Protokoły komunikacji w Smart Home – czym się różnią?

Zaczynając przygodę ze Smart Home możemy dostrzec coś, co ciągle powtarza się i jest wręcz podstawą tego świata technologii. Mianowicie mowa tu o protokołach komunikacji bezprzewodowej między urządzeniami. Jakie protokoły są najpopularniejsze i czym się różnią? Wyjaśniamy!

Jeśli mówimy o smartfonach, tabletach czy laptopach, a nawet myszkach czy klawiaturach to często rozmawiamy o tych samych, popularnych protokołach komunikacji. Oczywiście chodzi o WiFi (dotyczy laptopów, smartfonów, tabletów), jak i o Bluetooth (dotyczy wszystkich podanych przykładów). Ale urządzenia Smart Home są diametralnie inne i też wykorzystują mniej znane formy komunikacji. Podczas budowania własnego systemu inteligentnego domu często musimy zdecydować się na jeden, maksymalnie dwa.

Dzisiaj skupimy się na takich protokołach jak:

• WiFi
• Bluetooth
• ZigBee
• Z-Wave
• Matter

Jak działa ZigBee?

Zaczniemy od protokołu, który stricte dotyczy systemów Smart Home. W sklepie TECHWISH znajdziecie wiele produktów działających w oparciu o ZigBee i trzeba przyznać, że jest to całkiem dobry wybór. ZigBee to mocno rozpowszechniony protokół, który działa na częstotliwościach 2,4 GHz (IEEE 802.15.4) – tak jak WiFi, ale podobno ma z nim się „nie gryźć”. Korzystanie z ZigBee sprawia, że w naszym routerze nie rejestrujemy zbyt wielu urządzeń, co go finalnie nie obciąża.

ZigBee cechuje się również tym, że urządzenia podłączone do zasilania na stałe (na przykład smart gniazdka lub smart żarówki) mogą działać jako przekaźniki, repeatery. Tym samym tworzymy sobie sieć mesh ułatwiającą zbudowanie rozległego systemu Smart Home. Jak to działa? Jeśli dany czujnik jest poza zasięgiem sieci bezprzewodowej bramki, to nie zadziała. Jednak jeśli pomiędzy tymi urządzeniami znajdzie się żarówka, to ta właśnie żarówka będzie przekazywać sygnał z czujnika do bramki. ZigBee nie ma limitów co do urządzeń tworzących mesh, przez co nasza sieć może być naprawdę ogromna.

ZigBee to też protokół niepotrzebujący dużej mocy. Tym samym bez żadnego problemu możemy kupić wiele czujników (na przykład otwarcia drzwi i okien lub temperatury i wilgoci) i te będą wiernie służyć przez wiele miesięcy (nawet kilka lat) bez potrzeby zmiany baterii. A sama bateria to natomiast najzwyklejsza guzikowa CR, która jest powszechnie dostępna w sklepach.

Zanim jednak zaczniemy kupować czujniki, żarówki i inne akcesoria, to musimy wyposażyć się w odpowiednią, wcześniej wspomnianą bramkę. Bramki (czy też koordynatory) to energooszczędne urządzenia, które potrafią komunikować się z poszczególnymi akcesoriami (wszak routery WiFi nie obsługują ZigBee). Bramkę następnie możemy podpiąć do właściwego routera WiFi (przewodowo lub bezprzewodowo), co daje nam dostęp do obsługi tychże gadżetów. Koordynatory mogą być różne – niektóre wpinamy bezpośrednio do gniazdka sieciowego, inne mogą być wpięte do routera, a jeszcze kolejne wyglądają jak karty sieciowe USB, które wpinamy do komputera będącego serwerem systemu Smart Home.

Niestety, ZigBee nie oferuje zbyt szybkich transferów danych. Na co dzień nie jest to tak potrzebne, bowiem zazwyczaj przesyłane informacje są niewielkie, więc wszystko jest momentalne. Można to jednak odczuć przy okazji aktualizacji firmware’u poszczególnych akcesoriów. Potrafi to trwać nawet 30-40 minut, czyli naprawdę długo.

Zalety ZigBee:

• Tworzenie sieci mesh przez urządzenia wpięte do stałego zasilania
• Niski pobór energii
• Szeroka powszechność i wybór akcesoriów wielu producentów
• Zgodność z Open Source
• Szyfrowanie AES-128
• Pozwala rozdzielić urządzenia od domowej sieci internetowej, co nie obciąża routera WiFi

Wady ZigBee:

• Wymaga dokupienia bramki
• Niska prędkość transmisji danych
• Pomimo, że to jest jeden protokół, to niekiedy urządzenia różnych producentów mogą ze sobą nie współpracować (można to obejść korzystając z Home Assistant)

Gdzie sprawdzi się ZigBee?

ZigBee będzie idealne wszędzie tam, gdzie zamierzamy zbudować domowy system Smart złożony z wielu urządzeń, w tym z czujników, oświetlenia, smart gniazdek, inteligentnych główek do grzejników czy innych, drobnych sprzętów. ZigBee pozwoli nam wydzielić urządzenia od sieci WiFi, a także sprawi, że mnóstwo sprzętów będzie działać wiele miesięcy na niewielkich bateriach bez potrzeby ich zmiany. Mało tego, ZigBee jest technologią cloudless, a więc nie wymaga do pracy wykorzystywania chmur zewnętrznych.

Co oferuje Z-Wave?

Z-Wave i ZigBee to protokoły, które często są wymieniane jako podobne. I faktycznie można tak powiedzieć, bowiem ogólny zamysł mają podobny (w tym wymagają dokupienia bramki), jednak działają znacznie inaczej. Z-Wave jest standardem własnościowym, za którym stoi firma Zensys. W przeciwieństwie do ZigBee, wykorzystywane tutaj częstotliwości są o wiele niższe i wahają się w przedziale 850~950 MHz. Tym samym nie występuje tu ryzyko zakłóceń ze względu na obecność sieci WiFi.

Częstotliwości sprawiają, że możemy zachować większe odległości pomiędzy urządzeniami w sieci, aby te dalej mogły się ze sobą komunikować. Sama w sobie komunikacja jest energooszczędna, więc w systemie Smart Home mogą znaleźć się urządzenia low-power. Z-Wave, podobnie jak ZigBee, obsługuje tworzenie sieci mesh, jednak jest ona ograniczona do 4 hopów. Sama sieć natomiast może zostać złożona z 232 urządzeń.

Tak samo jak w przypadku ZigBee, tak i tutaj ruch jest szyfrowany AES-128. Wraz z niskim zużyciem energii idzie też bardzo niska prędkość transferu danych – wolniejsza nawet niż w ZigBee. Ponadto urządzenia wykorzystujące Z-Wave muszą być certyfikowane, co z jednej strony zapewnia nas, że wszystko działa bardzo dobrze, ale z drugiej strony znacznie zwiększa cenę. Sprzęty oparte o protokół Z-Wave potrafią być naprawdę wysoko wycenione, zwłaszcza w porównaniu do konkurencji.

Zalety Z-Wave:

• Małe zapotrzebowanie na energię
• Można zachować spore odległości pomiędzy urządzeniami
• Częstotliwości, które nie zakłócają pracy innych sieci
• Tworzenie sieci kratowej
• Szyfrowanie AES-128
• Pozwala rozdzielić urządzenia od domowej sieci internetowej, co nie obciąża routera WiFi
• Certyfikacja urządzeń, dzięki czemu mamy pewność, że te są w pełni zgodne

Wady Z-Wave:

• Bardzo wolny transfer danych
• Sieć kratowa jest ograniczona tylko do 4 hopów
• Wysoka cena produktów wykorzystujących ten protokół
• Własnościowa technologia
• Wymaga dokupienia bramki

Gdzie sprawdzi się Z-Wave?

Z-Wave możemy w zasadzie potraktować jako zamiennik ZigBee. Podobnie jak przed chwilą opisywany protokół, tak i Z-Wave jest warty wykorzystywania w domu, gdzie znajduje się wiele czujników, a także smart gniazdka, oświetlenie czy główki od grzejników. Z-Wave pozwoli nam rozdzielić sprzęty inteligentnego domu od sieci WiFi. Sensory natomiast będą mogły działać bardzo długo bez potrzeby wymiany baterii.

WiFi w systemie Smart Home

Prawdopodobnie każdy z Was słyszał o tym protokole. Jest on niezwykle popularny i wykorzystywany przez wiele sprzętów, w tym smartfony, tablety czy laptopy. Niemalże każdy, kto ma internet stacjonarny, ma też router WiFi dający bezprzewodowy dostęp do internetu.

Tym samym omijamy pierwszy problem, czyli nie potrzebujemy żadnej bramki. Sam router tutaj wystarczy, aby budować własny system Smart Home. WiFi działa na częstotliwościach 2,4 GHz oraz 5 GHz, choć w przypadku akcesoriów smart zazwyczaj jest to właśnie 2,4 GHz. Na rynku znajdziemy mnóstwo sprzętów wyposażenia inteligentnego domu, które to pracują w oparciu o WiFi, a ich ceny są kuszące, często o wiele niższe niż w przypadku wcześniej wspomnianych protokołów. Cieszy też prędkość transferów danych, co sprawia, że na przykład aktualizacja firmware’u jest całkiem szybka.

Niestety, WiFi nie jest bez wad. Ten protokół jest całkiem prądożerny, przez co ciężko znaleźć akcesoria działające w oparciu o niewielkie baterie i to przez kilka lub kilkanaście miesięcy. Ponadto WiFi nie obsługuje budowy sieci kratowej z wykorzystaniem samych w sobie akcesoriów Smart Home. Do zbudowania meshu potrzebny jest specjalny sprzęt sieciowy, który potrafi być naprawdę drogi.

Mało tego, jak do routera podłączymy wiele urządzeń, to ten zacznie zwalniać, przycinać się. Jest to powszechne, że routery oferowane przez operatorów internetowych są po prostu za słabe na obsługę kilkudziesięciu urządzeń. W ogromnej liczbie przypadków urządzenia WiFi potrzebują zewnętrznej chmury do działania.

Zalety WiFi w Smart Home:

• Powszechność
• Brak potrzeby dokupowania bramki
• Niska cena urządzeń Smart Home
• Szybkie transfery danych

Wady WiFi w Smart Home:

• Duże zapotrzebowanie na energię
• Brak obsługi sieci mesh bez kupowania specjalnego sprzętu sieciowego
• Obciążanie domowego routera, co może utrudniać dostęp do internetu
• Potrzeba korzystania z zewnętrznej chmury do pracy

Gdzie sprawdzi się WiFi?

WiFi sprawdzi się w przypadku systemów inteligentnego domu zbudowanych z tylko kilku urządzeń. Wtedy to odejmujemy sobie wiele kosztów, bowiem nie musimy kupować chociażby koordynatora. Ponadto kilka dodatkowych sprzętów nie powinno być ogromnym obciążeniem dla domowej sieci WiFi.

WiFi jest też w zasadzie niezastąpione kiedy mowa o potrzebie zachowania szybkich prędkości transferu. Dlatego tak kamery internetowe, domowy monitoring czy inteligentne odkurzacze tak często działają w oparciu o WiFi. W tym segmencie za bardzo nie ma miejsca dla ZigBee czy Z-Wave.

Bluetooth w Smart Home?

Bluetooth to również technologia szeroko znana i dostępna w wielu urządzeniach niekoniecznie kojarzących się ze światem Smart Home. Mowa tu chociażby o peryferiach komputerowych czy słuchawkach. Jednak faktycznie odnajdziemy urządzenia wyposażenia inteligentnego domu, które działają w oparciu o Bluetooth.

Nie ma w tym nic dziwnego – Bluetooth sprawdza się w niektórych przypadkach całkiem dobrze. Pozostając jednak jeszcze w temacie samej sobie technologii, to ta pracuje na częstotliwości 2,4 GHz (IEEE 802.15.1). W przypadku urządzeń Smart Home zazwyczaj wykorzystujemy Bluetooth Low Energy (LE), które cechuje się niskim zużyciem prądu. Według specyfikacji, Bluetooth 4.0 LE ma pozwolić do 60 metrów zasięgu. Jest to jednak bardzo pozytywne podejście, a w rzeczywistości może to być zaledwie kilka metrów. Jest też szyfrowanie AES-128.

Co ciekawe, Bluetooth nie tak dawno temu również zaczęło obsługiwać budowanie sieci kratowych, aczkolwiek należy zaznaczyć, że nie jest to tak mocno ugruntowane jak w przypadku Z-Wave czy ZigBee. Ponadto do wykorzystywania Bluetooth nie jest potrzebna bramka, co znacznie ogranicza wydatki z naszej strony. Jednak warto zaznaczyć, że bez koordynatora lub innego urządzenia pośredniczącego nie będziemy mieli opcji zarządzania sprzętami Smart Home jeśli nie będziemy w ich zasięgu – to żegna jakąkolwiek obsługę zdalną.

Zalety Bluetooth w Smart Home:

• Bardzo niskie zużycie energii
• Szeroka powszechność klientów Bluetooth (na przykład komputery, smartfony)
• Brak potrzeby dokupowania bramki
• Niska ceny urządzeń wykorzystujących Bluetooth LE
• Urządzenia Bluetooth mogą być stale przenoszone i działać w bezpośrednim połączeniu z, na przykład, smartfonem

Wady Bluetooth w Smart Home:

• Niskie prędkości transferu (ale szybsze niż w ZigBee lub Z-Wave)
• Koordynator nie jest potrzebny, ale bez niego nie mamy dostępu do kontroli zdalnej
• Sieć kratowa nie działa tak sprawnie jak w przypadku Z-Wave czy ZigBee
• Niewielki zasięg
• Wykorzystywanie częstotliwości 2,4 GHz może powodować pewne zakłócenia w koegzystencji z WiFi i ZigBee. Urządzenia Bluetooth są szeroko wykorzystywane, co zwiększa ryzyko zakłóceń
• Bardzo powolna reakcja na komendy

Gdzie sprawdzi się Bluetooth?

Bluetooth warto wykorzystać zwłaszcza w przypadku tych urządzeń, które często przenosimy. O ile ZigBee czy Z-Wave tworzą całkiem trwałą sieć kratową i ponowne pozycjonowanie wprowadza do niej zmiany, tak Bluetooth w zasadzie nie ma takiego problemu. Ponadto BT może łączyć się bezpośrednio z naszym telefonem czy komputerem, bez potrzeby wykorzystywania bramki.

Dlatego też Bluetooth sprawdzi się w przypadku przenośnych urządzeń, na przykład mowa tu o inteligentnych szczoteczkach sonicznych czy podajnikach karmy dla zwierząt. Często też niektóre czujniki BT całkiem sprawnie działają. Nie warto jednak inwestować w takie sensory BT, gdzie liczy się szybka reakcja na wydaną komendę.

Matter – nowość, która zaraz zdobędzie rynek

O tej technologii powiemy sobie tylko w ramach ciekawostki, bowiem Matter 1.0 zadebiutował zaledwie kilkanaście dni temu. Ta otwartoźródłowa technologia ma rozwiązać problem braku interoperacyjności pomiędzy różnymi producentami Smart Home. Matter jednak nie jest dokładnie takim protokołem jak ZigBee, a raczej pewnym standardem, który ma wszystkie te technologie wymienione wyżej jakoś znormalizować. Do współpracy nad Matter dołączyło wiele marek, w tym Apple czy Aqara.

Matter do komunikacji wykorzystuje WiFi Thread oraz Bluetooth. Jako następna warstwa nałożona na pewne standardy ma sprawić, że będzie możliwa komunikacja w Smart Home pomiędzy nawet konkurencyjnymi rozwiązaniami. W zasadzie jest to coś, co aktualnie załatwia Home Assistant. Różnica jest jednak taka, że wszystkie urządzenia certyfikowane przez Matter muszą mieć funkcjonalność interoperacyjności. Już można znaleźć takie projekty jak Home Assistant SkyConnect, czyli specjalne bramki łączące obsługę ZigBee oraz Matter.

Urządzenia Matter też mają budować coś na wzór sieci kratowej. Ponadto sprzęty będą ze sobą współpracować bez dodatkowej chmury, co nie tylko zwiększa prywatność, ale też niezależność od dostawcy trzeciego. Podobnie możemy to rozwiązać również z Home Assistant, ale w tym przypadku jest to działanie wymagające pewnego zestawu umiejętności informatycznych.

Matter to nowość, która ma rozwiązać największy problem Smart Home, a mianowicie brak interoperacyjności. Aktualnie musimy obserwować rozwój i popularność tego standardu. Wiele marek zainteresowało się tą technologią i na przykład sprzęty Aqara dostaną odpowiednią aktualizację firmware’u wprowadzającą obsługę Matter.

Kategoria: Jak to działa