Inteligentní domácí systémy vyžadují pro bezdrátové připojení zařízení rádiové připojení. Pro domácí automatizaci však neexistuje jen jeden, ale mnoho různých rádiových standardů. Zde vysvětlíme, proč tomu tak je a co to znamená pro design inteligentní domácnosti.
ZigBee & Co.: Co byste měli vědět o bezdrátových standardech Smart Home
- Bezdrátové připojení v inteligentní domácnosti musí přenášet data bezpečně a rychle při nízké spotřebě energie.
- WLAN nabízí vysokou přenosovou rychlost, ale vyžaduje hodně energie, a proto se bezdrátový standard v inteligentních domácnostech neuchytil.
- Senzory napájené z baterie, které odesílají malé množství dat, většinou používají ekonomické protokoly, jako jsou ZigBee, Z-Wave nebo EnOcean, které jsou stejně jako WLAN volně přístupné všem výrobcům.
- Kromě otevřených rádiových standardů existují také soukromé, jako je Homematic IP, které patří společnosti. Zařízení jsou pak kompatibilní pouze s vaším vlastním inteligentním domácím systémem nebo se systémy, které byly vyvinuty výrobcem. Tyto rádiové standardy jsou také označovány jako „proprietární“.
Proč jsou rádiové standardy důležité?
Každý, kdo se někdy zoufale pokoušel surfovat po internetu uprostřed lesa nebo na dálnici, ví, jaké důležité je stabilní rádiové spojení. Totéž platí pro inteligentní domácí zařízení, která by měla být schopna si navzájem vyměňovat informace v domácnosti bez rušení. Protože stejně jako smartphony, i radiové inteligentní domácí systémy komunikují pomocí elektromagnetických vln.
Rádiové standardy jako ZigBee, Z-Wave, WLAN nebo EnOcean jsou obecně založeny na modulaci rádia a mikrovln, které patří do nízkofrekvenční části elektromagnetického spektra. Vlna se změní tak, aby mohla přenášet informace (obrázky, jazyk, hudbu, text). V Německu vydává Federální síťová agentura frekvence pro rádiový provoz. Mnoho protokolů v oblasti inteligentního domácího rádia používá buď takzvané pásmo ISM (průmyslové, vědecké a lékařské pásmo) mezi 2,4 a 2,5 GHz nebo pásmo SRD (zařízení krátkého dosahu) mezi 863 a 870 MHz.
Bezdrátové standardy pro inteligentní domácnost se pohybují mezi rádiovými vlnami a infračerveným zářením.
Aby bylo možné ovládat zařízení inteligentní domácnosti pomocí smartphonu nebo tabletu, musí být rádiová frekvence inteligentní domácnosti převedena na signál WLAN. Proto většina systémů pro inteligentní domácnost vyžaduje rádiový most (také bránu nebo řídicí centrum). Je připojen k routeru WLAN doma.
Jak se liší ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co.?
Bezdrátové připojení by mělo přenášet data bezpečně, rychle a bez rušení. Požadavky se však mění v závislosti na oblasti použití. Například s videokonferenčními systémy musí přepravovat obrovské množství dat. Snímače teploty nebo pohybu v inteligentních domácnostech naopak zasílají pouze malé datové pakety. Zde by bezdrátový standard měl fungovat především ekonomicky, aby baterie vydržely co nejdéle.
Šířka pásma
Rádiový standard používá určitý frekvenční rozsah. Šířka pásma ukazuje vzdálenost mezi horní a dolní frekvencí tohoto rozsahu. Například většina bezdrátových směrovačů používá frekvenční rozsah 2,4 až 2,4835 GHz. Šířka pásma je v tomto případě 83,5 MHz. Čím větší je šířka pásma, tím více dat lze přenášet.
kanály
Aby nedocházelo k rušení, mezi jedním kanálem a dalším musí být mezera. Pro sítě WLAN ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz jsou k dispozici čtyři nepřekrývající se kanály s šířkou kanálu 20 MHz a roztečí 5 MHz.
Přenosová
rychlost Přenosová rychlost je v bezdrátovém internetu velmi důležitá. Z tohoto důvodu se WLAN etablovala jako bezdrátový standard pro notebooky, PC a smartphony. Směrovače se standardním Wifi 5 (802.11 ac) spravují až 1300 Mbit / s. To je dost pro pohodlné streamování série. Bezdrátový standard Z-Wave Smart Home je v porovnání s 9,6 Kbit / s. To stačí k odesílání příkazů mezi přepínači a senzory.
U videochatů jsou nutné vysoké přenosové rychlosti. WLAN se zde velmi dobře hodí jako rádiový standard.
Dosah
Výrobci často určují dosah pod širým nebem pro bezdrátové připojení. V uzavřených místnostech však překážky zpomalují přenos elektromagnetických vln. Rádiovému přenosu brání zejména lehké konstrukční prvky ze sádrokartonu, stěny s ocelovými prvky a vodovodní potrubí. WLAN má teoretický dosah 300 metrů - v praxi však úroveň signálu klesá již po několika metrech. Frekvence rádiového signálu je také rozhodující: čím vyšší, tím nižší je dosah.
Bezpečnostní standard
Bezdrátový přenos je obzvláště náchylný ke krádeži dat. Z tohoto důvodu mají všechny bezdrátové standardy v bezdrátové síti Smart Home bezpečnostní protokol, který data šifruje. Žádný bezdrátový standard však není stoprocentně zabezpečen před útoky hackerů. Přečtěte si náš článek o tom: Jak bezpečný je inteligentní dům?
Proč hned nepoužívat WiFi pro všechna inteligentní domácí zařízení?
95 procent všech Němců má připojení k internetu, většina z nich má router WLAN. Proč tedy nepoužívat WLAN jako standard pro inteligentní domácí systémy? Existují různé důvody:
Vysoká spotřeba energie
Ve srovnání s jinými bezdrátovými připojeními má WLAN vysokou přenosovou rychlost. To také znamená, že WiFi zařízení spotřebovávají hodně energie. To je zvláště nevýhodné pro zařízení napájená z baterie. Velká šířka pásma a vysoká rychlost nejsou nutné pro malé senzory, které vysílají pouze krátké zprávy.
Překrývání
Především v bytových domech dochází k rušení, když příliš mnoho zařízení v sousedních sítích WLAN používá frekvenční rozsah 2,4 GHz.
Omezený dosah
Rušení signálu od jiných zařízení, která používají stejné frekvenční pásmo, také snižuje dosah rádiového spojení.
Jaký je rozdíl mezi otevřenými a proprietárními bezdrátovými standardy?
- Díky otevřeným rádiovým standardům, jako jsou ZigBee a Bluetooth, je technologie volně dostupná všem výrobcům. Několik společností často vyvíjí protokoly v zastřešující organizaci. Výhodou je vysoká úroveň kompatibility, dokonce is různými systémy inteligentních domácností. Homee je dobrým příkladem zcela otevřeného systému inteligentní domácnosti, ke kterému lze připojit všechna zařízení, která používají otevřené bezdrátové standardy.
- S proprietárními (uzavřenými) rádiovými standardy, jako je Homematic IP, vyvíjí výrobce vlastní protokol. Tím je zajištěno větší zabezpečení během přenosu dat. Zařízení Smart Home lze připojit pouze k zařízením od stejného výrobce. Tuto překážku lze obejít s příslušnou kompatibilitou pomocí „lepicích aplikací“, jako je IFTTT nebo aplikace Alexa.
- V případě otevřených rádiových standardů je kód protokolu open source. To znamená, že každý výrobce může provádět změny. Zařízení se stejným rádiovým standardem proto nemusí být nutně navzájem kompatibilní. Jelikož však mnoho výrobců chce, aby bylo možné jejich produkty připojit k co největšímu počtu různých systémů, je pravděpodobné, že budou kompatibilní.
Standardy inteligentního domácího rádia ve srovnání
|
Max. |
Široký dosah |
frekvenční |
Spotřeba |
aplikace |
Výrobce |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
BEZDRÁTOVÝ PŘÍSTUP K INTERNETU |
1 000 - 1 300 |
50 m |
2,4-2,48 GHz |
vysoký |
Bezdrátový |
Belkin WeMo DLink Tado Domovská stránka Google Netatmo prsten |
|
Bluetooth 5.0 |
1-3 Mbit / s |
10 m |
2,40-2,48 MHz |
nízký |
Inteligentní domácí zařízení | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
nízký |
Automatizace budov |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 Kbit / s |
30 m |
868 MHz |
nízký |
Automatizace budov |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Homee Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
velmi nízký |
Teplotní |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
Homematic |
9,6 kbit / s |
20-30 m |
868-869,52 MHz |
nízký |
Energetický |
HomeMatic Max! Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89 - 1,90 MHz |
nízký |
Automatizace budov |
Magenta Smart Home AVM Gigaset |
Rádiové standardy: výhody a nevýhody na první pohled
1. WLAN
Již v 70. letech se objevily pokusy vymyslet rádiové spojení pro rychlý přenos dat. V roce 1971 síť ALOHAnet propojila sedm počítačů na čtyřech různých havajských ostrovech pomocí rádiového protokolu Aloha. Rádiový protokol IEEE 802.11, který se dnes používá všude, existuje od roku 1997. O dva roky později byla vytvořena WiFi Alliance s cílem certifikovat zařízení WLAN a dále rozvíjet tuto technologii.
Inteligentní zvonek Ring komunikuje se zařízením Alexa přes WiFi.
funkčnost
- Současné WiFi sítě jsou založeny na rádiových standardech IEEE-802.11n a 802.11ac (WiFi 4 a WiFi 5).
- Teoretické přenosové rychlosti jsou 600 Mbit / s nebo 1 500 Mbit / s. V praxi je však rychlost dat nižší, protože mnoho směrovačů nemůže přijímat více datových proudů paralelně.
- Směrovače WLAN používají frekvenční pásmo 2,4 GHz se čtyřmi nepřekrývajícími se kanály, novější modely také používají frekvenční pásmo 5 GHz s 19 kanály.
výhody
- určitě
- vysoká přenosová rychlost
nevýhoda
- energeticky náročné
- Časté poruchy kvůli vysokému počtu uživatelů, zejména v pásmu 2,4 GHZ
- v 5GHz nižším rozsahu kvůli vysoké frekvenci
Aplikace
Navzdory svému hladu po energii hraje bezdrátový standard WLAN důležitou roli při zřizování inteligentního domu:
- při komunikaci mezi Smart Home Hub a routerem
- pro zařízení, jako jsou chytré televize a fotoaparáty, které přenášejí velké množství dat (videa)
Inteligentní domácí systémy s WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Domovská stránka Google
- Netatmo Smart Home
- Ring (inteligentní video zvonky)
2. Bluetooth s nízkou spotřebou energie (BLE, 5,0)
V roce 1998 Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba a Intel vyvinuly standard Bluetooth. V roce 1999 skupina Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) zveřejnila specifikace pro první protokol Bluetooth. V následujících letech se Bluetooth stalo jedním z nejdůležitějších rádiových standardů pro bezdrátový přenos mezi mobilními telefony a počítači nebo pro Bluetooth sluchátka. Od verze 4.0 dále využívá podstatně méně energie, proto název Low Energy (Bluetooth LE).
Díky krátkému dosahu je Bluetooth pro inteligentní domácnost méně vhodný. Rádiový standard je vhodnější pro poslech hudby prostřednictvím bezdrátových sluchátek.
Funkce
Bezdrátový standard Bluetooth využívá například bezdrátové pásmo ISM 2,402 až 2,480 GHz.
- Vysílací zařízení (hlavní) se synchronizuje s přijímacím zařízením (podřízeným). K tomu musí obě zařízení autorizovat připojení.
- Odesílatel a přijímač navazují spojení point-to-point v takzvané pico síti. Každé zařízení má 48bitovou adresu, která jej identifikuje.
- Vysílač mění frekvenci ve frekvenčním pásmu 1 600krát za sekundu (proces přeskakování frekvence). Přijímač snímá signály z vysílače každé 2 sekundy, dokud není navázáno spojení.
výhody
- široce používaný, tedy vysoká kompatibilita
- nízká energie
nevýhoda
- krátký dosah
- špatná stabilita
Aplikace
V oblasti domácí automatizace a zabezpečení se jen málo výrobců spoléhá na Bluetooth, ale je to jeden z předních bezdrátových standardů pro nositelná zařízení a zábavní elektroniku. Mezi užitečné aplikace v oblasti inteligentních domů patří elektronické zámky dveří a inteligentní otvírače garážových vrat.
3. ZigBee
V roce 2002 založily ZigBee Alliance různé společnosti. Rádiový standard má umožnit přenos dat v sítích s malým objemem dat a minimální spotřebou energie. V následujících letech se ZigBee etablovala jako přední technologie v průmyslové automatizaci, zejména pro ovládání spínačů a senzorů.
ZigBee je pro inteligentní domácnost předurčen kvůli nízké náchylnosti k poruchám. Philips Hue je mimo jiné založen na ZigBee jako inteligentním světle.
funkčnost
- Stejně jako Bluetooth používá ZigBee standard IEEE 802.15.4 a rozšiřuje protokol o tři vrstvy.
- V síťové síti nemusí jednotlivá inteligentní domácí zařízení nutně přijímat zprávy pouze z centrální brány. Každé zařízení se stává mnohem více síťovým uzlem a může přenášet informace. Například lampy a snímače teploty připojené k rozbočovači také vzájemně komunikují.
- Pokud dojde k poruše náboje, lampa stále přijímá povel „Pokračovat lampu“ od teplotního senzoru. Ve velkých bytech a domech s několika pokoji připojení obvykle funguje bez rušení i přes zdi.
Aplikace
Inteligentní domácí zařízení v domácí automatizaci, jako je inteligentní ovládání vytápění, čidla oken a dveří nebo světla, používají ZigBee nejvíce.
výhody
- nízká spotřeba energie
- nízká náchylnost k selhání
- vysoká distribuce, tedy velký výběr výrobců
nevýhoda
- žádný
Chytré domácí systémy se ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-Wave
V roce 1999 dánská společnost Zensys vyvinula rádiový standard Z-Wave jako patentovanou technologii. V roce 2005 založili různí výrobci Z-Wave Alliance, která má členy jako Huawei a Fibaro. Technologická společnost „Silicon Labs“ nyní vlastní práva na tuto technologii. Na konci roku 2019 společnost Silicon Labs oznámila, že chce ze Z-Wave udělat otevřený bezdrátový standard.
Z-Wave je velmi oblíbený u výrobců inteligentních domácích zařízení. Chytrý senzor od společnosti Fibaro měří pohyb, teplotu a světlo a je založen na bezdrátovém standardu Z-Wave.
funkčnost
- Data jsou přenášena ve frekvenčním rozsahu 868 MHz s frekvenčním posunem 20 kHz.
- Zařízení Z-Wave tvoří síť, která má jedinečné ID. Každé zařízení v síti má ID, které je definováno ve vestavěném čipu.
- Stejně jako u ZigBee, zařízení spolu komunikují v síti typu mesh, která se podobá opakovačům sítě. Bezdrátová síť běží plynuleji, čím více zařízení na elektřinu je integrováno do inteligentní domácnosti.
- Příjemce musí každou zprávu potvrdit.
výhody
- Nízké rušení díky použití frekvenčního pásma 868 MHz
- nízká spotřeba energie
- vysoká distribuce, tedy velký výběr výrobců
- Lze k sobě připojit až 232 zařízení
nevýhoda
- nízká přenosová rychlost, ale dostatečná pro malé senzory
Chytré domácí systémy s technologií Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
V roce 2001 společnost Siemens založila společnost EnOcean GmbH s cílem vyvinout protokol pro bezdrátovou komunikaci v průmyslu. EnOcean Alliance, založená v roce 2008, zahrnuje více než 400 společností, včetně společností Honeywell, IBM a Microsoft.
Zařízení Enocean generují své vlastní požadavky na elektřinu pouhým stisknutím tlačítka. Home Home's Smart Home je jedním ze způsobů, jak využít bezdrátový standard.
Jak to funguje
Bezdrátový standard EnOcean využívá principu získávání energie. Senzory nepotřebují baterii.
- Převodník energie generuje elektřinu z pohybu, jako je stisknutí spínače světla.
- Mini solární články jsou například napájeny elektřinou ze světelných zdrojů.
- Peltierovy prvky generují elektřinu prostřednictvím teplotních rozdílů, například mezi radiátorem a prostředím. Rozdíl teploty o dva stupně je dostačující.
výhody
- téměř žádná spotřeba energie
nevýhoda
- vhodné pouze pro malé senzory a malé množství dat
Aplikace
Velmi nízkoenergetický rádiový standard používají inteligentní domácí zařízení, která odesílají krátké zprávy nebo příkazy. Tyto jsou:
- Senzory pohybu nebo detektory pohybu
- Teplotní senzory
- Senzory CO2
Inteligentní domácí systémy s EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (bezpečnostní technologie)
- NodOn (detektor pohybu)
6. Homematic IP (BidCoS)
Za značkou Homematic IP stojí proprietární rádiový standard BidCoS (obousměrný komunikační standard). Vynálezcem je německá technologická společnost eQ-3, založená v roce 2007, která používá svůj standard Homematic IP pro vlastní inteligentní domácí systémy (Max!, Homematic), ale také jej dává k dispozici svým partnerům pro spolupráci Innogy a Qivicon. Qivicon je velká platforma pro inteligentní domácnosti, která je například základem také pro Qivicon / Magenta SmartHome.
Homematic IP je proprietární rádio, zařízení fungují na základě spolupráce, ale také s Magenta a Innogy.
funkčnost
- BidCoS je obousměrný protokol. To znamená, že příjemce musí vždy zprávu potvrdit.
- Rádiový standard přenáší data pomocí ověřování AES a 128bitového šifrování.
výhody
- vysoká bezpečnost
nevýhoda
- není kompatibilní s jinými systémy inteligentních domů (s výjimkou spolupracujících partnerů)
Inteligentní domácí systémy s Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Dect ULE
Rádiový standard DECT (pro digitální vylepšenou bezdrátovou komunikaci) se rozšířil již v 90. letech s příchodem bezdrátových telefonů. Varianta Ultra Low Energy (ULE) protokolu DECT je optimalizována pro nízkou spotřebu energie.
Zařízení Dect Ule lze ovládat přímo přes Fritz! Box. Například inteligentní zásuvka od AVM.
funkčnost
- DECT ULE nepředstavuje jediný protokol, ale mnoho protokolů od různých výrobců v pásmu 1 890 - 1 900 MHz.
- Aby mohla inteligentní domácí zařízení, která používají protokol DECT ULE, vzájemně komunikovat, potřebují bránu jako centrum pro příchozí a odchozí zprávy.
Použití
Rádiový standard se nepoužívá pouze pro telefony a routery, ale také pro inteligentní lampy a senzory.
výhody
- Nízké rušení díky vlastnímu frekvenčnímu pásmu
nevýhoda
- používá se poměrně zřídka
Inteligentní domácí systémy s Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Chytrý domov Gigaset Elements
Kombinujte různé standardy
Otevřeně navržené inteligentní domácí systémy nabízejí možnost kombinovat různé bezdrátové standardy. V řídicích centrech systémů, jako je Magenta nebo Homee, je integrována široká škála standardů pro inteligentní domácnosti.
„Lepicí aplikace“ jako IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant nebo Amazon Alexa také fungují jako most mezi inteligentními domácími zařízeními s různými bezdrátovými standardy. V zásadě se informace z různých aplikací vyhodnocují v centrální aplikaci. Například senzor D-Link vyšle zvukový signál, když senzor Arlo detekuje pohyb. Předpokladem je, aby jednotlivá zařízení byla kompatibilní s vybranou lepicí aplikací.
KNX-RF: Rozšiřte systém sběrnice o rádiová zařízení
U nových budov nebo následné instalace inteligentního domu ve staré budově mohou majitelé zvážit, zda chtějí implementovat ovládání inteligentního domu pomocí kabelové instalace namísto rádia. Napájecí kabel lze použít buď jako spojovací prvek (systém elektrického vedení), nebo jako samostatný systém sběrnice, který vede jako druhý řádek vedle elektrického vedení (systém KNX). Sběrnice KNX umožňuje integraci inteligentních domácích zařízení od různých výrobců a lze ji kombinovat s Powerline a Ethernet.
Pro systém KNX nyní existuje také hybridní řešení skládající se z drátových a rádiových zařízení, která lze ovládat prostřednictvím stejného uživatelského rozhraní. To je užitečné například k rozšíření kabelového inteligentního domu o další funkce. Odpovídající rádiový standard se nazývá KNX-RF. Čistou bezdrátovou inteligentní domácnost lze také implementovat pomocí této technologie, což je také možné u bezdrátových standardů ve výše uvedeném srovnání. Ale protože připojení a programování je poměrně složité, KNX-RF je zaměřen spíše na specialisty a majitele KNX, kteří chtějí kombinovat KNX a KNX-RF.