Как работает умный дом? Zigbee, Z-Wave, Matter, Thread. Разбор.

Слышали ли вы про пиджин и креольский язык. Нет? Давайте расскажу.

Пиджин и креольский язык возникают, когда встречаются люди разных культур и они вынуждены взаимодействовать (работать, торговать, и так далее). Но, при этом, они не знают языков друг друга.

Поначалу появляется грубый и быстрый жаргон, состоящий из кусочков разных языков. Такой язык называется «Пиджин». Он позволяет людям разных культур ладить, но практически лишён грамматической структуры как таковой. Это непрестижный, неофициальный жаргон рабочего класса.

Но потом первое поколение детей, рожденных в таком сообществе, берёт эти разрозненные куски языка и трансформирует их во что-то новое, с богатой естественной грамматикой и словарем. Получившийся язык называется креольским. И такой язык часто становится новым официальным национальным языком.

Тот же процесс сейчас происходит в мире интернета вещей. Все наши умные лампочки, датчики влажности, колонки с ассистентами работают на разных технологиях и говорят на разных языках. Когда же у них возникает необходимость общаться между собой девайсы переходят на неотесанный «пиджин».

Но сменяются поколения и появляется креольский язык, который объединит все девайсы интернета вещей в единую экосистему. Имя этому языку — Matter. Да, ребят, об этом мало кто говорит. В системах умного дома грядет революция, и сегодня мы подробно разберем что происходит.

Почему умный дом плохо работает?

В чём собственно проблема? Мы все попались на удочку!

Листая различные маркетплейсы, кликая на красивые рекламные баннеры, мы накупили себе кучу умных девайсов, которые сами по себе умные, но вместе они очень тупые. И многие из нас разочаровались, так и не познав, что есть умный дом на самом деле. Как так получилось?

Дело в том, что на текущий момент технологий умного дома есть несколько. Все эти технологии по-своему хороши, но между собой несовместимы.

И самое ужасное, что даже в рамках одного производителя бывает такое, что используются разные протоколы. В устройствах умного дома Xiaomi такое сплошь и рядом. Но это происходит не потому, что производители такие злые, а потому что ни одна из технологий не тянет на универсальное решение и приходится придумывать костыли.

Поговорим об этом подробнее. Сейчас самые популярные технологии — это Z-Wave, Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth и Thread. Обсудим каждую из них.

Z-Wave

Начнём с Z-Wave. Это с одной стороны отличный, проверенный временем стандарт, который существует с 1999 года.

Он всем хорош: безопасный, энергоэффективный, отказоустойчивый. Одна проблема — закрытый. По крайней мере он был закрыт на протяжении 20 лет — до 2019 года. Из-за этого устройств мало, а цена на них высокая. Плюс в разных странах Z-Wave работает на разных частотах, отчего выбор девайсов еще меньше. Поэтому Z-Wave в пролете.

• Россия: 869,0 МГц
• США: 908,42 МГц
• Европа и страны CEPT: 868,42 МГц
• Гонконг: 919,82 МГц
• Австралия и Новая Зеландия: 921,42 МГц

Недостатки Z-Wave:

• Закрытый стандарт (до 2019 г.)
• Небольшой выбор
• Высокая цена
• Разные частоты для разных регионов

Zigbee

Но есть альтернатива: ее название — Zigbee. Сейчас это самый распространённый и популярный IoT-стандарт. Он не уступает Z-Wave по надежности, отказоустойчивости и безопасности. Плюс ко всему, он открытый и с достаточно лояльной политикой сертификации. Поэтому устройств много, а цена на них ниже, чем у Z-Wave.

Но поскольку сертификация лояльная и никто строго за соблюдением гайдов не следит, есть проблемы с совместимостью между брендами. Поэтому Zigbee тоже не тянет на универсальный стандарт.

Недостатки Zigbee

• Лояльная сертификация
• Нет гарантии совместимости

Wi-Fi

Зато у нас есть Wi-Fi. Почему бы просто не использовать его? Ответ простой, Wi-Fi заточен на большую скорость передачи, но не на энергоэффективность. Поэтому он жрёт много энергии и не идеален для компактных устройств умного дома. Почему Wi-Fi всё же востребован в ряде случаев?

Простой пример – умные видеокамеры Netatmo. Передача потокового видео в 1080p требует хороших скоростей интернета, производительности и совместимости с большинством домашних роутеров. Но для умного дома это не очень подходит.

Bluetooth

Ну а Bluetooth, с его малым радиусом действия, для умного дома совсем не подходит.

Thread

Но есть еще один стандарт — Thread. Это новый, продвинутый и модный стандарт, на основе которого, например, работают Apple HomePod Mini, Google Nest Wifi и Nest Hub Max, а также свеженький Apple TV 4K.

Чем хорош Thread?

В отличии от старичков Z-Wave и Zigbee, Thread — это достаточно свежий стандарт. Он появился в 2014 году, то есть уже в то время, когда интернет, мобильные и облачные технологии обрели свою современную форму.

Поэтому Thread с одной стороны вобрал в себя все сильные стороны старых протоколов умного дома, а с другой умеет работать с интернетом и облаками. Поэтому про Thread давайте поговорим чуть подробнее.

Thread — это протокол беспроводной связи. Типа как Wi-Fi, он даже работает на той же частоте — 2,4 ГГц. Но только он потребляет очень мало энергии. Девайсы внутри сети Thread могут жить от одной круглой батарейки годами!

Плюс Thread — это mesh-сеть с функцией самовосстановления. То есть в отличие от Wi-Fi, в которой топология сети имеет структуру звезды, где девайсы взаимодействуют не напрямую, а через центральное устройство — роутер, сеть Thread имеет ячеистую топологию. Устройства общаются между собой напрямую, поэтому чем больше устройств, тем шире охват сети. А если какое-то из устройств выходит из строя — сеть автоматически перестраивается.

Круто да? Но на самом деле это не инновация, Zigbee и Z-Wave умеют также. Но вот ноу-хау Thread , это то, что он основан на интернет протоколе, причем 6-й версии — IPv6. Если не знаете что это, посмотрите наш материал. А конкретнее на вот таком стандарте: 6LoWPAN — IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks.

Это позволяет легко подключать девайсы к интернету и облачным сервисам. Например, в случае с ZigBee, для доступа в интернет нужно дополнительное устройство, которое бы выполняло роль IP-шлюза. А тут всё просто и бесшовно.

Но чем же тогда плох Thread? Почему про стандарт вообще ничего не слышно все эти годы? Дело в том, что стандарт не полный.

Модель OSI

В мире беспроводных стандартов умного дома для того, чтобы считаться полноценным стандартом нужно описывать как всё должно быть устроено на всех всех уровнях: начиная от частот, на которых всё будет работать, и заканчивая языком, на котором девайсы будут общаться.

Всего таких уровней 7, и называется это всё — модель OSI или Open Systems Interconnection.

7. Прикладной уровень (Application)

6. Уровень представления (Presentation)

5. Сеансовый уровень (Session).

4. Транспортный уровень (Transport)

3. Сетевой уровень (Network)

2. Канальный уровень (Data Link)

1. Физический уровень (Physical)

Но чтобы не перегружаться лишней информацией можно упростить модель до трёх уровней: физический, сетевой/транспортный и прикладной.

Упрощенная модель OSI (Open Systems Interconnection):

• Прикладной уровень (Application)
• Сетевой/транспортный уровень (Network/Transport)
• Физический уровень (Physical)

На физическом уровне определяется:

1. На какой частоте частоте будет работать устройство?
2. Как мы физически будем передавать сигнал?

Так вот на физическом уровне Thread использует международный стандарт радиосвязи IEEE 802.15.4.

Кстати, на точно таком же стандарте работает Zigbee — 802.15.4, и это важно, потом поймете почему. А пока двигаемся дальше.

Дальше идет сетевой и транспортный уровень. На нём определяется:

1. Как формируется сеть?
2. Какой у неё может быть размер?
3. Как подключаются девайсы?
4. Как шифруются сообщения?

Так вот как раз весь этот уровень и описывает протокол Thread. То есть Thread — это сетевой протокол.

Ну а завершает, эту пирамиду прикладной уровень, на котором определяется:

1. Какие бывают типы устройств?
2. Что такое включить? Выключить? И прочее…

То есть на прикладном уровне определяется язык общения между устройствами. А Thread вообще не описывает прикладной уровень. Именно поэтому без стороннего языка общения стандарт бесполезен.

Текущая ситуация

Итого, на текущий момент мы пришли к ситуации, в которой у нас есть очень популярные, но не идеальные Zigbee и Z-Wave. Мегараспространенные, но неподходящие для умного дома стандарты Wi-Fi и Bluetooth. И современный, но неполноценный стандарт Thread. И еще тысячи других стандартов, которые конкурируют между собой и света в конце туннеля не видно…

Проавильный умный дом

Так что же делать? Обрадую вас. В рамках монобрендовой экосистемы те же устройства на протоколе Zigbee работают прекрасно.

Давайте на практике. У нас есть стартовый комплект умного дома, который Legrand выпускает под брендом Netatmo. В комплекте — умная розетка, беспроводной выключатель, датчик движения. И еще отдельно добавим сюда мониторинг качества воздуха и камеру для интереса.

Чем хорош Legrand? У них много дизайнов, поэтому можно подобрать розетки и выключатели под свой интерьер. А под брендом Netatmo они выпускают массу умных девайсов: разные датчики, камеры с аксессуарами, системы безопасности, умные термоголовки для автоматического регулирования батарей. Короче, есть где разгуляться. Плюс у них простое классное приложение Home+Control, через которое всё настраивается и работает.

При помощи такого стартового пакета, много чего можно организовать: от банального управления освещением и, скажем, рольставней или штор, при помощи выключателей или голосового управления, до продвинутых сценариев по расписанию или событию. Можно например настроить сценарий освещения: день/ночь и переключаться между ними одним нажатием или голосовой командой. Можно даже следить за графиком энергопотребления или запускать имитацию присутствия дома по расписанию, если вы уехали в отпуск!

Поддерживаются голосовые ассистенты на любой вкус: Алиса, Google, Siri, Alexa и обещают добавить Марусю.

В целом, особенно если вы сейчас занимаетесь ремонтом, то умный дом Legrand — просто мастхев.

Но, главный бонус в том, что вскоре все эти девайсы умного дома Legrand, которые как часы работают между собой вскоре также хорошо будет работать и с устройствами других брендов — все девайсы официально сертифицированы Apple и легко добавляются в HomeKit, лишь необходимо отсканировать QR-код c устройств. Красота!

Более того, вскоре скажем через HomeKit, можно будет управлять умными девайсами от Googleи наоборот. А всё благодаря одному чуду, которое произошло в декабре 2019 года.

Рождение Matter (ex CHIP)

Что же случилось? Amazon, Apple, Google, Comcast и Zigbee Alliance объявили о создании проектной группы с целью разработки единого, открытого, роялти-фри стандарта для автоматизации умного дома, который они назвали Project Connected Home over IP или CHIP.

Новый стандарт должен был объединить все разрядные технологии в единое целое и конечно в итоге упростить разработку девайсов для умного дома, и сделать всё совместимым со всем. Звучит как утопия, но дальше события стали развиваться стремительно. К проекту присоединились сотни компаний, по большому счету все крупные игроки рынка, включая Samsung, Huawei, IKEA и конечно, Legrand!

А дальше Zigbee Alliance переименовался в Connectivity Standards Alliance. А Project CHIP переименовали в Matter.

А на всём этом фоне Z-Wave Alliance, который оказался чуть-чуть вне тусовки, впервые за 20 лет сделал свой стандарт открытым. Вот так в одночасье рынок умного дома полностью изменился. Но нас, естественно, волнует другое. Why Does It Matter? Как говорится. Извините, не удержался.

Как работает Matter

Давайте разберемся, как работает новая технология. По большому счёту Matter — это смесь всего, что было раньше.

В качестве основы был выбран Thread: оттуда взяли физический уровень, то есть стандарт 802.15.4. Это сетевой уровень, то есть сам Thread.

А вот в качестве языка общения, то есть прикладного уровня, взяли язык общения девайсов Zigbee. И очень прикольно его назвали Dotdot. На самом деле работы, чтобы подружить Dotdot и Thread велись с 2017 года, поэтому это проверенный технологический стек.

Но чтобы сделать воистину универсальный стандарт, ребята на этом не остановились и на физический с сетевым уровнями добавили поддержку: Ethernet, Wi-Fi и Bluetooth.

А на практике всё будет работать следующим образом: для подключения нового девайса будут использоваться Bluetooth. И это удобно, потому как новые девайсы можно будет подключить к сети прямо с мобильного. А дальше устройство подключается к сети либо по Wi-Fi, либо объединятся в Mesh-сеть при помощи Thread. Такая структура решает важную проблему: теперь устройства которым нужен постоянный быстрый канал связи могут свободно использовать Wi-Fi а всякие датчики, лампочки и прочие энергоэффективные устройства будут работать по Thread. Но при этом и Wi-Fi и Thread устройства смогут свободно общаться между собой при помощи одного языка — Dotdot, в рамках одной бесшовной сети.

И да — важный момент. Для объединения Wi-Fi и Thread понадобятся промежуточные девайсы, которые будут поддерживать обе технологии. В этом качестве будут выступать умные колонки, дисплеи или специальные маршрутизаторы, которые называются Border router. Наприме,  все текущие Nest-девайсы от Google, типа Nest Hub или Nest Mini после обновления прошивки станут такими маршрутизаторами.

Что будет со старыми девайсами?

Звучит супер, но возникает важный вопрос. А что теперь будет Zigbee, Z-wave и остальными умными девайсами. Что теперь выкидывать умные розетки, лампочки и датчики? На самом деле, ничего выкидывать не надо. Так или иначе, все старые девайсы можно будет использовать в новой экосистеме. В самом лучшем положении находятся Zigbee. Так как Zigbee, а точнее теперь это Connectivity Standards Alliance всем этим процессом и рулит и конечно они не забросят свое наследие.

Поскольку Matter и Zigbee построены на одном и том же физическом уровне, а именно стандарте 802.15.4, а также говорят на одном языке — Dotdot. Большинство девайсов можно будет обновить до Matter при помощи новой прошивки. Остальные же девайсы будут спокойно добавлены к сети при помощи бриджей, которых будет масса.

Поэтому если вы уже обустроили себе умный дом, то не нужно ничего выкидывать, всё обновится само собой. А если как раз планируете обустройство, лучше берите Zigbee-девайсы от членов CSA альянса. Например, устройства от Legrand. Эти ребята активно поддерживают проект Matter.

У них огромный выбор устройств под любой интерьер, рекомендую убедиться в этом самим.

С другой стороны с устройствами Z-Wave тоже не должно быть проблем. Владельцы Z-Wave — компания Silicon Labs также член альянса CSA. Они производят чипы и для Z-Wave и для Zigbee и для Matter в будущем. Поэтому проблем с объединением сетей Z-Wave и Matter через специальный шлюз не возникнет. Более того вы наконец сможете к своим Z-Wave девайсам подключить всё, что угодно! Короче, одни плюсы.

Выводы

Первые Matter-девайсы должны появиться уже скоро. Поддержка стандарта будет в iOS 15. Для iOS это вообще огромная победа, так как в HomeKit в одночасье появится поддержка массы разных устройств. А первым устройством от Apple, которое будет работать с Matter объявлено Apple TV 4K. Google в свою очередь добавляет поддержку в линейку Nest. И скорее всего, в Android поддержку тоже скоро завезут.

В итоге мы семимильными шагами движемся в будущее, в котором обычные не IoT-вещи будут как пережиток прошлого со своим ретрошармом. А вот умный дом станет обыденностью, которую мы перестанем замечать.

Post Views: 291