«Умный дом» — комплекс технических и программных решений, реализующих единую систему управления в жилом помещении, офисе или здании целиком. Такая система состоит из управляющих элементов и исполнительных устройств, объединенных общей программной платформой и протоколами работы. Далее мы рассмотрим одну из таких технологий: Z-Wave.
Именем Z-Wave обозначается применяемый в домашней автоматизации популярный протокол передачи данных по радиоканалу. Его отличительная особенность — полная стандартизация; это значит, что протокол охватывает все уровни модели OSI. Таким образом достигается полная совместимость устройств в гетерогенных сетях. Производитель оборудования значения не имеет: если оно поддерживает протокол, значит, совместимо с прочими устройствами сети.
История Z-Wave началась в 1999 году в Копенгагене, когда компания Zensys представила потребительскую версию удобной системы управления. Со временем она доросла до закрытой SoC-технологии контроллера домашней автоматизации, работающего на не лицензируемой частоте до 1 ГГц.
Краткая история версий аппаратной платформы:
Протокол закрытый, и до 2018 года он принадлежал компании Sigma Designs, которая лицензировала каждое выпускаемое Z-Wave устройство. В 2018 компания была приобретена фирмой Silicon Labs, являющейся теперь основным вендором чипов. SiLabs таким образом включила в свой арсенал еще одну беспроводную технологию к уже имеющимся.
Возможности Z-Wave:
Протокол разработан прежде всего для небольших жилых домов и квартир и рассчитан на сеть в 5–100 компонентов. Его можно отнести к формату «сделай сам»: пользователь может не искать готовые решения, а выбрать нужные элементы системы и настроить их под свои требования.
В Z-Wave данные передаются по радиоканалу частотой до 1 ГГц. Протокол оптимизирован для передачи простых сигналов управления (без задержек, что важно для устройств с быстрым откликом — выключателей, контроллеров яркости освещения и так далее). Относительно низкая частота (869 МГц в РФ) позволяет не тревожиться за перекрытие диапазона с сигналом Wi-Fi.
Важно выбирать именно предназначенные для России контроллеры и периферию, во избежание несовпадения или конфликта частот.
Все поддерживающие Z-Wave устройства объединяются в так называемую mesh network, или ячеистую сеть. Пример такой ячеистой топологии:
В Z-Wave она состоит из:
Контроллер анализирует состояние сети и выбирает оптимальный маршрут передачи. В последних версиях протокола заявлена устойчивая отправка сигнала на расстояние до 100 метров в пределах прямой видимости.
Пример простой маршрутизируемой сети Z-Wave: контроллер передает сигнал удаленному устройству через находящееся ближе промежуточное оборудование. Такой принцип позволяет создавать гибкие и устойчивые сетевые инфраструктуры.
Важно: в цепочке между источником (контроллером) и принимающим модулем может быть максимум 4 передающих узла.
Все элементы сети делятся на три типа:
В качестве ведомых обычно выступают фиксированные конечные устройства — переключатели, реле и контроллеры, выполняющие команду и отдающие статус ее исполнения. Маршрутизаторами нередко работают функционирующие на постоянном питании (но встречаются также и варианты на батарейках) элементы — датчики, термостаты и прочие.
Термостат Fibaro:
Технология обладает рядом безусловных достоинств:
Сердце «умного дома» — контроллер. Энтузиасты могут собрать и настроить его на популярной платформе Raspberry Pi: в продаже есть плата расширения RaZberry от российской Z-Wave.me. Она устанавливается в стандартную GPIO колодку и обеспечивает весь функционал системы. За программную часть отвечает установленное из репозиториев z-wave.me серверное ПО Z-Way.
После инсталляции платы «малинку» следует перезагрузить и поставить сервер. Минимальная установка:
$ wget https://storage.z-wave.me/z-way-server/z-way-3.0.3_armhf.deb
$ sudo dpkg -i z-way-3.0.3_armhf.deb
В таком случае разворачивается только серверная часть без удаленного доступа.
На storage.z-wave.me также доступны сборки ОС с предустановленным Z-Way. Разворачиваются они стандартным образом на SD-карту.
Можно просто запустить установочный скрипт:
$ wget -q -O - razberry.z-wave.me/install | sudo bash
После установки станет доступен интерфейс Z-Way Server, откуда можно будет приступать к подключению устройств и конфигурированию.
На рынке присутствуют готовые программно-аппаратные решения, не требующие манипуляций с установкой ПО. Таков, например, Fibaro Home Center 2, совместимый с Z-Wave устройствами. Это мощный хаб для «умного дома» на центральном процессоре Intel Atom, предоставляющий простой и удобный пользовательский интерфейс настроек системы.
Внешний вид:
Пример интерфейса:
Компания Fibaro также производит большой ассортимент совместимой с Z-Wave периферии.
Более доступное по цене решение есть у компании Z-Wave.me: она предлагает недорогой Z-Wave.Me Hub как основу для системы домашней автоматизации. Имеются в продаже и другие варианты оборудования.
Этот управляющий сетью Z-Wave контроллер отличается встроенным аккумулятором, обеспечивающим до 2 часов автономной работы.
Все производители работающей по данному протоколу техники объединены в глобальный консорциум Z-Wave Alliance. На сегодня в нем насчитывается более 300 членов. Среди них такие гиганты, как упомянутые Silicon Labs и Fibaro, Bosch и другие. Неполный список участников:
Велико и число предлагаемых аксессуаров — реле, переключателей, контроллеров и USB стиков для подсоединения различных устройств к сети «умного дома».
Интересно, что существуют проекты интеграции аппаратуры Z-Wave со сторонними сервисами, например, с Яндекс.Станцией и голосовым помощником «Алиса».
Помимо контроллеров, поддерживаемое Z-Wave оборудование можно разделить на следующие группы:
Построенный с их помощью на протоколе Z-Wave умный дом будет многофункциональным и удобным.
Z-Wave — интересная и перспективная технология «умного дома», с постоянно растущим сообществом и обилием поддерживаемых устройств. На этом протоколе можно создавать обширные, гибкие, легко конфигурируемые и изменяемые системы. Кроме того, нет нужды проектировать «умный дом» раз и навсегда, сразу приобретая все компоненты: необходимое докупается и ставится по мере востребованности, что позволяет сэкономить. А энтузиасты могут собрать экосистему «с нуля», не прибегая к готовым серверам вроде Fibaro HomeCenter, и подключить ее через плагины к другим хабам.
Но есть и определенные недостатки: