Komunikācijas tehnoloģijas

Kopš šī raksta sākotnējās versijas, ir pagājis “tikai” gads un mēnesis, bet pārlasot, redzu, ka ir notikušas pietiekami daudz izmaiņas, kas man lika to pārskatīt un papildināt.

Šobrīd vairs neaktuālās vai kļūdainās vietas ir dzēstas, papildinātais teksts zilā krāsā.

Šajā rakstā apskatīsim tehnoloģijas komunikācijai starp sensoriem/izpildierīcēm un koncentratoru (hub). Savukārt nākošajā rakstā pievērsīsimies IT platformām, kas tiek izmantotas vadības sistēmā.

Komunikāciju tehnoloģijas var būt vadu vai bezvadu. Tā kā pārsvarā mūsdienās tiek izmantotas bezvadu tehnoloģijas, tad par tām arī pamēģināsim  detalizētāk aprakstīt vidi.

Bezvadu tehnoloģijām ir vairāki parametri, pēc kurām tās ir klasificējamas un pēc kuriem ir jāveic nepieciešamās tehnoloģijas izvēle:

    • Darbības rādiuss – kurš nosaka kādā attālumā jāatrodas ierīcēm vienai no otras. Jāņem vērā, ka ļoti bieži uzrādītais rādiuss ir teorētiskais attālums bez sienām un citām konstrukcijām starp ierīcēm. Tā piemēram, manis izvēlētā tehnoloģija aprakstos uztur attālumu līdz 100m, bet man 2 stāvu mājā ar dzelzsbetona pārsedzēm vajadzēja ilgi meklēt vietu, kur novietot koncentratoru, lai visi sensori būtu “redzami”;
  • Tīkla topoloģija – nosaka kādā veidā visas ierīces savā starpā sazinās. Tipiskākā ir zvaigznes shēma, kad katrs sensors vai izpildierīce sazinās pa tiešo ar koncentratoru. Tīkla (mesh) slēgumā katra no ierīcēm var sazināties ar jebkuru no citām ierīcēm, tai skaitā koncentrātoru, nododot pa ķēdīti informāciju no tālākām ierīcēm koncentratoram;
  • Datu pārraides ātrums – kādu maksimālo datu apjomu ierīce spēj pārraidīt noteiktā laikā. Šeit ir jāņem vērā gan fiziskais pārraides ātrums, gan arī tehnoloģijas uzliktie limiti. Piemēram, industriālie protokoli 868Mhz diapazonā nosaka cik sekundes stundas laikā katra ierīce drīkst pārraidīt informāciju, kas būtiski samazina pārraidāmo datu apjomu noteiktā laika posmā.
  • Energopatēriņš – katra ierīce patērē elektrību un, tā kā pārsvarā sensori un izpildierīces izmanto baterijas, tad patēriņš ir svarīgs kritērijs tehnoloģijas izvēlē.
  • Pieejamība – cik izplatīta ir konkrētā tehnoloģija IoT (Internet of Things) pasaulē un cik plašs ir pieejamo sensoru un izpildierīču klāsts
  • Cena – tā kā daļa no tehnoloģijām ir slēgtas (Autortiesības pieder kādai kompānijai un ierīču ražotājiem ir jāiekļauj licenzes maksa katrai pārdotai vienībai) kā arī citiem faktoriem, sensori un izpildierīces, kas veic vienu un to pašu funkciju, bet komunicē izmantojot dažādas tehnoloģijas var vairākkārtīgi atškirties cenas ziņā.

 Kā jau ar jebko šajā pasaulē, ideālu risinājumu nav un daži no šiem parametriem iet viens pret otru. Piemēram, pie vienāda enerģijas patēriņa, palielinot darbības radiusu, samazināsies datu pārraides ātrums. Vai arī, saglabājot ātrumu, pie lielākiem attālumiem pieaugs enerģijas patēriņš.

Ok, pietiek par teoriju, apskatīsim vairākas poulārākās komunikāciju tehnoloģijas, kas vienā vai otrā veidā tiek izmantotas gudrās mājas izveidē.

Wi-Fi

Wi-Fi ir viena no plašāk zināmajām bezvadu tehnoloģijām, ko izmantojam ikdienā. Diemžēl tai ir vairāki iemesli, kāpēc plaša izmantošana gudrās mājas izveidē nav praktiska:

  • Energo patēriņš – WiFi ierīces ir ar augstu elektrības patēriņu, tāpēc izmantot tās gadījumos, kad nepieciešama darbība no baterijām un nav nepieciešams liels pārsūtāmo datu apjoms, nav lietderīgi.
  • Cenas ierīcēm ar Wi-Fi komunikāciju iespēju, tipiski ir diapazona augšējā galā

Pozitīvais aspekts W-Fi izmantošanai ir tas, ka praktiski visās mājās ir pieejams bezvadu tīkls un nav nepieciešams atsevisķs koncentrators (hub) signālu novadīšanai līdz vadības sistēmai.

Wi-Fi kā komunikāciju tehnoloģija tiek pārsvarā izmantota gadījumos, kad ir nepieciešams pārraidīt lieus datu apjomus un/vai ir pieejama barošana no tīkla.

Viens no piemēriem Wi-Fi izmantošanai ir sienas termostats Nest, kur izstrādātāji ir izveidojuši izmantot zemsprieguma barošanu, kas, vismaz ASV, ir plaši izplatīta veco termostatu pieslēgumu vietās.

Bluetooth (Un Bluetooth Low Energy BLE)

 Oriģinālais Bluetooth protokols nebija piemērots gudrās mājas ierīču izmantošanai, jo tam ir salīdzinoši augsts enerģijas patēriņš. Tomēr kopš 2010. gada Bluetooth grupa ir ieviesusi jaunu Bluetooth protokolu Bluetooth Low Energy – BLE, kas saglabājot citus BT parametrus, patērē ievērojami mazāku enerģijas apjomu.

BLE strādā tajā pašā 2,4Ghz frekvenču diapazonā kā Bluetooth, bet ierīces nav savienojamas. Tomēr ir pietiekami daudz ražotāji, kas savās ierīcēs atbalsta abus protokolus.

Atsevisķi BLE ražotāji ir izlaiduši ierīces, kas spēj strādāt tīkla (mesh) slēgumā, kas nozīmē, ka ar vienu mobilā telefona komandu var, piemēram, izslēgt BLE spuldzes visā ēkā.

Man pašam, izvēloties tehnoloģiju, arguments pret BLE galvenokārt bija ierīču augstā cena, salīdzinot ar izvēlēto tehnoloģiju.

LoRa, SigFox un citi LPWAN protokoli

Low Power Wide Area Network jeb zema energopatēriņa tīklu tehnoloģijas pārsvarā tiek izmantotas gadījumos, kad nepieciešams nodrošināt datu pārraidi lielā attālumā un iekārtas parasti ir tādas, kuras vai nu atrodas ārpus telpām vai arī ir jāapkopo dati no plašas zonas apdzīvotās vietās (Gudrie elektroenerģijas vai ūdens skaitītāji piemēram).

Tīklus parasti izveido un uztur kompānijas, un par ierīču pieslēgšanu tam ir jāmaksā abonēšanas maksa. Piemēram, Latvijā Lattelecom ir palaidis LoRa tīklu.

Paša uzturētam tīklam mājas ietvaros ierīces ar šīm tehnoloģijām, manuprāt, nav vērts izmantot.

Pēdējā gada laikā aizvien vairāk kompānijas piedāvā NB-IoT ierīces un operatori nodrošina šo tīklu. Atšķirībā no LoRa un SigFox NB-IoT nestrādā brīvi pieejamā frekvenču diapazonā, bet gan licenzētos frekvenču diapazonos, ko izmanto GSM operatori 4G komunikācijām. Atšķirībā no 4G NB-IoT nodrošina zemu enerģijas patēriņu un ilgu ierīču darbības laiku no baterijas. Eiropā ir kompānijas, kas jau šodien piedāvā SIM kartes NB-IoT ierīcēm ar fiksētu maksu kas ir aptuveni 10EUR robežās un nodrošina līdz 500Mb pārraidi 10 gadu laikā, kas var būt pietiekami atsevišķiem risinājumiem, skat, piemēram 1NCE.

ZigBee, Z-Wave u.c.

Šos gudro ierīču protokolus ir izstrādājušas vai nu atsevišķas kompānijas vai aliances, un to apvienojošie parametri ir pārraide attālumos līdz 100 metriem ar datu pārraides ātrumu no pāris kilobitiem sekundē līdz 100 kilobitiem  sekundē.

ZigBee ir kompāniju aliance un pašreiz šis varētu būt no tehnoloģiju grupas izplatītākais protokols. Ir vairāki ražotāji, kas ražo mikročipus šim protokolam. Tomēr,  uz šī raksta tapšanas brīža alianses lapā ir minēti 63 produkti, kas ir sertificēti. Manuprāt, tas ir ļoti maz. Pēdējā gada laikā sertificēto ierīču skaits ir pieaudzis no 63 līdz 2055!

Uz pašreizējo brīdi ZigBee viennozīmīgi ir izskatāms kā viens no galvenajiem pretendentiem uz “de facto” standarta protokolu gudrās mājas risinājumiem un pārsvarā visi HUBi to izmanto. To skaitā ir Amazon Echo Plus, Philips Hue, Samsung SmartThings (Kuram ir gan arī Z-Wave atbalsts), u.c.

Z-Wave ir Sigma Designs izstrādāta tehnoloģija, un čipus tai ražo tikai paši Sigma Design. No otras puses ir daudzas kompānijas, kas savos produktos ir iestrādājušas šos čipus un atbalsta tehnoloģiju., piemēram, pašreiz populārais Amazon Echo  Lapā minēto ierīčo skaits ir virs 100.

“Slēgtie” protokoli

Kā pēdējo, no apskatāmajām grupām, gribu apskatīt sevis paša izvēlēto “slēgto” protokolu. Pēdiņās šo terminu lietoju jo, lai gan no vienas puses, tie ir slēgti protokoli, bet no otras tie izmanto atvērtas standarta frekvences datu pārraidei un ir pietiekami plaši dokumentēti, tādējādi ļaujot entuziastiem veidot sistēmas, kas integrē ierīces ar šiem slēgtajiem protokoliem.

Pasaulē  un Eiropā ir vairākas frekvenču joslas zem 1Ghz, kuras var brīvi izmantot jebkura ierīce, ja tā iekļaujas noteiktos parametros. Ierīcēm ir jābūt ierobežotai pārraides jaudai un, parasti, tās nevar raidīt nepārtraukti, bet gan noteiktu laika sprīdi, piemēram, stundas laikā pārraide nevar notikt vairāk par 0.1%,  1% vai 10% (atkarībā no frekvenču joslas).

Populārākās frekvenču joslas ir ap 433Mhz un 868Mhz. Pat, ja mēs tikai nesen esam sākuši runāt par Gudro māju un ierīcēm, kas to veido, tad jau pietiekami sen, arī Latvijā mēs zinam, piemēram, termometrus, kuriem āra temperatūras mērīšanai ir bloks bez vadiem. Šie bloki visbiežāk komunicē tieši 433Mhz diapazonā.

Pa virsu šai nesējfrekvencei tiek kodēts binārs signāls, kas arī nodod informāciju. Šī signāla formāts ir katra ražotāja brīvi izvēlēts un tieši tāpēc viena ražotāja temperatūras sensors, visticamāk, nestrādās ar cita ražotāja bāzes staciju. Labā ziņa ir tāda, ka, izmantojot vienkāršu un lētu aparatūru, signāus var “noklausīties” un mēģināt atšifrēt to formātu, lai izveidotu ierīces, kas spēj saprasties ar dažādu ražotāju sensoriem.

Tāpēc arī, izskatot visus iespējamos risinājumus, nolēmu savu gudro māju veidot izmantojot šādu “slēgto” tehnoloģiju. No dažādiem ražotājiem ir pieejams plašs ierīču loks, tās ir pieejamas cenā un, pameklējot forumos, sapratu, ka ļoti daudzām jau ir pieejami gan datu pārraides protokola atšifrējumi, kā arī tie ir integrēti manis izvēlētā pārvaldes sistēmā.

Tieši šo datu pārraidei arī izmantoju Mistisko CUL.

Tik nu daudz par tehnoloģiju protokoliem. Kā vienmēr, gaidu jūsu komentārus un novēlu visiem jums Laimīgu 2018. gadu kaut nedaudz gudrākā mājā!!!