Os sistemas domésticos inteligentes precisam de uma conexão de rádio para a rede sem fio dos dispositivos. No entanto, não existe apenas um, mas muitos padrões de rádio diferentes para automação residencial. Explicamos aqui por que esse é o caso e o que isso significa para o design da casa inteligente.
ZigBee & Co.: O que você deve saber sobre os padrões sem fio da casa inteligente
- A conexão sem fio na casa inteligente deve transmitir dados com segurança e rapidez com baixo consumo de energia.
- A WLAN oferece uma alta taxa de transmissão, mas requer muita energia, e é por isso que o padrão sem fio não pegou nas casas inteligentes.
- Sensores operados por bateria que enviam pequenas quantidades de dados usam principalmente protocolos econômicos como ZigBee, Z-Wave ou EnOcean, que, como WLAN, são acessíveis gratuitamente a todos os fabricantes.
- Além dos padrões de rádio abertos, também existem os privados, como o Homematic IP, que pertencem a uma empresa. Assim, os dispositivos são compatíveis apenas com o seu próprio sistema de casa inteligente ou com sistemas co-desenvolvidos pelo fabricante. Esses padrões de rádio também são chamados de "proprietários".
Por que os padrões de rádio são importantes?
Qualquer pessoa que já tenha tentado desesperadamente navegar na Internet no meio da floresta ou na rodovia sabe como as conexões de rádio estáveis são importantes. O mesmo se aplica a dispositivos domésticos inteligentes que devem ser capazes de trocar informações entre si na casa sem interferência. Porque, assim como os smartphones, os sistemas domésticos inteligentes baseados em rádio se comunicam usando ondas eletromagnéticas.
Os padrões de rádio como ZigBee, Z-Wave, WLAN ou EnOcean são geralmente baseados na modulação de rádio e microondas, que pertencem à parte de baixa frequência do espectro eletromagnético. A onda é alterada para que possa transportar informações (imagens, linguagem, música, texto). Na Alemanha, a Federal Network Agency emite frequências para o tráfego de rádio. Muitos protocolos no campo do rádio doméstico inteligente usam a chamada banda ISM (banda industrial, científica e médica) entre 2,4 e 2,5 GHz ou a banda SRD (dispositivo de curto alcance) entre 863 e 870 MHz.
Os padrões sem fio para casa inteligente variam entre ondas de rádio e infravermelho.
Para poder controlar dispositivos domésticos inteligentes com o smartphone ou tablet, a frequência de rádio doméstica inteligente deve ser traduzida em um sinal WLAN. É por isso que a maioria dos sistemas domésticos inteligentes exige uma ponte de rádio (incluindo um gateway ou centro de controle). Ele é conectado ao roteador WLAN em casa.
Qual é a diferença entre ZigBee, Z-Wave, WLAN e Co.?
As conexões de rádio devem transmitir dados com segurança, rapidez e sem interferência. No entanto, os requisitos mudam dependendo da área de aplicação. Com sistemas de videoconferência, por exemplo, eles precisam transportar enormes quantidades de dados. Sensores de temperatura ou movimento em casas inteligentes, por outro lado, enviam apenas pequenos pacotes de dados. Aqui, o padrão sem fio deve funcionar principalmente de forma econômica para que as baterias durem o máximo possível.
Largura de banda
Um padrão de rádio usa uma certa faixa de freqüência. A largura de banda mostra a distância entre as frequências superior e inferior desta faixa. Por exemplo, a maioria dos roteadores sem fio usa uma faixa de frequência de 2,4 a 2,4835 GHz. A largura de banda neste caso é 83,5 MHz. Quanto maior a largura de banda, mais dados podem ser transmitidos.
canais
Para evitar interferência, deve haver um intervalo entre um canal e o próximo. Para redes WLAN na banda de frequência de 2,4 GHz, quatro canais não sobrepostos estão disponíveis com largura de canal de 20 MHz e espaçamento de 5 MHz.
Transmissão
de velocidade A velocidade de transmissão é muito importante na Internet sem fios. Por esse motivo, a WLAN se estabeleceu como o padrão wireless para laptops, PCs e smartphones. Os roteadores com o padrão Wifi 5 (802.11 ac) gerenciam até 1.300 Mbit / s. Isso é o suficiente para transmitir séries confortavelmente. O padrão de rádio doméstico inteligente Z-Wave chega a 9,6 kbit / s em comparação. Isso é o suficiente para enviar comandos entre interruptores e sensores.
Altas taxas de transferência são necessárias para chats de vídeo. WLAN é muito adequado como um padrão de rádio aqui.
Os
fabricantes de alcance geralmente especificam o alcance ao ar livre para uma conexão sem fio. Em salas fechadas, entretanto, os obstáculos retardam a transmissão das ondas eletromagnéticas. Especialmente os elementos de construção leves feitos de gesso cartonado, paredes com elementos de aço e tubos de água interferem na transmissão de rádio. A WLAN tem um alcance teórico de 300 metros - na prática, porém, o nível do sinal cai após alguns metros. A frequência do sinal de rádio também é crucial: quanto mais alto, menor é o alcance.
Padrão de segurança
A transmissão sem fio é particularmente suscetível ao roubo de dados. Por esse motivo, todos os padrões wireless em Smart Home wireless possuem um protocolo de segurança que criptografa os dados. No entanto, nenhum padrão sem fio é 100% seguro contra ataques de hackers. Leia nosso artigo sobre isso: Quão segura é uma casa inteligente?
Por que não usar WiFi para todos os dispositivos domésticos inteligentes imediatamente?
95 por cento de todos os alemães têm uma conexão com a Internet, a maioria deles com um roteador WLAN. Então, por que não usar WLAN como padrão para sistemas domésticos inteligentes? Existem várias razões para isso:
Alto consumo de energia
Em comparação com outras conexões sem fio, a WLAN tem uma alta taxa de transmissão. Isso também significa que os dispositivos WiFi consomem muita energia. Isso é particularmente desvantajoso para dispositivos operados por bateria. A alta largura de banda e alta velocidade não são necessárias para pequenos sensores que apenas transmitem mensagens curtas.
Sobreposições
Acima de tudo em prédios de apartamentos, a interferência ocorre quando muitos dispositivos em redes WLAN vizinhas usam a faixa de frequência de 2,4 GHz.
Alcance limitado A
interferência de sinal de outros dispositivos que usam a mesma banda de frequência também reduz o alcance do link de rádio.
Qual é a diferença entre padrões sem fio abertos e proprietários?
- Com padrões de rádio abertos, como ZigBee e Bluetooth, a tecnologia está disponível gratuitamente para todos os fabricantes. Freqüentemente, várias empresas desenvolvem os protocolos em uma organização guarda-chuva. A vantagem é um alto nível de compatibilidade, mesmo com diferentes sistemas domésticos inteligentes. Homee é um bom exemplo de sistema doméstico inteligente completamente aberto, ao qual todos os dispositivos que usam padrões sem fio abertos podem ser conectados.
- Com padrões de rádio proprietários (fechados), como o Homematic IP, um fabricante desenvolve seu próprio protocolo. Isso garante maior segurança durante a transmissão de dados. Os dispositivos de casa inteligente só podem ser conectados a dispositivos do mesmo fabricante. Esse obstáculo pode ser contornado com a compatibilidade apropriada usando "aplicativos de cola", como IFTTT ou o aplicativo Alexa.
- No caso de padrões de rádio abertos, o código do protocolo é open source. Isso significa que qualquer fabricante pode fazer alterações. Dispositivos com o mesmo padrão de rádio não são necessariamente compatíveis uns com os outros. No entanto, como muitos fabricantes desejam que seus produtos possam ser acoplados a tantos sistemas diferentes quanto possível, é provável que haja compatibilidade.
Padrões de rádio doméstico inteligente em comparação
|
Taxa máxima de |
O alcance |
faixa de freqüência |
Consumo de energia |
inscrição |
Fabricante |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
ACESSO SEM FIO À INTERNET |
1.000-1.300 |
50 m |
2,4-2,48 GHz |
Alto |
Internet sem fio |
Belkin WeMo DLink Tado Página inicial do Google Netatmo anel |
|
Bluetooth 5.0 de |
1-3 Mbit / s |
10 m |
2,40-2,48 MHz |
baixo |
Dispositivos domésticos inteligentes | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
baixo |
Automação predial |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 Kbit / s |
30 m |
868 MHz |
baixo |
Automação predial |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Homee Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
muito baixo |
Sensores de temperatura , |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
Homematic |
9,6 kbit / s |
20-30 m |
868-869,52 MHz |
baixo |
Gestão de energia , |
HomeMatic Max! Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89-1,90 MHz |
baixo |
Automação predial |
Magenta Smart Home AVM Gigaset |
Padrões de rádio: vantagens e desvantagens à primeira vista
1. WLAN
Já na década de 1970, houve tentativas de inventar links de rádio para transmissão rápida de dados. Em 1971, a rede ALOHAnet conectou sete computadores em quatro ilhas havaianas diferentes usando o protocolo de rádio Aloha. O protocolo de rádio IEEE 802.11, que é usado em todos os lugares hoje, existe desde 1997. Dois anos depois, a WiFi Alliance foi estabelecida com o objetivo de certificar dispositivos WLAN e desenvolver ainda mais a tecnologia.
A campainha inteligente da Ring se comunica com um dispositivo Alexa via WiFi.
funcionalidade
- As redes WiFi atuais são baseadas nos padrões de rádio IEEE-802.11ne 802.11ac (WiFi 4 e WiFi 5).
- As taxas de transferência teóricas são 600 Mbit / s ou 1500 Mbit / s. Na prática, entretanto, a taxa de dados é menor porque muitos roteadores não podem receber vários fluxos de dados em paralelo.
- Os roteadores WLAN usam a banda de frequência de 2,4 GHz com quatro canais não sobrepostos; os modelos mais novos também usam a banda de frequência de 5 GHz com 19 canais.
benefícios
- com certeza
- alta taxa de transferência
desvantagem
- energia intensiva
- Interferência frequente devido ao elevado número de usuários, principalmente na banda de 2,4 GHZ
- na faixa inferior de 5 GHz devido à alta frequência
Aplicações
Apesar de sua fome de energia, o padrão de rádio WLAN desempenha um papel importante na configuração de uma casa inteligente:
- na comunicação entre Smart Home Hub e roteador
- para dispositivos como smart TVs e câmeras que transmitem grandes quantidades de dados (vídeos)
Sistemas domésticos inteligentes com WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Página inicial do Google
- Netatmo Smart Home
- Ring (campainhas de vídeo inteligentes)
2.Bluetooth Low Energy (BLE, 5.0)
Em 1998, a Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba e Intel desenvolveram o padrão Bluetooth. Em 1999, o Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) publicou as especificações para o primeiro protocolo Bluetooth. Nos anos que se seguiram, o Bluetooth se tornou um dos padrões de rádio mais importantes para transmissão sem fio entre telefones celulares e PCs ou para fones de ouvido Bluetooth. A partir da versão 4.0, ele usa significativamente menos energia, daí o nome Low Energy (Bluetooth LE).
Devido ao curto alcance, o Bluetooth é menos adequado para uma casa inteligente. O padrão de rádio é mais adequado para ouvir música por meio de fones de ouvido sem fio.
Funcionalidade
O padrão sem fio Bluetooth usa como banda ISM sem fio 2.402 a 2.480 GHz.
- O dispositivo transmissor (mestre) sincroniza com o dispositivo receptor (escravo). Ambos os dispositivos devem autorizar a conexão para isso.
- O emissor e o receptor estabelecem uma conexão ponto a ponto na chamada rede pico. Cada dispositivo possui um endereço de 48 bits que o identifica.
- O transmissor muda a frequência dentro da banda de frequência 1.600 vezes por segundo (processo de salto de frequência). O receptor procura sinais do transmissor a cada 2 segundos até que a conexão seja estabelecida.
benefícios
- amplamente utilizado, portanto, alta compatibilidade
- energia baixa
desvantagem
- curto alcance
- estabilidade pobre
Aplicações
Nas áreas de automação residencial e segurança, poucos fabricantes confiam no Bluetooth, mas ele é um dos principais padrões sem fio para wearables e eletrônicos de entretenimento. Aplicações úteis na área de casa inteligente incluem fechaduras eletrônicas ou abridores de portas de garagem inteligentes.
3. ZigBee
Em 2002, várias empresas fundaram a ZigBee Alliance. O padrão de rádio se destina a permitir a transmissão de dados em redes com baixos volumes de dados e consumo mínimo de energia. Nos anos que se seguiram, a ZigBee se consolidou como a tecnologia líder em automação industrial, principalmente para controle de interruptores e sensores.
ZigBee está predestinado para a casa inteligente devido à sua baixa suscetibilidade a falhas. Entre outras coisas, Philips Hue é baseado em ZigBee como uma luz inteligente.
funcionalidade
- Como o Bluetooth, o ZigBee usa o padrão IEEE 802.15.4 e estende o protocolo em três camadas.
- Em uma rede em malha, os dispositivos domésticos inteligentes individuais não necessariamente recebem mensagens apenas do gateway central. Cada dispositivo se torna muito mais um nó da rede e pode transmitir informações. Por exemplo, lâmpadas e sensores de temperatura conectados ao hub também se comunicam entre si.
- Se o hub falhar, a lâmpada ainda recebe o comando "Continue lamp" do sensor de temperatura. Em grandes apartamentos e casas com vários cômodos, a conexão costuma funcionar sem interferências apesar das paredes.
Aplicativos
Dispositivos domésticos inteligentes em automação residencial, como controle de aquecimento inteligente, sensores de janela e porta ou luzes, usam o ZigBee mais.
benefícios
- baixo consumo de energia
- baixa suscetibilidade a falhas
- alta distribuição, portanto, uma grande seleção de fabricantes
desvantagem
- Nenhum
Sistemas domésticos inteligentes com ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-Wave
Em 1999, a empresa dinamarquesa Zensys desenvolveu o padrão de rádio Z-Wave como uma tecnologia proprietária. Em 2005, vários fabricantes fundaram a Z-Wave Alliance, que tem membros como Huawei e Fibaro. A empresa de tecnologia "Silicon Labs" agora detém os direitos da tecnologia. No final de 2019, a Silicon Labs anunciou que queria fazer do Z-Wave um padrão sem fio aberto.
Z-Wave é muito popular entre os fabricantes de dispositivos domésticos inteligentes. O sensor inteligente da Fibaro mede movimento, temperatura e luz e é baseado no Z-Wave como o padrão sem fio.
funcionalidade
- Os dados são transmitidos na faixa de frequência de 868 MHz com uma mudança de frequência de 20 kHz.
- Os dispositivos Z-Wave formam uma rede que possui um ID exclusivo. Cada dispositivo da rede possui um ID que é definido no chip embutido.
- Tal como acontece com o ZigBee, os dispositivos se comunicam entre si em uma rede em malha semelhante a repetidores em malha. A rede sem fio funciona de maneira mais uniforme, quanto mais dispositivos movidos a eletricidade são integrados à casa inteligente.
- O destinatário deve reconhecer cada mensagem.
benefícios
- Baixa interferência graças ao uso da banda de frequência de 868 MHz
- baixo consumo de energia
- alta distribuição, portanto, uma grande seleção de fabricantes
- até 232 dispositivos podem ser ligados entre si
desvantagem
- baixa taxa de transferência, mas suficiente para pequenos sensores
Sistemas domésticos inteligentes com Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
Em 2001, a Siemens fundou a EnOcean GmbH com o objetivo de desenvolver um protocolo para comunicação sem fio na indústria. A EnOcean Alliance, fundada em 2008, inclui mais de 400 empresas, incluindo Honeywell, IBM e Microsoft.
Os dispositivos Enocean geram seus próprios requisitos de eletricidade com o simples toque de um botão.O Smart Home from Homee é uma forma de usar o padrão sem fio.
Como funciona
O padrão sem fio EnOcean usa o princípio de captação de energia. Os sensores não precisam de bateria.
- Um conversor de energia gera eletricidade a partir de um movimento, como pressionar um interruptor de luz.
- As minicélulas solares são alimentadas por eletricidade de fontes de luz, por exemplo.
- Os elementos Peltier geram eletricidade por meio de diferenças de temperatura, por exemplo, entre o radiador e o ambiente. Uma diferença de temperatura de dois graus é o suficiente.
benefícios
- quase nenhum consumo de energia
desvantagem
- adequado apenas para pequenos sensores e pequenas quantidades de dados
Aplicações
O padrão de rádio de baixíssima energia é usado por dispositivos domésticos inteligentes que enviam mensagens curtas ou comandos. Esses são:
- Sensores de movimento ou detectores de movimento
- Sensores de temperatura
- Sensores de CO2
Sistemas domésticos inteligentes com EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (tecnologia de segurança)
- NodOn (detector de movimento)
6. IP Homematic (BidCoS)
Por trás da marca Homematic IP está o padrão de rádio proprietário BidCoS (Padrão de comunicação bidirecional). O inventor é a empresa de tecnologia alemã eQ-3, fundada em 2007, que usa seu padrão Homematic IP para seus próprios sistemas domésticos inteligentes (Max!, Homematic), mas também o disponibiliza para seus parceiros de cooperação Innogy e Qivicon. Qivicon é uma grande plataforma de casa inteligente que também é a base para o Qivicon / Magenta SmartHome, por exemplo.
Homematic IP é um rádio proprietário, os dispositivos funcionam em cooperação, mas também com Magenta e Innogy.
funcionalidade
- O BidCoS é um protocolo bidirecional. Isso significa que o destinatário sempre deve confirmar uma mensagem.
- O padrão de rádio transmite os dados com autenticação AES e criptografia de 128 bits.
benefícios
- alta seguranca
desvantagem
- não compatível com outros sistemas domésticos inteligentes (exceto para parceiros de cooperação)
Sistemas domésticos inteligentes com Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Dect ULE
O padrão de rádio DECT (para Digital Enhanced Cordless Communication) se espalhou já na década de 1990 com o advento dos telefones sem fio. A variante de Ultra Low Energy (ULE) do protocolo DECT é otimizada para baixo consumo de energia.
Os dispositivos Dect Ule podem ser controlados diretamente através do Fritz! Box. Por exemplo, o soquete inteligente da AVM.
funcionalidade
- DECT ULE não representa um único protocolo, mas muitos protocolos de diferentes fabricantes na banda de 1.890-1.900 MHz.
- Para se comunicarem uns com os outros, os dispositivos domésticos inteligentes que usam o protocolo DECT ULE precisam de um gateway como centro de mensagens de entrada e saída.
Aplicação
O padrão de rádio não é usado apenas para telefones e roteadores, mas também para lâmpadas e sensores inteligentes.
benefícios
- Baixa interferência graças à sua própria banda de frequência
desvantagem
- usado comparativamente raramente
Sistemas domésticos inteligentes com Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Gigaset Elements Smart Home
Combinando diferentes padrões
Os sistemas domésticos inteligentes com design aberto oferecem a possibilidade de combinar diferentes padrões sem fio. Uma ampla variedade de padrões de casa inteligente está integrada nos centros de controle de sistemas como Magenta ou Homee.
“Aplicativos adesivos” como IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant ou Amazon Alexa também atuam como uma ponte entre dispositivos domésticos inteligentes com diferentes padrões sem fio. Em princípio, as informações de vários aplicativos são avaliadas em um aplicativo central. Por exemplo, o sensor D-Link envia um sinal audível quando o sensor Arlo detecta movimento. O pré-requisito é que os dispositivos individuais sejam compatíveis com o aplicativo adesivo selecionado.
KNX-RF: Expanda o sistema de barramento com dispositivos de rádio
No caso de novos edifícios ou da instalação subsequente de uma casa inteligente em um edifício antigo, os proprietários podem considerar se desejam implementar o controle da casa inteligente por meio da instalação de cabo em vez de rádio. O cabo de alimentação pode ser usado como um elemento de conexão (sistema powerline) ou um sistema de barramento separado que funciona como uma segunda linha próxima à linha elétrica (sistema KNX). O bus KNX permite a integração de dispositivos domésticos inteligentes de diferentes fabricantes e pode ser combinado com Powerline e Ethernet.
Para o sistema KNX, agora também existe uma solução híbrida que consiste em dispositivos com fio e baseados em rádio que podem ser controlados pela mesma interface de usuário. Isso é útil, por exemplo, para expandir uma casa inteligente com fio com funções adicionais. O padrão de rádio apropriado é chamado KNX-RF. Uma casa inteligente sem fio pura também pode ser implementada usando essa tecnologia, como também é possível com os padrões sem fio na comparação acima. Uma vez que a conexão e a programação são relativamente complexas, o KNX-RF se destina mais aos especialistas e proprietários KNX que desejam combinar KNX e KNX-RF.
