Основные требования к аппаратному обеспечению

Аппаратный комплекс должен включать в себя не менее 2 устройств, из которых одно является мастер-устройством и подключается к терминалу посредством USB.

Управляющие модули должны иметь минимальное потребление, находится большую часть времени в режиме «сна» и использовать аппаратные прерывания радиомодулей (CCA, WOR для модулей CCXXXX Texas Instruments, GDO0/GDO1/GDO2 для модулей A71XX Amicom). Используемый стек для радиомодулей SWAP[7] является готовой библиотекой для Arduino/AVR устройств и должен быть расширяемым (на текущий момент портирован для использования не только в CC11XX устройств, но и CC25XX).

Для функционирования локальной версии управляющего модуля необходимы следующие аппаратные требования:

Процессор: Intel/PowerPC совместимый ОС: Windows/Linux/Mac OS X.

Необходимое пространство на жестком диске: не менее 150 Мб.

Общее назначение и функциональность системы «Умный дом»:

• 1. Регистрация и синхронизация устройств в системе;
• 2. Общение устройств в режиме реального времени друг с другом через «главное» устройство;
• 3. Выполнение пользовательских сценариев, включающих в себя такие действия, как:
• 1. Включение освещения при приближении пользователя;
• 2. Отключение освещения при уходе пользователя;
• 3. Принудительное отключение определенных приборов при отсутствии пользователя указанное длительное время;
• 4. Включение/выключение электрических приборов по заданному сценарию;
• 4. Управление пользовательскими сценариями;
• 5. Регистрация событий и выполнение пользовательских сценариев в системе;
• 6. Интерфейс управления устройствами;
• 7. Интерфейс управления пользовательскими сценариями, включающие такие сценарии, как:
• 1. При срабатывании события UserNear устройства D5 событийного модуля M2 выполнить метод PowerOn устройства D7 исполняющего модуля M1.
• 2. При срабатывании события UserLeave устройства D5 событийного модуля M2 выполнить метод PowerOff устройства D7 исполняющего модуля M1.
• 3. При срабатывании события SwitchOn устройства D6 событийного модуля M2 выполнить метод PowerOn устройства D7 исполняющего модуля M1.
• 4. При срабатывании события SwitchOff устройства D6 событийного модуля M2 выполнить метод PowerOff устройства D7 исполняющего модуля M1

M2 — событийный модуль, на котором установлены два устройства:

D5 — модуль с датчиком движения HC-SR501, вызывающий событие UserNear при приближении к нему пользователя и UserLeave при удалении от него пользователя.

D6 — модуль с аналоговой кнопкой имеющий два состояния: включена/выключена, которые вызывают события SwitchOn и SwitchOff.

M1 — испольняющий модуль, на котором установлена лампочка. Метод PowerOn соответственно включает лампочку, а метод PowerOff — выключает ее. маршрутизатор графический интерфейс программный Система состоит из следующих подсистем:

• 1. Управляющий модуль. Реализуется на основе микроконтроллера Atmega328 компании Atmel Corporation, для радиосвязи использует модуль-трансивер CCXXXX компании Texas Instruments. Для передачи данных на Сетевой модуль используется Ethernet-модуль DP83848 компании Texas Instruments. Управляющий модуль осуществляет следующие функции:
• 1. Выполняет поиск и обнаружение новых устройств в системе, производит их регистрацию;
• 2. Слушает радио-канал и получает данные с переферийных устройств;
• 3. Передает информацию, полученную с устройств на устройство более высокого уровня через Ethernet-модуль;
• 2. Модули событийных периферийных устройств. Реализуются на микроконтроллере Atmega8 от компании Atmel Corporation, для радиосвязи используется модуль-трансивер CCXXXX компании Texas Instruments. В качестве периферии могут быть аналоговые кнопки, цифровые кнопки, сенсорные панели, датчики, таймеры. Модули осуществляют следующие функции:
• 1. Режим регистрации устройства. Необходим для регистрации устройства в сети «Умного дома 2.0» и синхронизации с «Управляющим модулем». При регистрации каждый модуль сообщает «Управляющему модулю» информацию об устройствах, которые содержит модуль, каждое устройство имеет уникальный внутренний адрес и список методов, которые он может выполнять.
• 2. Режим сна. Большую часть времени устройство спит и просыпается только при задействовании периферии (кнопок, сенсорных панелей, датчиков, таймеры).
• 3. Режим отправки данных. При задействовании периферии (кнопок, сенсорных панелей, датчиков, таймеров) модуль отправляет данные на «Управляющий контроллер».
• 4. Режим синхронизации. Раз в заданное время (по-умолчанию один раз в час) модуль передает на «Управляющий модуль» состояние всех устройств в модуле и их настройки (требуется для корректного возобновления работы системы при электрических сбоях/отключения электроэнергии).
• 3. Модули исполняющей периферии. Реализуются на микроконтроллере Atmega8 от компании Atmel Corporation, для радиосвязи используется модуль-трансивер CCXXXX компании Texas Instruments. В качестве исполняющих устройств могут быть любые приборы, например диодные потолочные светильники, сервоприводы жалюзи, диодные ленты. Модули осуществляют следующие функции:
• 1. Режим регистрации устройства. Необходим для регистрации устройства в сети «Умного дома 2.0» и синхронизации с «Управляющим модулем». При регистрации каждый модуль сообщает «Управляющему модулю» информацию об устройствах, которые содержит модуль, каждое устройство имеет уникальный внутренний адрес и список методов, которые он может выполнять.
• 2. Режим сна. Большую часть времени устройство спит и просыпается только при получении пакета от «Управляющего модуля», который переводит устройство в режим «Получения данных».
• 3. Режим получения данных. При получении сигнала от «Управляющего модуля», модуль исполняющей периферии исполняет методы указанных устройств.
• 4. Режим синхронизации. Раз в заданное время (по-умолчанию один раз в час) модуль передает на «Управляющий модуль» состояние всех устройств в модуле и их настройки (требуется для корректного возобновления работы системы при электрических сбоях/отключения электроэнергии).
• 4. Сетевой Модуль. Миниатюрный компьютер на основе ARM — Raspberry Pi. Под управлением Ubuntu 10.4 Server Edition, использует следующее ПО:
• 1. nginx — высокопроизводительный веб-сервер, необходимый для осуществления доступа пользователя к системе «Умный дом» посредством настольного компьютера/коммуникатора/ноутбука/планшета с веб-браузером:
• 2. perl — основа для backend и frontend-приложений управляющих пользовательских сценариев
• 3. MongoDB — основное хранилище данных для логирования событий, ошибок и для хранения настроек и состояний системы на заданный промежуток времени;

Выполняет следующие функции:

• 1. Получение и хранение данных с «Управляющего модуля»;
• 2. Создание резервных копий системы;
• 3. Выполнение пользовательских сценариев;
• 4. Управление (добавление/редактирование/удаление) пользовательских сценариев;
• 5. Осуществляет возможность управлять любым устройством через интернет путем создания HTTP-шлюза c REST-API;
• 6. Осуществляет возможность отслеживать систему через интернет.
• 4. Анализ предметной области

Основой любого «Умного дома» являются микроконтроллеры/миникомпьютеры, имеющий на борту любой из интерфейсов для общения с устройствами-датчиками. Мы выбираем беспроводные устройства, потому что для организации сети «Умного дома» такого типа количество операций по инсталляции оборудования в любой квартире минимально.

Все устройства-модули должны соответствовать следующими требованиям:

• 1. встраивается в подрозетник типоразмера 86×86;
• 2. легко монтируется на стену или потолок;
• 3. имеет небольшой размер;
• 4. может монтироваться в конечное устройство;
• 5. имеет собственный источник бесперебойного питания в виде аккумуляторной батарейки CR2050 или питается от домашней сети 220−250 В через понижающий импульсный блок питания;
• 6. имеет низкую цену;
• 7. имеет низкопотребляемые компоненты;
• 8. отсутствует внешняя проводка;
• 9. помехоустойчив при транспорте данных.

Среди большого количества кандидатов на базовую технологию построения умного дома, одним из подходящих вариантов является протокол Z-Wave.

Z-Wave является запатентованным беспроводным протоколом связи, разработанным для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления на жилых и коммерческих объектах. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как освещение, отопление, контроль доступа, развлекательные системы и бытовую технику.

Z-Wave — это беспроводная радио технология, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обуславливается малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от загруженного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к мероприятиям, уменьшающим возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств — Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth).

Также другими преимуществами Z-Wave можно отметить малое потребление энергии, низкую стоимость производства и встраивания Z-Wave в различные бытовые устройства.

В мире насчитывается более 200 производителей, предлагающих товары с Z-Wave чипами или модулями. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой.

В основе решения Z-Wave лежит ячеистая сетевая технология mesh, в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы. Mesh это самоорганизующаяся сеть с маршрутизацией, зависимой от внешних факторов — например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия.

Радиоспецификации.

• · Скорость: 9,6 кбит/с или 40 кбит/с, с полной совместимостью;
• · Модуляция: GFSK;
• · Радиус действия: приблизительно 30 метров в условиях прямой видимости; в помещении уменьшается в зависимости от формы и материала стен;
• · Частотный диапазон: 908.42МГц (Соединенные Штаты); 868.42 МГц (Европа); 919.82 МГц (Гонконг); 921.42 МГц (Австралия / Новая Зеландия).

Вот типичная схема работы устройств Z-wave в сети «Умный дом»:

Итак, Z-wave подходит для нашей задачи, но имеет ряд больших минусов, по которым мы его не берем:

• 1. Стоимость конечных устройств. Стоимость простого радиовыключателя для света составляет 2200 рублей. Выключатель для скрытой проводки уже 2500 рублей. Встраиваемый диммер — еще 6700 рублей. Устройства Z-Wave в нашей стране особенно дороги. Чтобы оборудовать однокомнатную квартиру 4-мя выключателями и одним диммером потребуется уже 16 700 рублей;
• 2. Ограниченность выбора устройств. Устройства представлены в готовом исполнении. Нельзя расширить функциональность устройства;
• 3. Невозможность расширять использование устройства. Нельзя задавать пользовательское взаимодействие устройств друг с другом;
• 4. Нет пользовательских сценариев;
• 5. Закрытый протокол. Для разработки готового устройства требуется большое количество времени и сил, сертификаций и т. д.;
• 6. Нет визуального представления «Умного дома». Нет единой схемы устройств с возможностью посмотреть какое устройство в данный момент работает, в каком состоянии находится, какое энергопотребление системы.

Вторым подходящим устройствам для организации системы «умный дом» являются устройства ZigBee. ZigBee — название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). ZigBee нацелена на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростях передачи данных.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.

Области применения данной технологии — это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.

ZigBee — стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4−2006 для беспроводных персональных сетей, таких как, например, беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети.

Альянс ZigBee является органом, обеспечивающим и публикующим стандарты ZigBee, он также публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты. Текущий список профилей приложений, опубликованных, или уже находящихся в работе:

• 1. Домашняя автоматизация;
• 2. Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0);
• 3. Автоматизация коммерческого строительства;
• 4. Телекоммуникационные приложения;
• 5. Персональный, домашний и больничный уход;
• 6. Игрушки.

Сотрудничество между IEEE 802.15.4 и ZigBee подобно тому, что было между IEEE 802.11 и альянсом Wi-Fi. Спецификация ZigBee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 и доступна для членов альянса ZigBee. Сравнительно недавно, 30 октября 2007 г., была размещена спецификация ZigBee 2007. О первом профиле приложения — «Домашняя автоматизация» ZigBee, было объявлено 2 ноября 2007. ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Как правило, в продаже имеются чипы ZigBee, являющиеся объединёнными радиои микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 60К до 128К таких производителей, как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1. Радиомодуль также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером. Как правило, производители радиомодулей предлагают также стек программного обеспечения ZigBee, хотя доступны и другие независимые стеки. Так как ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.

Первый выпуск стека сейчас известен под названием ZigBee 2004. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006, и, в основном, заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в ZigBee 2004 вместе с «библиотекой кластеров». Стек 2004 года сейчас более или менее вышел из употребления. Реализация ZigBee 2007 в настоящее время является текущей, она содержит два профиля стека, профиль стека № 1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования, и профиль стека № 2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как широковещание, маршрутизацию вида «многие-к-одному» и высокую безопасность с использованием симметричного ключа (SKKE), в то время как ZigBee (профиль стека № 1) занимает меньше места в оперативной и Flash-памяти. Оба профиля позволяют развернуть полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee.

ZigBee 2007 полностью совместим с устройствами ZigBee 2006. Устройство ZigBee 2007 может подключаться и работать с сетью ZigBee 2006, и наоборот. В связи с наличием различий в опциях маршрутизации, устройства ZigBee Pro могут быть только конечными устройствами (ZEDs) сетей ZigBee 2006, и наоборот, устройства ZigBee 2006 и ZigBee 2007 могут быть только конечными устройствами в сети ZigBee Pro. При этом приложения, которые запускаются на устройствах, работают одинаково, независимо от реализации профиля стека.

Существуют три различных типа устройств ZigBee.

• · Координатор ZigBee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он и запускает сеть от начала. Он может хранить информацию о сети, включая хранилище секретных паролей производства компании Trust Centre;
• · Маршрутизатор ZigBee (ZR) — Маршрутизатор может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения;
• · Конечное устройство ZigBee (ZED) — его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.