Беспроводное управление светом в помещениях: ZigBee и альтернативные системы

Опубликовано: 5 октября 2015 г. в 15:39, 187 просмотровКомментировать

Управление освещением по радиоволнам соответствует динамике современного бизнеса, для которой обилие проводов уже неприемлемо. Наиболее известен протокол ZigBee, который, тем не менее, не лишен некоторых недостатков. Поэтому, наряду с ним, существуют и альтернативные протоколы, которые оказываются более удобными для ряда применений. В этой статье мы сравним три протокола, одним из которых будет ZigBee, и посмотрим, где альтернативные ему решения дают выигрыш.

Необходимость использования беспроводного управления освещением в помещениях может возникнуть по самым разнообразным причинам. Самая простая из них — стоимость прокладки и обслуживания кабелей для передачи сигналов управления оказывается дороже установки беспроводных модулей. Данная ситуация особенно часто возникает в производственных цехах, в офисах коммерческих фирм, а также в государственных учреждениях, нередко располагающихся в зданиях старой постройки. Другая причина — условия, выставляемые арендодателем. Зачастую он не разрешает арендатору офиса штробить стены, прокладывать какие-либо кабели и производить другие работы, которые требуются при установке проводной системы управления. Это сдерживает применение современных систем освещения, позволяющих значительно снизить платежи за электроэнергию. Тем не менее, арендодатель может разрешить установку современных светильников на посадочные места от использовавшихся ранее осветительных приборов, если же добавить к ним беспроводные модули, то проблема создания системы управления решена. Наконец, для современного бизнеса характерен стремительный темп изменений, в результате назначение помещений и размещение сотрудников в них часто меняются, перекладывать каждый раз провода в таком случае весьма накладно.

Современные беспроводные системы управления освещением, как правило, строятся по принципу mesh- сети. Такой способ построения сети подразумевает, что каждый беспроводной модуль на управляемом устройстве одновременно является приемником, передатчиком и маршрутизатором. Принятые модулем пакеты данных могут, при необходимости, ретранслироваться на другие модули. Благодаря «умной» сети определяются оптимальные маршруты передачи данных. К преимуществам mesh-сети можно отнести устойчивость к действию локальных помех (если между двумя точками сети в данный момент передача данных невозможна, автоматически ищутся обходные пути), а также низкая мощность передатчиков, так как сигнал должен доходить только до соседних модулей, а не до всех точек помещения.

Низкая мощность передатчика в mesh-сетях позволяет создавать по-настоящему беспроводные органы управления. Например, возможно создание выключателя освещения с автономным питанием, батарейку в котором нужно менять раз в год. Такой выключатель можно размещать где угодно, в зависимости от текущего размещения сотрудников в офисе.

Беспроводные системы управления освещением позволяют реализовать дополнительную функцию — определение местоположения светильника. Эти данные вычисляются на основе взаимодействия модулей (базовых станций). Такая возможность реализована в системе МЕ6, разработанной российскими специалистами. В ней размещение светильников автоматически наносится на план помещения, что упрощает монтаж и обслуживание оборудования. Возможность определения автоматического местоположения светильника без дополнительной аппаратуры, только средствами модулей (базовых станций), является еще одним преимуществом беспроводных систем. В проводных системах реализация такой функции требует установки на светильники специальных датчиков.

ZigBee

Технология беспроводной передачи данных для мониторинга и управления, в том числе и для систем «умного дома». В основе ZigBee лежит международный стандарт IEEE 802.15.4, первая версия которого была выпущена в 2003 году. Интересно, что изначально одним из применений данного стандарта было управление освещением, большую роль в его развитии сыграла компания Philips Lighting. Стандарт IEEE 802.15.4 не тождественен ZigBee, на его основе, помимо данной технологии, создано еще несколько протоколов, например, WirelessHART для медицинских, промышленных и научных применений. ZigBee развивается ассоциацией ZigBee Alliance, включающей в себя более 400 компаний, которые заинтересованы в применении IEEE 802.15.4 в первую очередь в системах «умного дома». Тем не менее, технология ZigBee нашла широкое применение и для управления освещением на производстве.

Для тех или иных приложений стандарт ZigBee предлагает 10 профилей, одним из которых является ZigBee Light Link, специально предназначенный для освещения. Отличительной особенностью его является работа системы без единого центра координации сети. ZigBee Light Link позволяет объединять в единую сеть светильники, органы управления (от простейших выключателей до продвинутых сенсорных панелей), датчики движения и освещенности. Для установки нового светильника требуется лишь нажать специальную кнопку на подключенном к нему контроллере, автоматически будет определено наличие органов управления и то, как они могут взаимодействовать со светильником. Важно, что модули профиля ZigBee Light Link могут работать в качестве ретрансляторов для сетей ZigBee с другими профилями.

По сути, профиль Light Link позволяет создавать беспроводные системы освещения, управляющиеся через пользовательские интерфейсы, уже привычные нам по проводным системам (например, тот же диммер с вращающейся ручкой). Но в том случае, если вам потребуется более сложная система управления с организацией рабочего места оператора, которому выводится на дисплей карта расположения светильников, придется использовать более общий профиль Home Automation, с которым, впрочем, Light Link совместим.

При наличии таких преимуществ, как широкий набор функций и простота установки оборудования, ZigBee не лишен недостатков. Чипы дешевы в производстве, но с каждого чипа приходится платить ZigBee Alliance лицензионные отчисления, значительно превышающие затраты на изготовление микросхемы. Поскольку чипы ZigBee от разных производителей не полностью совместимы, приходится покупать для каждого чипа коммерческий SDK для разработки системы управления. Все это увеличивает стоимость системы.

Другой проблемой является то, что во многих странах мира, в том числе и в России, для ZigBee отведен диапазон 2,4 ГГц, в котором что только не работает. Это может вызывать проблемы при использовании ZigBee на производстве, например, в цехах, где установлены промышленные СВЧ печи, также использующие частоту 2,4 ГГц.

Z-Wave

Данная технология развивалась параллельно ZigBee, хотя первая коммерческая реализация появилась несколько раньше — в 2001 году. Поэтому, строго говоря, ZigBee изначально появилась как альтернатива Z-Wave, а не наоборот.

Как и ZigBee, технология Z-Wave развивается консорциумом компаний. Z-Wave Alliance включает в себя около 250 фирм. Но производством чипов занимаются только две компании — Sigma Designs и Mitsumi. Производителей же чипов ZigBee значительно больше.

Наличие только двух производителей позволило обеспечить практически полную совместимость чипов для Z-Wave. В свою очередь, это позволило создать для разработчиков бесплатный SDK с открытым кодом, подходящий для чипов обоих производителей. То есть из расходов на создание систем управления освещением на базе технологии Z-Wave как минимум исключается стоимость SDK.

Применительно к России преимуществом Z-Wave является использование в нашей стране для этой технологии диапазона 869 МГц, практического свободного от помех. Недостатком Z-Wave является более низкое максимальное значение скорости передачи данных по сравнению с ZigBee — 100 кбит/с против 250 кбит/с. Впрочем, для задач управления освещением это несущественно.

Светильники в систему на основе Z-Wave добавлять так же просто, как и в систему на основе ZigBee. Но есть одно важное отличие — в Z-Wave обязательно наличие главного контроллера, обладающего полной таблицей маршрутизации, когда в профиле ZigBee LightLink наличие единого координирующего центра сети не требуется. Мало того, развитие Z-Wave идет в направлении увеличения нагрузки на центральный контроллер, что нашло свое отражение в новой версии стандарта Z-Wave Plus.

Частотный диапазон, свободный от помех, а также наличие SDK с открытым исходным кодом, казалось бы, должны способствовать широкому использованию Z-Wave для управления освещением на производстве. Но в реальности этого так и не произошло. Во-первых, в крупнейших промышленных державах, таких, как США, Япония и Китай ZigBee работает на частотах, отличных от 2,4 ГГц. А, во-вторых, Z-Wave изначально разрабатывался для бытовых, в крайнем случае, офисных применений и решения на его основе сложно масштабировать на большие промышленные цеха.

МЕ6

Система, разработанная в 2014 году российскими специалистами из компании Deus, в отличие от зарубежных аналогов, изначально ориентирована на облачные вычисления. Название МЕ6 образовано от слов Mesh (т.е. mesh-сеть) и 6L0WPAN. Аббревиатура 6L0WPAN образована от английских слов IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks, что в переводе означает «IPv6 через маломощные беспроводные сети ближнего действия). IPv6 — это новая версия IP-протокола, лежащего в основе Интернета. Технология 6L0WPAN позволяет организовывать передачу пакетов данных согласно IPv6 поверх беспроводных сетей стандарта IEEE 802.15.4, применение которого, как отмечалось, не ограничивается технологией ZigBee.

Важное преимущество МЕ6 — использование оригинального, лицензионно чистого протокола, что позволяет не платить отчисления ZigBee Alliance. В свою очередь, это стало одним из факторов, почему оборудование для МЕ6 стоит в 2-2,5 раза дешевле, чем аналогичное для ZigBee. В то же время, тот факт, что МЕ6 также базируется на IEEE 802.15.4, позволяет использовать для производства на Тайване те же производственные мощности, который задействованы для изготовления оборудования для ZigBee.

Технология

ZigBee

Z-Wave

МЕ6

Стандарт

IEEE 802.15.4

ITU-T G.9959

IEEE 802.15.4

Рабочий диапазон (в России)

2,4 ГГц

869 МГц

2,4 ГГц

Управление сетью

главный контроллер/распределенное

главный контроллер

облачный сервис

Светодиодные драйверы со встроенной поддержкой технологии

да

нет

да

Управление другими устройствами, не только светильниками

да

да

нет(планируется в будущем)

Разработчик

ZigBee Alliance

Z-Wave Alliance

DEUS

МЕ6 использует для связи тотже диапазон, что и ZigBee — 2,4 ГГц, поэтому оборудование не требует получения специальной лицензии. Проблема загруженности диапазона 2,4 ГГц в системе МЕ6 решается благодаря эффективному алгоритму поиска свободного канала. По сообщению разработчиков, уже проведены испытания на одном из промышленных объектов, показавшие возможность отстройки от помех.

Для конфигурирования устройств в МЕ6 используется облачный сервис МЕ6 Cloud. Это стало возможным благодаря передаче пакетов IPv6 в беспроводной сети. Возможность организации IP-сети через технологию беспроводной передачи в ZigBee и Z-Wave на момент написания статьи отсутствовала. При необходимости облачный сервис может быть размещен в локальной сети, непосредственно на серверах предприятия. Управлять освещением можно через Web-интерфейс с компьютера или же мобильного устройства. Разработчики сохранили и возможность управления традиционным способом, путем нажатия кнопок на панели, размещенной на стене, но таким образом доступны только элементарные функции вроде включения- выключения и диммирования всех светильников в помещении одновременно.

Интересно решено и определение присутствия человека в комнате. В МЕ6 сделана ставка на разработанную Apple технологию iBeacon, позволяющую отслеживать положение смартфона, который человек носит с собой. Но для любителей традиционных решений предусмотрены обычные датчики присутствия.

Поскольку МЕ6 разрабатывалась уже в эпоху светодиодного освещения, то с самого начала был налажен выпуск светодиодных драйверов со встроенной поддержкой протокола. Это гораздо более эффективное решение, чем подключение к светильнику дополнительного модуля. Для сравнения, светодиодные драйверы со встроенной поддержкой ZigBee поступили в широкую продажу в том же 2014 году, а для Z-Wave их выпуск пока еще не начат. Но для совместимости с широким кругом светильников предлагается и модуль управлением светильником по протоколу 1-10 V. В будущем в систему управления через «облако» можно будет интегрировать уже установленные светильники с управлением по протоколу DALI. В перспективе, когда необходимость в промежуточных решениях отпадет, сеть МЕ6 будет состоять только из специально разработанных для нее интеллектуальных светильников и устройства сопряжения с Интернетом. Панель управления и датчик присутствия заменят мобильные устройства.

Помимо конфигурирования и управления светильниками облачный сервис умеет осуществлять диагностику и отслеживание энергопотребления. Система построена по принципу plug-and-play и для ее развертывания не нужно быть экспертом в области сетевых технологий. Кстати, для конфигурирования даже не нужно разбираться в типах светильников. На светильник наносится QR-код, который снимают на камеру мобильного устройства. Изображение отсылается в «облако», где данные расшифровываются и используются при автоматической настройке системы. Но для этого необходимо установить партнерские отношения с производителями светильников. Наносить QR-код для МЕ6 на свои изделия уже решила российская компания «Световые технологии».

Основной недостаток МЕ6, как и любой другой недавно возникшей системы — малый выбор оборудования, но для решения задач в секторе Enterprise его вполне достаточно. К тому же, к направлению передачи IPv6 через сети стандарта IEEE 802.15.4 уже присматриваются крупные международные игроки. Но на руку компании DEUS явно играет сложившаяся ситуация в политике и экономике. Все программное обеспечение для МЕ6 разработано российскими специалистами, что важно как с точки зрения импортозамещения, так и с точки зрения информационной безопасности страны. Низкая стоимость системы также важна в условиях экономических проблем.

Выводы

Для создания простейшей системы беспроводного управления освещением в небольшом офисе оптимально использование технологии ZigBee с профилем LightLink. В жилых помещениях предпочтительно использование технологии Z-Wave. Для крупных проектов, в том числе и на производстве, подойдет опятьтаки ZigBee. МЕ6 можно рассматривать пока в основном как имиджевое решение для компаний, позиционирующих себя в качестве технически продвинутых. В то же время, если сотрудники по работе обязаны иметь смартфон, то наличие поддержки системы iBeacon в данной системе позволяет достичь значительной экономии электроэнергии благодаря боле точному распознаванию присутствия.

Алексей ВАСИЛЬЕВ
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок» №4 (64) июль-август 2015

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.