Перспективы IoT для систем «умного» освещения

В системах «умного» освещения до недавнего времени использовались специализированные протоколы, либо протоколы, предназначенные для систем «умного дома». Современной тенденцией является внедрение решений на основе «Интернета вещей» (Internet of Tings, IoT). В этой статье рассмотрены основные преимущества и недостатки такого подхода, а также дана оценка, вытеснит ли в обозримом будущем IoT решения на основе специализированных протоколов.

Модели уровней протоколов

Даже если мы пользуемся обычным мобильным телефоном, мы обращаемся к сетевым протоколам. При этом существует несколько уровней сетевых протоколов, каждый из которых имеет свое обозначение. Традиционные системы связи описываются моделью OSI. Например, в случае мобильной связи стандарта GSM мы на физическом уровне имеем беспроводную связь в диапазонах 900 и 1800 МГц. Как обмениваются информацией базовая станция и мобильный телефон – это канальный уровень. Взаимодействие базовых станций между собой – сетевой уровень, и т. д.

Интернет построен на базе модели TCP/IP. Это более гибкая система, позволяющая создавать локальные сети (на уровне отдельного провайдера), объединять их в более крупные (на уровне региона или страны), а их уже – в глобальную сеть, охватывающую весь земной шар.

Преимущества IoT для систем управления освещением

При традиционном подходе стандартизируются протоколы от физического до прикладного уровня. Например, если взять тот же Zigbee, то в нем определены диапазон частот (2,4 ГГц), способ модуляции и т. п. вплоть до конкретных команд светильникам. Интернет подразумевает гибкий подход. Вы можете построить свою локальную сеть на чем угодно: на витой паре, оптоволокне, Wi-Fi, Bluetooth, системе мобильной связи и т. п. В любом случае браузер или мобильные приложения будут работать у вас совершенно одинаково, могут быть только различия в скорости доступа. Стандартизировано лишь взаимодействие между локальными сетями, это так называемый «межсетевой протокол», по-английски, Internet Protocol (IP), который, собственно, и дал название глобальной сети Интернет.

Управление «умными» светильниками с мобильного телефона на основе IoT возможно даже без использования специального шлюза

Соответственно, главное, что дает применение IoT для «умного дома» и «умного» освещения, как его составной части – возможность так называемой «бесшовной» передачи команд. То есть, при традиционном подходе, если вы управляете «умным» освещением с мобильного устройства, вам потребуется специальный шлюз, преобразующий команды. Настройка такого шлюза – непростая задача, обычно требующая привлечения профессиональных специалистов.

Кроме этого, при переходе от проводных к беспроводным протоколам возникла проблема совместимости. Наиболее популярный протокол – DALI, он рассчитан на провода. Чтобы задействовать его, требуется устанавливать оборудование радиоудлинителя вместо пары проводов. Это лишняя трата денег и времени. Существует беспроводной вариант KNX, позволяющий обходиться без радиоудлинителя, но выделенные для него частоты не разрешены для широкого использования в России и ряде других стран.

При использовании IoT все гораздо проще – соединение осуществляется так же просто, как и при беспроводном доступе в Интернет. И нет необходимости задумываться, где какие частотные диапазоны и способы модуляции применены.

Принцип работы mesh-сетей

А как быть с такими преимуществами беспроводных Zigbee-сетей как низкое энергопотребление и возможность интеллектуальной маршрутизации при возникновении препятствий на пути радиосигнала? Существует протокол Bluetooth Low Energy (BLE), подразумевающий работу оконечного устройства только в заданные промежутки времени. Он настолько экономичен, что, например, датчик, работающий по данному протоколу, может питаться от литиевого элемента на протяжении 10 лет. Причем BLE является составной частью стандарта Bluetooth 4.0 и выше (фактически эту технологию «довели до ума» в Bluetooth 4.1), что обеспечивает возможность управления «умными» светильниками напрямую с обычных мобильных устройств.

Кроме этого, есть протокол Bluetooth Mesh, позволяющий осуществлять маршрутизацию в mesh-сетях. По своей устойчивости к действию помех и препятствиям он не уступает ZigBee.

Управление уличным освещением

Замечательным преимуществом IoT является универсальность. То есть, одну и ту же сеть связи можно использовать, например, для управления освещением и получением данных от датчиков состояния канализационных люков. Это открывает перспективы к созданию беспроводных систем связи для нужд городского хозяйства. Можно создать специализированных операторов связи, которые возьмут на себя заботу об организации сетей для управления освещением.

Использование протокола LoRaWAN в городском хозяйстве

В Москве и ряде других крупных городов такие операторы уже работают. В основном они используют технологию LoRaWAN, обеспечивающую скорость передачи данных до 50 кбит/с, но при этом отличающуюся высокой помехоустойчивостью, хорошей дальностью связи и низким энергопотреблением оконечного оборудования. Также следует отметить широкий выбор на рынке оборудования, поддерживающего LoRaWAN.

Помимо LoRaWAN, есть также близкая по параметрам технология NB-FI, разработанная в России. Пока ее применение сдерживается небольшим выбором оборудования.

В сельской местности и небольших городах более выгодным представляется управление освещением через сети мобильной связи. При этом не требуется развертывать отдельную сеть для нужд ЖКХ. Применяется технология NB-IOT, которая предусматривает узкополосную передачу данных, что снижает нагрузку на мобильную сеть. Услуги NB-IOT в России сейчас предоставляют все мобильные операторы «большой четверки». Недостатки – необходимость использования облачных сервисов, зависимость от тарифной политики мобильных операторов.

Стандарт Matter

Дальнейшее упрощение использования систем «умного дома» требует стандартизации протоколов управления на прикладном уровне. Для этого CSA – организация, ранее известная как Zigbee Alliance – создала стандарт Matter, базирующийся на IoT.

Модель сетевых уровней применительно к стандарту Matter

Если оборудование сертифицировано на соответствие Matter, оно гарантированно может взаимодействовать с другим оборудованием, имеющим такой сертификат. Кроме этого, устройства с поддержкой Matter способны напрямую взаимодействовать с популярными голосовыми ассистентами.

Несмотря на санкции, у Matter есть перспективы в России. Стандарт использует программное обеспечение с открытым кодом. Членами CSA являются компании Sber Devices и Yandex.

К недостаткам Matter следует отнести высокую стоимость и малый ассортимент поддерживающего данный стандарт оборудования. Но, как мы знаем из истории многих других технологий, со временем эти проблемы решаются.

Недостатки IoT и пути их решения

На сегодняшний день существует большое количество инсталляций, созданных на основе популярных протоколов DALI и Zigbee. Кроме этого, уже выпущено огромное количество оборудования под специализированные протоколы для «умного дома», и заводы продолжают его выпускать далее. Поскольку технологические процессы на заводах уже давно «заточены» под DALI и KNX, оборудование получается зачастую более дешевым, чем в случае с IoT.

Шлюз между DALI и Zigbee

В принципе, функциональность, близкую к IoT, можно получить, установив вместо радиоудлинителя шлюз между сетями Zigbee и DALI. Такие шлюзы выпускаются и находят свое применение при внедрении беспроводных технологий. Если ставится задача управления только освещением, такое решение подходит.

Применение IM для дистанционного управления KNX-системой

Для «умного дома» применяется протокол KNX. Если в доме уже смонтирована и настроена такая система, можно добавить в нее элементы IoT, установив специальный шлюз. По сути, он представляет собой специализированный Web-сервер. Передача информации от компьютера, соединенного с таким сервером через Интернет, осуществляется на основе так называемой Export Information Model (IM).

Перечисленные компромиссные решения, как ожидается, уйдут в прошлое, когда получит массовое распространение стандарт Matter. Цены на оборудование IoT благодаря массовому выпуску уменьшатся, а затраты на установку и настройку станут столь мизерными, что применение Matter станет намного более выгодным, чем того же Zigbee.

Для домашнего применения очень удобно управлять «умным домом» из любой точки планеты. Но для органов госуправления и некоторых производств такая доступность может рассматриваться как недостаток. Но и эта проблема решаема. На предприятии можно создать так называемый Интранет – локальную сеть, работающую по протоколу TCP/IP, но не имеющую соединения с другими сетями. При этом вы получите все преимущества IoT в сочетании с информационной безопасностью на уровне традиционных решений.

Выводы:

• реализовать в полной мере преимущества IoT позволит широкое внедрение стандарта Matter;
• в крупных городах для уличного освещения выгодно применять LoRaWAN, в местностях с малой плотностью населения – NB-IOT;
• когда речь идет об установленных ранее и хорошо работающих до настоящего времени системах управления, использование IoT не должно быть самоцелью;
• «Интернет вещей» не обязательно требует использования облачных сервисов, даже не обязательно соединение с глобальной сетью;
• используемые много лет протоколы управления «умным» освещением постепенно эволюционируют в направлении «Интернета вещей», поэтому не стоит их сбрасывать со счетов.

Источник: Elec.ru \ Алексей Васильев