто, устройства ZigBee разных производителей несовместимы друг с другом.

Как это вообще возможно для столь зрелой технологии, с миллионами работающих решений по всему миру, и претендующей на лидерство на IoT-рынке? Всему виной слишком мягкая политика сертификации, призванная заинтересовать как можно больше производителей добавлять поддержку ZigBee в свои устройства. Чтобы упростить для производителей внедрение ZigBee в свои продукты и заложить основу для совместимости между различными решениями от разных вендоров, ZigBee Alliance создал ряд стандартизованных спецификаций (профилей) на прикладном уровне, таких как профиль Home Automation, профиль Remote Control или профиль Light Link. Каждый из них точно паттерны связи между умными устройствами, входящими в ту или иную категорию продуктов.

Программа сертификации ZigBee Alliance проверяет, соответствует ли данный продукт соответствующему профилю, гарантируя, что устройства, имеющие один и тот же профиль, могут общаться друг с другом, даже если изготовлены разными поставщиками. Но также, как и в вопросе использования механизмов безопасности, разработчикам устройств предоставлена большая свобода выбора. Они сами решают, как и что из этих предварительно разработанных профилей будут использовать в своих продуктах. Крупные производители сразу воспользовались этой свободой, создав собственные проприетарные решения. И именно поэтому взаимодействие в экосистеме ZigBee больше напоминает не слаженный механизм, а мир Дикого Запада, с огромным количеством несовместимых между собой вариаций профилей и зашкаливающе большим количеством несовместимых друг с другом ZigBee-продуктов.

Когда речь идет о крупных брендах, доходит до того, что если вы выберете с магазинной полки два случайных устройства ZigBee разных производителей, то, скорее всего, они не смогут “общаться” друг с другом напрямую. Крупные компании чаще всего создают проприетарные ZigBee-решения, способные обмениваться данными только с другими устройствами под одним и тем же брендом. Существуют целые изолированные экосистемы ZigBee разных брендов: Xiaomi, Philips Hue, IKEA. Объединить контроллеры одного бренда с датчиками и исполнительными устройствами другого прямо "из коробки" не получится. Например, чтобы контроллер умного дома Xiaomi мог управлять лампами Philips Hue, вам придется покупать еще дорогостоящий контроллер Philips. Контроллеры будут общаться между собой (но не с конечными устройствами другого бренда) через программные интерфейсы приложений на основе IP. 

Делая ставку на ZigBee как на основу автоматизации вашего умного дома, вам придется самостоятельно проверять на совместимость все выбранные вами решения разных брендов. Потерпевшая провал сертификационная программа консорциума ZigBee Alliance, к сожалению, никаких гарантий совместимости дать не сможет.

Именно в плохом взаимодействии скрыт основной недостаток ZigBee. И он сводит на нет большинство преимуществ этой технологии.

 

Перспективы ZigBee на рынке умных домов

Осознавая, насколько опасна проблема совместимости для всей экосистемы ZigBee, в конце 2015 года Альянс ZigBee объявил о ратификации ZigBee 3.0. Эта версия протокола строится поверх всех существующих унифицированных профилей, таких как Home Automation, Light Link, Building Automation, Retail Services, Health Care, Telecommunication и т. д., объединяя их. Кроме того, в январе 2017 года было объявлено о появлении «универсального языка» Dotdot. Он по своей сути является расширением и ребрендингом библиотеки Zigbee Cluster Library, которая ранее служила основой прикладного уровня ZigBee.

Технология Dotdot — это независимое от транспортного уровня решение. Поэтому потенциально оно может использоваться с различными типами радиотехнологий, а не только с Zigbee. Это свойство дало ZigBee Alliance повод объявить об амбиционных планах в отношении Dotdot и назвать его «универсальным языком для IoT». Однако на данный момент это больше похоже на «универсальный язык для устройств ZigBee». Звучит далеко не столь амбициозно, но само по себе является неплохим достижением, учитывая все проблемы со взаимодействием между устройствами, с которыми ZigBee сталкивался на протяжении всей своей жизни. Тем не менее, ZigBee 3.0 и Dotdot в одночасье решить все проблемы пользователей ZigBee не в состоянии, так как рынок по-прежнему наводнен огромным количеством проприетарных решений на базе ZigBee, несовместимых с новыми технологиями без специального обновления программного обеспечения, которое далеко не каждый производитель готов предоставить для своих решений. Поэтому на данный момент нововведения вносят еще больше путаницы, но в долгосрочной перспективе они должны все-таки улучшить общую совместимость в экосистеме ZigBee.

Ассортимент продуктов Zigbee

Zigbee Alliance предлагает мягкие условия сертификации. Отсюда - проблемы с совместимостью устройств

Отметим также, что решение Zigbee Alliance о запуске Dotdot в качестве отдельного бренда «универсального языка» может иметь и другие интересные последствия. Если он все-таки окажется успешным в качестве единого решения прикладного уровня для разных протоколов Интернета Вещей, то потенциально сможет пережить сам протокол ZigBee. Ведь если мы внимательно посмотрим на пару ZigBee & Dotdot, где первая технология отвечает за решение проблем передачи данных, а вторая — за обработку задач на прикладном уровне, то это, безусловно, большой шаг вперед для ZigBee. Однако, этот дуэт все еще остается решением, основанным на физическом уровне на инфраструктуре 802.15.4, зависимой от одноканальной передачи данных, не очень впечатляющей скорости и помех от потребительской электроники в частотном диапазоне 2,4 ГГц. Более того, конкурентов у ZigBee стало еще больше с недавним дебютом очень похожей технологии беспроводной связи с низким энергопотреблением, которая также основана на стандарте 802.15.4 и имеет заявленную поддержку Dotdot. Но это уже история для следующей главы.

 

Таблица. Преимущества и недостатки ZigBee

Преимущества

Недостатки

Зрелая и распространенная технология

Использует диапазон 2,4 ГГц, где сильны помехи от Wi-Fi, Bluetooth, микроволновых печей и т.п.

Высокая отказоустойчивость и масштабируемость благодаря ячеистой топологии сети

Крайне плохая совместимость между устройствами ZigBee различных производителей из-за слишком мягких условий сертификации, выдвигаемых консорциумом ZigBee Alliance

Низкое энергопотребление

Проблемы с безопасностью из-за несоблюдения производителями требований сертификации

 

 

Часть 5. THREAD —темная лошадка с завышенными ожиданиями на рынке умных домов

Сеть умного дома Thread

Протоколы беспроводной связи, которые мы рассматривали до сих пор, существуют уже довольно давно. Wi-Fi, Z-Wave и ZigBee — каждый из этих стандартов прошел через долгий путь становления, имеет свои преимущества и недостатки, и с разной степенью успеха завоевал свое место на рынке домашней автоматизации. Выбирая одни из них, мы можем более или менее четко понимать, что получим в итоге.

Но на рынке периодически появляются альтернативные решения, которые, как и всякая новинка, привлекают к себе всеобщее внимание, но часто — ненадолго. С одним из таких решений — THREAD — мы решили вас познакомить.

Объединение Thread Group появилось в июле 2014 года с целью создания простой и безопасной сети с малым энергопотреблением для умного дома и подключенных к беспроводной сети устройств. Год спустя члены организации представили технические спецификации и документы, позволяющие создавать продукты на основе Thread. С самого начала протокол позиционировался как решение исключительно для сегмента домашней автоматизации. На первый взгляд, такой подход может показаться менее амбициозным, чем, скажем, у того же ZigBee Alliance. Но изначальное сужение целевого рынка имело смысл, так как должно было позволить Thread Group предоставить стандарт, идеально спроектированный для удовлетворения потребностей конкретной группы заказчиков. Борьба за клиентов также не выглядела такой уж невыполнимой задачей, учитывая, что организация получила поддержку некоторых из наиболее крупных мировых ИТ-компаний, включая группу ведущих производителей микросхем.

Протокол Thread в модели OSI

Thread работает поверх уже упоминаемого нами ранее стандарта радиосвязи IEEE 802.15.4, который в том числе является основой каждой сети ZigBee. Сам же протокол Thread определяет только сетевой и транспортный уровни модели OSI, предназначенные для решения таких проблем, как маршрутизация, развертывание и обеспечение безопасности. Thread не охватывает прикладной уровень. Что это значит с точки зрения практического применения?

Протокол умного дома Thread в модели OSI

Thread не охватывает прикладной уровень модели OSI

Основываясь на физической инфраструктуре 802.15.4, Thread вобрал в себя все ее сильные и слабые стороны, о которых мы упоминали при рассмотрении стандарта ZigBee. Это низкая стоимость связи с ближайшими устройствами, низкий уровень потребляемой энергии, одноканальность решения с максимальной скоростью передачи данных 250 Кбит/с, а также крайняя загруженность рабочего диапазона 2,4 ГГц, особенно в городских условиях.

 

Преимущества протокола умного дома Thread

Справедливости ради следует отметить, что зависимость Thread от стандарта 802.15.4 не такая сильная, как в случае ZigBee. В дополнение к 802.15.4, Thread обеспечивает самовосстанавливающееся, основанное на IP, безопасное mesh-решение, которое позволяет конечным пользователям легко подключать свои устройства к Интернету, чтобы получить доступ к различным облачным сервисам (в случае с ZigBee, например, для доступа в Интернет вам понадобится специальное устройство, которое бы выполняло роль IP-шлюза). Взаимодействие с IP-сетями обеспечивается благодаря поддержке стандарта 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks), технологии взаимодействия по протоколу IPv6 поверх сетей стандарта IEEE 802.15.4. Это является одним из основных преимуществ Thread по сравнению с ZigBee. Благодаря этому Thread также имеет некоторые важные функции, недоступные для ZigBee, в том числе более безопасное добавление нового устройства в сеть. Мы уже подчеркивали, насколько это важно (помните, что некоторые устройства умного дома Wi-F оснащаются портами microUSB исключительно для этапа конфигурирования, а в некоторых реализациях ZigBee обнаруженные бреши безопасности при начальной передаче ключей сопряжения, которые были найдены?).

Thread стандартизирует процесс добавления устройств в сеть, принуждая производителей добавлять к своим продуктам цифровые метки с кодом, которые позднее используются конечными пользователями во время добавления. Это, может быть, не самая удобная процедура, но она делает создание сети более безопасным и управляемым процессом. Согласитесь, в работе с сетями на основе стандарта 802.15.14 это редкость.

 

Недостатки технологии Thread

Появившись на рынке домашней автоматизации намного позже своих основных конкурентов, Thread должен был предложить пользователям действительно нечто уникальное, чтобы отвоевать часть рынка у конкурирующих технологий. Такие протоколы, как ZigBee или Z-Wave развивались более десяти лет и имеют множество приверженцев. В результате на их базе созданы сертифицированные компоненты, обеспечивающие беспроводную связь для миллионов продуктов, которые уже находятся в эксплуатации. Thread Group официально объявила о Thread в июле 2015 года, а программа сертификации анонсирована в ноябре того же года. Вскоре после этого ожидалось появление первой волны Thread-устройств. Однако в 2018 году таких продуктов на рынке появилось не сотни и даже не десятки. А всего-то два. Что еще хуже, они не прошли полноценную сертификацию Thread. совсем недавно Thread Group расширила программу тестирования, включив обозначение Thread Ready для конкретных приложений.  И обе продуктовые новинки заявлены всего лишь как “Thread Ready” (готовые к Thread). 

Thread Ready —  противоречивый шаг, который может оказать очень серьезное негативное влияние на будущее технологии Thread. Хотя концепция Thread Ready упрощает для производителей реализацию определенных функций беспроводных сетей на основе стандарта Thread, она, скорее всего, запутает пользователей. И, более того, может запросто похоронить единый стандарт. Проблема кроется в том, что продукты Thread Ready не должны обязательно включать все основные функции Thread. А значит, нет гарантии того, что она обязательно будут распознаваться будущими устройствами Certified Thread. С подобным сценарием рынок уже знаком. Помните, к чему привели мягкие условия сертификации ZigBee? Похоже, история повторяется. Программа Thread Ready выглядит уже не как шаг вперед, а как отчаянная попытка подогреть интерес к Thread, поскольку рыночное внедрение технологии идет крайне медленно.

Топология сети умного дома Thread

Топология сети умного дома Thread

Зависимость от стандарта радиосвязи IEEE 802.15.4 несет в себе те же проблемы, о которых мы упоминали при обсуждении ZigBee. Когда сеть Thread достигает размеров приблизительно в 200 узлов, она становится перенасыщенной даже в условиях, близких к идеальным (то есть при полном отсутствии в радиусе действия помех от других устройств, работающих в том же диапазоне). Эта «болезнь» ограничения по масштабируемости и рабочим частотам, характерная для большинства представленных на рынке стандартов домашней автоматизации, не может не разочаровывать. Особенно учитывая тот факт, что Thread дебютировал на рынке более чем десятью годами позже, чем его основные конкуренты. Кроме того, мы должны упомянуть, что, как и ZigBee Alliance, отраслевой консорциум Thread Group не имеет прямого контроля над стандартом 802.15.4, который поддерживается и развивается исключительно организацией IEEE.

Шаг за шагом мы добавились к вершине модели OSI — прикладному уровню. Thread оставляет это пространство совершенно пустым. В таком случае остро встает вопрос, как Thread Group планирует решить проблему взаимной совместимости устройств. Как известно, прикладной уровень является ключом к взаимодействию, поэтому без стандартизации на этом уровне отдельные фреймворки приложений, поддерживаемые Thread, просто не смогут общаться между собой. Тот факт, что Thread является стандартом на основе IP, тоже мало помогает. Само по себе подключение к IP-интерфейсу обеспечивает бесперебойную связь только тогда, когда подключение осуществляет человек, способный выбрать подходящие инструменты для конкретных нужд. Устройства не могут этого сделать самостоятельно, и поэтому неспособны коммуницировать друг с другом, если им не даны четкие инструкции о том, как организовать этот процесс. Это как раз то, для чего и требуется прикладной уровень.

Есть еще один важный момент, который нужно упомянуть в отношении самого верхнего уровня модели OSI. Протоколы связи, которые определяют прикладной уровень, также определяют процесс сотрудничества между различными компаниями, использующими конкретную технологию. Это означает, что производитель, например, диммеров освещения Z-Wave не должен заключать какие-либо договоры с производителем ламп со встроенными модулями Z-Wave, чтобы выпустить на рынок контроллер, управляющий такими лампами. Решая использовать Z-Wave, каждый производитель автоматически соглашается стать частью огромной экосистемы, в которой устройства разных поставщиков взаимодействуют без каких-либо юридических и технических ограничений. Thread не определяет прикладной уровень и правила для связи между устройствами, поэтому отсутствует какая-либо нормативная база для обеспечения потенциальной совместимости между продуктами разных поставщиков. Сегодня на рынке нет никакого понимания, как производители определенных типов устройств собираются с этим бороться.

 

Перспективы протокола умного дома Thread

С первых дней существования Thread многие стали воспринимать эту технологию как естественную преемницу ZigBee, так как этот протокол беспроводной связи основывался на хорошо известном стандарте 802.15.4. Но в то же время Thread вносил некоторые необходимые улучшения в таких критически важных областях, как безопасность передачи данных или добавление новых устройств в сеть. Ситуация стала запутанной, когда Thread Group объявила, что устройства на основе стандарта 802.15.4 (по сути устройства ZigBee), уже находящиеся в обращении, смогут использовать Thread через простое обновление прошивки. А это значит, что часть инсталлированной базы устройств ZigBee теоретически может переключиться на Thread. Хотя производители чипов затем уточнили, что с этой задачей справятся только модули последнего поколения 802.15.4, потенциальная способность Thread "воровать" некоторые из уже развернутых инсталляций ZigBee становится довольно ощутимой угрозой для всей экосистемы ZigBee. Ведь с технологической точки зрения ZigBee не имеет никаких преимуществ по сравнению с Thread в плане эффективности беспроводной передачи данных.

Более того, в декабре 2017 года Zigbee Alliance и Thread Group объявила о доступности спецификации Dotdot для IP-сетей Thread. Сможет ли Dotdot стать прикладным уровнем по умолчанию для устройств, работающих в Thread? Вполне возможно. Пара Thread + Dotdot выглядит намного лучше, чем ZigBee + Dotdot. С технической точки зрения ZigBee не имеет никаких преимуществ перед Thread, выигрывая только в присутствии на рынке. С другой стороны, использование Dotdot поверх Thread — это всего лишь совмещение двух разных технологий с разными требованиями. Да, их можно связать вместе. Но всегда есть цена, которую нужно за это заплатить. Прежде всего, такое совмещение усложнит процесс развертывания системы, так как потребует отдельного решения задач для прикладного и транспортного уровней. Кроме того, возможны сложности при конфигурировании и обслуживании такой сети, так как понадобятся отдельные наборы  для настройки основных сетевых функций и для обеспечения взаимодействия устройств на уровне приложений. Тем не менее, возможная пара Dotdot и Thread, вероятно, наиболее эффективное решение, которое в обозримом будущем может появиться для радиоустройств 802.15.4. Но это отнюдь не означает, что Dotdot и Thread будет лучшим вариантом подключения устройств домашней автоматизации с низким энергопотреблением и локомотивом рынка IoT-устройств в целом. Причина тому —  стандарт IEEE 802.15.4 и, соответственно, работа в диапазоне 2,4 ГГц.

Zigbee vs Thread: конкуренты на рынке умного дома

Thread vs Zigbee: конкуренция двух технологий будет расти

Таким образом, сейчас существует два основных вопроса, ответы на которые должны определить дальнейшую судьбу Thread. Как будет развиваться история сосуществования Thread и Zigbee? И сможет ли Thread стать хоть как-то привлекательным рынку умных домов без собственного прикладного уровня?

Еще более интересно будет увидеть, какое будущее ожидает Zigbee. Ведь если просто предположить, что Thread наконец установит присутствие на рынке, то у производителей появится реальная дилемма: им нужны будут очень веские причины, чтобы остаться верными паре Dotdot + ZigBee, а не выбрать пару Dotdot + Thread. Трудно представить, что ZigBee Alliance не знает об этой перспективе. Постоянно развивая сотрудничество с Thread Group, консорциум ZigBee, фактически, роет могилу ZigBee как стандарту. Все очень похоже на то, что ZigBee Alliance пришла к заключению: ZigBee окончательно устарел. Он недостаточно эффективен для удовлетворения огромных ожиданий, сопровождающих революцию Интернета вещей. Thread куда лучше, хотя отнюдь не идеально, подходит для этой задачи. И крупнейшие производители микросхем, скорее всего, это просто поняли и попытались спасти ситуацию.

Такую гипотезу подтверждает и тот факт, что в какой-то момент Thread Group объявила о намерении вывести Thread за рамки только лишь домашней автоматизации. Для этого этот консорциум планирует расширить существующую спецификацию. К числу вопросов, которые нужно решить, относятся варианты ввода в эксплуатацию проектов уровня предприятия и поддержки крупных подсетей. Последнее должно обеспечить некоторую степень масштабируемости. Но будет ли этого достаточно, учитывая, насколько быстро стандарт 802.15.4 устаревает сегодня? Мы не узнаем, пока не будут опубликованы эти расширения. И нет никакой официальной информации о том, когда это может произойти. В любом случае, высокий уровень масштабируемости, скорее всего, станет непосильной задачей для Thread, если в архитектуру 802.15.4 не внести некоторые глубокие изменения. Но о планах IEEE относительно этого стандарта на данный момент ничего не известно.

Подведем итоги. На данный момент Thread — очень незрелая технология с туманным будущим. Первоначальный ажиотаж вокруг Thread после громких заявлений, сделанных в 2014 году, угас. Прошло уже несколько лет с тех пор, как была опубликована спецификация Thread, но на полках по-прежнему нет основанных на этой технологии продуктов. Сколько времени должно еще пройти, пока не появится первое реальное профессиональное развертывание Thread? И как изменится рынок домашней автоматизации за это время? Ответа не знает никто.

Нельзя не отметить усилия, которые Thread Group предприняла, чтобы оживить стандарт 802.15.4 и сделать Thread более привлекательным выбором, чем ZigBee, для производителей и конечных пользователей. Тем не менее, разочаровывают ограничения (прежде всего зашумленность рабочего диапазона), которые распространяются на Thread из-за его зависимости от радиотехнологии 802.15.4. И, конечно же, вызывает серьезную обеспокоенность проблема совместимости: Thread Group не прилагает достаточных усилий для ее решения. Фактически, недавно запущенная программа Thread Ready подразумевает, что обеспечение совместимости не входит в список приоритетных вопросов для Thread Group.

Таблица. Преимущества и недостатки Thread

Преимущества

Недостатки

Отказоустойчивость благодаря ячеистой топологии сети

Потенциальные проблемы с совместимостью устройств разных производителей из-за отсутствия стандартизации на прикладном уровне модели OSI

Поддержка IP-протокола обеспечивает легкость подключения

Крайне медленные темпы внедрения технологии. За три года создано всего два сертифицированных устройства с поддержкой Thread.

Низкое энергопотребление

Плохая помехоустойчивость из-за использования диапазона 2,4 ГГц

 

Неопределенные перспективы развития, поскольку консорциум Thread Group не влияет на разработку стандарта IEEE 802.15.4

 

 

Часть 6. Bluetooth для умного дома: новая жизнь старой технологии

BLE для умного дома

История оригинального стандарта Bluetooth берет начало еще в 1994 году. У этой технологии солидный возраст даже на фоне таких "немолодых" протоколов, как Z-Wave или ZigBee. Изначально Bluetooth использовался для синхронизации данных между мобильными телефонами, но стандарт быстро стал основной технологией обмена данными в персональных вычислительных сетях (смартфоны, ПК, КПК) и для подключения различных периферийных устройств (гарнитуры, беспроводные клавиатуры, мыши, принтеры и т.д.). Правда, известные всем функции Bluetooth никакого отношения к умному дому не имеют. Так почему мы вообще рассматриваем этот протокол в разрезе домашней автоматизации? Ведь Bluetooth появился задолго до того, как словосочетание «Интернет Вещей» вошло в обиход?

Первый шаг в сторону Интернета вещей был сделан в 2010 году, с выпуском версии Bluetooth Core 4.0, включающей в себя версию с низким энергопотреблением (Bluetooth Low Energy, BLE), известную также как Bluetooth Smart. Эта новая технология была разработана с ориентацией на новое поколение умных устройств, многие из которых питаются от батареек и, следовательно, требуют более эффективное управление питанием. Но и тогда Bluetooth никто всерьез не воспринимал как альтернативную технологию домашней автоматизации. Более того, прошло уже 8 долгих лет с момента выхода дебютной версии Bluetooth Smart, но на рынке все еще много непонимания о том, на что эта технология способна, и для каких приложений подходит.

Отметим также, что классический Bluetooth по-прежнему остается частью спецификации ядра Bluetooth, но мало используется на рынке IoT. Поэтому в дальнейшем в рамках данной статьи всякий раз, когда мы будем упоминать название Bluetooth, мы будем иметь в виду Bluetooth BLE (Bluetooth Smart).

 

Bluetooth Low Energy в модели OSI

Как и Z-Wave, Bluetooth охватывает все уровни основной модели OSI — от физического уровня до прикладного. Таким образом, Bluetooth Special Interest Group (SIG), орган, который контролирует разработку и лицензирование Bluetooth, имеет такую же редкую привилегию, как и Z-Wave Alliance, — напрямую и самостоятельно вносить любые изменения в стандарт.

Bluetooth Low Energy, как и другие стандарты связи с низким энергопотреблением и низкой пропускной способностью, ориентирован на передачу данных небольшими пакетами и короткое время работы устройства с батарейным питанием в активном режиме. Именно в этом кроется его основное отличие от привычного нам классического Bluetooth, так как устройства Bluetooth Low Energy соединяются друг с другом только при необходимости отправки или получения данных.

Уровни модели OSI для Bluetooth LE

Bluetooth Low Energy охватывает все уровни модели OSI

На прикладном уровне взаимодействие между решениями от разных производителей обеспечивается путем определения профилей (спецификации работы устройств с низким энергопотреблением и конкретных приложений). Данный принцип был позаимствованы из исходной спецификации классического Bluetooth. Таким образом, производители могут внедрять необходимые им профили в свои устройства, обеспечивая его совместимость с другими продуктами Bluetooth Smart, поддерживающими ту же спецификацию. Отметим также, что возможность имплантировать в решения несколько профилей позволяет производителям гибко корректировать функциональность своих продуктов. Однако, решения от разных производителей смогут полноценно общаться только в том случае, когда у них существует хотя бы один общий профиль.

 

Преимущества Bluetooth Low Energy

Для технологии, ориентированной на низкое энергопотребление, Bluetooth Low Energy обладает довольно впечатляющей скоростью передачи данных — до 1 Мбит/с (для новой пятой версии Bluetooth это значение увеличено до 2 Мбит/с). Чем быстрее скорость, тем больше информации можно передать за единицу времени. А это значит, что передатчик Bluetooth быстрее освободит радиоэфир, уменьшая тем самым вероятность возникновения коллизий. Это имеет крайне важное значение при работе в таком сверх загруженном диапазоне частот, как 2,4 ГГц.

Благодаря поддержке спящих узлов (устройства, которые проводят большую часть времени неактивны, периодически “просыпаются” на короткое время только для быстрого выполнения своей задачи, а затем также быстро возвращаются в спящий режим) Bluetooth Smart обеспечивает достойное, хоть и не лучшее в отрасли значение срока службы батареи, позволяя определенным датчикам и переключателям работать более года от крошечных батареек-таблеток. Что касается такого критически важного параметра для рынка домашней автоматизации, как время отклика устройства, то и здесь Bluetooth BLE демонстрирует результаты на уровне лидирующих технологий.

Кроме того, Bluetooth Smart имеет интересную функцию, которой нет у других рассмотренных нами технологий. Это так называемые маячки (beacons). Используя функцию определения близости Bluetooth, маячки могут заставить смартфоны выполнять определенные действия, когда пользователь находится рядом с ними. Маячки позволяют внедрить широкий спектр уникальных приложений: от push-уведомлений на основе определения местоположения до услуг точного позиционирования. Что особенно важно, так это то, что добавление нескольких строк кода в программный стек — это все, что необходимо для оснащения интеллектуального устройства с поддержкой Bluetooth функциональностью маячка.

Маячки позиционирования Bluetooth

Маячки Bluetooth, реализованные в виде отдельных устройств

Функции, основанные на возможности определения близости устройств Bluetooth, возможны только благодаря тому, что умное устройство и смартфон могут напрямую общаться друг с другом. И это самое большое конкурентное преимущество Bluetooth. Из всех технологий беспроводной связи, используемых в IoT, только Bluetooth и Wi-Fi изначально поддерживаются практически всеми смартфонами, планшетами и ноутбуками на рынке. Но, помимо того, что Wi-Fi не подходит для подавляющего большинства приложений Интернета вещей, он к тому же направляет все сообщения через центральную точку доступа. И только Bluetooth обеспечивает прямую связь между телефоном и устройством. С точки зрения пользователя — это существенное преимущество, так как ему нужно только специальное приложение, чтобы его гаджет стал «удаленным дисплеем» для интеллектуальной домашней сети умных устройств. Кроме того, такая топология значительно упрощает добавление новых устройств в существующую сеть. С помощью Bluetooth вся процедура может быть предельно упрощена, интуитивно понятна и безопасна.

 

Недостатки Bluetooth Low Energy

Bluetooth использует тот же диапазон 2,4 ГГц, что и многие другие радиотехнологии, включая не только уже упомянутые нами Wi-Fi, ZigBee и Thread, но и множество других устройств, таких как микроволновые печи, радионяни или беспроводные телефоны. Несмотря на то, что Bluetooth снабжен определенным инструментарием для противодействия помехам (в том числе, например, технологией адаптивной смены частоты, которая обеспечивает способность в ходе передачи данных динамически переключаться между 40 доступными каналами, избегая самых шумных и загруженных), использование полосы частот 2,4 ГГц — это несомненный минус. Ведь, помимо наличия постоянных помех, у диапазона 2,4 ГГц есть еще один большой недостаток — сигнал на этой частоте затухает намного быстрее, чем на частотах менее 1 ГГц, когда радиоволны проникают сквозь стены и другие препятствия, включая в том числе и человеческое тело.

По этой же причине радиус действия технологии Bluetooth Low Energy не является ее сильной стороной. Несмотря на теоретически достижимые «до 100 метров в зоне прямой видимости», для Bluetooth четвертой версии при работе двух устройств в помещении вы реально можете рассчитывать на расстояние до 10 метров. Путаницы добавляет и тот факт, что эта цифра сильно зависит не только от преград и помех, которые будут находиться на пути распространения сигнала, но и настроек производителей, так как с Bluetooth Smart у них есть возможность в определенных пределах корректировать мощность сигнала устройства (в том числе увеличивать его мощность и повышать энергопотребление).

Помехи для Bluetooth Low Energy в диапазоне 2,4 ГГц

Главный недостаток Bluetooth Low Energy - конкуренция за диапазон частот 2,4 ГГц с Wi-Fi, Zigbee,
микроволновками, радионянями и другой потребительской электроникой

Есть причина, по которой Bluetooth Smart, специально разработанный для решения проблем быстро развивающегося рынка IoT, практически никогда не рассматривается как вариант для сложных IoT-реализаций, в том числе и для построения разветвленных сетей домашней автоматизации. Делов в том, что он был спроектирован для поддержания относительно простых сетей с топологией “звезда”. Она плохо подходит для создания динамичной, управляемой датчиками гибкой и надежной среды, которую мы хотели бы видеть в наших умных домах, не говоря уже об офисах или промышленных предприятиях. Mesh-сеть является важной топологией для многочисленных приложений, особенно тех, которые требуют расширенного диапазона или равноправной коммуникации между устройствами. Поэтому неудивительно, что все самые популярные протоколы в категории с низкой пропускной способностью (Z-Wave и  ZigBee) маршрутизируют сообщения через ячеистые сети. Bluetooth же, за редкими исключениями, воплощенными в нескольких проприетарных решених (которые, к тому же, несовместимых между собой), такую возможность не предоставлял.

 

Перспективы Bluetooth Low Energy

В начале 2015 года Bluetooth SIG объявил о создании Mesh Working Group. Его целью было стандартизировать поддержку Mesh-сети и разработать соответствующие профили (спецификации). Это заняло довольно много времени, но в июле 2017 года первые спецификации сетей Bluetooth для ячеистых сетей были окончательно приняты и официально опубликованы. Mesh-сеть Bluetooth сильно отличается от других технологий, которые мы обсуждали до сих пор. Основное отличие заключается в том, как сообщения распространяются через сеть. Как при маршрутизации на основе источника сообщения (Z-Wave), так и при маршрутизации на основе назначения (ZigBee, Thread), каждое сообщение распространяется по определенному пути, передаваясь от одного узла к другому, пока не достигнет пункта назначения. Mesh-сеть Bluetooth использует подход, называемый управляемой лавинной маршрутизацией. Он заключается в том, что каждое устройство ретранслирует полученное им сообщение не по заданному маршруту, а всем узлам, находящимся в зоне действия, а те снова передают его всем узлам, находящимся в их зоне действия.

Этот подход является крайне неоптимальным с точки зрения использования пропускной способности сети, однако не требует построения таблиц маршрутизации и не нуждается в сложных процедурах восстановления работоспособности сети. Таким образом, управляемая лавинная маршрутизация использует меньше памяти и вычислительных мощностей, что благоприятно сказывается на итоговой стоимости готовых решений. Она также теоретически может демонстрировать лучшую устойчивость к помехам в диапазоне 2,4 ГГц, чем другие решения, работающие на той же частоте, но только при условии достаточно плотного расположения сенсоров в сети. Однако из-за такой «прожорливости» Mesh-сети Bluetooth плохо подходят для создания сложных проектов домашней автоматизации, не говоря уже о разнообразных коммерческих внедрениях. Это, похоже, понимают и сами разработчики, так как первая редакция Mesh Model Specification сфокусирована исключительно на умном освещении.

Ожидается, что первая волна устройств с поддержкой Mesh-сети Bluetooth скоро появится на рынке. После реализации первых проектов станет понятнее, насколько подход Bluetooth окажется эффективным для реализации систем умного освещения, и сможет ли эта новая технология обеспечить совместимость между разными поставщиками.

Но пока ясно одно: Bluetooth Low Energy в ближайшие годы пока не способен стать надежной основой для реализации полноценных проектов вашей домашней автоматизации.

Таблица. Преимущества и недостатки Bluetooth Low Energy

Преимущества

Недостатки

Высокая скорость передачи данных в сети

Плохая помехозащищенность в перегруженном диапазоне частот 2,4 ГГц

Умеренное энергопотребление по сравнению с Wi-Fi

Недостаточная надежность: не используется топология ячеистых сетей (возможно, с распространением технологии лавинной маршрутизации этот недостаток будет устранен в новых моделях устройств)

Хорошая совместимость: охвачены все уровни модели OSI

Малый практический радиус действия (максимум до 10 м в помещениях). Топология “звезда” не позволяет расширять сеть с помощью ретрансляторов. Возможно, с распространением технологии лавинной маршрутизации этот недостаток будет устранен в новых моделях устройств

 

Заключение

В последнее время на рынке появилось много мультипротокольных контроллеров, объединяющих сразу несколько беспроводных технологий умного дома. Так производители пытаются примирить конкурирующие протоколы и дать пользователям больше свободы в построении домашних смарт-сетей. Самое популярное сочетание — поддержка одновременно Z-Wave, Zigbee и Bluetooth Smart в одном устройстве. Их, например, можно найти в популярных контроллерах VeraPlus, Vera Secure, ряд контроллеров Zipato, SmartThings и некоторых других производителей.

В целом, универсальный контроллер — неплохое решение проблемы “зоопарка” протоколов умного дома. Но загвоздка в том, что обеспечивая совместную работу разных беспроводных технологий в пределах отдельно взятого умного жилища, такие контроллеры не решают проблему несовместимости между устройствами в рамках одного и того же протокола. Это важно помнить, выбирая “периферию” — датчики и исполнительные устройства, без которых ни один умный дом невозможен в принципе.

Как мы уже выяснили, одна из главных причин плохой внутрипротокольной совместимости — отсутствие стандартизации на прикладном уровне сетевой модели OSI. Причем не заявленной, а реальной стандартизации. А она зависит в первую очередь от того, насколько жестко отраслевые группы, стоящие за тем или иным протоколом, определяют условия сертификации готовых устройств.

Сегодня безусловный лидер по совместимости устройств разных производителей в рамках одного протокола — технология Z-Wave. Отраслевой консорциум Z-Wave Alliance предлагает понятную программу сертификации гаджетов умного дома и четко следит за выполнением ее условий. Z-Wave охватывает все уровни модели OSI. Но в отличие от, например, Bluetooth Smart (который также поддерживает все эти уровни), протокол Z-Wave изначально разрабатывался как технология ячеистой сети с высоким уровнем отказоустойчивости. Кроме того, Z-Wave — единственная из популярных технологий, которая не использует перегруженный до предела частотный диапазон 2,4 ГГц. Все эти преимущества позволили Z-Wave Alliance создать, без преувеличения, самую развитую в мире экосистему устройств умного дома (более 100 млн внедрений и свыше 2,5 тыс. наименований продуктов от 700 с лишним международных производителей).

У Zigbee и Bluetooth Smart тоже есть шансы на развитие. В первом случае разработчики пытаются решить проблему внутрипротокольной совместимости путем внедрения надстройки Dotdot. Но, учитывая огромную инсталлированную базу Zigbee-устройств прежних поколений и мягкую политику сертификации Zigbee Alliance, едва ли можно надеяться на быстрый прорыв в плане беспроблемной работы гаджетов Zigbee разных производителей. Кроме того, потенциальным конкурентом Zigbee считается протокол Thread, который, впрочем пока так и остается “темной лошадкой” на рынке умных домов.

В случае с Bluetooth Low Energy, перспективы этого протокола во многом зависят от того, насколько успешными станут попытки реализовать в нем топологию ячеистых сетей. Так или иначе, и Bluetooth, и Zigbee и Thread жестко привязаны к зашумленному радиодиапазону 2,4 ГГц. И этот недостаток едва ли будет устранен в обозримом будущем.

Рынок беспроводных технологий умного дома быстро меняется. Неизменными остаются только требования к энергопотреблению устройств, цифровой безопасности, отказоустойчивости сети, способности устройств противостоять радиопомехам, простоте подключения, а также взаимной совместимости продуктов одного и того же стандарта связи. Выбирая основу для умного дома, нужно тщательно взвешивать все эти факторы.


 

Мой Домовой
Золоторожский вал, д.34 стр.6, офис 5 111033 Москва
+7 499 707-20-98 info@moy-domovoy.ru от 1 700 руб до 221 000 руб Мой Домовой