Hemautomation – Del1 – Trådlösa protokoll

Det här är ett inlägg som funnits på bloggen under många år, nu gör jag ett försök att uppdatera viss informationen här. Det som du sedan hittar under informationen ”gammal information” har jag inte kollat mer på ännu.

För att bespara dig tid så har jag nu börjat samla relevant information om trådlös teknik i den här tabellen. Du kan där få en bild över en teknik och på en väldigt hög nivå sedan avgöra vilken som kanske passar dina behov bäst.

Vill du komplettera med något eller känner att det inte stämmer, lämna gärna en kommentar eller kontakta mig så uppdaterar jag tabellen.

Protokoll

 

Z-Wave, ZigBee, Nexa, WeMo, AllSeen, MySensor, EnOcean, Bluetooth, WIFI…. Listan kan göras oändlig eftersom luften är ”fri för alla”!

 

Hur ser det ut idag

Ny teknik uppfinns, detta innebär nya förutsättningar och utmaningar. Enheters kommunikation och kompatibilitet till Gatewayen (kontroller) är väldigt viktig i det smarta hemmet.

Gatwayen är den viktigaste komponenten för att kommunicera med sensorer. Det populäraste sättet idag att kommunicera med sensorer och givare är trådlöst (gäller ej företag). Kommunikationen sker i regel på någon av följande tre frekvenser i Europa: 2.4GHz, 868MHz, 433MHz. Frekvensen används som databärare mellan produkter som företag tillverkar.

Räckvidden och mängden energi som krävs för att skicka data på de olika frekvenserna skiljer en del (kommer att skriva mer om detta nästa del/post).

Enheter som idag kommunicerar med hjälp av WIFI har i 99% av fallen strömmatning via elnätet och inte batteri, medan en temperatursensor i regel drivas av batteri i flera år utan problem, enhetens batteritid beror till stor del på hur mycket energi som krävs för att leverera data.

Nästa utmaning är säkerhet och kryptering mellan enheter. Smarta dörrlås bör vara krypterade så grannens Nexa fjärrkontroll inte öppnar dörren av misstag (Kommer att skriva mer om detta i nästa del/post).

Säkerhet är en mycket viktig aspekt i det smarta hemmet. Rätt kryptering och säkerhet till rätt ändamål. Det behövs inte en 128Bits kryptering på datat temperatursensor lämnar (så vida inte nått MYCKET viktigt styrs med hjälp av datat!), medans dörrlåset bör ha en stark kryptering(så vida det inte är en dörrlås innanför skalskyddet). Som sagt rätt kryptering till rätt ändamål.

Filmen visar hur ett dörrlås öppnas av  en ”hacker” (ca 41 minuter in).

Tyvärr kan inte alla protokoll och frekvenser vara bra på allt. Lösningen är helt enkelt att nyttja styrkorna hos olika frekvenser och protokoll där dom passar bäst. Tillverkare väljer tyvärr att implementera olika tolkningar av protokoll eller skapa helt egna. Detta skapar stora problem i hemautomationssystem eftersom Gateways inte alltid har stöd för alla protokoll och frekvenser…

Större aktörer skapar därför standarder som andra tillverkare kan välja att följa för att göra enheter kompatibla mellan varandra.

 

Dom tre stora ”Allianserna” gällande protokoll: ZigBee, Z-Wave och AllSeen

 

Z-wave Alliance

Sigma’s Z-Wave alliance har funnits sedan 2005 och har idag ca 325 företag och över 1350 enheter som uppfyller Z-Wave certifieringen. Certifieringen bekräftar att enheter fungerar med andra enheter med certifieringen, även om enheten tillverkas av andra företag.

Information om protokollet

• Strömsnål kommunikation med ”full mesh” utan korrdinerande nood (dvs ta emot ett meddelande och skicka det vidare).
• Frekvensen där enheterna jobbar är på under 1GHz (868Mhz i Sverige), detta gör att enheterna minskar risken att kollidera med annan trådlös teknik eftersom frekvensbandet är relativt ”ledigt”.
• Klarar att skicka data i upp till 100kbps med en AES128 kryptering, IPV6, via multipla kanaler.
• Fullt kompatibel genom lager 6, med bakåtkompabilitet till alla tidigare versioner av protokollet.

Protokollet består av tre lager: Radio, nätverk och applikation. Detta skapar ett tillförlitligt nätverk för transport av data, vilket även tillåter sensorer och enheter att kommunicera samtidigt.

Radiolagret: Definierar hur signalen ska hantera nätverket och hur den fysiska sändarhårdvaran ska kommunicera. Detta innefattar exempelvis: frekvens, kodning, hårdvaruaccess, osv

Nätverkslagret: Definierar hur data ska skickas mellan enheter. inkluderat Adresser, nätverks id, eventuell routing, osv

Applikations lagret: Definierar vilka meddelanden som ska hanteras av specifik programvara för att utföra en handling, exempelvis aktivera en strömställare eller släcka en lampa.

(Läs om hela protokollet i detalj)

Z-Wave är ett slutet protokoll. Det krävs utvecklarlicens för att få veta hur Z-Wave enheter ska kommunicera. När en utvecklarlicens köps så kräver Z-Wave Alliance (Sigma) att ett sekretessavtal skrivs. Detta nekar rättighet att sprida information om hur protokollet är uppbyggt. För konsumenter är detta inte ett stort problem, men för folk som gillar att bygga egna IOT lösningar så försvårar det…

Z-Waves målenheter.

 

 

ZigBee Alliance

Under slutet av 90 talet så började många företag att inse att Bluetooth och WIFI inte passade till mindre batteridrivna enheter. Behovet som många företag letade efter va ett ad-hoc och själv hanterande trådlöst protokoll. Under början av 2003 infördes standarden IEEE 802.15.4. År 2004 hade ZigBee Alliance ca 100 företag med i alliansen i ca 22 länder, redan året efter i April 2005 hade 50 företag till anslutit till alliansen. I Juni 2005 släpptes specifikationerna för ZigBee kallat ”ZigBee 2004 specifications”, detta uppdaterades till ”ZigBee 2006 Specifications” i september 2006. År 2007 släpptes ”ZigBee PRO” (läs om skillnaderna mellan Zigbee 2006 och ZigBee PRO).

ZigBee är ett trådlöst protokoll som möjliggör kommunikation enhet till enhet ad-hoc. Algoritmen som används i protokollet möjliggör automatiskt uppbyggnad av ett låghastighets ad-hoc nätverk. I större installationer så kan nätverket bestå av flera cluster, (Enheter grupperar ihop sig där dom når varandra och bildar därigenom ett ”cluster”). ZigBee protokollet konfigurerar enheters radiotid till att blir så minimal som möjligt, detta för att spara batteri.

Enheter som agerar Proxy för att vidarebefordra meddelanden har en högre aktiv radiotid, medans enheter längst ut på nätverket ”sover” större delen av tiden eftersom dessa inte proxar data.

(Läs om hur protokollet fungerar i detalj)

Protokollet valdes av Philips ”The Connected Lightning Alliance” som standardprotokoll. Philips har helt valt att styra hue enheter med hjälp av ZigBee protokollet.

Information om Protokollet

• Som standard nyttjas 2.4GHz frekvensen enligt IEEE 802.15.4
• 16 kanaler finns att tillgå på frekvensen.
• Upptäckningsmekanism med full programbekräftelse.
• Flertalet tekniker för att skicka data, inklusive breadcast.
• Nyttjar standardiserad AES-128 säkerhets protokoll (symmetriskt kryptering) .
• Klarar att styra ca 65000+ enheter i samma nätverk.
• Räckvidden 10 – 100 meter.

 

ZigBee 2012 specification

Green Power, tryckknappen ger nog med energi för att tända lampan med hjälp av Proxys (gif bild).

 

Information om ZigBee och hur dom tycker protokollet ska nyttjas.

AllSeen Alliance

AllSeen Alliance är en Open Soruce organisation med många stora företag bakom sig, för tillfället anser AllSeen att alliansen är det största industrisamarbetet inom området. Målet är att bygga ett protokoll som möjliggör ”IOE” (Internet of Everything), ett universellt utvecklingsramverk som klarar en mycket bred flora av enheter och utmaningar.

Organisationen har även valt att skapa en frivillig certifiering som tillverkare kan välja att följa. Skillnaden mellan Z-Wave och AllSeen är att AllSeen är Open source och går att ladda hem från AllSeen. AllJoyn är ett resultat av Open Source arbetet.

Protokollet bygger på ”transport-layer-agnistic” och fungerar på alla typer av enheter som stödjer en IP Stack (Wifi, Wifi-Direct, Ethernet och Powerline). Protokollet är plattformsoberoende och inte bundet till ett visst operativ.  Det är utvecklat för att fungera på Microsoft Windows, Linux, Andriod, iOS, OS X, Open WRT bland annat. Mycket fokus läggs på mobilitet. AllJoyn Routers (annat namn för tjänster eller deamons) är det sätt sensorer och givare exponeras med.

(Detaljerad information om AllJoyn)

I följande PDF visas hur protokollet ska ”brygga” och förenkla kommunikationen, genom att skapa ”interface / gränssnitt” även förenkla för utvecklare.

Tanken med AllSeen protokollet som ska knyta samman olika enheter, märken och operativ.

Filosofin bakom AllSeen.

 

Sammanfattning:

Följande bild visar de olika alliansernas protokoll sida vid sida på ett övergripande sätt, protokollen har egenskaper som är bra och mindre bra.

 

Summering

Min slutsats efter att ha hållit på med hemautomation i några år och läst på en hel del om protokoll:

• Det finns inte något universellt protokoll, frekvens eller lösning!
• Det krävs Gateways (kontrollers) med stöd för många typer av tekniker, protokoll och att dom är ”öppna” för förändringar.
• Fundera vad systemet ska uppfylla just nu, fundera även på behov några år framåt, utifrån det välj teknik som passar.

 

I kommande delar kommer jag att skriva om bland annat: MySensor, Bluetooth LE, WIFI, säkerhet, kryptering, Gateways(kontrollers).

Kom gärna med önskemål!.

 

Visa att vi gör ett bra jobb

Gilla sidan på för att inte missa nästa del i serien om Hemautomation, du visar även för oss att vi gör ett bra jobb med sidan.

Om du sett nått som inte stämmer eller nått som verkar konstigt tveka inte på att skriva det så rättar jag!

 

 

Källor:

• Technical Direct
• QualComm / AllJoyn
• Time.Com
• tomsguide.com
• Z-Wave
• Vesternet.com
• ZigBee WIKI
• eetimes.com
• zigbees.com
• AllSeen Gateway