Дом разумный
Прошли те времена, когда сотрудники офисов носились с дискетами от машины к машине. Теперь же невозможно представить себе офис без компьютерной сети. Но каждый день, возвращаясь в свои дома, мы видим там холодильники, которые не могут посылать нам электронные письма с содержанием вроде: "Запасы газировки подошли к концу". Совершенно ясно, что и в жилых домах все должно измениться, и сделать это предстоит именно вам, специалистам по сетям.
Г де летающие автомобили? Голливуд давно обещал нам их, не говоря уже о роботах-слугах. На дворе 2002 г., и я не знаю, как насчет вашей машины, но моя все еще передвигается по земле. В наших комнатах убираются не роботы, и у нас до сих пор нет антигравитационных двигателей. Еще писатели-фантасты предсказывали, что наши дома будут обладать единой системой освещения и охраны, по своему желанию мы сможем наполнять их звуками и изображениями, а все приборы будут управляться с единого пульта дистанционного управления.
И вот эти предсказания в той или иной мере сегодня становятся реальностью. В нашей цифровой эпохе смарт-карт и "интеллектуальных" телефонов наступает время "умных" домов.
Умный дом - это общий термин, используемый для описания многочисленных продуктов и технологий, которые значительно расширяют функциональность нынешних домашних устройств и делают это, как правило, на базе конвергированной сетевой инфраструктуры. Иными словами, сетевые аудио-, видео- и телефонные службы, а также служба передачи данных теперь не только применяются в офисах, но начинают появляться и в домах. В умном доме телевизор можно будет использовать для просмотра потокового Интернет-вещания, фильмов на DVD или для вывода изображения с камер видеонаблюдения. Стереосистема станет проигрывать цифровые музыкальные файлы, загруженные из Интернет, и вам не придется, как раньше, сначала записывать их на CD. Технологии умного дома позволяют разнообразным устройствам использовать сети передачи данных и Интернет для выполнения таких задач, которые не по плечу обычным бытовым приборам, например, каждый день включать свет в шесть утра, выключать систему поливки газона, когда идет дождь, и в определенное время перенаправлять сигнал DVD-проигрывателя c телевизора в гостиной на телевизор в спальной. Набор уже доступных приложений и устройств (для оборудования умного дома) весьма впечатляет и расширяется с каждым месяцем.
Возможно, у вас возник вопрос: почему это вдруг наш серьезный журнал обратился к бытовой электронике? Признаем, обзор технологий и устройств для умного дома несколько не соответствует профилю нашего издания, но мы уверены, что именно вы, наши уважаемые читатели, будучи опытными и увлеченными сетевыми специалистами, станете первыми реализовывать решения на их основе. Поэтому мы посоветовались со специалистами ряда компаний о технологиях умного дома и получили от них для тестирования некое демонстрационное оборудование. В качестве дополнения к данной статье предлагаем посмотреть видеофильм (по адресу http://www.nwc.com/1301/1301rd1.html), показывающий возможности некоторых из технологий.
Будущее сегодня
На самом-то деле люди уже довольно давно пользуются устройствами и технологиями, соответствующими современной концепции умного дома. Это таймеры управления электроосвещением, разного рода сигнализационные системы и "интеллектуальные" термостаты. Так, уезжая в отпуск, вы можете задействовать таймеры, которые будут периодически включать и выключать свет в доме, заставляя возможных грабителей думать, что в нем кто-то есть. Существуют таймеры, для которых можно написать сценарии работы, имитирующие перемещение по дому человека, как бы выключающего свет и электроприборы в одной комнате и включающего их в другой. Некоторые (особо "интеллектуальные") таймеры способны точно воспроизводить манеру пользования электроосвещением и электроприборами, присущую конкретному человеку, в его отсутствие. Мы знаем людей, еще десять лет назад установивших на крышах своих домов детекторы дождя, благодаря которым, если с неба начинает капать, разбрызгиватели воды на газонах перестают работать, что уменьшает расход воды и предотвращает чрезмерное увлажнение почвы.
И наконец, в современных домах имеются термостаты, управляющие работой систем нагревания и охлаждения воздуха в помещениях. Функционируя в автоматическом режиме, они поддерживают относительно низкую температуру ночью и более высокую днем, а также выполняют специальные программы для выходных дней. Такая автоматика обеспечивает ощутимую экономию затрат на оплату коммунальных услуг. Хотя вышеназванные устройства и системы являются простейшими техническими решениями для оснащения умного дома, они способствуют распространению других технологий. Ясно, что сегодня идея выделить холодильнику IP-адрес покажется глупостью, но через несколько лет это может стать обычным делом. Ваши бытовые устройства будут взаимодействовать с сетями передачи данных и Интернет.
Провода, провода...
Вариантов кабелей для передачи сигналов и данных устройств умного дома несколько. Со временем даже в "тупых" компонентах, таких, как домашние стереосистемы, появятся сетевые средства, поэтому выбор подходящей проводки имеет большое значение. Это особенно важно на этапах строительства нового здания или реконструкции старого. Следует помнить, что проводка должна быть в достаточной степени широкополосной для передачи DVD-потока.
Первый вариант - обычная бытовая электропроводка. По ней можно передавать данные с использованием протокола Х-10. Каждое устройство включается в розетку и, если оно поддерживает указанный протокол, будет реагировать на соответствующие сигналы. Двунаправленная связь между Х-10-совместимыми устройствами возможна, но она осуществляется очень медленно. Скорость передачи данных по линии электропитания зависит от типа используемого протокола и качества самой линии. Протокол Х-10 обеспечивает скорость передачи, равную 60 бит/с. Другая технология, описанная в стандарте HomePlug 1.0, ориентирована на достижение скорости до 14 Мбит/с. Конечно же, реальная скорость зависит от уровня помех на линии. Во многих домах он довольно высок. Помехи, создаваемые такими устройствами, как посудомоечные машины, могут существенно замедлить передачу данных.
Второй вариант - коаксиальный кабель, традиционно используемый для передачи видеосигнала и данных (вспомните технологию 10Base2). Такой кабель легко прокладывать и терминировать. Несложно делать и ответвления от него. Однако, как и линии электропитания, он имеет невысокую пропускную способность: технология 10Base2 обеспечивает скорость передачи до 10 Мбит/с.
Третий вариант - телефонные линии. Более десяти лет назад пользователи компьютеров Macintosh объединяли их в сети с помощью телефонной проводки и ресиверов Phonenet. Эти сети, вероятно, и были самыми первыми реализациями конвергированных сетей, предназначенных для передачи речи и данных. Организовывать домашние сети на базе телефонных линий просто, но пропускную способность таких линий тоже высокой не назовешь. В первой версии стандарта Home Phoneline Networking Alliance (HPNA) скорость передачи предусмотрена равной 1 Мбит/с, а во второй - 10 Мбит/с.
Четвертый вариант - кабель категории 5e с пропускной способностью до одного гигабита в секунду. Этого более чем достаточно для передачи видео и данных. Фирма Linksys недавно выпустила восьмипортовый гигабитовый коммутатор, который стоит всего-навсего 189 долл. Для высококачественной передачи видео требуется очень широкая полоса пропускания, поскольку краткосрочные перерывы в показе изображения и обусловленное работой средств сжатия определенное ухудшение его качества, хотя и считаются приемлемыми для Интернет-приложений и систем видеоконференц-связи, недопустимы при просмотре фильмов на DVD (особенно тех, в которых есть батальные сцены). Бытовая видеокамера формата DV (Digital Video) передает видеопоток (без аудиоинформации) со скоростью 25 Мбит/с. Передача звукового ряда и служебных данных повышает скорость потока примерно до 36 Мбит/с. Существует и 50-Мбит/с фомат DV c улучшенным качеством изображения (см. http://www.adamwilt.com/ DV-FAQ-editing.html#transcoding). Современные проигрыватели DVD только для передачи видео поддерживают максимальную битовую скорость, равную 9, 8 Мбит/с, и у них остается довольно ограниченная полоса пропускания для передачи звука, поэтому можно предположить, что со временем стандарты DVD будут пересматриваться в плане расширения полосы пропускания (http://www.dv.com/db_area/community/Forum23/ HTML/000082.html).
Еще одна широкополосная технология - телевидение высокой четкости (ТВЧ) - все еще остается очень сложной для реализации производителями электронного оборудования и вещательными компаниями. Для передачи динамичных сюжетов, включая репортажи о спортивных соревнованиях, с использованием функции сжатия системе ТВЧ необходима полоса пропускания около 18 Мбит/с. Несжатый ТВЧ-поток имеет просто умопомрачительную интенсивность - 1, 2 Гбит/с (http://www.digitaltelevision.com/dtvbook/ch2.shtml#video).
Чем меньше степень сжатия, тем выше качество изображения и звука. В ближайшие годы пользователям наверняка потребуются еще более четкая картинка и большее число аудиоканалов. Как и в случае с проектированием любой сети, важно сделать домашнюю инфраструктуру не устаревающей морально, обеспечив при ее создании определенный запас полосы пропускания для будущих приложений.
Кабель категории 5e бывает двух видов - пленумный и обычный. Пленумный кабель имеет специальную оболочку, которая при горении выделяет меньше газов. У обоих видов кабеля одинаковые характеристики передачи данных, но пленумный при этом стоит примерно в три раза дороже обычного. Некоторые инсталляторы считают, что пленумный кабель прокладывать сложнее, поскольку он менее гибкий.
И наконец, последний вариант реализации домашней кабельной инфраструктуры - это установка оптоволокна. Впрочем, большинство представителей компаний-производителей, с которыми мы советовались, считают, что в жилом доме не стоит использовать оптоволокно: оно дороже других видов кабелей, его сложнее прокладывать и терминировать. В электронном магазине на сайте http://www.datacommwarehouse.com, 300-метровый отрезок обычного кабеля категории 5e (с оболочкой из поливинилхлорида) стоит примерно 100 долл., пленумного - 280, двухжильного оптоволоконного с полихлорвиниловой оболочкой - 330, двухжильного оптоволоконного пленумного - 350 долл.
На рынке существует и беспроводное оборудование стандарта 802.11b, но его пропускной способности явно недостаточно для высококачественной передачи видео. Скорости этого оборудования хватит лишь для пересылки звука и файлов. Напоминаем, что DVD-проигрыватель генерирует 9, 8-Мбит/с видеопоток, а максимальная пропускная способность оборудования стандарта 802.11b теоретически составляет 11 Мбит/с. В продаже уже появились 54-Мбит/с беспроводные средства стандарта 802.11а, но все равно полоса пропускания кабельной инфраструктуры значительно шире, ведь кабель категории 5e поддерживает технологию Gigabit Ethernet. Кроме того, беспроводное оборудование не лишено проблем с помехами и защитой данных.
Итак, какой же кабель выбрать? Домашнюю высокоскоростную сеть передачи данных следует строить на базе кабеля категории 5e. По нему можно не только быстро пересылать информацию, но и подавать электропитание (небольшой мощности) на термостаты и IP-телефоны. Для связи со средствами автоматики и другими устройствами, не требующими высоких скоростей передачи данных, проще и дешевле задействовать силовую электропроводку. Некоторые специалисты считают, что со временем в умных домах станут использоваться и медная, и беспроводная инфраструктуры, но в ближайшие несколько лет высокоскоростные приложения (включая передачу видео и быстрый обмен файлами) будут лучше работать с медной проводкой.
Компания Home Director (которая отделилась от корпорации IBM) и другие поставщики структурированных кабельных систем ориентируются на организации, строящие новые дома, а не реконструирующие старые. Кабель категории 5e очень просто прокладывать в процессе строительства дома. При этом все кабельные линии должны сходиться к одному центральному узлу.
Если вы строите новый дом, задействуйте в качестве телефонных линий отрезки кабеля категории 5e вместо традиционной проводки категорий 1-3. В будущем это существенно облегчит вам внедрение средств передачи данных и/или систем VoIP.
Неплохая идея - при строительстве нового жилого дома установить в нем закладные трубы для кабелей, как это делается в офисных зданиях. Благодаря им в перспективе вы сможете без особого труда прокладывать новые линии или заменять старые. Возможно, уже через несколько лет вам захочется заменить кабель категории 5e оптическим или подключить к домашней сети ранее не подсоединенные к ней комнаты. Стоимость системы закладных труб зависит от типа материала, из которого они изготовлены (металл или пластмасса), расценок строительной организации и длины самих труб.
Низкоскоростные приложения
Для взаимодействия со средствами автоматики, не требующими высокой скорости передачи данных, широкое применение получил протокол Х-10, в котором предусмотрена вставка 120-кГц импульсов между циклами синусоидального напряжения переменного тока. Чтобы скомпенсировать влияние помех, команды передаются дважды. Каждое устройство Х-10 имеет два устанавливаемых 4-бит адреса. Первый - это домашний код, предназначенный для объединения устройств в группы, второй - идентификационный код. Например, вы можете присвоить всем находящимся в жилых помещениях дома устройствам код A, а в нежилых - код B. Это упрощает процесс администрирования.
Контроллеры, подсоединяемые к компьютеру через последовательные порты или порты USB, работают с имеющими определенный домашний код устройствами X-10 или же можно использовать компьютер для управления всем домом. На рынке имеется несколько разновидностей контроллеров разных производителей (см. http://www.smarthome.com/x10map.html).
В доме может быть задействовано до 256 индивидуально управляемых устройств Х-10. Несколько устройств могут иметь одинаковый код; они будут действовать одновременно. Некоторые устройства не только исполняют команды, но и сами посылают их. Так, термостат может сообщить управляющему компьютеру о температуре воздуха на данный момент, а компьютер использует эту информацию совместно со сценарием работы для определения действий, которые нужно предпринять.
Протокол Х-10 появился в конце 70-х годов. Он великолепно подходит для работы с низкоскоростными и довольно простыми устройствами. Обычно его используют для управления электроосвещением. Один из редакторов нашего журнала разработал для средств этого протокола сценарий под названием "Спокойной ночи", по которому свет в спальне включается в заданное время и через три минуты выключается. У другого редактора после просмотра видеофильма свет в комнате зажигается плавно (в течение нескольких секунд), вместо того чтобы вспыхнуть моментально, не дав глазам адаптироваться к яркому освещению. Эта функция включается с единого пульта дистанционного управления, который управляет освещением, телевизором и проигрывателем DVD. Большим достоинством оборудования X-10 является простота его установки, конфигурирования и использования.
Ради безопасности
Одна из важнейших функций оборудования умного дома - обеспечение безопасности живущих в нем людей. Снаружи с целью наблюдения за окружающим пространством могут быть установлены проводные и беспроводные видеокамеры. Полезно задействовать датчики движения и детекторы разбивания стекла. Благодаря такому детектору при нарушении целостности стекла запускается специальный сценарий, предусматривающий включение света и активизацию видеокамеры.
Когда в подвале появится вода, детекторы воды сообщат вам об этом. Датчики - реагирующие на тепло, дым, двуокись углерода и другие признаки возникновения опасных для жизни и здоровья человека ситуаций - включат сирену, яркие огни (что важно для людей с ослабленным слухом) и/или пошлют вам на работу сообщение по электронной почте. Контроллеры приводов штор смогут закрывать их в запрограммированное вами время или когда фотоэлемент определит наступление сумерек.
Высокоскоростные приложения
Пожалуй, самыми интересными для людей окажутся развлекательные приложения, которые могут стать главной движущей силой развития рынка средств для умных домов. В настоящее время уже имеется технология, позволяющая ретранслировать видеосигнал по радиоволнам из одной части дома в другую. Но качество картинки при этом хуже, чем при просмотре DVD, а помехи вызывают выпадение элементов изображения и кратковременные остановки движущейся картинки. Однако, если дом оснастить высокоскоростной проводной сетью, передавать аудио- и видеоинформацию можно будет с высоким уровнем качества и без влияния на работу других приложений.
В домашней информационной среде, характеризующейся относительно небольшим трафиком и малым числом узлов, проблем с реализацией необходимого уровня качества обслуживания трафика (Quality of Service - QoS) возникать не должно. При работе в сети Интернет средства обеспечения QoS имеют большое значение, но совсем не обязательно, чтобы их работа контролировалась самим конечным пользователем.
Компания ITT Industries разработала высокоскоростную структурированную кабельную систему DiLAN (Domestic Integrated LAN). Партнерство компаний ITT и Home Director приведет к появлению в США умных домов, в которых всюду проложат кабели категории 5e и подсоединят их к расположенным в подвалах центральным коммутационным блокам. Обычное устройство - скажем, телевизор - будет подключаться к сети через адаптер (коаксиал/RJ-45). Видеосигнал от DVD-проигрывателя можно будет направлять в любую комнату в доме, а музыкальные файлы - передавать с любого домашнего компьютера на стереосистему, которая сможет их воспроизводить.
Если к домашней сети подключить видеокамеры внешнего наблюдения, появятся дополнительные возможности. Когда зазвонит дверной звонок, на экране телевизора возникнет изображение человека, стоящего у двери, и вы сразу узнаете, кто пришел: разносчик пиццы или кавалер вашей дочери. Кроме того, на экран телевизора может выводиться информация о том, кто звонит вам по телефону, и вы, не отрывая глаз от любимой спортивной игры, решите, стоит ли вам отвечать.
Разумеется, широкополосная сеть пригодна не только для игр и других развлечений. Передача видео по кабелям категории 5e сделает и офисную среду более динамичной. Комнату для переговоров вполне реально будет превратить в телестудию или зал для просмотра видеопрограмм. Появится возможность передать, например, последний рекламный ролик вашей компании из студии видеомонтажа на монитор, установленный в кабинете руководителя предприятия тремя этажами выше, и отпадет необходимость записывать его на видеоленту или загружать по компьютерной сети.
После 2010 года
Какие перспективы у технологий умного дома? По мере того как производители электронного оборудования будут налаживать отношения со строительными организациями, станет появляться все больше домов, подготовленных для развертывания широкополосных приложений. Наибольший интерес, скорее всего, вызовут развлекательные приложения, а не возможности управлять электроосвещением и функции обеспечения безопасности. Некоторые обладающие определенными навыками люди в целях экономии денег сами построят свои системы безопасности. Со временем многие домашние устройства будут автоматизированы. Холодильник сможет известить домашний ПК о том, что его дверца не закрыта, а также сообщит в мастерскую о поломке каких-то своих компонентов.
На первый взгляд связь по сети между стиральной машиной и телевизором не нужна, но некоторым людям может прийти в голову, чтобы телевизор информировал их об окончании стирки. В будущем станут обычными дома с информационной средой, которая гибко подстраивается под индивидуальные потребности жильцов.