1. Проводные технологии

• Надёжность. Сегодня проводные коммуникации в системах автоматизации дома являются наиболее надёжными, поскольку для передачи сигнала используется специально выделенная и изолированная среда.
• Скорость отклика. Такие системы обладают большой скоростью отклика, что повышает тактильный комфорт при использовании. Если сигнал идет по специальным проводам, то скорость отклика высокая, так как эта система (правильно спроектированная) является помехозащищенной и надежной.
• Совместимость. При использовании проводных систем легче произвести интеграцию с оборудованием, отвечающим за поддержание климата, работу мультимедийных устройств. чем в беспроводных.
• Долгий срок службы. Система не имеет устройств на батарейках, которые требовали бы регулярной замены.
• Пожаробезопасность. Все выключатели являются слаботочными, электро- и пожаробезопасными.

Рассмотрим наиболее распространенные проводные среды передачи:

• RS-232/422/485 —это одни из первых представителей в данной области. Обладают скоростью передачи от 300 до 115 200 бит в секунду для RS-232 и до 10 Мбит в RS-422 и RS-485. В домашней автоматизации эти среды часто применяют в системах вентиляции и климат-контроля, видеокамерах, в подсистемах для бассейнов и ворот, считывателях RFID-меток. Большое количество бытовой техники поддерживает RS-232: телевизоры, CD/DVD/Blu-Ray-плееры и т. д.
• Ethernet — одна из самых удобных физическая среда на сегодня, за счёт лёгкой интеграции с уже существующими сетями. Этот факт одновременно является и недостатком, ведь в случае использования - устройства автоматизации зависят от работоспособности той сети, к которой подключены. Известны случаи «падения» системы автоматизации из-за сетевого шторма, вызванного вирусом. Кроме того, многие устройства не имеют защиты от атак методом перебора паролей. Поэтому многие установщики физически разграничивают сети и по объекту в одном и том же месте проходит две сети — для автоматизации и для передачи данных. Количество устройств автоматизации с Ethernet постоянно растет, а имея преобразователь из Ethernet в RS-232/422/485, CAN, LonWork, KNX, BackNet и т.д., можно свободно интегрировать эти устройства или шины в Ethernet. Поэтому Ethernet в системах домашней автоматизации является и главной связующей шиной для всех остальных систем.
• Силовая линия — весьма перспективная среда передачи, так как она есть везде, где подведено электричество, что очень удобно. На сегодня на рынке автоматизации присутствует X10, и хотя она не лишена недостатков – у неё есть своя аудитория
• Собственная шина. Огромное количество компаний изобрело собственную шину передачи данных: KNX, CAN, BacNet, BusPro, Domintell, HDL, LonWork и т.д. По сути это всё лишь вариации RS-485 или Ethernet, но более надёжные и предсказуемые. С одной стороны, таким образом производители борются за качество оборудования, которое изготавливают сторонние компании по лицензии. С другой — у собственной шины нет конкурентов. Главное достоинство подобного подхода — в отделении шины автоматизации от сети общего пользования, управление которое осуществляется через специальный шлюз-преобразователь.

В настоящий момент проводные коммуникации в системах автоматизации — это лучшее решение, так как они обеспечивают высокую надежность и скорость передачи данных. К их недостаткам можно отнести то, что при построении систем автоматизации, особенно «умных домов», большое количество времени тратится лишь на проектирование, прокладку и тестирование целостности проводных коммуникаций. Часто люди отказываются от автоматизации из-за того поздно задумались об этом, а для прокладки кабелей потребуется сделать ремонт повторно. В связи с этим объекты автоматизации проектируются и создаются во время чернового строительства или капитального ремонта.

Готовые системы от фирм производителей, на основе собственных шин, безусловно пользуются спросом, поскольку они являются наиболее надёжными, но это не имеет отношения к разработке в нашем случае, поскольку элементы системы чаще всего являются закрытыми и поддерживают лишь оборудование данной системы, что сильно сужает возможности для самостоятельной разработки из-за вопроса совместимости между модулями. К тому же подобные решения являются дорогостоящими и не подходят для массового потребителя. Можно смело заявить, что в России самыми популярными интерфейсами для самостоятельной разработки являются 1-wire, x-10 и Ethernet, в сочетании с RS-232/422/485. Связано это с низкой стоимостью и доступностью модулей системы, а также их сравнительно простой настройкой. Именно эти решения рассмотрим ниже.

1.1. Технология 1-wire

Технология 1-wire известна уже более 20 лет. Она широко применяется как в быту, так и в промышленных системах. 1-wire представляет из себя сеть, в которой к головному устройству через двухпроводный кабель подключается множество устройств, таких как разнообразные датчики, исполнительные ключи, счетчики, считыватели и многое другое. Один провод используется для передачи данных, а второй провод – возвратный. Топология такой сети - общая шина. Это означает, что один кабель проходит через все устройства. Впрочем, для небольших сетей возможна топология звездой. Большим преимуществом 1-wire является то, что многие, но не все, компоненты могут обходится без внешнего питания, работая от так называемого паразитного питания, забирая энергию из шины данных.

В качестве кабеля для 1-wire можно использовать и дешевый телефонный кабель, и недорогую витую пару. Из-за низких требований к качеству среды передачи возникают некоторые ограничения. Например, максимальная скорость передачи данных по технологии 1-wire в обычном режиме составляет 15,4Кбит/с (до 125Кбит в режиме Overdrive). Но, при использовании подобного решения для передачи команд ключам и приёма коротких ответов датчиков – выходит, что этого вполне достаточно для функционирования системы. Для контроля ошибок в протоколе 1-wire предусмотрена проверка контрольной суммы передаваемых пакетов - CRC.

К преимуществам 1-wire относятся:

• Низкие требования к кабелям и низкая стоимость и простота компонентов
• Большая протяженность линии
• Простая и понятная архитектура сети
• Открытость протокола и доступность ПО для программирования
• Возможность в определенных ситуациях обходиться без питания

Недостатки 1-wire:

• Низкая скорость передачи данных
• Обязательное наличие мастера, ведущего сети

Остановимся подробнее на недостатках подобной сети. Компоненты 1-wire не могут без специального запроса посылать в сеть данные и не могут общаться друг с другом без "активного" ведущего. Элементы сети являются всегда ведомыми, а мастер в сети 1-wire только один. Только он управляет работой сети и подключенных к сети устройств. Он может по-разному работать с подчиненными устройствами, в зависимости от выбранного ПО, но только он может опросить состояние конкретного элемента, а также послать запрос на получение от этого элемента какой-либо информации. Например, если поставлена задача в режиме реального времени выводить значение температуры с множества датчиков, то мастер сети в цикле будет по очереди опрашивать эти датчики. Отвечать мастеру по сети может только одно устройство, что является причиной низкой скорости.

Безусловно, такая схема по типу master-slave (ведущий-ведомый) не является надёжной, ведь при неисправности ведущего или проблемах с ПО система перестаёт функционировать. Для увеличения надёжности 1-wire системы требуется использование МК или промышленных контроллеров, а также более тщательная работа с кабелями и модулями. А если рассматривать другие шины и протоколы, такие как Modbus или CAN, то безусловно, с точки зрения надежности они лучше, но они значительно сложнее в управлении. Готовые решения на базе шин существуют, но, как и было сказано выше – они очень дороги.

1.2. Технология Х10.

Технология Х10 была изобретена и запатентована в конце 70-х годов инженерной фирмой PICO Electronics, со штаб-квартирой в Англии. Инженеры PICO впоследствии перебазировались в Нью-Йорк, и продолжили свои работы по развитию методов дистанционного управления проигрывателями, используя готовую электропроводку для передачи сигналов. После выполнения девяти экспериментальных проектов именно десятый оказался наиболее успешным (отсюда название Х10) и именно его результаты определили стандарт передачи сигналов по силовой электропроводке. Группа разработчиков Х10 назвала свою новую компанию по автоматизации домов X10 USA (X10 Inc).

X10 осуществляет передачу управляющих сигналов-команд по силовой электропроводке непосредственно на электронные модули, к которым подключены управляемые электробытовые и осветительные приборы. Всего в такую сеть может быть объединено до 256 групп устройств с разными адресами.

Классификация устройств с точки зрения логики:

• Контроллеры отвечают за генерацию команд.
• Исполнительный модуль, выполняя команды, передаваемые тем или иным контроллером, управляет коммутацией электропитания бытового или осветительного прибора, играя роль «умного» выключателя.

Классификация устройств с функциональной точки зрения:

• Передатчики позволяют передавать специальные коды команд в формате Х10 по электросети. Такими устройствами являются: таймеры, посылающие сигналы в нужное время; модули, выполняющие заданные программы по управлению электроприборами; датчики температуры, освещенности, движения и др., которые при наступлении определенных событий посылают соответствующие сигналы приемникам.
• Приемники принимают команды Х10 и выполняют их: включают или выключают свет, регулируют освещенность и т.д. На каждом приемнике имеются селекторы установки его адреса: 16 возможных кодов дома (А - P) и 16 возможных кодов модуля (1 -16), то есть всего 256 различных адресов. Несколько приемников могут иметь тот же адрес, в этом случае они управляются одновременно.
• Трансиверы - принимают сигналы от инфракрасных или радио пультов дистанционного управления и передают их в электросеть, преобразовав в формат Х10.
• Пульты ДУ- обеспечивают дистанционное управление устройствами Х10 по ИК или радио каналам. Наиболее удобны универсальные пульты ДУ, с их помощью можно управлять как устройствами Х10, так и аудио/ видео аппаратурой.
• Линейное оборудование - повторители/ретрансляторы сигналов, фильтры скачков напряжения или тока, противопомеховые фильтры, блокираторы сигналов. Эти устройства используются для повышения надежности и безотказности системы в целом. Хотя в простых системах возможно достижение прекрасных результатов и без использования этих средств, но всегда лучше подстраховаться.
• Измерительное оборудование - используется для измерения уровней полезных сигналов Х10 и помех в электросети при выполнении монтажных и пуско-наладочных работ.

Достоинства:

• Х10 позволяет реализовать многие функции интеллектуального дома за доступные средства: стоимость минимального комплекта составляет порядка $200, а далее система легко расширяется установкой дополнительных модулей стоимостью от $30.
• Большинство устройств X10 не требуют прокладки дополнительных проводов и после включения в стандартные розетки готовы к работе.
• Для начального уровня автоматизации квартиры не требуется никаких специальных знаний и навыков.
• Большое количество совместимых устройств. X10 Inc., Leviton, Marmitek, IBM, SmartLinc, PowerHouse и другие.

Недостатки протокола Х10 и борьба с ними:

• Низкая скорость передачи информации
• Низкая помехозащищенность
• Проблема ложного срабатывания
• Отсутствие обратной связи приемника с передатчиком
• Вероятность конфликта устройств X10 разных производителей
• Возможность несанкционированного доступа к устройствам X10 по электросети

1.3. Технология Ethernet

Эта технология является очень хорошо документированной: существует огромное количество контроллеров, микропроцессоров, отдельных чипов, готовых устройств со встроенным Ethernet, а порт свободно интегрируется в бытовую технику, телевизоры, плееры, ресиверы, не говоря уже о компьютерах. Минимальная скорость передачи данных составляет 10/100 Мбит/с, чего более чем достаточно для любых задач домашней автоматизации. Технология Ethernet обладает хорошей помехозащищенностью и надежностью при немалой для дома длине сегментов. В технологию заложены все необходимые механизмы разрешения "коллизий", контроля целостности передачи данных. Устройства для "умной" организации сети (коммутаторы, маршрутизаторы) продаются в любом магазине практически за копейки. Фактически Ethernet сейчас является если и не главным, то одним из основных стандартов для организации высокоскоростного обмена информации между различными устройствами как дома, так и в офисе. Кроме этого, меня в технологии Ethernet интересовал не только и не столько физический уровень модели данных, сколько сетевой и транспортный. Не секрет, что Ethernet чаще всего используют вместе с протоколами TCP/IP.

Управлять устройствами можно как напрямую, так и посредством специального контроллера (сервера), который бы мог сделать такое управление более комфортным, включая продвинутые возможности Web-интерфейса (Ajax, Flash). Это очень важный момент, так как в Ethernet нет обязательного мастера сети и все устройства могут общаться друг с другом напрямую и остаются доступными для управления в случае каких-то неполадок с основным контроллером.

Многие крупнейшие в мире компании, предлагающие системы домашней автоматизации, постепенно переводят линейки своих продуктов на технологии Ethernet и TCP/IP, так как это удобно, быстро, относительно дешево и просто. Кроме того, розетки, разъемы, кабели UTP/STP/FTP, стойки, аксессуары, коробы, инструмент - все это доступно в любой точке мира, что позволяет недорого и быстро разворачивать системы какой угодно сложности.

Топологией современных сетей на базе Ethernet является звезда. Это означает, что необходимо к каждому устройству вести свой кабель. В этом есть определенный недостаток, так как в доме с уже готовой отделкой такая автоматизация выглядит затруднительной.

Мы рассмотрели проводные решения для системы автоматизации и увидели, что они являются действительно надёжными способами передачи и отлично подходят для автоматизации дома, но перед нами поставлена задача построения беспроводной системы, поэтому перейдём непосредственно к решению нашего вопроса.