«Язык» для умного дома: как будут «общаться» устройства домашней электроники и почему им нужен один протокол?

Мировой рынок IoT-решений, по подсчетам PwC, может превысить $1,2 трлн к 2020 году. Объем российского рынка пока сравнительно небольшой по меркам других стран и в 2020 году., по различным прогнозам, составит от $4 млрд до $9 млрд. Разброс оценок рынка зависит от того, кем осуществляется расчет и какие сегменты учитываются в структуре рынка. Наиболее важным результатом является не объем самого рынка IoT-технологий, а мультипликативный эффект, который эти технологии окажут на отрасли экономики за счет повышения производительности труда и сокращения затрат. Люди используют новейшие технологии с целью экономии времени и денег. Мобильность сегодня – на вес золота, поэтому человек делает выбор в пользу удаленного управления счетами, автомобилем, офисом, домом, квартирой. Заказ билетов на самолет через смартфон, дистанционный запуск двигателя автомобиля, онлайн-запись к врачу, оплата государственных пошлин и другие внедряемые сервисы дают абсолютно новое качество жизни.

Сфера домашней автоматизации также не стоит на месте: «умные» розетки включаются и выключаются с помощью смартфона из любой точки мира где есть интернет. Некоторые компании, например, Samsung, уже сейчас готовятся запустить для широкого использования холодильники с выходом в интернет и сенсорным экраном. На панели в 21,5 дюйм можно вести список покупок, увидеть рецепты или скачать их в Интернете, а утром посмотреть погоду, пробки и прочие новости. Не в новинку теперь и голосовой помощник. Титаны IT индустрии Google и Amazon уже презентовали на суд широкой общественности Google Home и Alexa. Представленные в виде колонок, помощники реагируют на обширный диапазон голосовых команд, и могут исполнять роль хаба для управления системами домашней автоматизации в том числе.  Новый уровень комфорта, удобство в использовании и скорость, с которой решаются поставленные задачи, доступность — вот, что является ключевыми и приоритетными направлениями развития Internet of Things («Интернет вещей», IoT).

Стоит отметить, что несмотря на бурное развитие технологий и повсеместное покрытие высокоскоростными сетями, все еще очень мало домов оснащено умными устройствами. Уместным будет спросить, почему? Главная причина, на которую стоит обратить внимание – отсутствие унификации и единой стандартизации в области IoT. На сегодняшний день не существует единой платформы и инфраструктуры для поддержки всех устройств домашней автоматизации. На данный момент беспроводные сети представлены множеством технологий, каждая из которых обладает теми или иными преимуществами.  Все использующиеся ныне в системах домашней автоматизации протоколы или создавались для иных целей (Wi-Fi для высокоскоростной передачи данных), или же успели безнадежно устареть (Wireless RF).

Но ни одна из сетей не может полностью удовлетворить все запросы разработчиков и потребителей. У каждой из них присутствует как ряд плюсов, так и минусов. Поэтому все еще отсутствует повсеместное универсальное решение. В результате, наблюдается высокая степень фрагментации рынка IoT.

На сегодняшний день самыми распространенными являются протоколы:

• Wi-Fi
• Bluetooth Low Energy
• Z-Wave
• ZigBee
• Wireless RF

Каждый из протоколов решает определенные проблемы в сфере домашней автоматизации, обладает разной степенью защиты, предусматривает различную скорость передачи данных и, конечно же, соответствует различным стандартам энергопотребления. Между тем, проблема энергопотребления – вопрос ключевой, особенно для устройств, работающих от батареек, например, датчик дыма или движения.

Wi-Fi, один из самых популярных и известных на данный момент, отличается широкой совместимостью оборудования при стоимости чипа от 1$. Однако, высокий уровень энергопотребления главный его минус. Устройства, использующие Wi-Fi в качестве протокола передачи данных, нуждаются в частой замене источника питания, чем провоцируют лишние расходы и неудобства.

BLE, он же Bluetooth Low Energy, отличающийся и высокой скоростью, и надежностью, мог бы выступить конкурентом для перечисленных выше протоколов, но на данный момент функциональность его ограничена весьма короткими расстояниями — до 10 метров. Это существенно препятствует продвижению BLE на рынке «Интернета вещей».

Устройства, работающие на протоколах ZigBee, Z-Wave и Wireless RF не имеют доступа в Интернет напрямую. Для получения данных с этих устройств и управления ими необходимо дополнительное устройство – хаб, который подключается к сети Интернет.

ZigBee и Z-Wave славятся своим низким уровнем энергопотребления. Устройства, подключаемые таким образом, имеют также режим «сна», что позволяет существенно снизить энергопотребление. Однако, и эти протоколы имеют ряд существенных недостатков. Z-Wave, несмотря на стандартизацию на протокольном уровне, в разных странах имеет разные частоты. А самый главный минус — цена чипа (около 7$) и его моральное устаревание. Например, для реализации простейшего шифрования необходимы дополнительные затраты, так как мощности Z-Wave чипа не хватает.

Чипы Zigbee дешевле Z-Wave (около $3). Однако, из-за отсутствия стандартизации, существует огромное количество вариантов реализации протоколов с использованием этой технологии.  Поэтому ZigBee устройства разных производителей почти всегда не совместимы между собой. По сравнению с все тем же Wi-Fi, они проигрывают на иных фронтах: ZigBee не способен потягаться в скорости передачи данных, а Z-Wave, при подключении более, чем 30 устройств, становится чересчур дорогим удовольствием.

Wireless RF при цене в $0,1 за устройство отличается ультранизким потреблением энергии, имеет диапазон действия до 100 метров. Однако, дальность действия и сила радиосигнала сильно зависит от наличия препятствий и строительных материалов, из которых они изготовлены. Данная технология  значительно проигрывает соперникам в скорости передачи данных и в обеспечении безопасности.  Еще один минус отсутствие стандартизации. Каждый разработчик может создавать свой стек протоколов взаимодействия между устройствами радиосети.

Для передачи небольшого количества данных на большие расстояния существуют технологии LoRa и NB-IOT. Они оба подразумевают низкое потребление энергии. LoRa, в свою очередь, активно внедряется для снятия показаний счетчиков, но имеет главный минус: требует наличие сетей покрытия, аналогичных сотовой связи. Для их создания потребуются огромные инвестиции. NB-IOT уже использует в качестве каналов передачи данных существующую сеть сотовой связи, однако все еще остается на стадии внедрения. Мегафон обещает запустить сеть в эксплуатацию в 2017 году.

Пока флагманы IT-индустрии разрабатывают свои платформы, предпринимаются также попытки создания протокола, независимого от производителя. В этом направлении дальше всех продвинулись IBM с MQTT.  Впрочем, и там отсутствует стандартизированный канал о получении описания об устройствах, таких как единицы измерения, расположение/комната, функциональная группа (жалюзи или свет).

Что остается в сухом остатке? При всем многообразии стандартов беспроводных сетей, Интернет вещей не может определиться с единой технологией передачи данных. Мобильность находится под угрозой из-за низких скоростей и/или чересчур высокого уровня энергопотребления.

Что же насчет решения? Уже сейчас готовятся альтернативы. Самые крупные и перспективные, на мой взгляд, -  у Wi-Fi HaLow и Bluetooth 5.0.

Wi-Fi HaLow, в сущности, нацелен на то, чтобы усовершенствовать уже известный нам беспроводной протокол Wi-Fi, решив, наконец, проблему энергопотребления. Диапазон подключения расширится, затраты энергии существенно снизятся — кажется, Wi-Fi Alliance готовят настоящий переворот в сфере IoT — ожидаем с нетерпением.

Bluetooth 5.0, как и Wi-Fi HaLow, обещает улучшить уже существующее — расширить радиус сигнала практически в четыре раза, что позволит охватить целый дом или же этаж здания. Стоит отметить, что у Bluetooth и Wi-Fi заведомо имеется преимущество перед остальными конкурентами, ведь данные стандарты присутствует в большинстве мобильных устройств, в отличие от таких альтернатив как ZigBee и Z-Wave. Новые технологии обещают всколыхнуть рынок Интернета Вещей уже в этом году.

Еще большие «разброд и шатание» наблюдаются среди протоколов взаимодействия, поскольку каждый из производителей устройств домашней автоматизации изобретает для своей системы свой «велосипед» — платформу, используемую для объединения всех устройств.

Протокол Weave, находящийся в активной разработке Google, в перспективе — библиотека определений и команд, которые будут использоваться на поддерживаемых устройствах. Это общий язык для всех устройств Интернета вещей, и разработчики смогут добавлять свои термины в язык. Совершенно точно, что Google хочет сделать его стандартом для всей индустрии. Однако, даже Weave не может считаться панацеей от всех проблем. Да и, думается, у Apple найдется, чем ответить на выпады конкурента.

Платформа HomeKit от Apple – крайне успешный шаг, позволивший корпорации, не выпуская собственные «умные» устройства, стать подспорьем для сторонних разработчиков.  Являясь одним из флагманов в сфере высоких технологий, Apple предложили стандарт, который позволит устройствам разных производителей взаимодействовать друг с другом. Обязательная сертификация MFI призвана повысить качество индустрии в целом, а также помочь потребителю в выборе умных устройств для использования. Еще одним неизменным плюсом платформы HomeKit является возможность голосового управления с помощью Siri. Не обошлось и без минусов. Пожалуй, самый значительный из них — отсутствие поддержки пользователей Android, а это значит — вынужденное игнорирование около 80% от рынка мобильных устройств. Сертификация MFI настолько сложна, что на данный момент ее прошли только несколько десятков производителей: крайне малый показатель для мирового рынка. И это при условии того, что технология была анонсирована в 2014 году.

IoT-рынок остается на сегодняшний день одним из самых перспективных. Согласно данным экспертов, в год рост на разных географических рынках превысит 15-20%. Каждое третье домохозяйство в Европе сейчас охотно использует системы домашней автоматизации. В России, при похожем сценарии развития IoT, подобная картина будет наблюдаться через 4-5 лет, особенно при условии постоянного удорожания энергоресурсов.

Уже в 2018 году количество умных устройств превысит общее количество мобильных телефонов. Революции на рынке IoT и переходу к принципиально новому этапу развития активно способствует развитие сетей пятого поколения, которые позволят значительно снизить затраты на энергопотребление и увеличить количество подключаемых устройств. Аналитики Ericsson предполагают, что 5G получит широкое распространение уже в 2021 году и своим появлением навсегда изменит рынок умных устройств.
Со слов Римма Куреши, старшего вице-президента и директора по развитию компании Ericsson: «Развитие интернета вещей ускоряется по мере падения цен на устройства и возникновения новых инновационных приложений. Коммерческое развертывание сетей стандарта 5G планируется осуществлять с 2020 года. Это обеспечит дополнительные возможности, которые критически важны для сценариев реализации Internet of Things».

IDC ожидает роста мирового рынка Интернета вещей до $1,5 трлн в 2020 году. При этом, для Китая, где Internet of Things имеет политическую и финансовую поддержку государства как стратегическая отрасль промышленности, — рынок в тот же период вырастет до $320 млрд. Одни только закупки оборудования и услуг, связанных с IoT технологиями, в производственном секторе Китая к 2020 году вырастут до $127,5 млрд, увеличиваясь ежегодно в среднем на 14,7%. Основные расходы (около 60%) будут приходиться на долю ПО и услуг.

Наступление эры Internet of Things подстегивает всех производителей электроники и сопутствующих девайсов к решительным действиям. Конечно же гиганты, такие как Apple и Google, используют свое положение для того, чтобы оказать влияние на еще пока весьма и весьма гибкий рынок Интернета вещей.

Например, компания Nest Labs, возглавляемая бывшим сотрудником Apple Тони Фаделлом, стала второй дорогостоящей покупкой Google, уступая только лишь приобретенной в 2012-м году Motorola Mobility. Nest некоторое время работали над созданием собственного протокола Weave, из которого затем вырос Google Thread — еще один беспроводной протокол передачи данных. Несмотря на то, что Thread позволяет объединить в одну ячеистую сеть более 250 устройств и добавлять, и удалять их безо всякого ущерба для системы, этот протокол имеет ряд недостатков. Главный из них — устройства, поддерживающие Thread, пусть и будут совместимы, но не смогут взаимодействовать друг с другом. Все вновь упирается в отсутствие единых правил и стандартов.

Проблемы унификации и стандартизации все еще остаются краеугольным камнем для всех областей, связанных с компьютерными и мобильными технологиями. Реализация концепции «умного дома» сопряжена с проблемами исполнения сразу нескольких критичных требований. Идеальная система домашней автоматизации должна включать в себя широкую номенклатуру исполнительных устройств (вкупе с их стандартизацией согласно единым требованиям), высокую степень защиты протоколов передачи данных, низкие затраты, связанные с энергопотреблением. Объединить все это вместе с широкими возможностями настройки системы, пока что все еще представляет определенные трудности. Рынок Интернета вещей сталкивается с привычной для любых подобных рынков дилеммой — выбор поистине огромен, каждый производитель старается вложиться в собственные разработки по максимуму, вместо того, чтобы работать по единому унифицированному стандарту. Многообразие протоколов, как и передачи данных, так и, тем более, взаимодействия, тормозит перспективность развития IoT. Однако, заглядывая в совсем недалекое будущее, мы склонны отметить то, что ставку стоит сделать на усовершенствованные технологии Wi-Fi и Bluetooth.

Говоря о развитии российского рынка Интернета вещей, мы видим большие перспективы. Два важнейших конкурентных преимущества IoT-технологий: доступность для массового рынка (B2C) и широкое применение на потребительском рынке, в бизнесе и производстве.