Rambler's Top100
Статьи ИКС № 04 2010
Манфред ШНЕПС-ШНЕППЕ  06 апреля 2010

Умный дом по стандартам ITU G.hn

Современная технология построения умного дома позволяет создавать домашнюю сеть или сеть малого офиса на основе существующей телефонной проводки. К контроллеру сети подключается множество устройств для сбора информации. Устройства с интерфейсом Meter-Bus, о которых пойдет речь в статье, недороги, и их выпуск вполне по силам отечественным производителям.

Манфред ШНЕПС-ШНЕППЕ, генеральный директор «ЦКБ-Абаванет»Как строить умный дом


Термином SmartHouse обозначают европейскую концепцию умного дома (синонимы: интеллектуальный дом, цифровой дом). Термин введен нормирующим документом по благоустройству жилых домов под названием SmartHouse. Code of Practice. CWA 50487, который был опубликован в 2005 г. Европейским комитетом по стандартизации в электротехнике CENELEC.


Архитектура умного дома показана на рис. 1. С точки зрения услуг, предоставляемых жильцам дома, выделяются три подсети: инфокоммуникационная (телефонная связь, интернет, телевидение – так называемый набор услуг triple play), развлекательная и подсеть автоматизации дома. Они используют общую инфраструктуру передачи информации внутри квартиры (дома), которая, согласно концепции CENELEC, может быть построена на базе телефонных линий, кабельной сети, электропроводки или радиосети. Через сеть доступа (Communication Networks) домовой шлюз (RG, Residential Gateway) общается с другими домами, сетями операторов и сервис-провайдерами и отвечает за доведение сервисов до пользователя. Слева на рисунке перечислены сервис-провайдеры, которые борются за клиента: поставщики коммунальных услуг (utilities), телекоммуникационных услуг, правительственных, общественных, корпоративных (например, работа на дому), развлекательных, услуг вещания.


Разрабатывая требования к «умному дому», CENELEC следовала принципу консенсуса и считала допустимыми любые информационные технологии. В результате протоколы работы домовых устройств чрезвычайно многообразны, что увеличивает стоимость домовых сетей. Этот недостаток устраняет концепция ITU G.hn.


Телефонная линия как основа домовых сетей


История создания стандартов G.hn берет начало в 1996 г., когда ведущие производители телекоммуникационного оборудования образовали альянс, получивший название Home Phoneline Networking Alliance. В 1998 г. появился стандарт передачи данных по телефонным линиям HPNA.


А 12 декабря 2008 г. в Женеве произошло событие, важное для будущего телекоммуникационных сетей: Международный союз электросвязи ITU принял рекомендацию G.9960*, которая определяет архитектуру домовых сетей нового поколения G.hn (сокращение от next generation home network). Это итог работы группы ведущих мировых телефонных операторов, производителей средств связи и автоматизации дома. Суть нового стандарта G.9960 состоит в том, что основной физической средой домовых сетей в нем признана телефонная линия (витая пара), а основным принципом модуляции – OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, частотная модуляция с ортогональными поднесущими). Сам алгоритм OFDM разработан еще в 1960-х гг., но только сейчас стали доступны дешевые сигнальные процессоры, выполняющие 10 млн операций в секунду и более, которые должны быть в каждом домовом устройстве, выходящем на домовую сеть.


В надежде, что на этом закончится многолетнее непримиримое соперничество разных подходов к построению домовых сетей (телефонная линия, коаксиальный или оптический кабель, силовая линия, радиоканал), новый стандарт безоговорочно приняли многие компании, например, телефонная компания АТ&T и Best Buy, крупнейший торговец бытовой электроникой в США. Поддержали его и организации, занимающиеся автоматизацией дома: Continental Automated Buildings Association (CABA), CEPCA, HomePNA и Universal Powerline Association, – которые до сих пор вынуждены пользоваться множеством нестыкующихся технологий.


В чем привлекательность нового подхода? Он позволяет создавать домашнюю сеть или сеть малого офиса на основе существующей телефонной проводки. В квартирах жилых домов телефонные розетки нередко устанавливают в каждой комнате (и даже в кухне, прихожей и т. д.), подключая в них параллельные телефонные аппараты. Этой "инфраструктуры" вполне достаточно для построения высокоскоростной одноранговой сети в пределах квартиры, и при этом не требуются ни коммутаторы и концентраторы, ни специальное оборудование Ethernet, ни дополнительная проводка. Достаточно вставить в компьютер сетевой адаптер HPNA (он похож на обычную сетевую карточку Ethernet) и подключить его в телефонную розетку. Аналогичным образом в любую другую телефонную розетку в квартире включается другой компьютер. Таким образом, на базе имеющейся в доме телефонной проводки разные компьютеры могут совместно использовать файлы, принтеры, модемы, жесткие диски или дисководы CD-ROM. При этом традиционная телефонная связь эксплуатируется в обычном режиме – просто телефонные аппараты, которые раньше были включены непосредственно в телефонные розетки, теперь подключаются к сетевому адаптеру HPNA.


Самая современная на данный момент версия, HPNA 3.1, была разработана в компании Coppergate Communications и одобрена ITU как рекомендация G.9954 в январе 2007 г. Используется частотный диапазон 4–10 МГц; допускается скорость передачи до 240 Мбит/с. Максимальное число пользователей достигает 64 (но с ростом их числа скорость обмена падает). Одну из 64 позиций занимает домовой шлюз RG, выполняющий роль ведущего устройства (master). Остальные пользователи выступают как ведомые устройства (slaves). Это решение оптимально для передачи голоса, данных и видеоизображений на расстоянии до 600 м.


Немного о технологии G.hn


Услуги triple play с использованием ADSL-модемов в настоящее время широко распространены, и этот подход сохраняется и в сетях G.hn. По технологии ADSL данные передаются по обычной аналоговой телефонной линии через абонентское устройство – модем ADSL и мультиплексор доступа (DSL Access Multiplexer, DSLAM), находящийся на той же АТС, к которой подключена телефонная линия пользователя.


Согласно технологии ADSL, полоса пропускания канала распределена между нисходящим и восходящим трафиком несимметрично – у большинства пользователей объем нисходящего трафика значительно больше, чем восходящего, поэтому предоставление ему большей части полосы пропускания вполне оправдано. Обычная телефонная линия использует для передачи голоса полосу частот от 0 до 4 кГц (так называемый канал тональной частоты). Чтобы не создавать помех использованию телефонной сети по ее прямому назначению, в ADSL используется диапазон частот с нижней границей на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц (или 2,2 МГц по технологии ADSL2+). Эта полоса пропускания делится на две части – частоты от 26 до 138 кГц отведены восходящему потоку данных (upstream) от дома к АТС, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц – нисходящему. Такое частотное разделение (в сплиттере) позволяет говорить по телефону, не прерывая обмен данными по той же линии.


Отметим, что частотная полоса работы домовой сети G.hn сдвинута вправо (рис. 2) по сравнению с полосой, отведенной для ADSL, благодаря чему можно по одной и той же паре проводов разговаривать по телефону, передавать данные по технологии Ethernet (ADSL-линии) и обмениваться сообщениями между пользователями домовой сети.


Немаловажно, что существующие ныне домовые устройства со стыком Ethernet не придется менять, так как в сети G.hn уровень передачи данных (Data Link Layer) работает по технологии Ethernet, а физический стык с сетью G.hn обеспечивают специальные микросхемы, которые, как объявлено, появятся на рынке к середине 2010 г.


Интерфейс Meter-Bus в домовой сети


Ключевым элементом в концепции умного дома (рис. 3) является домовой (квартирный) контроллер. К нему поступает информация от множества контролируемых домовых устройств. Далее по телефону (фиксированному или мобильному), через интернет или диспетчера она передается клиенту. Для сбора информации служат различные интерфейсы (BACnet, LonWorks, KNX, CAN и другие). На рынке доступно множество домовых устройств иностранного производства с разными интерфейсами. Однако, как показывает приведенный ниже пример, выпуск домовых устройств вполне по силам отечественным производителям.


Для подключения домовых устройств мы предлагаем использовать интерфейс Meter-Bus (М-Bus), что, на наш взгляд, позволит производить недорогие устройства. M-Bus разработан для удаленного считывания показаний счетчиков бытовых энергоресурсов, например, данных о потреблении газа или воды в доме. Другие примеры использования M-Bus – это системы безопасности, управления освещением или теплом.


Интерфейс M-Bus представляет собой иерархическую систему (рис. 4). Система M-Bus состоит из контроллера – ведущего устройства (мaster), многочисленных счетчиков – ведомых устройств (slaves) и двухпроводного кабеля. Ведомые устройства (счетчики воды) параллельно подключены к соединяющему кабелю. Важно, что интерфейс M-Bus отвечает требованию удаленного питания счетчиков. На рис. 4 ведущим устройством является компьютер, а удаленное питание счетчиков обеспечивает конвертер. Счетчики по мере необходимости передают информацию контроллеру, который, в свою очередь, подключается к Интернету или к модему мобильной сети. Передача информации происходит последовательно по битам в полудуплексном режиме со скоростью 300–9600 бод. Для обеспечения требований к работе счетчика в режиме slave компания Texas Instruments Deutschland GmbH разработала интегральную микросхему – трансивер TSS721.


Данные, которые поступают на компьютер, удобны для дальнейших расчетов, вывода на печать, их можно передавать по электронной почте. В одной программе можно считывать и хранить показания приборов сразу нескольких объектов (домов). Разработан веб-сервер для доступа жильцов и администрации домуправлений к базе данных о потреблении воды (см. http://mbus.linkstore.ru).


Для демонстрации на практике элементов умного дома были разработаны макеты восьми различных устройств для сбора показаний счетчиков в двух вариантах: по проводам (чистое применение M-Bus) и по радио. В последнем случае (рис. 5) в коридоре дома прокладываются провода для M-Bus и размещается приемопередатчик, а к счетчикам добавляется передатчик. На рис. 6 показаны примеры таких изделий.


Что можно и нужно производить


Промышленная продукция для автоматизации дома делится на несколько категорий:


• устройства учета энергоресурсов (вода холодная и горячая, отопление, газ, освещение);


• средства управления климатом (термоизоляция, вентиляция и кондиционирование);


• пожарно-охранная сигнализация,


• cистемы контроля доступа в помещения, контроля протечек воды, утечек газа;


• системы видеонаблюдения;


• медицинские приборы для слежения за состоянием больных;


• системы механизации здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней);


• сети связи по стандартам G.hn (в том числе телефон и локальная сеть здания, квартирная сеть, домовая сеть);


• программное обеспечение системы автоматизации дома.


Домовая сеть по стандартам G.hn и система автоматизации дома в целом состоят из множества устройств, но самая важная и дорогая их часть – это программное обеспечение. Сюда входят программы общедомового компьютера, квартирного контроллера и домовых устройств. Сложность задачи создания умного дома неизбежно требует многих версий программного обеспечения, поэтому, планируя разработку и производство домовых устройств, важно иметь собственных программистов и службу сопровождения систем автоматизации дома в процессе их эксплуатации. 

____________________________

* ITU-T Recommendation G.9960. Next generation wireline based home networking transceivers – Foundation, 2009.

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!