Sieci w rozwiązaniach domowej automatyki

Dotyczy to zwłaszcza rozwoju nowych technologii, tworzenia standardów oraz łączenia urządzeń w inteligentnych budynkach w sieci. Marzenie o inteligentnym domu, który automatycznie kontroluje otoczenie i reaguje na indywidualne oczekiwania mieszkańców istniało w świadomości konstruktorów praktycznie od momentu pojawienia się odpowiednich możliwości technicznych. Światełkiem w tunelu stały się mikrokontrolery. Na drodze do sukcesu stanęły jednak takie czynniki, jak wysokie koszty, problemy z niezawodnością, brak sprecyzowanych standardów oraz, mimo wszystko, ograniczone możliwości techniczne. Wymienione powody w znaczący sposób utrudniały praktyczne realizacje inteligentnych budynków powszechnego użytku, pozostawiając je w sferze marzeń projektantów. Ożywienie w tym sektorze rozpoczęło się dopiero wraz z rozwojem technologii bezprzewodowych i powstaniem standardów sieci adekwatnych do zastosowania w domowej automatyce.

Początki

Rys. 1. Działanie systemu Insteon

Pierwsze projekty systemów domowej automatyki dotyczyły jedynie zdalnego sterowania. Oparte były one na podstawowych funkcjach, takich jak włączanie i wyłączanie świateł, wentylatorów czy też innych urządzeń. Standard X10 zaproponowany w 1975 roku przez firmę Scotland’s Pico Electronics jest jednym z pierwszych rozwiązań tego typu. System ten działał w oparciu o istniejącą w budynku sieć elektryczną. Prędkość transmisji wynosiła 1bit/8,33ms, liczba komend była ograniczona do 16, a w pojedynczej sieci istniała możliwość kontroli maksymalnie 256 urządzeń. Mimo tych ograniczeń rozwiązania w systemie X10 ciągle są wykorzystywane.

Aby poprawić możliwości sterowania w automatyce domowej organizacja EIA (Electronics Industries Association), obecnie CEA (Consumer Electronics Association), rozpoczęła w 1984 roku prace nad zestawem standardów komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami. W wyniku tych działań udało się także zdefiniować metody komunikacji z zastosowaniem różnych mediów, w tym skrętki, podczerwieni, fal radiowych oraz sieci elektrycznej. Wynikiem tych prac był standard CEbus, od 1994 roku określany także pod nazwą EIA-600. Obejmował on zdalne sterowanie, systemy ochrony oraz zarządzanie energią. Niestety wdrożenie standardu okazało się za drogie. Ponadto pojawił się on „za wcześnie”. W tym okresie Internet i sieci komputerowe nie były jeszcze tak powszechne, jak obecnie. Zainteresowanie tym standardem stopniowo malało, aż w końcu zrezygnowano z niego na rzecz technologii PowerBus.

Wśród kolejnych powstałych technologii sieci domowych należy wymienić standard LonWorks firmy Echelon. Technologia ta nie była skierowana wyłącznie do zastosowań w automatyce budynkowej. LonWorks była także adresowana do zastosowań kontrolnych w przemyśle. Standardy takie jak sieciowy ANSI/EIA709, związany z budownictwem EN14908 oraz IEEE 1473-L bazowały na LonWorks wraz z fizyczną warstwą sygnałową z wykorzystaniem sieci zasilającej oraz skrętki.

Brak lidera

Mimo takiego sukcesu, ani LonWorks, ani żaden inny standard sieci domowych nie zdominował rynku całkowicie. Istnieje kilka powodów takiego stanu rzeczy. Żadna z wymienianych technologii nie obejmuje jednocześnie wszystkich cech, których użytkownik oczekuje od systemu domowej automatyki. Brak też było udanych aplikacji użytkowych, które wspomagałaby rozpowszechnianie standardu.

Aby dana technologia odniosła sukces wśród odbiorców rynku domowej automatyki musi charakteryzować się przede wszystkim niską ceną. Koszt jej implementacji powinien zwrócić się albo w postaci obniżonych rachunków za poszczególne media albo odpowiednio dużą wygodą użytkowania. Ważnym aspektem jest także prostota instalacji i obsługi systemu. Ponadto użytkownik ma prawo oczekiwać od danej implementacji bezawaryjnego i elastycznego działania, pozbawionego ograniczeń. Równie istotny jest też długi czas życia systemu. Często koszt inwestycji zaczyna zwracać się dopiero po dłuższym okresie, na przykład dzięki oszczędnościom w zużyciu energii związanym z efektywnym sterowaniem oświetleniem. W przypadku systemów zasilanych bateryjnie, kluczową sprawą staje się oczywiście czas życia baterii. Kolejnym ważnym elementem jest zdolność systemu do bezproblemowego koordynowania pracy urządzeń pochodzących od różnych producentów. Obecnie dostępne technologie stosowane w automatyce domowej nie spełniają przynajmniej jednego z wyżej wymienionych oczekiwań.

Wykorzystanie istniejącej sieci

Rys. 2. Wykorzystanie sieci o topologii kratowej

Wady wielu rozwiązań koncentrują się na zastosowanych mediach transmisyjnych. W systemach domowej automatyki są wykorzystywane kable, przewody sieci zasilającej lub łączność bezprzewodowa. Każdy z wymienionych sposobów ma zarówno swoje wady, jak i zalety.

W rozwiązaniach dużych inteligentnych budynków są stosowane zarówno skrętki, kable współosiowe, jak i światłowody. Ich zaletą jest przede wszystkim wysoka przepustowość i zdolność do zapewnienia względnie niezakłóconej transmisji. Największą wadą jest natomiast koszt. Można go wprawdzie obniżyć w przypadku, gdy instalacja systemu przebiega na etapie budowy domu. Mimo to, koszt ten bywa poza zasięgiem większości potencjalnych użytkowników. Kolejna wadą jest niedostateczna elastyczność przewodów. Skutkuje to tym, że użytkownik nie ma wystarczająco dużej dowolności w rozmieszczaniu poszczególnych urządzeń w sieci.

W poszukiwaniu sposobu ominięcia opisywanych wad kabli postanowiono wykorzystać okablowanie istniejące w każdym budynku, a mianowicie linie zasilające. Jako medium transmisyjne instalacja taka ma dwie zalety. Plusem jest występowanie sieci elektrycznej w każdym budynku oraz to, że jest ona doprowadzona praktycznie do każdego punktu, w którym może znajdować się urządzenie. Drugą zaletą jest brak konieczności stosowania zewnętrznego źródła zasilania, takiego jak baterie. Dzięki wymienionym udogodnieniom udaje się zrealizować wymagania użytkowników pod względem niskiego kosztu i prostoty instalacji. Wadą takiego rozwiązania są jednak zakłócenia sygnału występujące w chwilach zmiany obciążenia sieci energetycznej, na przykład w momencie włączania i wyłączania światła. Konieczne jest w takim przypadku skorzystanie z kosztownych rozwiązań redukcji zniekształceń sygnału.

Innym rozwiązaniem, którego przykładem jest system X10, jest stosowanie ograniczania widma. Aby uniknąć zakłóceń, sygnał użyteczny był transmitowany tylko w chwilach, gdy sinusoidalne napięcie zasilające ma wartość 0. Wysyłano wtedy ciąg impulsów o częstotliwości 120kHz. Sytuacja taka była interpretowana jako logiczna 1. Brak impulsów w czasie przejścia sygnału przez 0 oznaczał z kolei logiczne 0. W przypadku transmisji tylko danych, uzyskiwano w ten sposób przepustowość rzędu 60b/s. Dodatkowe bity synchronizujące lub adresowe, zmniejszały osiągany transfer o 60%. Niestety niska przepustowość nie pozwalała na zastosowanie sieci do bardziej zaawansowanych funkcji oraz wprowadzała znaczące opóźnienie w trakcie realizacji ciągu kolejnych komend.

Na podobnym rozwiązaniu jest oparty oferowany przez SmartLab system Insteon. W tym przypadku, w czasie przejść sygnału przez zero transmitowane są 24 bity. Każdy z nich jest kodowany jako ciąg impulsów o częstotliwości 131,65kHz. Pozwala to uzyskać przepustowość rzędu 2880b/s, co znacząco poprawia użyteczność oraz zmniejsza opóźnienie, w porównaniu do systemu X10. Poprzez sieci Insteon można kontrolować urządzenia w standardzie X10. Trzecim rozwiązaniem jest Universal Powerline Bus firmy Powerline Control Systems. W rozwiązaniu tym, w momencie, gdy napięcie zasilania wynosi 0V, wprowadza się impulsy o napięciu 40V. Przy użyciu modulacji położenia impulsu w czasie każdego przejścia przez zero kodowane są 2 bity, co pozwala na uzyskanie przepustowości 100b/s.

Jak dotąd osiągnięcie większych przepływności w sieci zasilającej wiąże się ze stosowaniem skomplikowanych rozwiązań sprzętowych i programowych. Przykładem jest odbiornik PL3120 firmy Echelon. Zawiera on procesor DSP, który jest wykorzystywany do odzyskiwania danych oraz redukcji szumów. Pozwala to osiągnąć przepustowość 5,4kb/s. Dopiero w ostatnich latach pojawiły się nowe standardy, takie jak HomePlug AV organizacji HomePlug Powerline Alliance, który korzysta z technologii stosowanej w systemie Intellon. W HomePlug zastosowano modulację OFDM (Orthogonal Frequnecy Division Multiplexing). Pozwala to na uzyskanie transferów w wysokości 200Mb/s. Taka szybkość transmisji sprawia, że możliwości sieci są znacznie większe niż potrzebne do podstawowych funkcji, takich jak np. sterowanie oświetleniem. Sieć taka może być wykorzystywana jako kanał komunikacyjny w zastosowaniu na przykład do wdrożenia IPTV (Internet Protocol Television). Należy jednak zbadać jeszcze, czy koszt takiego rozwiązania będzie na tyle niski, aby mógł stać się powszechnie dostępny.

Systemy bezprzewodowe

Znacznie bardziej elastycznymi rozwiązaniami są sieci oparte o media bezprzewodowe, takie jak np. Z-Wave i Zigbee. Z tego powodu również protokoły przeznaczone dla łączy przewodowych zostały przystosowane do transmisji bezprzewodowej. Dzięki temu sieci takie jak LonWorks, Insteon oraz standard KNX uzyskały dodatkową elastyczność.

W przypadku sieci bezprzewodowych do niedawna poważnym wyzwaniem było zapewnienie niezawodności. Aby uniknąć problemów z uzyskaniem licencji, sieci bezprzewodowe zazwyczaj pracują w pasmach nielicencjonowanych, czyli w takich, które są zarezerwowane na przykład do zastosowań w mikrofalówkach. Sieć Z-Wave, tak jak i ZigBee, pracuje w paśmie 900MHz określanym jako ISM (Industrail, Scientific, Medical). Rozwój tej drugiej koncentruje się jednak na paśmie 2,4GHz ze względu na ogólnoświatowe zastosowanie tych częstotliwości, co umożliwia projektowanie bardziej uniwersalnych urządzeń. W obu przypadkach problemem jest obecność innych użytkowników, która może stwarzać groźne interferencje. Rozwiązanie tego zagadnienia stanowiło poważne wyzwanie dla twórców sieci bezprzewodowych. Według przedstawicieli ZigBee Alliance, najnowsza specyfikacja ZigBee, zapewnia stabilną pracę nawet w obecności innych użytkowników i hot spotów Wi-fi. W kwestii stabilnej pracy ważną rolę może odegrać także oprogramowanie. Implementacja protokołu ZigBee wpływa na poprawną pracę sieci dzięki temu, że zawiera funkcje zarządzania sieci, które umożliwiają pomiar mocy sygnału. Umożliwia to odpowiednią reakcję w przypadku wykrycia interferencji, na przykład poprzez zmianę kanału. Moc sygnału może zostać wykorzystana do obliczeń umożliwiających zidentyfikowanie źródła niepożądanego sygnału.

Istnieją jednak inne problemy. Zwolennicy wykorzystywania sieci zasilających w domowej automatyce wskazują dwie zasadnicze wady konkurencyjnego rozwiązania. Są to: ograniczony zasięg oraz potencjalną konieczność zasilania bateryjnego. Ponieważ jednak bezprzewodowe sieci domowej automatyki wykorzystują samokonfigurujące się topologie typu mesh zwolennicy, zasięg nie jest problemem bardzo ograniczony. Kolejne węzły mogą przekazywać wiadomości pomiędzy komunikującymi się urządzeniami, co pozwala realizować połączenia nawet między znacznie oddalonymi punktami. Większym problemem dla dostawców rozwiązań sieci bezprzewodowych jest czas pracy baterii. Sieć domowej automatyki może potencjalnie zawierać kilkaset węzłów, w tym wiele opartych o zasilanie bateryjne. Oczywiste jest, że z punktu widzenia użytkowników, częsta zmiana dużej liczby baterii może całkowicie dyskwalifikować sens zastosowania danego systemu. Istnieje kilka rozwiązań, które pozwalają wydłużyć czas pracy urządzenia zasilanego za pomocą baterii. Na przykład sieć Z-Wave umożliwia swoim węzłom pozostawanie w stanie nieaktywnym przez większość czasu. W stan aktywności przechodzą one tylko w dwóch przypadkach: w momencie, gdy nastąpi określone zdarzenie wymagające reakcji lub okresowo, w celu sprawdzenia stanu sieci.

Przez większość pozostałego czasu, urządzenia te pracują w trybie energooszczędnym. Podobne rozwiązanie jest stosowane w sieciach w standardzie ZigBee. W obu przypadkach istnieje konieczność utrzymywania w stanie aktywnym jedynie węzłów odpowiadających za przesyłanie wiadomości. Jest to związane z dążeniem do utrzymania łączności pomiędzy znacznie oddalonymi węzłami. Nie jest to jednak poważna wada, ponieważ węzły tego typu nie są zazwyczaj zasilane bateryjnie.

Innym pomysłem na wydłużenie czasu pracy baterii jest stosowanie mikrokontrolerów, które umożliwiają aktywne zarządzanie poborem mocy. Producenci tacy jak Texas Instruments wprowadzają na rynek coraz to nowe rozwiązania układowe, w których pobór mocy jest minimalizowany poprzez utrzymywanie w stanie aktywnym jedynie tych bloków funkcjonalnych, które są w danym momencie niezbędne. Przykładem jest rodzina mikrokontrolerów TI MSP430FG461x, w której układ został podzielony na bloki funkcjonalne mogące wykonywać swoje zadania bez zaangażowania głównego procesora.

Problemy

Rozwój techniki przyniósł szereg rozwiązań sieci domowej automatyki na takim poziomie, który pozwala już realizować projekty inteligentnych budynków, pozostające do tej pory jedynie w sferze marzeń. Mimo to, nie można zapomnieć o dwóch, ciągle poważnie problematycznych zagadnieniach. Pierwszym z nich jest brak kompatybilności pomiędzy urządzeniami różnych producentów. Wielu z nich stosuje własne protokoły i technologie, co ogranicza liczbę dostawców oferujących produkty dedykowane do danej sieci.

Drugi problem stanowi brak odpowiedniej aplikacji ułatwiającej wejście na rynek.

Aby rozwiązać pierwsze zagadnienie rozpoczęto prace w kierunku standaryzacji. W tym celu zaczęto tworzyć stowarzyszenia zrzeszające przedstawicieli firm związanych z branżą. Na przykład standard LonWorks firmy Echelon ma poparcie Digital Home Alliance, dzięki czemu zapewniając kompatybilność różnych urządzeń umożliwia współpracę wielu dostawców. Podobne rozwiązanie zapewnia Z-Wave Alliance oraz HomePlug Alliance wspierające rozwiązania firmy Intellon. Inne przykłady grup związanych z tym sektorem to UPnP (Universal Plug and Play) Forum oraz ZigBee Alliance. Obie grupy zrzeszają firmy wspólnie pracujące nad udoskonaleniem standardów pod kątem kompatybilności urządzeń. Prowadzone są także działania mające na celu stworzenie ogólnoświatowych standardów, które rozwiązywałyby szereg aspektów związanych z sektorem automatyki domowej. Organizacje ISO/IEC JTC (International Standards Organization/ International Electrotechnical Committee Joint Technical Committee) zawiązały grupę roboczą JTC1/SC25/WG, której zadaniem było zdefiniowane zestawu standardów tworzenia pojedynczej sieci dla wszystkich urządzeń elektronicznych używanych w gospodarstwie domowym. Zakres zaproponowanych standardów obejmował urządzenia grzewcze, klimatyzację, urządzenia służące rozrywce, a w tym komputery i połączenie z siecią Internet. Prace nad tym projektem są ciągle w toku.

Podsumowanie

Obecny rozwój technologii sprzyja spełnianiu marzeń o inteligentnych budynkach. Szeroki wybór różnych mediów transmisyjnych, a w tym takich, które umożliwiają znaczną redukcję kosztów, zwiększa elastyczność najnowszych rozwiązań. Obecnie osiągalna szybkość transmisji pozwala na przesyłanie nie tylko informacji kontrolnych, ale także danych multimedialnych. Prace trwają także nad rozwojem zdalnego sterowanie urządzeniami za pomocą Internetu. Jakkolwiek obiecująco zapowiadają się wizje projektantów tych systemów z punktu widzenia użytkowników, nowe rozwiązania oznaczają przede wszystkim dodatkowe wydatki. Nowinki techniczne same w sobie nie będą w stanie zwiększyć zainteresowania rynku. Niezbędna jest aplikacja, która zyskałaby szeroką akceptację. Możliwe, że uda się taką wszechstronną aplikację stworzyć. Czołowe firmy z branży poszukują technologii takiej, jak na przykład ZigBee, która wspomogłaby implementację wielofunkcyjnych rozwiązań sterujących, w cenie akceptowalnej przez większość potencjalnych użytkowników. W związku ze wzrostem cen energii, wprowadzenie elementów domowej automatyki może wkrótce stać się niezbędne, a nawet obowiązkowe. Obniżenie zużycia energii nie jest może tak spektakularnym osiągnięciem, jak wizja inteligentnego domu dostosowującego się do różnorodnych wymagań użytkownika. Może się to jednak stać sposobem na poszerzenie rynku domowej automatyki. Obecnie przewiduje się, że koncepcja inteligentnych budynków będzie cieszyła się podobnym zainteresowaniem jak rynek komputerów osobistych pod koniec XX wieku, co wróży tej technologii olbrzymi sukces w przyszłości.

Monika Jaworowska