Domotika i distribuirana pamet: Kako do pametnog doma?

10. 08. 2018. Miloš Lubardić

Mnogo pričamo o pametnim uređajima i Internetu stvari (IoT), ali konkretna primena tih tehnologija u kućnim uslovima (domotika) i dalje nije jednostavna. Najveći problemi ostaju standardizacija i (de)centralizovano upravljanje.

Do mogućnosti da “opametimo” stanove i poslovne prostore realno se došlo pre desetak godina, možda 2009. ili 2010. Tada je na tržištu bilo dovoljno pouzdanih, profesionalno projektovanih i izrađenih uređaja na koje smo se mogli osloniti, što je u ovoj oblasti veoma važno. Ako kompjuter “zabaguje” ili se pokvari, sa problemom ćemo se nekako boriti, ali ako oprema koja kontroliše svetla, prozore, grejanje, ventilaciju i bezbednost kuće otkaže, nalazimo se u priličnoj nevolji.

Pre tih desetak godina smart home oprema se uglavnom montirala prilikom gradnje ili temeljne rekonstrukcije prostora. Najbolje je bilo do svake utičnice i sijaličkog mesta dovesti poseban kabl od table, i onda u okviru same table s osiguračima predvideti prostor za smart home opremu koja će biti u mogućnosti da uključi ili isključi napajanje bilo kog uređaja u kući. Za kontrolu uređaja koristili su se ugrađeni programi ili Web aplikacije, a kasnije se sve to preselilo na smartfone i mobilne aplikacije za njih.

Na drugom kraju žice

Opisano rešenje zahteva mnogo žica i velike table, dakle značajno poskupljuje opremanje prostora. Zato se vremenom, zahvaljujući razvoju wireless tehnologija, kontrola polako seli na drugi kraj kabla, dakle ispred samog uređaja. Najbolji primer su pametne sijalice ili pametna grla za klasične sijalice: napajaju se iz mreže, povežu se na kućni Wi-Fi i onda na komandu uključe ili isključe svetlo. Na sličan način mogu da se instaliraju i pametne utičnice koje pale ili gase bilo koji uređaj, a očit primer su motori koji podižu i spuštaju roletne na prozorima. Trebalo bi samo obratiti pažnju na maksimalnu struju koju ovakvi kontroleri “trpe”, pa za kontrolu bojlera, TA peći ili nekog drugog velikog potrošača izabrati odgovarajuću opremu.

Problem kod ovakvih rešenja je u oslanjanju na Wi-Fi mrežu, u uslovima kada je “etar” (a naročito područje na 2.4GHz) već prilično “zagađeno” saobraćajem – samo pogledajte koliko u okolini vašeg stana ima dostupnih Wi-Fi access point-a, pa zamislite broj uređaja priključenih na njih. Ako svaka sijalica i svaki bojler treba da ima IP adresu/pa makar i iz privatnog adresnog prostora), realna je mogućnost greški u prenosu i izgubljenih konekcija. Doduše IoT oprema ne generiše veliki saobraćaj, ali to ne eliminiše mogućnost pojavljivanja problema.

Rešenje može biti u prelasku na opseg od 5 GHz, gde je opterećenje trenutno skromno, mada se tada pojavljuje problem dometa – u većem stanu ili kući moraćete da instalirate nekoliko access point-a. Za sada mnogo IoT opreme ne podržava 5 GHz opseg, računajući tu i uređaje od kojih ne biste očekivali takvo ograničenje, kao što je Kindle ili Xiaomi Mi Robot Vacum Cleaner koji smo prikazali u PC#250.

Znatno veći problem je kontrola uređaja. Prostim isključivanjem napajanja možete da kontrolišete samo “glupe” stvari kao što su sijalica, roletna, bojler ili peć. Kada se radi o sofisticiranioj opremi, počev od toplotne pumpe, preko televizora i kućnog multimedijalnog centra pa do samog računara, potrebna je daleko preciznija kontrola; Štaviše, nije preporučljivo da ovakvim uređajima “tek tako” gasite napajanje. Čudno je da se za sve ovo vreme nije afirmisao neki starndardni port za kontrolu određenih klasa uređaja, pre svega multimedijalne opreme. Zato se koriste trikovi, a pre svega uređaji koji imaju IR port pa emuliraju daljinski upravljač. Efikasnost takvih rešenja veoma zavisi od konkretnog modela, pošto je komunikacija jednosmerna. Daljinski upravljač, recimo “ne zna” da li je televizor uključen ili isključen, pa može samo da pošalje kod za paljenje; ako se kod konkrentnog modela isti kod koristi i za gašenje, efekat može da bude obrnut od željenog. Da ne pominjemo probleme kada vaš IoT “ne poznaje” novi televizor ili (češće) set – top box vašeg kablovskog operatora, pa ga treba “učiti” kodovima, boriti se s povremnim preklapanjima s kodovima drugih uređaja, posle brinuti da li će se sve “naučeno” izgubiti posle nestanka struje…

Centralizovana kontrola

Koncepcijsko pitanje Iot-a (Internet of Things) je ko zapravo kontroliše uređaje. Naravno da mi zadajemo komande kojim upravljamo svetlima u stanu, ali da li ćemo se pri pom obraćati direktno sijalicama, i utikačima, ili ćemo komunicirati sa nekim serverom u dalekom svetu, koji će onda upravljati našom opremom? Kako sada stvari stoje, većina rešenja se priklanja ovoj drugoj varijanti, što ne smatram dobrim trendom. Formalno pokriće za indirektnu kontrolu je problem pristupa – većina kućnih korisnika ima samo jednu IP adresu, a u poslednje vreme se dešava da te adrese nisu javne, tako da im je iz sveta teško pristupiti. Treba se osloniti na neki port do konkretnog uređaja u lokalnoj mreži. Sve je to prekomplikovano za prosečnog korisnika, a neophodno je da ako hoćemo da kućnu opremu kontrolišemo i kada nismo kod kuće, što je valjda i smisao čitavog IoT koncepta. Zato su uređaji programirani tako da drže stalno otvorenu TCP/IP konekciju s centralinim serverom, baš kao i mobilna aplikacija koju koristimo za kontrolu. Udaljeni server služi kao “saobraćajac” koji preusmerava podatke koji stižu od IoT uređaja do naše aplikacije, a komande iz aplikacije do uređaja.

Ako server sav saobraćaj negde loguje i koristi za svoje potrebe, mi o tome pojma nemamo. Na ovaj način se može kontrolisati nešto što nije mnogo bitno, recimo robot-usisivač ili svetlo na terasi, ali da li biste nekom serveru na drugom kraju sveta poverili da upravlja bravama na ulaznim vratima ili vašim alarmnim sistemom? Baš ovih dana čitamo o bagu koji je pronađen na Tapplock pametnim bravama, a koji omogućava bilo kom hakeru da, oslanjajući se na loše osmišljen Tapplock-ov API, otključa bilo koja vrata- dovoljno je da prođe pored njih i očita MAC adresu brave. Kad ste u drugoj sezoni serije Homeland gledali kako hakeri, na osnovu serijskog broja, isključuju pejsmejker američkog Potpredsednika i tako ga daljinski ubijaju, to je izgledalo kao “još jedna filmska priča”. Danas, uz centralizovanu kontrolu IoT-a, takve priče deljuju sve realnije.

U moru senzora

Sledeća faza razvoja IoT koncepta ne zasniva se na skupim i moćnim uređajima, već na maloj, jefinoj opremi koja će zatrpati našu okolinu, a jedog dana postati i deo naših tela. Za kvalitetne zaključke i dobre odluke potrebni su pre svega podaci, a njih može da sakupi gomila senzora u mreži. Uzmimo za preimer navodnjavanje zemljišta, od travnjaka do njive. Starija oprema ove vrste imala je na sebi jedan senzor koji meri količinu kiše koja je pala na njega, pa na osnovu toga odlučuje da li je zemljište dovoljno vlažno i treba li ga danas zalivati.

Znatno bolja alternativa bila bi da se u samoj zemlji postavi puno malih i jeftinih senzora, koji će javljati centrali kolika je vlažnost zemlje u toj tački, pa će onda centralizovana “pamet” odlučiti ne samo da li treba zalivati parcelu, veći koje njene delove treba koliko zaliti. Svaki senzor je mali računar pa treba rešiti pitanje njegovog napajanja i komunikacije sa njim. Što se napajanja tiče, tehnologija je toliko napredovala da jedna dugme-baterija može da napaja senzor godinu ili dve. Njegova potrošnja je jako mala, a obično se podešava da se na svakih nekoliko minuta (ili čak sati) “probudi”, očita odgovarajuće parametre, pošalje ih i onda opet ode u “san”, kada ne troši praktično nikakvu energiju. Komunikacija je ozbiljnije pitanje – količina podataka koje senzor treba da dostavi je mala, ali trebalo bi obezbediti da se ti podaci pošalju vrlo brzo i da se pri tom maksimalno štedi energija.

Za komunikaciju sa senzorima se, kada BLE (Bluetooth Low Energy) nije pogodan, koriste Low Power Wide Area Network (LPWAN) protokoli. Najpopularniji su LoRa (LongRange physical layer protocol), NB-IoT (Narrow-Band IoT), LTE-M, Haystack i SigFox. NB-IoT je najnoviji od ovih standarda i prilagođen je komunikaciji kućnih uređaja i senzora, dok se na otvorenim prostorima često koriste postojeće mobilne mreže uz 2G, CDMA, 3G i 4G komunikaciju.

Bilo bi veoma skupo i nepraktično da svaki senzor ima svoju SIM karticu i svoj broj u mobilnoj mreži, pa se zato s mobilnim operatorom dogovara korišćenje velikog broja uređaja koji se na odgovarajući način autorizuju i onda s vremena na vreme emituju veoma male količine podataka. To je često jednosmerna komunikacija koja podseća na IP protokol – nema potvrde slanja niti retransmisije u slučaju greške, pošto se smatra da svaki konkretni podatak nije previše bitan. Na primer, ako se izgubi podatak o vlažnosti koji pošalje jedan od stotinak senzora razbacanih po njivi, nije izgubljeno ništa bitno pošto će isti senzor poslati podatak i par minuta kasnije. Može se predvideti da centralni senzor javi ako neki senzor drugo nije slao podatke, kako bi se proverila njegova ispravnost ili zamenila baterija. Ukoliko mobilni operatori ne obezbeđuju ovakav servis, što je trenutno slučaj kod nas, komunikacija može da se obezbedi nekim drugim protokolima, uz montažu odvarajućeg broja Access Point-a koji će “pokrivati” čitavu teritoriju. Izbor opreme i protokola u tom slučaju predstavlja ozbiljan izazov, pošto standardizacija i dalje kaska za potrebama korisnika.

Vreme za domotiku

Pored opšteg naziva Internet of Things, sve češće se koristi i reč domotics nastala kombinacijom latinskog izraza za dom (domus) i reči robotika koju smo već odavno usvojili – termin bi se na srpski lepo mogao prevesti kao “domotika”. Nećemo se više zadovoljiti senzorima koji snimaju razne parametre i efektorima koji, na osnovu naših komandi i podataka koji stiču od senzora kontrolišu kućne uređaje. U stanovima će biti sve više robota, koji će se ponašati inteligentno i živeti zajedno sa ljudima, komunicirajući sa njima na razne načine i obavljajući čitav niz kućnih poslova. Razvoj veštačke inteligencije je u velikom zamahu, pa je sve više uređaja koji “opamećuju” naš dom na nove načine koji su do sada viđani samo u SF romanima i filmovima. Akcenat je trenutno na komandovanju glasom, pri čemu se više proizvođača takmiči u uspostavljanju standarda i integraciji ove tehnologije. Amazon Echo u kombinaciji s Alexa servisom su Amazon-ovi aduti, Google Home i Google Assistant im se suprotstavljaju zanimljivim uređajima ali i dodacima za sisteme koji već koriste Android kao što su Sony Bravia televizori, a Apple HomeKit je koncentrisan na široko razgranat Apple ekosistem uređaja.

Znatno dužu tradiciju imaju standardi kao što su Zigbee iz 1998, Z-Wave iz 2001. i KNX, koji je nastao još 1990. godine objedinjavanjem EHSP (European Home System Protocol), EIB (European Installation Bus) i BatiBus standarda – zgodno je što u Srbiji imate dosta sertifikovanih KNX profesionalaca. Povezivanje uređaja prilagođenih raznih standardima nije jednostavnno, i često zahteva da i sami nešto umrežavate i programirate. Ukoliko to posmatrate kao hobi, zgodno je da postoji neki otvoreni standard za vezu između sistema pametne kuće i klasične Ethernet dosno Wi-Fi mreže. Tada možete da nabavite neki mali Raspberry Pi računar pa da na njemu razvijete program koji će raditi stvari tačno onako kao želite. Oblast je toliko mlada da rešenja koja razvijete mogu lako dobiti komercijalnu dimenziju, pa možda i predstavljati uvod u neku novu karijeru…