Zdalne sterowanie urządzeniami domowymi

Na rynku zaczynają pojawiać się urządzenia do radiowego sterowania różnymi urządzeniami domowymi, wyłącznikami oświetlenia, żaluzjami i zasłonami, sprzętem gospodarstwa domowego, a także do gospodarowania elektrycznym zasilaniem domu. Jednak prawdziwie masowy rynek dla takiej aparatury będzie mógł powstać dopiero wtedy, gdy technika jej łatwej instalacji i prostego użytkowania stanie się dostępna i tania. Technika ta musi być łatwa i prosta zarówno z punktu widzenia instalatora jak i użytkownika, i nie może wymagać nieustannego modyfikowania raz utworzonej sieci. Musi to być sieć samoorganizująca się, zapewniająca bezbłędną łączność, a w razie wystąpienia wad, w celu przywrócenia niezawodności posługująca się mechanizmem samonaprawy (mesh). Na rynku jest kilka standardów, które realizują taką ideę komunikacji, jak opisywany kilkakrotnie Zigbee i opisywany w tym artykule Z-Wave.

Technika ta dla zapewnienia pełnej kontroli urządzeń domowych musi wspomagać aplikacje poziome, pozwalając modułom różnych rodzajów i różnych producentów komunikować się między sobą z łatwością i wzajemnie korzystać ze swoich funkcji (np. włączać światło czujnikiem ruchu). Dla utrzymania kosztów na niskim poziomie, platforma w.cz. musi być w wysokim stopniu zintegrowana i tania w produkcji, a związany z nią protokół łączności powinien być prosty.

Z punktu widzenia producenta systemu, opracowywanie i produkcja urządzeń systemowych muszą być łatwe. Moduły powinny być małe i łatwo dać się łączyć z nowymi i z istniejącymi układami sterowania domowego. W celu obniżenia kosztów są one często opracowywane i produkowane w krajach o niskich kosztach pracy. Moduły w.cz. pojawiają się więc w postaci prefabrykowanych i wstępnie sprawdzanych czarnych skrzynek.

Urządzenia do sterowania domowego można podzielić na kilka rodzajów, jak służące do podwyższania komfortu mieszkania, do gospodarowania energią w obrębie domu i do kontroli dostępu. Futurystycznym przykładem zwiększenia komfortu może być opuszczenie zasłon po wejściu do pokoju, przygaszenie oświetlenia do dogodnego poziomu, włączenie wieży stereo i rozpoczęcie odtwarzania ulubionej muzyki – wszystko to za naciśnięciem przycisku, albo nawet czujnikiem wykrywającym wejście.

Gospodarowanie energią ułatwia obniżenie kosztów i ochronę środowiska przez wyłączanie oświetlenia i ogrzewania nieużywanych pomieszczeń. Kontrola dostępu sprawdza zamknięcie drzwi i okien i wyłączenie urządzeń, jak żelazka czy maszynki do parzenia kawy, przed wyjściem z domu. Odpowiednie czujniki wykrywają wejście intruza do domu, włączając oświetlenie, uruchamiając kamerę internetową i wysyłając powiadomienie do telefonu komórkowego właściciela.

Sterowanie urządzeniami domowymi

Przy projektowaniu systemów sterowania domowego trzeba wziąć pod uwagę trzy główne czynniki. Są to łatwość w użyciu, niezawodność i niski koszt. Łatwość używania, tego przeznaczonego na rynek masowy systemu, musi uwzględniać fakt, że jest on zwykle instalowany przez przeciętnego właściciela domu albo niezbyt doświadczonego instalatora. Instalacja musi zatem być prosta i intuicyjna i nie może wymagać jakichkolwiek zmian sieci w czasie całego czasu jej używania. Technika ta musi wspomagać aplikacje poziome, pozwalając różnym urządzeniom różnych producentów komunikować się ze sobą i wzajemnie korzystać ze swoich funkcji.

Niezawodna i solidna łączność ma zasadnicze znaczenie w systemie sterowania w domu ważnymi operacjami. Gdy na przykład właściciel domu poleca zamknięcie drzwi i uruchomienie alarmu, musi uzyskać gwarancję, że polecenie zostało zapamiętane i wykonane. Ponadto, ponieważ łączność w.cz. odbywa się w ogólnodostępnym paśmie, algorytmy protokołu muszą zapewniać komunikację tak niezawodną jak przewodowa. Łączność ta obejmuje potwierdzanie otrzymania pakietów, unikanie kolizji, losowe algorytmy wyłączania, retransmisję i trasowanie i zapewnia niezawodne połączenia pokrywające całą sieć domową. Tylko tania platforma bezprzewodowa zapewnia technice rzeczywiście masowy rynek. Rozumne kompromisy technologiczno-kosztowe nie mogą obniżać niezawodności sieci.

Ze względu na niewysokie często kwalifikacje personelu produkcyjnego, do integracji sprzętowej i programowej platformy nie może być wymagana dogłębna znajomość w.cz. Takie braki mogą być zastąpione wstępnym przetestowaniem sprzętu i dobrze sprawdzonym stosem protokołowym, zapewniającym prosty i intuicyjny interfejs pomiędzy protokołem a oprogramowaniem aplikacji.

Systemy sterowania domowego już istnieją. Typowa dla nich platforma w.cz. zawiera mikroprocesor, pamięć, transceiver w.cz. i systemowy rezonator kwarcowy. Protokół programowy zapewnia standardową łączność pomiędzy podzespołami. Dla spełnienia kompleksowych wymagań całości, równoczesnego osiągnięcia niskich kosztów, łatwości użycia i wysokiej niezawodności, trzeba rozważyć cały proces opracowywania platformy, od protokołu i specyfikacji modułów do finalnej produkcji.

Wymagania protokołu

Protokół sterowania domowego musi być przystosowany do wymaganej charakterystyki ruchu komunikacyjnego w sieci i równocześnie zapewniać jej elastyczność, niezawodność i łatwość użytkowania. Sieć sterowania w domu o powierzchni 150 do 600m² zawiera stosunkowo niewiele węzłów (20 do 200), komunikujących się ze sobą stosunkowo rzadko (5 do 15 razy na minutę). Typowy pakiet transmisji (np. włącz, ustaw poziom przyćmienia, odczytaj temperaturę, odczytaj stan drzwi itp.) nie przekracza użytecznej wielkości 4 do 6 bajtów. Oprócz tego, domowe aplikacje w większości tolerują spore opóźnienia, 200ms lub więcej. Przy takich opóźnieniach i niewielkim ruchu wystarcza sieć o przepustowości 9,6kb/s.

Sieć sterowania składa się zwykle z węzłów zasilanych z sieci prądu przemiennego i z baterii, z węzłów stacjonarnych i ruchomych. Wszystkie węzły muszą porozumiewać się ze sobą bez najmniejszych trudności. Tak zróżnicowane węzły nie daje się zazwyczaj zintegrować jednym stosem protokołowym. Ale jedna z technik, znana pod nazwą Z-Wave, może być stosowana do wszystkich rodzajów węzłów, w tym także do węzłów mogących łączyć różne techniki. W technice Z-Wave węzły w zależności od ich zachowania komunikacyjnego można podzielić na trzy podstawowe rodzaje: sterowniki, węzły podległe trasujące i węzły podległe. Wszystkie współpracują ze sobą bez trudu i mogą być zestawiane w dowolne kombinacje:

• węzły, które muszą nawiązywać łączność z większą liczbą innych węzłów, dokonują tego za pomocą stosów protokołowych sterownika,
• węzły, które nawiązują łączność jedynie z dokładnie określonym podzbiorem węzłów, dokonują tego za pomocą stosów protokołowych węzłów podległych trasujących,
• węzły, które nie nawiązują łączności, tylko muszą reagować na żądania innych węzłów do jej nawiązania, dokonują tego za pomocą stosu protokołowego węzła podległego.

Z-Wave współpracuje z przenośnymi węzłami wszystkich rodzajów o bateryjnym zasilaniu, jak piloty zdalnego sterowania i czujniki przenośne. Stos protokołowy węzła sterownika przenośnego uwzględnia dynamiczne zmiany jego położenia. Stos podległy trasujący węzła trasującego podległego potrafi odnaleźć węzeł przenośny w granicach całego obejmowanego siecią obszaru. Węzeł sterownika jest wyposażony w funkcje samoorganizacyjne, które upraszczają instalację i działanie sieci.

Za przykład może posłużyć system, umożliwiający sterownikowi przejęcie funkcji stacjonarnego sterownika aktualizacji (SSA), który automatycznie przesyła do wszystkich węzłów informacje o wszelkich zmianach rozmieszczenia sieci. Ten rodzaj węzła zawiera wszechstronne funkcje instalacyjne, umożliwiające korzystanie z rozmaitych strategii instalacyjnych zarówno w obszarach lokalnych jak i w centralnym.

Innym przykładem jest system, umożliwiający SSA przejęcie roli serwera identyfikacji SSA (SIS), który rozsyła parametry instalacji do wszystkich sterowników systemu. Jeżeli nie zostanie ustalone inaczej, do instalowania nowych węzłów jest wyznaczony tylko jeden sterownik systemu. Wyznaczenie to może być jednak przenoszone z jednego węzła do innego w ciągu całego czasu użytkowania systemu.

Węzły o zasilaniu bateryjnym, używane w technice sterowania domem, muszą się charakteryzować wielką oszczędnością poboru prądu - dwa ogniwa R3 muszą wystarczyć na 10 lat lub dłużej (rys. 1 – Z-Wave umożliwia energetycznie oszczędną komunikację termostatu z systemem sterowania temperaturą. Termostat regularnie wychodzi z uśpienia i przekazuje odczyt swojej temperatury, pytając równocześnie system sterowania, czy są potrzebne jakieś zmiany jego nastawień). Zatem jest ważne, aby protokół zawierał oszczędną sekwencję wyprowadzania węzła z uśpienia, obejmującą włączenie zasilania za pomocą zegara pobudzającego, transmisję pakietu i powrót do stanu uśpienia.

W domu średniej wielkości dwa wymagające połączenia węzły mogą się znaleźć poza zakresem łączności. Struktura sieci mesh systemu musi zatem umożliwiać tym węzłom połączenie za pośrednictwem innych węzłów. Sieć ta służy także za podstawę funkcji samonaprawczych. Łączność radiowa podlega wahaniom w czasie z powodu silnych wpływów środowiska. Na przykład z powodu otwierania czy zamykania drzwi, przesuwania mebli albo przemieszczania się licznych osób, łączność radiowa może naraz zawieść. W takich okolicznościach, żeby informacja mogła dosięgnąć celu, mechanizm samonaprawczy automatycznie kieruje transmisję za pośrednictwem innych węzłów.

Łatwość użytkowania

Zazwyczaj sieć domowa jest instalowana i eksploatowana przez właściciela domu. Protokół musi więc cechować się dużą łatwością funkcjonowania, co wymaga spełnienia czterech podstawowych wymogów: łatwości instalowania, samodzielności działania sieci, samoorganizacji i dobrego współdziałania modułów.

Instalacja sieci staje się łatwiejsza, gdy łatwość łączenia jej elementów jest zrównoważona z łatwością identyfikacji instalowanych urządzeń. Istnieje szereg różnych sposobów łączenia sieci, od pełnego „plug-and-play” do ręcznego, z wprowadzaniem indywidualnych numerów seryjnych. Większość tych sposobów napotyka w praktyce na trudności, wynikające z ubóstwa interfejsu użytkownika przeciętnego urządzenia sterowania domowego z jednym lub dwoma organami wykonawczymi i wskaźnikami.

Instalacja w pełni „plug-and-play” miewa poważne problemy identyfikacyjne w trakcie procesu instalacyjnego, gdy liczne urządzenia są instalowane równocześnie. Instalacja ręczna obarcza użytkownika potrzebą atestacji wejść i wyjść, niemożliwej do realizacji w wielu prostych systemach o interfejsie użytkownika zredukowanym do minimum (rys. 2 – przykład równowagi pomiędzy siecią a identyfikatorem w trakcie procesu instalacji). Lokalna instalacja nadaje się do małych tanich systemów (np. pięć pilotów do sterowania oświetleniem i 30 modułów lampowych), instalowanych bądź przez właściciela domu bądź instalatora. Podstawowa zasada lokalnej instalacji techniki Z-Wave polega na tym, że przy instalacji nowego urządzenia użytkownik aktywuje zarówno jego węzeł jak i sterownik. Aktywacja ta może być równoczesna albo niezależna, i może być dokonana jednorazowo, albo wspólnie dla wszystkich nowych węzłów, zależnie od sposobu instalacji. Nowe urządzenie wysyła do sieci żądanie przyłączenia, które jest następnie potwierdzane przez sterownik przypisujący węzłowi identyfikator. Na koniec nowy węzeł zwraca sterownikowi listę swoich sąsiednich węzłów (znajdujących się w bezpośrednim radiowym zasięgu), umożliwiając mu utrzymywanie pełnej informacji o rozmieszczeniu węzłów całej sieci.

Instalacja centralna najlepiej nadaje się do kompleksowych systemów domowych o wielu różnych modułach i zastosowaniach, instalowanych przez zawodowców. Podstawową zasadą centralnej instalacji Z-Wave jest umożliwienie każdemu sterownikowi systemu włączanie do sieci nowych modułów w koordynacji z węzłem SIS. Serwer ten mieści się zwykle w komputerze lub równoważnym urządzeniu inteligentnym, pozwalając instalującemu na pełną zdalną kontrolę i monitorowanie wszystkich faz instalacji.

Zarządzający siecią właściciel domu zwykle nie całkowicie zdaje sobie sprawę z tego, że zainstalowany przez niego węzeł jest częścią sieci mesh. Dlatego w typowej instalacji sieć ta po prostu nie wymaga zarządzania, jest samoorganizująca się i samonaprawcza.

Samoorganizacja

W sieci samoorganizującej się węzły potrafią rozpoznawać swoich sąsiadów i automatycznie rozsyłać te informacje innym węzłom. W sieci samonaprawczej, w razie gdy jej część nie jest sprawna, węzły potrafią przeadresowywać transmisje. W Z-Wave każdy węzeł wykrywa sąsiadów, bądź po włączeniu do sieci, bądź na żądanie. Informacje te są automatycznie przesyłane do nieustannie „nasłuchującego” SSA, który na żądanie innych węzłów przesyła im informacje o rozmieszczeniu urządzeń w sieci.

Przy ograniczonej liczbie węzłów w domowej sieci sterowania skutecznym rozwiązaniem jest protokół trasowania źródłowego (PTZ). Zapewnia on równowagę pomiędzy wymaganymi zasobami w węzłach a rozmiarami sieci. Węzeł inicjujący łączność generuje w PTZ całą drogę pakietu przez sieć kratową do węzła docelowego i umieszcza tę informację w nagłówku pakietu. Droga ta jest generowana na podstawie informacji o rozkładzie sieci za pomocą funkcji samoorganizacyjnych. Poszczególne węzły na tej drodze odbierają pakiet, zgodnie z protokołem trasowania modyfikują nagłówek i kierują pakiet do następnego na drodze węzła. Węzły te nie muszą przechowywać żadnych informacji o rozkładzie sieci, co jest znaczącą zaletą sieci o skromnych zasobach sprzętowych.

Samonaprawczość

W łączności w.cz. zdarzają się fluktuacje, mogące w domowej sieci wywoływać błędy. Sieć ta zatem musi być zdolna do samonaprawy (rys. 3 – łączność pomiędzy bramą garażową a lampą A zawodzi z powodu otwarcia drzwi ze stali nierdzewnej lodówki. Sieć typu mesh automatycznie przeadresowuje komunikat za pośrednictwem węzłów w przedpokoju i w holu.). Samonaprawczość w Z-Wave obejmuje dwa podstawowe przypadki:

• fluktuacje w mapie rozmieszczenia sieci (czyli łączności pomiędzy węzłami), gdy algorytm rozmieszczenia otrzymuje informacje o niesprawnych połączeniach. Połączenia te są następnie tymczasowo z mapy usuwane, i wygenerowana zostaje nowa trasa.
• zmiany w mapie rozmieszczenia (np. zmiany fizycznej pozycji węzłów w domu). Uaktualnienie mapy jest wtedy inicjowane z węzła przez algorytm, żądający od SSA dokonania ponownego poszukiwania sąsiadów.

Pomiędzy dwoma węzłami mogą tworzyć się powiązania funkcji łączących je w pary, na przykład pilota zdalnego sterowania z węzłem przygaszania oświetlenia. Ważną funkcją procesu kojarzenia w pary jest w możliwie największym stopniu uproszczenie instalacji. Z uwagi na ograniczoność interfejsów przeciętnego modułu wymaga to zdolności sieci do autokonfiguracji. Musi w niej działać kreator kojarzeń, prowadzący użytkownika przez wszelkie niezbędne kolejne decyzje i sprawdzający ich poprawność.

W Z-Wave proces autokojarzenia tworzy podstawowy pakiet „nodeinfo” (informacji o węźle) i definicje znormalizowanych poleceń, pozwalających wszystkim węzłom przedstawiać swoje możliwości w sposób indywidualny i ewentualnie w parach.

Współdziałanie

Zdolność węzłów sieci do współdziałania musi być zrównoważona z potrzebą sprzedawcy do wyróżniania się na rynku. Ponadto zdolność ta powinna w rozsądny sposób harmonizować oczekiwania odbiorcy. Odbiorca nie oczekuje identyczności wszystkich funkcji dwóch modułów różnych producentów. Oczekuje jednakże, że wszystkie ich podstawowe funkcje pełnią te same role, a przynajmniej moduły te logicznie ze sobą współdziałają.

Zdolność do współdziałania modułów jest podstawą tworzenia kompletnych systemów sterowania domu, w którym różne aplikacje różnych producentów zgodnie ze sobą współpracują. Zdolność ta wymaga normalizacji na dwóch poziomach:

• na poziomie poleceń, na którym muszą zostać znormalizowane wszystkie polecenia przekazywane pomiędzy węzłami,
• na poziomie urządzeń, na którym wszystkie moduły muszą się znaleźć w różnych klasach urządzeń, w zależności od tego które polecenia są dla nich obowiązkowe, które zalecane, a które opcjonalne.

Taka struktura pozwala urządzeniom współdziałać w granicach ich funkcji podstawowych. W Z-Wave zdolność do współdziałania jest gwarantowana z uwzględnieniem odpowiednich specyfikacji klas urządzeń i programu certyfikacji. Specyfikacja klas urządzeń służy do normalizowania wszystkich domowych modułów sterujących na poziomach poleceń i urządzeń. Prace te są prowadzone w ramach Z-Wave Alliance, które dba, aby wszystkie produkty członków tego stowarzyszenia były zaliczane do odpowiednich klas urządzeń. Program certyfikacji zapewnia przejście przez proces certyfikacji wszystkim produktom z logo Z-Wave.

Wymagania sprzętowe

Chcąc zachować wysoką niezawodność całej sprzętowej platformy sterowania domem, trzeba stosować najdoskonalsze technologie, poczynając od projektowania chipów, na projektowaniu urządzeń kończąc. Do platformy tej można zaliczyć technologię struktury półprzewodnikowej, metodykę rozmieszczania i montażu układów scalonych i testy produktów końcowych. Minimalna platforma w.cz. składa się z transceivera w.cz. ze stopniem wyjściowym, mikroprocesora, pamięci i systemowego rezonatora kwarcowego (rys. 4 – platforma w.cz.).

Platforma mikroprocesorowa

Platforma mikroprocesorowa obejmuje wysokosprawny procesor o niskim poborze prądu, różne interfejsy sprzętowe, pamięć i wyprowadzający ze stanu uśpienia zegar. Liczne interfejsy przyczyniają się do zmniejszenia kosztów przez redukcję liczby dodatkowych chipów i obwodów. Pamięć, ze względu na koszt i pobór prądu, powinna być możliwie najmniejsza, ale wystarczająca do pomieszczenia protokołu i oprogramowania aplikacyjnego.

Dla maksymalnego przedłużenia czasu wykorzystywania baterii wielkie znaczenia ma zarządzanie zasilaniem i staranne zaprojektowanie obwodów zasilania platformy. Zarządzanie zasilaniem jest integralną częścią protokołu, co oznacza, że mikrokontroler zapewnia zasilanie jedynie niezbędnym obwodom, a reszta układu pozostaje w uśpieniu. Konieczne jest zastosowanie zegara o minimalnym poborze prądu, najlepiej on-chip, służącego do wyprowadzania z uśpienia modułów o zasilaniu bateryjnym. Pozwala to przedłużyć czas wykorzystywania baterii do ponad 10 lat. Standardowy zegar czasu rzeczywistego pobiera zazwyczaj ponad 20mA.

Program obsługi pakietów redukuje czas przetwarzania przez CPU i utrzymuje prąd zasilający na bardzo niskim poziomie. Program ten umożliwia uśpienie procesora i zasilenie tylko transceivera oczekującego na pakiety. Gdy odbierze on przeznaczony dla swojego modułu pakiet, transceiver zostaje uśpiony, a procesor zasilony na czas przetworzenia odebranych informacji.

Transceiver w.cz.

Ostatnio obwód rezonansowy oscylatora sterowanego napięciem VCO i filtr jego pętli zostały zintegrowane w jednym układzie scalonym, co wyeliminowało potrzebę użycia 10 do 20 zewnętrznych elementów biernych. Wymaga to dodatkowej powierzchni struktury półprzewodnika, ale umożliwia zastosowanie elementów o wysokiej dobroci, zmniejsza odległości pomiędzy komponentami oraz poprawia niezawodność systemu i jego odporność na zakłócenia zewnętrzne.

Dla oszczędzania baterii moduły przesyłają pakiety z możliwie najmniejszą mocą. Czułość odbiorcza transceivera jest wysoka, a użyta częstotliwość, wraz z optymalną modulacją, zapewniają duży zasięg.

Sposób modulacji został wybrany także z myślą o optymalizacji wykorzystania powierzchni struktury półprzewodnikowej. Zastosowano więc przy tym korzystny kompromis wybierając subgigahercowy zakres częstotliwości bezpłatnego pasma ISM – 868MHz w Europie i 928MHz w USA, uzyskując duży zasięg łączności, niską wymaganą moc zasilania i małą powierzchnię chipa. Zintegrowanie procesora, pamięci, różnych interfejsów sprzętowych i transceivera w jednym układzie scalonym nie tylko redukuje całkowity rozmiar i koszt modułu w.cz., ale także zwiększa jego osiągi i jakość.

Na zmniejszenie kosztu modułu w.cz. mają także wpływ możliwości jego stosowania w rozmaitych innych urządzeniach. Używanie konektorów i złączy lutowanych podwyższa koszty urządzenia. Dobrą alternatywą są zębate wycięcia, nadrukowywane na brzegu płytki drukowanej. Nadają się one do lutowania modułu w.cz. na płytkę drukowaną aplikacji za pomocą standardowego lutowania rozpływowego wraz z innymi elementami do montażu powierzchniowego. Moduły mogą być także w razie potrzeby lutowane ręcznie. Przy opracowywaniu i produkcji taniej platformy w.cz. kluczowe jest testowanie poszczególnych komponentów i modułów, ponieważ czas testowania ma znaczący udział w kosztach urządzeń. Stosowanie pojedynczego chipu redukuje test struktury półprzewodnikowej do jednego na moduł, a nieliczne cyfrowe i radiowe elementy zewnętrzne mogą być sprawdzane za pomocą prostych mierników. Kompleksowe obwody samotestujące minimalizują czas testowania struktury półprzewodnikowej.

(KKP)