Save
energy

Розумне світло. Як це працює.

Інтелектуальне освітлення може стати найбільшим прогресом освітлювальної галузі за останні десятиліття. Проте, велика кількість технологій бездротового зв’язку може ускладнити вибір для виробників, які бажають долучитися до цього нового та перспективного ринку. Bluetooth-технології зараз привертають до себе багато уваги, зокрема технології підтримки чарункової (mesh) мережі, які мають впроваджуватись цього року.

Стандарти освітлення, до яких ми вже звикли протягом багатьох років, починають динамічно змінюватись під впливом нового покоління освітлювальних систем – адже, вони пропонують значно більше можливостей, ніж звичайне яскраве освітлення приміщень. Сьогодні на наших очах відбувається впровадження новітніх технологій цифрового освітлення. Якщо ще декілька місяців тому ефективність і успішність даних технологій була сумнівною, то сьогодні з впевненістю можна сказати, що ці зміни є невідворотними. Протягом останнього року, ми могли спостерігати як ряд провідних виробників освітлювальних приладів перепрофільовували значну частину свого бізнесу на впровадження подібних технологій. Інтелектуальне освітлення відкриває можливості для нових бізнес-моделей зі стабільним прибутком від додаткових функцій і послуг. Але разом з тим, перед компаніями постануть виклики, які полягатимуть у надзвичайно тривалому терміні експлуатації світлодіодів і тонкій грані між незначними перевагами нових впроваджень на світлодіодному ринку.

Малюнок 1. На Виставці Споживчої Електроніки (Consumer Electronics Show) в 2016 році було представлено ряд освітлювальних пристроїв на основі Bluetooth-технологій та коміркової мережі управління – наприклад, лампа від Girard Sudron і вимикач NodOn.

Впровадження мереж управління

Таким чином, закономірним є те, що практично кожного тижня ми дізнаємося про те, що виробники освітлювальних приладів заключають контракти на впровадження «розумних» технологій у свою продукцію або навіть купляють бізнес постачальників бездротового підключення, «хмарних» послуг або новітніх технологій аналізу даних. Це настільки вплинуло на ринок, що Goldman Sachs понизив рейтинг одного з провідних виробників освітлювальних приладів, посилаючись на зменшення прибутків компанії і низький рівень впровадження бездротових технологій. Тенденція розвитку зрозуміла: системи освітлення стають цифровими і велика кількість продукції інтелектуального освітлення (Мал.1), яка була представлена на Виставці Споживчої Електроніки у 2016 році, це тільки підтверджує.

Досі немає єдиної думки щодо протоколу бездротового зв’язку, який би став перевіреною технологією для освітлювальних компонентів, не кажучи вже про Інтернет Речі (Internet of Things).

Багаторазово говорилось про те, що нестача функціональної сумісності є основною перешкодою у масовому впровадженні бездротових (мережевих) технологій. Але замість хоча б часткової стандартизації, ми спостерігаємо все більшу розрізненість. Нові технології продовжують з‘являтися, і кожна розвивається до певного рівня, який би дозволив забезпечити безперебійне, надійне і безпечне під’єднання до Інтернету речей.

Тим часом, встановлені комунікаційні стандарти продовжують розвиватися, щоб відповідати потребам, які постійно змінюються. Інтелектуальне освітлення є чудовим прикладом сегменту, який за декілька років від «нікому невідомого» став найпопулярнішим сегментом інтелектуальної будівельної автоматизації.

Одним з таких стандартів є Bluetooth, протокол бездротового зв’язку, який завжди був у всіх на вустах, тому має виняткове впізнавання бренду. Однак, у зв’язку з певним дуже специфічними причинами, на сьогодні він не є практичним варіантом для новітніх рішень будівельної автоматизації. Bluetooth SIG, яка налічує близько 28 000 членів і наглядає за розвитком стандартів Bluetooth, стверджує, що ситуація зміниться як тільки будуть введені технології підтримки коміркової  мережі.

Classic Bluetooth на противагу Smart Bluetooth

Надмірна увага до технології Bluetooth може дивувати людей, які незнайомі з останніми науковими досягненнями у сфері бездротового зв’язку. Тим не менше, протокол був розроблений ще до появи терміну «Інтернет Речей». Але, дійсно, сьогодні чимало людей не усвідомлюють, що сучасний Bluetooth кардинально відрізняється від того, яким він був раніше.

Малюнок 2. Попередні версії Bluetooth працювали на основі віялових схем з’єднань, проте для інтелектуального освітлення необхідним є використання чарункових мереж.

Перша версія Bluetooth, відома як Bluetooth Classic, представляє собою бездротову технологію малого радіусу дії для двохелементного  з’єднання. Спочатку, основною ціллю технології була синхронізація даних між двома мобільними телефонами, але дуже швидко даний стандарт став базовою технологією для бездротового обміну даними між персональними електронними пристроями (мобільні телефони, персональні комп’ютери, кишенькові персональні комп’ютери) і периферійними пристроями (навушники, бездротові клавіатури та мишки, принтери і т.д.). Такі пристрої могли об’єднуватися в невелику персональну мережу, яка називається «пікомережа», де один центральний пристрій міг керувати роботою до семи активних периферійних пристроїв.

Вже у 2010 році випускається специфікація Bluetooth Core Specification 4.0, цим самим впроваджуючи технологію Bluetooth з низьким енергоспоживанням (Bluetooth Low Energy), більш відому як Bluetooth Smart. На даному етапі і починається знайомство технології Bluetooth з Інтернетом Речей. Технологія Bluetooth Smart була спеціально розроблена для задоволення потреб нового покоління інтелектуальних пристроїв. Більшість таких пристроїв живляться від акумуляторних батарей, саме тому, щоб зменшити надлишкове споживання енергії, їм потрібне швидке з’єднання і ефективне управління енергоспоживанням.

Нова специфікація розширила діапазон потенційного використання технології Bluetooth на цілий ряд продукції, зробивши її базовою для всіх видів електронних «розумних» пристроїв. Але не зважаючи на деякі особливі параметри комунікаційного протоколу Bluetooth Smart, він все ж не запропонував суттєвих змін у сегменті будівельної автоматизації. У «розумних» будинках переважно використовувались інші технології з низьким енергоспоживанням, такі як ZigBee і Z-Wave, і бездротовий зв'язок так і не був використаний у промислових масштабах. Враховуючи деякі суттєві недоліки у доступних енергозберігаючих комунікаційних стандартах, забудовники віддавали перевагу кабельним технологіям, вважаючи їх більш надійними.

Причиною чому технологія Bluetooth Smart ніколи не розглядалася як потенційне рішення для будівельної автоматизації є те, що вона була розроблена для підтримки доволі простих віялових мереж (Мал.2). У випадку з інтелектуальним освітленням таких параметрів недостатньо. Для забезпечення стійкої мережі, яка складається з численних «розумних» ламп, є життєво необхідними такі характеристики як зв'язок між рівноправними вузлами і розширений радіус дії. Проте базова специфікація Bluetooth Smart не мала таких характеристик. Її віялова модель значно програвала чарунковій топології мереж ZigBee і Z-Wave, і саме тому Bluetooth ніколи не конкурував з вищезгаданими технологіями.

Чи можливе створення чарункової мережі?

Не зважаючи на те, що підтримка чарункової мережі не була включена у базову специфікацію технології Bluetooth Smart, деякі компанії все ж відзначили, що створення чарункової мережі саме на цьому комунікаційному стандарті є досить непоганим рішенням. У 2014 році компанія Silvair (відома тоді ще як Seed Labs) почала будувати чарункову мережу на основі технології Bluetooth Smart.

Чарункова мережа, створена на основі технології Bluetooth Smart, мала виняткові експлуатаційні параметри. Більше того, базові характеристики комунікаційного протоколу Bluetooth дозволяли вирішити чимало питань, з якими ніяк не могли впоратися інші комунікаційні протоколи. Технологія, розроблена компанією Silvair, була запатентована, хоча сумісність  з базовою специфікацією технології Bluetooth Smart була збережена.

Отримавши значний інформаційний внесок від Silvair та інших компаній, що працювали над власними розробками чарункових мереж, Bluetooth SIG вирішила, що таку можливість втрачати не можна. У лютому 2015 року вона оголосила про створення робочої групи Bluetooth Smart Mesh Working Group. ЇЇ ціллю було стандартизувати підтримку чарункової мереж і впровадити її у базову специфікацію протоколу. Компанії-конкуренти обмінялись досвідом і знайшли найкращий шлях для впровадження чарункової мережі у технологію Bluetooth Smart. Наприкінці 2015 року, Bluetooth SIG офіційно заявила, що вона знаходяться в процесі розробки чарункової мережі Bluetooth, і відповідний стандарт буде прийнятий у 2016 році. Більше того, у новий стандарт будуть включені деякі важливі покращення стосовно швидкості передачі даних та діапазону дії технології Bluetooth Smart.

Стандартизована чарункова мережа на основі технології Bluetooth Smart обіцяє бути міцною платформою для забезпечення надійної і масштабної реалізації навіть найскладніших проектів. Подробиці очікуваного стандарту чарункової мережі є конфіденційними до моменту будь-яких офіційних заяв з боку Bluetooth SIG. Однак, компанія Silvair привідкрила завісу та пролила світло на деякі основні принципи даної технології.

Що таке чарункова мережа?

Чарункова мережа компанії Silvair була розроблена, щоб дозволити користувачам створювати власні інтелектуальні чарункові мережі, де один або декілька мобільних пристроїв (смартфони/планшети) може через мережу керувати одним або декількома периферійними пристроями (напр. лампи, датчики, жалюзі, вимикачі тощо). Встановлення чарункової програмної платформи, а саме удосконаленої платформи Bluetooth Smart, дозволяє пристроям обмінюватись даними між собою, а також з основним контролюючим пристроєм через комунікаційний протокол Bluetooth Smart, з використанням стандартних механізмів протоколу Generic Attribute Profile («профіль загальних атрибутів»). Це означає, що периферійні пристрої можуть об’єднуватись у власну автономну чарункову мережу, яка не буде потребувати керування центральним пристроєм.

Малюнок 3. Можливості інтелектуальної чарункової системи додаються до пристроїв Bluetooth на мережевих, транспортних і прикладних рівнях у програмному забезпеченні і не впливають на фізичний рівень та рівень зв’язку.

Рішення створити чарункову мережу на основі Bluetooth Smart було міжнародним, так як це означало,що середовище підтримки має бути сумісним зі всіма існуючими пристроями і наборами мікросхем Bluetooth Smart.

Як працює чарункова мережа

Тепер давайте розглянемо як працює чарункова мережа. Існує два види зв’язку в рамках чарункової мережі Silvair: центральний – периферійний та периферійний - периферійний. Після того як чарункова мережа введена в експлуатацію, зникає необхідність центрально-периферійного зв’язку. Центральними пристроями зазвичай є смартфони або планшети. Зазвичай, такі пристрої мають певне програмне забезпечення для управління. Компанія Silvair розробила прикладні програми для пристроїв на операційній платформі iOS та Android. Центральні пристрої призначені для налаштування та керування мережею, але також можуть використовуватись для оновлення програмного забезпечення периферійних пристроїв. Центральні пристрої приєднуються до периферійних, використовуючи GATT профіль технології Bluetooth Smart. Так як цей вид зв’язку є повністю сумісним з версією Bluetooth 4.0, деякі його параметри дозволяють одночасне використання багатьох смартфонів для контролю над більш як 8 периферійними пристроями. Варто зазначити, що стандартний Bluetooth 4.0 може максимум керувати лише 8 пристроями. Периферійні пристрої є вузлами чарункової мережі. Надійна чарункова мережа має забезпечувати можливість периферійних пристроїв обмінюватись даними. Це головна відмінність від початкової моделі Bluetooth Smart, яка дозволяє контролювати цілі групи пристроїв, використовуючи багатоадресний (від одного до багатьох) зв'язок – наприклад, регулювання яскравості групи світильників у коридорі. Мережа Silvair може включати до 63 мережевих сегментів, що дозволяє контролюючому елементу дистанційно керувати освітленням великих приміщень, на відміну від інших технологій, які потребують створення складніших і дорожчих мереж.

Однією з найважливіших концепцій, впроваджених у розробку Silvair є обмін даними, який не потребує з’єднання. Це означає,що кожен периферійний пристрій може повідомляти свій статус у мережі. В результаті, світильники, вентилятори, жалюзі і будь-які інші пристрої мережі автоматично відображаються у прикладних додатках центрального пристрою. Більше того, вони відображаються не у вигляду списку наявних пристроїв, а з вказанням конкретних параметрів, які можуть регулюватись користувачем – наприклад, вкл./викл., колір, температура, швидкість вентилятора чи положення жалюзів. Кожна зміна статусу користувачем відразу відображається у мережі, і у кожному контролюючому пристрої миттєво оновлюється інформація щодо нового статусу.

Налаштування мережі

З метою комерційного використання, програмне забезпечення Silvair Mesh дозволяє встановлення мереж будь-яких розмірів, але спосіб введення в експлуатацію малих і великих мереж відрізняється. Невеликі мережі, які включають до 30 приладів, можуть встановлюватись та керуватись з допомогою прикладних програм смартфону або планшету. Автоматична конфігурація пристроїв у технології  Bluetooth і той факт, що потрібний протокол підтримується майже всіма смартфонами і планшетами, наявними на ринку, робить весь процес налаштувань надзвичайно простим. Прикладна програма визначає та відображає всі пристрої мережі у межах досяжності. Користувач створює багатоелементну мережу, обираючи пристрої, які мають бути до неї включені, і присвоює їй назву. Після під’єднання до мережі нового пристрою, можна встановити його взаємозв'язок з іншими пристроями. Після цього смартфон можна вимкнути, адже встановлені з’єднання запам’ятаються і збережуться (Мал. 4).

Малюнок 4. Розробка Silvair Mesh підтримує як невеликі чарункові мережі, керовані одним смартфоном, так і складні чарункові мережі з визначеними серверами, під’єднаними з використанням «хмарної» технології.

Мережі, які об’єднують більше 30 пристроїв, або ті, які потребують встановлення складніших взаємозв’язків між компонентами, послідовності дій або мережевого моніторингу, найкраще встановлювати за допомогою додатків-серверів або додатків адміністративного керування. Компанія Silvair вмонтувала в свою розробку сервер Silvair Logic, який контролює цілу мережу, перевіряє статуси периферійних пристроїв і повідомляє про можливі проблеми і нехарактерні явища через інтерфейс на основі браузера.

Інші характеристики чарункової мережі

Існує ще декілька основних елементів мережі Bluetooth. Зокрема, є необхідність встановлення права доступу до керуючих пристроїв, що забезпечуватиме належне управління пристроями мережі. Програмна платформа Silvair передбачає чотири рівні права доступу: 1) Адміністратор – може налаштовувати і керувати всіма пристроями в мережі, а також визначати право доступу інших користувачів; 2) Сім’я – може користуватися всіма пристроями мережі, але не може їх налаштовувати і керувати ними; 3) Гість – має обмежене право користування окремими пристроями в мережі;  4) Спеціальний режим – можна користуватися лише певними пристроями загального користування (без доступу до багатоелементної мережі).

Схожим чином, вузли мережі та периферійні пристрої повинні мати можливість надавати інформацію про їхній робочий статус та можливість програмування. Програмна платформа Silvair передбачає три стани периферійних пристроїв: 1) Заводські налаштування – у даному стані пристрій випускається на заводі і є готовим для експлуатації; 2) Приватний – передача інформації закодована і тільки користувачі з узгодженими ключами можуть розкодувати інформацію про стан пристрою і контролювати його; 3) Публічний – інформація про стан пристрою і обрані контрольні функції не є закодованими і мають відкритий доступ для всіх користувачів.

Функціональні переваги технології Bluetooth

У чому ж полягають переваги технології Bluetooth в порівнянні з іншими аналогічними технологіями, доступними на ринку? Основною перевагою є комунікаційний протокол. Серед усіх комунікаційних стандартів з низьким енергоспоживанням та діапазоном робочих частот, інші технології значно програють параметрам технології Bluetooth Smart. Це дозволяє використання протоколу Bluetooth Smart для вирішення надскладних завдань сучасних прикладних додатків, таких як інтелектуальне освітлення, де багатоадресна синхронна робота і зворотна реакція є найважливішими параметрами.

Було детально вивчено чимало технологій, але існуючі протоколи багатоелементних мереж не відповідають потребам інтелектуального освітлення у повному обсязі. Будемо надіятись, що прийняття стандарту багатоелементної мережі на основі Bluetooth Smart відкриє нові можливості для розвитку технології інтелектуального освітлення.

Меню