Цифровые Технологии дистанционного управления электротехническим оборудованием (ЭО, ЭН, АСКУЭ, АСУНО, АСУ ТП и пр.)

Цифровые технологии широко применяются во всех областях электротехнического проекта.
Уже существуют и проектируются "цифровые" подстанции, разрабатываются АСКУЭ, системы АСУНО, АСУ ТП и пр.
Предлагаю рассмотреть некоторые из них.

1. GSM
Применение сотовых модемов для сбора данных позволяет строить территориально распределенные системы учёта, управления, не зависящие от наличия возможности прокладки информационных кабелей. Является частным случаем подключения счетчика, светильника по интерфейсу RS-485. Некоторые модели счетчиков имеют встроенный сотовый модем, но при наличии более одного счетчика в месте организации точки учета (например, несколько счетчиков в одном шкафу или на подстанции) рекомендуется использовать один модем на несколько счетчиков, соединенных магистральной шиной интерфейса RS-485.
При принятии решения использования сотовых модемов необходимо убедиться в наличии надежного сигнала выбранного сотового оператора в месте установки модема.

Особенности:
 - Возможность использовать любые счетчики, светильники, аппараты, обладающие цифровым интерфейсом;
 - Возможность создания территориально распределенной системы;
 - Возможность подключить несколько счетчиков, аппаратов на один модем;
 - Работа со всеми заявленными функциями счетчиков электрической энергии, подключенных аппаратов;
 - Необходимость оплаты услуг сотового оператора.

Использование сотовых модемов подразумевается под собой выбор одной из технологий передачи данных через сеть сотового оператора:
 - CSD (Circuit Switched Data) - технология передачи данных между GSM-устройствами, в данном случае - сотовыми модемами.
 - GPRS/3G/4G – наиболее востребованный и современный способ организации системы учета и управления с применением сотовых модемов. Модем, установленный рядом со счетчиком, аппаратом, регистрируется в сети Интернет.

источник - здесь (https://ankomplus.ru/technologies)

2. RS-485
Использование цифрового интерфейса счетчика RS-485 – это традиционный и наиболее распространенный способ передачи данных со счетчиков электроэнергии на верхний уровень системы. Широко применяется на промышленных предприятиях и в МЖД.
Использование интерфейса позволяет строить систему учета с применением различных устройств: сотовый модем, различные преобразователи интерфейсов, УСПД (устройства сбора и передачи данных). На одну «магистраль» интерфейса RS-485 можно подключить до 250 устройств. Для коммутации устройств на магистрали могут применяться разветвители интерфейсов и усилители (повторители) сигнала RS-485.

Особенности и преимущества:
 - Надежный, хорошо зарекомендовавшая себя технология создании систем учета, АСУ;
 - Использование при наличии кучно расположенных счетчиков, аппаратов, например, в пределах одной подстанции или одного подъезда;
 - Работа со всеми заявленными функциями счетчиков и аппаратов;
 - Возможность выбора способа передачи данных на верхний уровень системы.

источник - здесь (https://ankomplus.ru/technologies)

3. LoRaWAN
В своем физическом исполнении технология представляет собой сеть базовых станций, работающих на частоте 868МГц, которые обеспечивают покрытие радиосигналом области, в которой расположены приборы учета. Приборы учета оснащаются специальными модулями для работы в данной сети.
Базовая станция, охватывающая зону приема в радиусе до 5 км, передает по сети Интернет полученную информацию на сервер LoRaWAN, откуда владелец программного обеспечения верхнего уровня получает информацию.

Преимущества технологии LoRaWAN:
 - простой, быстрый и экономичный способ разворачивания территориально распределенной системы учета и управления;
 - высокое качество и надежность системы, обеспеченные адаптацией базовых элементов системы, прошедших многолетнюю успешную эксплуатацию;
 - возможность выборочной установки приборов только у проблемных потребителей для контроля, ограничения или отключения потребления электроэнергии, что значительно сокращает затраты на систему и дает возможность контролировать незаконные подключения, предотвращать хищения электроэнергии;
 - возможность оперативного и малозатратного расширения системы;
 - заказчик может проводить расширение системы самостоятельно;
 - технология обеспечивает высокую помехозащищенность каналов связи и надежное шифрование данных;
 - независимость от конкретного оператора связи, возможность развернуть свою сеть, приобретая в собственность базовую станцию, сервер LoRaWAN и ПО верхнего уровня;
 - стоимость точки учета значительно ниже, по сравнению с точкой учета оснащенной отдельно стоящим или встроенным GSM/GPRS –модемом.

источник - здесь (https://ankomplus.ru/technologies)

---

электросчетчики от «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ЗАВОД ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ»

Счетчики с радиомодулем LoRaWAN

подробнее - здесь (https://spbzip.ru/images/docs/new/svodtabl_LoRaWAN.pdf)
каталог - здесь (https://spbzip.ru/images/docs/new/svodtabl_LoRaWAN.pdf)

4. NB-IoT
Данные об энергопотреблении со счетчиков передаются через уже существующую сеть сотовых операторов на сервер сбора данных, на котором установлено программное обеспечение. Возможностей этого ПО достаточно для решения задач местных энергосбытовых компаний, многоквартирных ЖД, СТН, ДНП, коттеджных, дачных поселков или ИЖС.
Светильники и счетчики могут комплектоваться встроенными реле отключения (ограничения) нагрузки, рассчитанными на ток до 80 А, которое может отключать или ограничивать нагрузку дистанционно.
Процесс сбора данных автоматизирован, возможна автоматизация выставления счетов конечным потребителям электроэнергии.

Преимущества технологии NB-IoT:
 - Простой и быстрый способ разворачивания территориально распределенной системы учета;
 - отсутствие необходимости создания отдельной инфраструктуры передачи данных, данные передаются через существующую сотовую сеть;
 - высокое качество и надежность системы, обеспеченные адаптацией базовых элементов системы, прошедших многолетнюю успешную эксплуатацию, под использование современной и перспективной NB-IoT -технологии;
 - возможность выборочной установки приборов учета только у проблемных потребителей для контроля, ограничения или отключения потребления электроэнергии, что значительно сокращает затраты на систему и дает возможность оперативно локализовать участки, где есть потери;
 - возможность оперативного и мало затратного расширения системы, заказчик может проводить расширение системы самостоятельно;
 - технология обеспечивает высокую помехозащищенность каналов связи и надежное шифрование данных, как в сетях GSM/GPRS;
 - значительно ниже стоимость точки учета, по сравнению с точкой учета, оснащенной отдельно стоящим или встроенным GSM/GPRS –модемом.

источник - здесь (https://ankomplus.ru/technologies)

5. Ethernet
Технология передачи данных Ethernet на верхний уровень системы является широко распространенной на объектах, обладающих собственной локальной вычислительной сетью (ЛВС). Для организации связи по данной технологии могут применяться как счетчики с интерфейсом RS-485, через преобразователь интерфейсов, так и счетчики, обладающие встроенным Ethernet модулем.
Является частным случаем опроса через интерфейс RS-485.

Особенности:
 - Возможность использовать любые счетчики, приборы, обладающие цифровым интерфейсом;
 - Надежность проводного соединения;
 - Снижение себестоимости создания системы и последующей эксплуатации за счет использования существующей ЛВС;
 - Работа со всеми заявленными функциями приборов и счетчиков электрической энергии;
 - Применение на предприятиях с территориально разнесенными точками учета.

источник - здесь (https://ankomplus.ru/technologies)

---

Многие современные устройства обмениваются данными через интернет. Постепенно данная технология проникает и в системы освещения. Преимущества использования протоколов TCP/IP:
– низкая стоимость инфраструктуры;
– масштабируемость — возможность соединения практически бесконечного количества сетей;
– совместимость с сетевыми и интернет-протоколами позволяет управлять освещением дистанционно;
– простота конфигурирования;
– высокая скорость передачи;
– устойчивость к появлению ошибок.
В настоящее время идет разработка сетевого протокола ACN — architecture for control networks (E1.17) для управления осветительными системами по IP-сети. Протокол является надстройкой UDP/IP. Связь осуществляется по недорогим стандартным линиям Ethernet или Wi-Fi.
Протокол ACN является полностью двунаправленным. Каждое устройство имеет уникальный идентификационный номер, по которому контроллер распознает подключенные устройства. Кроме того, к каждому устройству прилагается файл с описанием всех возможностей источника света. Таким образом, контроллер сможет управлять светильниками, которые появятся в будущем. Для перехода с DMX512 на ACN разработан промежуточный протокол DMX-over-ACN (Streaming ACN, или BSR E1.31).

источник - здесь (https://russianelectronics.ru/obzor-protokolov-upravleniya-osveshheniem/)

6. PLC - подробнее - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1352.0.html)
Проводные системы освещения требуют дополнительных затрат на прокладку кабелей, что может стать ограничением на их внедрение на готовых объектах. Вариант PLC подразумевает использование проводов электросети совместно с технологией PLC (Power Line Communication).
Главный принцип работы PLC – это возможность передачи данных через цепи электропитания: устройства передают информацию и питаются от электросети через один и тот же кабель.

Особенности технологии PLC
 - Работа в диапазоне частот: 2-28 МГц и 4-32 МГц;
 - Трансляция данных на скорости: до 200 Мбит/с;
 - Расстояние действия: до 3 км;
 - Шифрование с помощью технологии AES со 128-битным ключом шифрования.
PLC классифицируется на широкополосные (до 200 Мбит/с) и узкополосные (до 1 Мбит/с) системы. Первый вариант актуален  для доступа в интернет, для трансляции потокового видео, цифровой телефонии и телевидения. Узкополосные системы рассчитаны для объединения электроприборов в единую систему управления и достаточны для организации полноценного управления светом.
Для создания системы требуется наличие модема, который будет связываться с аналогичным модемом, установленным в распределительном щите здания, который подключается к высокоскоростному каналу. Добавление в сеть новых устройств осуществляется с помощью специальных адаптеров.

Технология PLC позволяет реализовать весь доступный функционал в управлении освещением:
 - Включать/выключать освещение по расписанию;
 - Задавать сценарии работы для отдельных групп светильников;
 - Диммирование каждого отдельного светильника;
 - Отслеживание работоспособности элементов системы освещения.

Преимущества PLC:
 - Легко развернуть, не требуется прокладка кабеля;
 - Разветвленная инфраструктура;
 - Защищенность данных (на первых этапах реализации технологии основной ее недостаток состоял в наличии помех от электроприборов и другого оборудования. Современные сигнальные процессоры позволили исправить это,  одновременно обеспечив надежное шифрование данных и их защиту от несанкционированного доступа).

Недостатки:
 - Высокая стоимость PLC-модемов (это обосновано тем, что для работы с проводами, находящимися под напряжением, требуются дорогостоящие приборы с гальванической развязкой)
 - При изношенной проводке исключена качественная передача данных, поэтому в старых зданиях могут возникнуть сложности с внедрением технологии
 - Единый стандарт так и не принят.

источник - здесь (https://trialight.ru/lighting-control-articles/lighting-control-with-plc.html)

7. DALI - подробнее - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1033.0.html)

Интерфейс DALI может быть проложен совместно с проводами электросети (например 220В), при условии соблюдения двойной изоляции.
DALI кабели могут быть подключены в одном кабеле с проводами  силового питания, что исключает необходимость протягивать отдельные провода управления.
Длина шины DALI может достигать 300 метров при использовании кабеля сечением 1,5 мм2, что обеспечивает максимальное падение напряжения 2 вольта от напряжения, выдаваемого блоком питания шины DALI .

Интерфейс DALI не требует установки оконечных терминаторов и поддерживает любую древовидную топологию шины, кроме колец и замкнутых петель.
Шина DALI представляет в 4 или 5 проводную систему – фаза, ноль и два провода управления.  Рекомендуется также заземлять каждое DALI устройство.
К шине DALI может быть подключено максимум 64 DALI устройства управления.  Каждая шина DALI требует отдельный источник питания. Источником питания DALI в настоящее время является токогранивающее устройство, обеспечивающее максимальный ток потребления шины 250 мА.
Блок питания шины DALI может быть подключен на любом участке шины между любыми двумя устройствами с интерфейсом DALI. Напряжение питания шины DALI может быть в диапазоне от 9,5 до 22,5 вольт.

Система управления DALI также может быть подключена к шине в любом месте. Если система управления полностью соответствует протоколу DALI, то в одной шине может быть подключено несколько таких систем управления DALI.
Благодаря высокому соотношению сигнал-шум и широкому диапазону цифрового сигнала система с интерфейсом DALI является помехозащищенной.

источник - здесь (http://dali-light.ru/index/about_dali/0-99)

8. DMX-512 - подробнее - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1034.0.html)
Самый распространенный протокол управления многоканальным театральным сценическим освещением.
Протокол DMX 512 позволяет подключать до 512 каналов управления различными осветительными приборами.

Управление DMX 512 - управление светом от английского «Digital Multiplex».
Несмотря на то, что  управление DMX 512 светом было первоначально создано для показа на сцене, в современном мире его также используют в различных приложениях, где мы захотим полностью контролировать светодиодное освещение.
Применение светодиодных приборов, дает широкие возможности для реализации сложных задач освещения.
Особенно актуальны помимо театрального применения - осветительные приборы фасадного, иллюминационного освещения.

Особенностью цифрового протокола DMX является параллельное подключение всех драйверов к шине управления. По сути, это протокол, который физически построен на стандарте RS-485. Для этого используются трех- и/или пятиконтактные разъемы, а на самом DMX-приборе есть разъемы «мама» и «папа», параллельно соединенные между собой, для более удобного подключения устройств в единую линию связи.
Управление в системе осуществляется от многоканальных DMX-пультов.

источник - здесь (https://cs-cs.net/scene-light-dmx-512-devices)

9. KNX - пример - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1357.0.html)

Стандарт KNX разработан для контроля и управления инженерными системами зданий, таким как освещение, вентиляция и кондиционирование, безопасность.
Название - это аббревиатура ассоциации Konnex, разработчика и владельца торговой марки KNX с головным офисом в Бельгии.

Стандарт предусматривает использование следующих вариантов передачи сигнала:
 - Витая пара (трансфер на скорости до 9600 бит/с)
 - Электрическая линия (пропускная способность до 1200 бит/с)
 - Радиочастотные каналы (данные передаются на частотах 433 и 868 МГц)
 - IP-сеть (до 10 Мбит/с).

Чаще всего используют витую пару с установкой кабеля  2×2×0,8 в качестве шины.

Структура KNX
Основу составляет шина, объединяющая все оборудование:
 1. Датчики или сенсоры (движения, присутствия, влажности, температуры, протечки воды, утечки газа, выключатели, настенные панели)
     Регистрируют внешние события, после чего передают команду устройству для ее исполнения.
 2. Исполнительные компоненты (диммеры, реле, модули)
     Получают команду от датчиков или контроллеров, после чего изменяют свое состояние (включен/выключен, регулирование), тем самым управляя оборудованием.
 3. Компоненты системы (блоки питания, интерфейсы программирования, мосты, контроллеры)
     Обеспечивают настройку и функционирование всей системы.

Принцип работы
Все компоненты KNX объединены одной шиной любой топологии за исключением кольцевой
Обмен данными между элементами KNX может происходить напрямую (без необходимости использования специального контроллера) с помощью сетевого протокола CSMA/CA, который гарантирует бесконфликтную трансляцию сигнала с сохранением скорости.

Основные преимущества KNX:
 - Использование продукции разных производителей в одной системе
 - Замена любого элемента без влияния на работу остальных компонентов
 - Широкое применение: от небольших домов до крупных бизнес-центров, магазинов, складов, аэропортов
 - Два режима настройки: упрощенный (с помощью контроллера, нет необходимости проходить обучение, ограниченный набор функций) и системный (программирование с помощью ПК, доступ к полному функционалу - для квалифицированных проектировщиков)
 - Быстрое восстановление после выключения питания за счет хранения заданных настроек в памяти устройств
 - Интеграция с системами других типов. Некоторые производители выпускают специальные шлюзы для объединения KNX-систем с телефонными сетями и охранной сигнализацией.
 - KNX может легко взаимодействовать с компонентами, использующими протокол DALI для управления освещением. Например, выбор выключателей и пультов управления больше с поддержкой KNX, нежели с DALI. Зато светильники, диммируемые по DALI, проще найти, чем управляемые по KNX.

источник - здесь (http://)

10. Zigbee - пример - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1387.0.html)

Zigbee – это стандарт беспроводной связи, подобный Wi-Fi и Bluetooth, но созданный специально для интернета вещей и умного дома. Благодаря протоколу ZigBee устройства в умном доме “общаются” друг с другом.
Zigbee создан специально для интернета вещей и умного дома.

Название Zigbee происходит от слов “зигзаг” (zigzag) и “пчела” (bee), на западе термином “зигби” называют танец медовых пчёл. Такое название по мнению разработчиков стандарта подчёркивает то, что сеть Zigbee имеет ячеистую топологию (структуру) и, благодаря специальным алгоритмам маршрутизации, является надёжной и способной к самовосстановлению при потере связи между отдельными узлами. При этом оборудование для Zigbee компактное и имеет низкую стоимость.

Разница между Zigbee, Wi-Fi и Bluetooth
По некоторым характеристикам стандарты Wi-Fi и Zigbee похожи:
 - Оба работают на частоте 2.4 ГГц, не требующей специальных разрешений при использовании
 - Оба протокола имеют радиус действия до 20 метров
 
Но у Zigbee есть ключевые отличия, которые и делают этот стандарт гораздо более подходящим для коммуникации между собой устройств умного дома.

В Zigbee-сети между узлами существует прямая связь, а не только связь с «центром».

Топология. Главное отличие Zigbee от Wi-Fi – это использование ячеистой топологии, а не топологии типа “звезда”, где все узлы сети соединяются через центральный роутер. В структуре “звезда” при потере соединения с роутером, узел не может связаться с остальными участниками сети. Например, если ваш компьютер отключится от роутера, вы не сможете передать на него фотографию с планшета – Wi-Fi не даёт возможности прямого соединения между устройствами в сети.

Энергопотребление. Очень низкое энергопотребление Zigbee-модулей достигается за счёт специального режима “сна”, когда устройство не используется, и низкой пропускной способности передачи данных (250 Кбит/с против 300-1000 Мбит/с у Wi-Fi). Высокая пропускная способность не нужна зигби, ведь нужно передавать совсем небольшие объёмы данных от датчиков и электроприборов, а вот Wi-Fi должен обеспечивать просмотр видео в реальном времени и т.п. В результате Zigbee-модуль может работать несколько месяцев на простой батарейке.

Скорость. До появления Zigbee в системах умного дома пытались использовать Bluetooth. Радиус действия у этих протоколов примерно одинаковый, но у блютус слишком большие задержки. Задержка при передаче сигнала у Bluetooth-модуля составляет несколько секунд против 30 миллисекунд у Zigbee-модуля! 30мс это намного меньше скорости реакции у человека – для нас включение и выключение зигби-лампочки происходит моментально.

Количество узлов. Wi-Fi попросту не приспособлен к подключению большого количества участников к сети. В теории к одному Wi-Fi роутеру возможно подключить несколько сотен устройств, но каждому активному пользователю известно, что это не достижимо на практике. Роутеры средней ценовой категории начинают зависать и требовать перезагрузки уже после подключения 15-20 гаджетов: ноутбуков, смартфонов, планшетов и других девайсов вашей семьи. А вот одна Zigbee-сеть может иметь тысячи узлов и при этом стабильно работать. Способность надёжно функционировать при большом количестве подключённых устройств – необходимая характеристика сети для умного дома и интернета вещей.

Стоимость. Производителям zigbee-модуль обходится дешевле, чем Wi-Fi. Устройства для умного дома с Zigbee-подключением тоже стоят значительно дешевле, чем аналогичные приборы с Wi-Fi.

источник - здесь (https://voiceapp.ru/articles/zigbee)

11. Z-Wave

В решениях для домашней автоматизации сегодня используется несколько протоколов. Каждый из них имеет свои особенности и явного лидера выбрать просто невозможно, поскольку решение существенно зависит от технических требований и конкретной ситуации. Одним из вариантов является беспроводной Z-Wave — запатентованный протокол, которому уже около десяти лет.

Основные технические характеристики Z-Wave позволяют говорить об эффективном использовании его для квартир и частных домов:
 - беспроводная работа в диапазоне около 900 МГц (в России — 869 МГц);
 - скорость 40 Кбит/с (100 Кбит/с в новых устройствах);
 - среднее расстояние между двумя устройствами — 30 метров на открытом пространстве, 10 метров в кирпичном доме;
 - поддержка ретрансляции (ячеистая сетевая технология);
 - автоматическая маршрутизация;
 - протокол с подтверждением доставки;
 - низкое потребление энергии и режим сна;
 - возможность работы некоторых типов устройств от батарей;
 - управляющие и управляемые устройства;
 - встроенная реализация набора простых команд.

В разных странах используются разные частоты для работы сети Z-Wave, что может быть причиной несовместимости. В России с конца позапрошлого года разрешается работать с ним на 869 МГц. Так что если вы планируете покупку оборудования, обязательно проверяйте данный параметр.

Сегодня набор устройств для работы в сети Z-Wave очень широк и в нем можно найти практически любой элемент для построения системы умного дома, в том числе:
 - контроллеры (включая USB-адаптеры для ПК, платы расширения для микроПК, шлюзы и автономные модели);
 - управляющие устройства (пульты ДУ, сенсорные панели, кнопки, выключатели и брелки);
 - управление светом (выключатели и диммеры) и розетками;
 - управление дверьми, воротами, жалюзи;
 - термостаты;
 - сенсоры (датчики открытия дверей, дыма, движения, протечки воды, температуры, влажности, удара);
 - сопряжение с другими системами управления (ИК-передатчики).

Многие устройства представлены как в виде встраиваемых решений, которые устанавливаются вместо стандартных выключателей или розеток, так и в формате быстросъемных моделей, например проходных розеток и накладных выключателей. В целом монтаж системы очень простой и не должен вызвать сложностей у большинства пользователей. Используя универсальные датчики и реле, можно легко расширить систему. Например, реализовать управление теплым полом или отключение воды в случае появления протечки. Во многих случаях есть возможность инсталляции системы уже в готовое помещение без прокладки дополнительных кабелей и каких-либо строительных работ, что также можно отнести привлекательным особенностям.

Построение сети
Для создания и настройки сети Z-Wave необходимо использовать специальный контроллер. В большинстве случаев, он будет использоваться и в штатном режиме работы, однако формально он не является необходимым для прямого обмена информацией между устройствами. Всего в одном сегменте сети может использоваться до 232 устройств, чего вполне достаточно для большинства профильных конфигураций. Благодаря ячеистой структуре сети, возможна реализация проектов с диаметром более 100 метров. При необходимости можно использовать несколько адаптеров/контроллеров и связать их по сети (Ethernet или Wi-Fi). В большинстве случаев, контроллер использует постоянное электропитание для возможности приема сообщений от устройств и обработки служебной информации.

подробнее - здесь (https://www.ixbt.com/home/z-wave-firstlook.shtml) и здесь (https://z-wave.su/ru/)

Z-Wave LR — прямой путь к «умному» освещению

Вот уже два десятилетия для беспроводного управления освещением успешно применяется протокол Z-Wave, который зарекомендовал себя как надежное и экономичное решение. Но прогресс не стоит на месте, и недавно появился протокол Z-Wave LR, работающий на ином принципе, чем его предшественник. В данном случае можно говорить не просто об очередном стандарте связи, а о новой тенденции, способной оказывать влияние на другие беспроводные технологии.

Для управления осветительными приборами, шторами, воротами и т. п. устройствами «умного дома», а также передачи сведений от датчиков освещенности, температуры, присутствия и аналогичных, как правило, не требуется большая скорость передачи данных. На первый план выходят такие параметры, как низкая стоимость, низкое энергопотребление, а также распространение радиосигнала в условиях наличия препятствий и помех от других приборов.

Большое распространение в системах «умного» освещения получил протокол Z-Wave. Скорость передачи данных до 100 Кбит/с хоть и выглядит в наше время крайне низкой, но для управления освещением ее более чем достаточно. Важное преимущество — работа в диапазонах частот, не загруженных множеством других применений. Например, в России для Z-Wave выделен диапазон 869 МГц, в США — 908 и 916 МГц, странах Евросоюза — 868 МГц. Это выгодно отличает стандарт от конкурентов, обычно использующих диапазон 2,4 ГГц, в настоящее время сильно перегруженный (Wi-Fi, Bluetooth и некоторые другие технологии беспроводной связи).

Z-Wave Plus
До появления нового стандарта Z-Wave LR наиболее актуальной была версия Z-Wave Plus. Поддерживающие данную версию чипы выпускаются с 2018 г. По сравнению с предыдущими версиями в Z-Wave Plus увеличены максимальное расстояние между устройствами в сети с 30 до 100 м (в реальности зависит от условий распространения радиоволн), а также максимальная скорость передачи данных с 40 до 100 кбит/с. Основные принципы работы остались теми же, что и у первых реализаций стандарта (ведущего свою историю с 2001 г.), в том числе и топология mesh.

(https://cdn.elec.ru/i/50/b8/50b807d5d277a86d38f3a2b9c68fc552f21d5d53.jpg)
Пример диммера с поддержкой Z-Wave Plus

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/6706/)

Беспроводная сеть Z-Wave управляется с централизованного контроллера. Передача информации осуществляется всегда в двух направлениях, т. к. обязательно подтверждение того, что пакет данных дошел до адресуемого устройства. Рассказ об иерархии устройств в Z-Wave Plus выходит за рамки статьи, отметим лишь, что их можно разделить на две категории — поддерживающих маршрутизацию данных и не имеющих такой функции.

Топология построения сети типа mesh подразумевает, что узлы, поддерживающие маршрутизацию, способны при необходимости ретранслировать информацию другим узлам. Таким образом, несмотря на расстояние между соседними узлами сети не более 100 м, за счет ретрансляции появляется возможность передавать данные на дистанцию в несколько километров. Правда, на практике такая дальность связи и не нужна, поскольку стандарт Z-Wave предназначен только для связи внутри зданий. Более ценным свойством является возможность автоматически выстраивать альтернативные пути передачи информации при возникновении между двумя узлами преграды или действии помехи. Если между двумя узлами сети связь невозможна, автоматически ищется возможность ретрансляции по цепочке через другие узлы.

(https://cdn.elec.ru/i/42/b8/42b836d33ea9328c7b6b5bcc8678b8f8ad326d43.jpg)
Протоколы семейства Z-Wave применяются для управления не только светильниками, но и многими другими устройствами в доме,
для которых не требуется большая скорость передачи данных

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/6706/)

В 2000-е и 2010-е годы mesh-топология считалась наиболее прогрессивным подходом к построению беспроводных сетей. Тем не менее сейчас, по мере более широкого распространения систем «умного света», а также расширения сферы приложения беспроводных технологий, все явственнее видны ее недостатки.

Необходимость иметь в сети узлы с функцией маршрутизации увеличивает стоимость системы. Многократная ретрансляция сигнала приводит к задержке по времени его передачи, которая на практике может достигать 5 с. Наконец, в моменты, когда система ищет новый обходной путь для сигнала, беспроводная сеть резко замедляет работу из-за перегрузки на полминуты — минуту.

Сложная структура сети требует подключения устройств Z-Wave в определенной последовательности, чтобы они «опознали» друг друга по цепочке. При настройке системы может возникнуть необходимость отключить какое-то из устройств, а потом подключить его к беспроводной сети снова. Все это требует определенных знаний.

(https://cdn.elec.ru/i/47/dd/47dd7173183f21ad4b165e422360f845b832553d.jpg)
Лампа-ретрофит, управляемая через Z-Wave

Возможно, если вы управляете только освещением, наличие задержек порядка нескольких секунд не критично. Но в случае, когда через Z-Wave реализованы и другие функции «умного дома», такая задержка недопустима. Z-Wave Plus предусматривает на этот случай систему ассоциированных групп, когда сигнал от датчика или пульта управления передается на исполнительное устройство напрямую, минуя контроллер. Однако настройка данной функции требует участия высококвалифицированного специалиста.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/6706/)

Чипы для Z-Wave
Особенностью протоколов семейства Z-Wave является то, что реализующие их чипы, как правило, выпускаются только одной компанией, что снимает все вопросы по совместимости различных устройств.
Тем не менее сами устройства с поддержкой Z-Wave могут выпускаться любыми другими компаниями, но чипы, реализующие протокол, в них единообразны. В настоящее время правами на производство чипов Z-Wave обладает американская компания Silicon Labs. Она поставляет микросхемы, а также модули, содержащие в себе микросхему и частотные фильтры.
Чипы объединяются в серии, которые нумеруются x00, где x — номер поколения чипа, он может быть от 1 до 7, при этом 6-е поколение не выпускалось. Поддержка Z-Wave Plus, а затем и Z-Wave LR реализована в чипах 700-й серии.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/6706/)

Переход к топологии «звезда» в Z-Wave LR

Для того, чтобы решить проблемы, характерные для предыдущих вариантов протокола, организация Z-Wave Alliance разработала принципиально новый протокол Z-Wave LR. В нем LR является сокращением от Long Range, что переводится с английского как «большая дальность». Протокол Z-Wave LR был официально представлен в декабре 2020 г., а в марте 2021 г. начата сертификация оборудования на предмет совместимости с ним.

Главное отличие Z-Wave LR от Z-Wave Plus — топология сети «звезда» вместо mеsh. В сети типа «звезда» каждое устройство соединяется с центральным контроллером напрямую. Построение сети по принципу «звезда» в Z-Wave LR позволило минимизировать задержку сигнала, а также упростить конструкцию сетевого оборудования, встроенного в датчики и исполнительные устройства. Настройка беспроводной сети становится не сложнее настройки подключения компьютера к сети Wi-Fi (где, к слову, используется также топология «звезда»).

Применение mesh-топологии позволило в свое время уменьшить выходную мощность передатчика до 0,7 мВт. На заре существования Z-Wave это было критично, поскольку полупроводниковые приборы СВЧ-диапазона стоили дорого и имели низкий КПД. В настоящее время этих проблем уже нет.

Номинальная выходная мощность передатчика в Z-Wave LR повышена до 25 мВт. В условиях отсутствия препятствий для распространения радиоволн дальность связи достигает 1,6 км. При работе внутри здания — это расстояние сокращается из-за ослабления сигнала внутренними стенами. В том случае, если на пути радиоволн обнаружено препятствие, то вместо гибкой маршрутизации для его преодоления применяется технология динамического управления мощностью. В моменты, когда контроллер «общается» с устройством, до которого радиоволны доходят с большим ослаблением, выходные мощности передатчиков в обоих точках увеличиваются (вплоть до 1 Вт).

Количество устройств, подключаемых к беспроводной сети, в новом протоколе увеличено до 4000 благодаря переходу на квадратурную фазовую модуляцию. Это позволяет реализовать единую беспроводную сеть управления освещением в крупном офисном здании.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/6706/)

Совместимость Z-Wave LR и Z-Wave Plus
В Z-Wave LR предусмотрены прямая, а также обратная совместимость с Z-Wave Plus и даже еще более ранними версиями протокола. Устройство, поддерживающее Z-Wave LR, может быть подключено к контроллеру или узлу с маршрутизацией Z-Wave прежнего стандарта и работать в этом стандарте. С другой стороны, к контроллеру Z-Wave LR можно подключить и устройства, поддерживающие более старые версии протокола. Возможно создание узлов сети Z-Wave LR с функцией маршрутизации, но они будут ретранслировать сигнал только узлам Z-Wave предыдущих стандартов.

Проблема частотного диапазона
Для того, чтобы устройства Z-Wave LR и Z-Wave Plus могли работать вместе, не мешая друг другу, разработчики немного разнесли их по частоте. Если старые версии Z-Wave используют частоты 908 и 916 МГц, то Z-Wave LR работает на частотах 912 и 920 МГц. В США указанные частоты свободны для использования в таком качестве. Но в остальных странах мира для Z-Wave LR придется искать другие частоты, и эта проблема еще не решена. Поэтому по состоянию на март 2021 г. протокол Z-Wave LR разрешен к использованию только на территории США.

Также может встать проблема максимальной разрешенной мощности. Например, в России для диапазона 869 МГц без специальной лицензии, выдаваемой на конкретный передатчик, излучаемая мощность не должна превышать 100 мВт.

Выводы
Новый протокол, предложенный Z-Wave Alliance, делает установку и настройку системы «умного света» столь же простым делом, как развертывание домашней Wi-Fi-сети. Помимо освещения, через Z-Wave LR можно управлять и другими системами автоматизации, в том числе домашними роботами. Если вся беспроводная сеть построена только на протоколе Z-Wave LR, можно сэкономить на оборудовании из-за отсутствия необходимости в функции ретрансляции.

Перспективы нового протокола в мировом мас-штабе зависят от позиции местных администраций связи по вопросу выделения новых частот для него. Тем не менее в любом случае появление Z-Wave LR — это определенный вызов рынку систем беспроводного управления освещением, ранее ориентированному в основном на mesh-сети. И уже в обозримом будущем мы, возможно, увидим топологию «звезда» в новых версиях других протоколов.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/6706/)

см. так же - RDM-протокол и ArtNet - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,2175.0.html)

Помимо управления освещением, как задумывалось вначале, многие цифровые технологии успешно применяются в дистанционном управлении различного оборудования на воздушных линиях (реклоузеров), подстанций и дистанционным снятием данных с устройств АСУ ТП электроснабжением предприятий, систем АСКУЭ для учета энергоресурсов (электроэнергии, воды, газа, тепла, холода, медицинских газов и пр.) в разных участках сетей электроснабжения.
Благодаря этим технологиям реально существуют и строятся цифровые подстанции.
И для связи между узлами высоковольтные провода на воздушных ЛЭП внутри имеют волоконные оптические линии.
Цифровизация отрасли переживает всемирный бум, этому способствует так же масштабное внедрение BIM-технологий не только в проектировании, но и строительстве, монтаже, эксплуатации.
(подробнее по BIM-технологиям - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1024.0.html))
Все это - цифровая Россия - и целенаправленная политика правительства по наращиванию автоматизации и повышению производительности труда и роста ВВП страны.
Оставаться в стороне от всего этого - значит остаться на задворках истории передового мирового опыта.
Компьютеры и смартфоны сегодня это не только ворота в другой мир знаний, но и путь к совершенствованию производства и рычаги управления многочисленным оборудованием.

Область применения ВОЛС

Как уже было сказано выше, волоконно-оптические кабели (ВОК) используются для передачи сигналов вокруг (между) зданий и внутри объектов. При построении вешних коммуникационных магистралей предпочтение отдаётся оптическим кабелям, а внутри зданий (внутренние подсистемы) наравне с ними используется традиционная витая пара. Таким образом, различают ВОК для внешней (outdoor cables) и внутренней (indoor cables) прокладки.

К отдельному виду относятся соединительные кабели: внутри помещений они используются в качестве соединительных шнуров и коммуникаций горизонтальной разводки – для оснащения отдельных рабочих мест, а снаружи – для объединения зданий.

Монтаж волоконно-оптического кабеля осуществляется с помощью специальных инструментов и приборов.

ВОЛС широко применяют для диспетчерских систем электроснабжения, управления и настройкой РЗА и связи между диспетчерскими пунктами

источник - здесь (https://skomplekt.com/solution/vols.htm/)

Zigbee Direct — новая жизнь знаменитого протокола Zigbee

Для беспроводного управления освещением вот уже почти 20 лет широко применяется протокол Zigbee. Поначалу периодически выходили все новые и новые его варианты, но в 2019 г. организация, занимающаяся развитием протокола, объявила о том, что будет заниматься новым стандартом Matter, а затем вообще убрала слово Zigbee из своего названия. Пошли слухи, что Zigbee больше не будет развиваться. Но в этом году, неожиданно для многих, появилась новая версия протокола, которая позволяет при очень малых дополнительных затратах добавить к системе полноценный функционал «Интернета вещей».

При решении задач беспроводного управления освещением и некоторыми другими элементами «умного дома» приходится, как правило, использовать нелицензируемый диапазон 2,4 ГГц, отличающийся высоким уровнем помех. Кроме этого, внутри помещения радиосигнал может сталкиваться с самыми разными препятствиями, некоторые из которых трудно предугадать. Поэтому было предложено использовать для таких применений ячеистые (mesh) сети, узлы которых являются одновременно приемниками и ретрансляторами.

Система маршрутизации выбирает оптимальный маршрут для сигнала. Применительно к управлению освещением характерная для подобных решений переменная величина времени задержки не является серьезной проблемой.

Для разработки протокола, основанного на принципе mesh-сетей, в 2002 г. был создан альянс компаний, получивший название Zigbee Alliance. В результате работы этой организации в 2004 г. на свет появилась первая спецификация протокола Zigbee 1.0.

Строго говоря, Zigbee — это семейство протоколов, охватывающих, согласно модели OSI, уровни от канального до прикладного. Тот факт, что Zigbee регламентирует способ передачи данных на канальном уровне, является значительным преимуществом при-менительно к системам освещения. Для таких систем скорость не более 250 Кбит/с оказывается приемлемой, но зато в обмен мы имеем высокую устойчивость к действию помех и наличию препятствий. Это важно, поскольку светильники в интерьере могут находиться в труднодоступных местах.

...

В новой версии протокола к уже известным типам устройств добавлены ZVD (Zigbee Virtual Device — виртуальное устройство Zigbee) и ZDD (Zigbee Direct Device — устройство, непосредственно реализующее функции Zigbee Direct). ZVD обычно реализуется программным способом, в виде приложения на мобильном устройстве. Но теоретически стандарт допускает реализацию данного типа устройств и аппаратным способом, например, в виде отдельного контроллера. Другой вопрос, что пока не ясно, зачем нужна такая возможность.

Для передачи данных между ZVD к ZDD используется технология Bluetooth LE (Low Energy). Эта технология поддерживается всеми мобильными устройствами с Bluetooth версии 4.1 и выше. То есть всеми более-менее современными мобильными устройствами.

Технология Zigbee Direct включает в себя три основные службы:

 - Служба безопасности: установление безопасного соединения Bluetooth LE между ZVD и ZDD;
 - Служба передачи обязанностей (Comission): позволяет ZVD управлять определенными действиями ZDD;
 - Служба прямого туннелирования: позволяет ZVD отправлять и получать сетевые пакеты Zigbee в ZDD и обратно.

подробнее - здесь (https://www.elec.ru/publications/osveschenie/7838/)