Новый стандарт для проектов «Умный дом» – Connected Home over IP. Часть 1

Общая структура «Умного дома»

Четвёртая промышленная революция всё больше меняет не только производство, но и всю нашу жизнь, включая жилищное строительство. Всё чаще нам встречается термин Smart Home («Умный дом»). Концепция «Умного дома», впервые сформулированная в документе Building Management System (BMS) в 1986 году [1], основана на использовании компьютерной системы, контролирующей всё энергетическое и бытовое оборудование дома.

Прежде всего, «Умный дом» обеспечивает безопасность и комфорт, а также предоставляет множество дополнительных опций, облегчающих повседневные рутинные работы по дому. Немаловажно и то, что современные проекты «Умного дома» способствуют значительной экономии затрат на электричество, воду и отопление.

В последнее время всё возрастающее значение приобретают проекты квартир и персональных домов, предназначенные для проживания людей с деменцией. Количество людей с этим недугом постоянно увеличивается и к 2050 году может достигнуть по всему миру 155 млн человек [2].

Проекты включают в себя интеллектуальные устройства, предназначенные для отслеживания из любой точки мира состояния и действий пожилых людей. Для этого используются камеры видеонаблюдения, дистанционные переговорные устройства, датчики движения и падения человека, автоматизированные тонометры с передачей информации по Интернету, дозаторы лекарств с голосовым напоминанием и другие аналогичные приборы. Для полноценной реализации в подобного рода проектах должно быть реализовано бытовое оборудование, облегчающее жизнь пожилого человека: умные кровати, инвалидные коляски с электрическим приводом, автоматизированное безопасное кухонное и сантехническое оборудование, роботы-пылесосы, голосовое управление освещением, климат-контролем, шторами и системами вентиляции (см. рис. 1).

Стремительно растущий рынок IoT будет вовлекать всё больше и больше новых продуктов в проекты «Умного дома». Рынок мгновенно реагирует на потребности потребителей. Хорошим примером тут служит фирма Intellias, которая в период пандемии COVID-19 разработала IoT-платформу для интеллектуальных холодильников, обеспечивающую поддержку систем корпоративного удалённого питания. 

За короткое время платформа стала популярной во многих странах мира, и к ней уже подключились сотни тысяч холодильных установок [4].

По данным Harbour Research, чуть меньше половины всех устройств IoT, которые будут установлены по всему миру в ближайшие 20 лет, придётся на проекты «Умного дома» [5]. Согласно оценкам [6], мировой объём рынка «Умного дома», составлявший в 2020 году примерно $80 млрд, увеличится к 2026 году до $314 млрд.

На первом этапе своего существования (1990-е годы) рост индустрии «Умного дома» сдерживался в основном из-за высокой общей стоимости проектов, сложности проводного монтажа оборудования, отсутствия единого стандарта и относительно низких цен на оплату ЖКХ.

Ситуация кардинально изменилась в начале 2000-х годов в связи с интенсивным развитием глобальных и локальных систем беспроводной связи, когда для коммуникации между датчиками, центральным процессором и исполнительными устройствами внутри дома широко стали использовать сети стандартов WLAN. При этом для удаленного контроля проектов «Умного дома» начали применять беспроводные GSM-модемы.

Современные системы «Умного дома»

В любом из предлагаемых сегодня на рынке вариантов «Умного дома» используется примерно одна и та же базовая схема, показанная на рисунке 2.

Основная особенность современных проектов «Умного дома», отличающих их от разработок предыдущих поколений, – использование системы беспроводной связи для коммуникации сенсоров и исполнительных устройств с центральным процессором. Интеллектуальные сенсоры и исполнительные устройства подключаются с помощью локальных беспроводных технологий WLAN к центральному контроллеру, который объединяет все устройства «Умного дома» в единую сеть и управляет ими в соответствии с заданной программой.

В структуре «Умного дома» сохраняются также и стандартные проводные интерфейсы электропитания и датчиков. Таким образом, можно пользоваться обычными выключателями, специальным пультом управления или переключать управление в автоматический режим. Связь «Умного дома» на глобальном уровне осуществляется с помощью сетей мобильной связи поколений 2G, 3G, 4G. Поэтому можно контролировать удалённо работу всех систем, находясь в любой точке мира, где есть мобильная связь.

Сегодня различные проекты «Умного дома» позволяют управлять всем оборудованием в трёх основных режимах – вручную, дистанционно и полностью автоматически. Кроме того, поддержка аудиоассистента позволяет также управлять всеми приборами с помощью обычных голосовых команд.

Современные сложные беспроводные системы «Умного дома» обладают множеством разнообразных функций, обеспечивающих управление таким оборудованием как, например:

• охранная и пожарная сигнализации;
• видеонаблюдение в контрольных точках с передачей информации по сети Интернет;
• контроль аварийной протечки водопровода и систем отопления;
• контроль систем электропитания с переключением на резервный источник;
• удалённое управление гаражными воротами, рольставнями, уличным освещением;
• автоматизированный климат-контроль по заданному графику;
• контроль содержания вредных веществ в воздухе помещений (окись и двуокись углерода, летучие органические соединения);
• удалённый контроль и автоматизированное управление кухонным оборудованием;
• робот-пылесос (автоматическая уборка по заданному графику);
• электронный секретарь (обработка телефонных вызовов, календарь запланированных дел и платежей, голосовые напоминания);
• удалённое управление телефоном с громкой связью, телевизором, домофоном, проигрывателем, проектором с помощью голосовых команд или смартфона;
• видеоняня – круглосуточный контроль за младенцем;
• системы климат-контроля в винном погребе;
• удалённый контроль минерального состава и влажности почвы в саду и цветниках (команды контроллера);
• оптимальный автоматизированный режим полива растений в саду и цветниках (команды контроллера);
• возможность масштабирования системы за счёт монтажа дополнительного оборудования.

Потенциал «Умного дома» привлекает огромное количество производителей, системных интеграторов и поставщиков услуг. В результате появляются новые продукты и решения, использующие традиционные технологии и комплектующие. Это, в свою очередь, приводит к невозможности совместной работы датчиков и управляющих устройств от разных брендов.

В простейших системах «Умного дома», таких как «Комплект умный дом Xiaomi Mi Smart Sensor Set», несколько датчиков одного стандартного интерфейса управляются непосредственно самим смартфоном [9].

В более сложных проектах «Умного дома» комплект оборудования может состоять из множества самых различных сенсоров и исполнительных устройств. В настоящее время на рынке доминируют три крупнейшие мировые экосистемы для «Умного дома»: Amazon Alexa, Google Home (Google Assistant) и Apple HomeKit.

Различные производители используют ранее принятую технологию связи между датчиками и управляющим процессором. Чаще всего используются Wi-Fi, Bluetooth (BLE), Zigbee и Z-Wave. Также существуют проекты с использованием LPWAN-технологий нелицензионного диапазона частот ISM: 802.15.4, Thread, LoRa, SIGFOX, Weightless, «ВАВИОТ».

Одним из интересных направлений в конкурентной борьбе за рынок «Умного дома» являются проекты, в которых всё оборудование разбивается на группы устройств, каждая из которых управляется собственным ведущим. Это даёт возможность мелким производителям и стартапам выйти на рынок с продукцией, предназначенной только для определённого сегмента. Например, такое бытовое оборудование, как системы отопления и климат-контроля, холодильники, кухонное оборудование, имеют один тип интеллектуальных сенсоров. В системах видеонаблюдения, телевизорах, охранных сигнализациях используются другие сложные автоматизированные датчики. Для управления освещением, замками, шторами и другими аналогичными устройствами используются простейшие датчики с микропотреблением электроэнергии. Для управления этими устройствами можно задействовать различные типы контроллеров.

На рисунке 3 показана схема проекта «Умного дома» с иерархической топологией контроля оборудования.

Сенсорные сети в этом проекте разделены на три класса в зависимости от назначения и технических возможностей: нижний, средний и высший. Интеллектуальный сенсор высшего уровня предназначен для выхода через точку доступа (AP) в сеть Интернет, а также для управления сенсорами среднего уровня. Интеллектуальные сенсоры среднего уровня управляют простейшими датчиками нижнего уровня. Сенсоры среднего класса взаимодействуют только с ближайшими датчиками низшего и высшего классов и не имеют выхода во внешние сети.

Датчик низшего класса общается только с ближайшим к нему сенсором среднего класса. Все сенсоры оснащены уникальными ключами, представляющим собой чип, который нельзя физически скопировать. Сеансы связи предполагают предварительную взаимную аутентификацию сенсоров и согласование ключей. Таким образом, указанная схема является безопасной и эффективной по сравнению с другими методами с одним центральным управляющим микрокомпьютером. Авторы этой работы считают, что предложенная ими схема соответствует требованиям, предъявляемым к нейронным эхо-сетям (ESN, echo state networks) [11], и может быть использована в смешанных сетях.

Нейронные сети ESN позволяют интегрировать в проектах «Умного дома» новые технологии IoT, например автономное управление сенсорами и исполнительными устройствами, киберфизические системы и мобильные узлы. В сетях подобного рода можно отказаться от мощного центрального процессора, поскольку в киберфизических системах (cyber-physical system) [12] вычислительные ресурсы распределены по всей физической системе. При этом вычислительные мощности распределяются по сети в иерархическом порядке в зависимости от назначения и сложности сенсоров. Развитие подобных экосистем, основанных на ESN-сетях, позволит подключать к проектам «Умного дома» отдельными блоками оборудование конкретного назначения, например блоки оборудования безопасности, кухонного оборудования, садово-огородный блок и другие подобные комплексные наборы оборудования.

С развитием IoT-технологий пропорционально увеличивается вероятность угроз безопасности. Поскольку современный «Умный дом» представляет собой сложный программно-аппаратный комплекс с большой базой данных, он в принципе уязвим для различного рода злонамеренных попыток взлома систем безопасности, которые могут причинить серьёзный ущерб и даже угрожать жизни людей, находящихся в доме.

Возможны несколько основных потенциальных вариантов утечки данных на следующих этапах передачи информации: «устройство–устройство» (интеллектуальный сенсор), «устройство–координатор», «координатор–шлюз», «устройство–контроллер для локальной сети», «контроллер поставщика услуг IoT и сервисные службы Интернет». Системы безопасности современных проектов «Умного дома» должны обеспечивать надёжную защиту на каждом из перечисленных этапов передачи информации. Основные хакерские технологии взлома систем IoT достаточно хорошо известны: Exploits, Password Attacks, IoT Worms, Unpatched Devices, Legacy Protocol, Cryptojacking и другие [13]. Методы борьбы с этими технологиями подробно описаны [14–17]. Поэтому в этой статье не будет детально рассмотрен этот вопрос.

Поскольку все проекты «Умного дома» предусматривают выход в глобальные внешние сети, перенасыщенные различными вирусами, проблемы безопасности, связанные с Интернет, также крайне важны для этого направления IoT. Даже опытные пользователи, не говоря уже о детях и пожилых людях, могут кликнуть на ссылку, которая запустит механизм заражения вирусами систем, управляющих оборудованием дома. Поэтому необходимо обеспечить комплексную локальную и облачную защиту от заражения вирусами и сетевых атак.

Проект «Умный дом с подключением по протоколу IP»

Отмеченные ранее глобальные проблемы, связанные с индустрией «Умного дома», признают все ведущие мировые производители, поставщики и интеграторы электроники.

Заметный отрыв трёх лидеров рынка от потенциальных конкурентов для Amazon, Google и Apple создаёт определённое преимущество. Однако для остальных компаний и для индустрии «Умного дома» в целом такая ситуация является крайне неприятной. Определённые нарекания, связанные с дополнительными неудобствами при выборе и монтаже оборудования, возникают у потребителей рынка.

Несовместимость технологий и оборудования для всех участников этого рынка, кроме трёх лидеров, создаёт дополнительные проблемы:

Наиболее ожесточённая конкурентная схватка наблюдалась между группировками, сложившимися вокруг Thread/Weave–Google/Nest, против их соперников, объединившихся под флагом Amazon+Apple. В проектах Amazon устройства Echo и Eero со встроенными концентраторами умного дома используются интеллектуальные устройства на базе ZigBee [18]. В экосистеме Google nest используются устройства, которые связываются между собой с помощью Thread, Weave и Bluetooth LE [19]. Широко распространённая экосистема HomeKit Apple's smart home platform базируется на технологиях Wi-Fi и Bluetooth LE [20].

Остальные поставщики технологий и комплектующих для «Умного дома» заметно отстают от лидеров по объёмам продаж. Они пытаются либо разрабатывать собственные протоколы, либо предлагают роутеры для связи с платформами Google, Amazon и Apple.

Thread и ZigBee (3.0/pro) используют один и тот же стандарт IEEE 802.15.4 на физическом (PHY) канальном подуровне (MAC) (см. рис. 4). Это значит, что можно, вообще говоря, использовать одинаковые устройства в конкурирующих технологиях. Понимая это и видя бесперспективность дальнейшей конкурентной борьбы, соперники решили объединиться и продолжить совместные разработки на благо потребителей всего мира. Таким образом, в декабре 2019 года Amazon, Apple, Google под руководством Zigbee Alliance создали рабочую группу, названную Project Connected Home over IP (CHIP – умный дом с подключением по протоколу IP). Основная цель этой рабочей группы заключается в разработке и продвижении единого стандарта протоколов беспроводной связи с открытым кодом, предназначенных для оборудования, используемого в проектах «Умного дома» [21].

В 2020 году к проекту CHIP присоединились: IKEA, Legrand, NXP Semiconductors, Resideo, Samsung SmartThings, Schneider Electric, Signify (ранее Philips Lighting), Silicon Labs, Somfy и Wulian. Предполагается, что основное руководство проектом будет осуществлять Zigbee Alliance.

В качестве двух основных задач проекта CHIP можно выделить, во-первых, унификацию блоков «Умного дома» различных производителей, а во-вторых, снижение затрат на разработку и монтаж оборудования.

Литература