«Μελέτη και Υλοποίηση Διαδικασιών Τηλεελέγχου μέσω της Χρήσης Ασύρματων Δικτύων»

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΉΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΣΟΜΠΑΝΑΚΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ του ΝΙΚΟΛΑΟΥ (ΑΜ 5225) Θέμα: «Μελέτη και Υλοποίηση Διαδικασιών Τηλεελέγχου μέσω της Χρήσης Ασύρματων Δικτύων» Επιβλέπων: Καθηγητής κ. Σ. Κωτσόπουλος ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ /2012 ΠΑΤΡΑ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2012

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Μελέτη και Υλοποίηση Διαδικασιών Τηλεελέγχου μέσω της Χρήσης Ασύρματων Δικτύων» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών: Τσομπανάκη Αλέξανδρου (ΑΜ :5225) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 05/03/2012 Ο επιβλέπων Ο Διευθυντής Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Νίκος Φακωτάκης, Καθηγητής

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: «Μελέτη και Υλοποίηση Διαδικασιών Τηλεελέγχου μέσω της Χρήσης Ασύρματων Δικτύων» Φοιτητής: Τσομπανάκης Αλέξανδρος Επιβλέπων: Καθηγητής κ. Σ. Κωτσόπουλος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία κινήθηκε ανάμεσα σε δύο στόχους. Σε πρώτο επίπεδο είναι η παρουσίαση του κατάλληλου εξοπλισμού για τον τηλεέλεγχο υποδομών ευφυούς κατοικίας με τη βοήθεια ασύρματων τεχνολογιών, όπως το GSM. Δεύτερος στόχος είναι η θεωρητική μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του καναλιού μετάδοσης σε εσωτερικό περιβάλλον, όσον αφορά την λαμβανόμενη ισχύ και τις απώλειες που προκαλούνται από το φαινόμενο της σκίασης. Στo πρώτο κεφάλαιο γίνεται παραμετροποίηση των υποδομών της ευφυούς κατοικίας Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πιο σημαντικές σύγχρονες ασύρματες τεχνολογίες, ενώ παράλληλα γίνεται μια επισκόπηση ως προς τα πρωτόκολλα για την υλοποίηση της ευφυούς κατοικίας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε το δίκτυο GSM και προτείνουμε λύσεις και εφαρμογές πάνω στην ευφυή κατοικία.στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στα μοντέλα που περιγράφουν την ηλεκτρομαγνητική διάδοση για το εσωτερικό περιβάλλον που μας ενδιαφέρει. Σ αυτό το κεφάλαιο δίνεται μια πρώτη αίσθηση του σημαντικού ρόλου των απωλειών και πως αυτές επηρεάζουν τις επικοινωνίες γενικότερα. Επίσης, εστιάζουμε στις απώλειες που προκαλούνται από το φαινόμενο της σκίασης. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο προβαίνουμε στην πειραματική διαδικασία και την θεωρητική μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του καναλιού μετάδοσης σε τοπολογία εσωτερικού σπιτιού, σε μια κατοικία στο κέντρο της Πάτρας,

Πιο συγκεκριμένα, διεξήχθη μία επαλήθευση του μοντέλου απωλειών καναλιού ενός συστήματος 802.11g Wi-Fi λειτουργίας στα 2,4 GHz, όσον αφορά την λαμβανόμενη ισχύ και τις απώλειες που προκαλούνται από το φαινόμενο της σκίασης. Στα αποτελέσματα αναγνωρίσαμε ότι η μέθοδος, που βασίζεται στο μοντέλο απώλειας καναλιού Multi- Wall-Floor, παρέχει ένα πιο αξιόπιστο υπολογισμό της απόκλισης σκίασης. Λέξεις Κλειδιά: Ευφυής Κατοικία, Δίκτυο GSM, Μοντέλο Multi Wall Floor Abstract The current thesis is moved between two targets: The first objective is the presentation of appropriate equipment for remote monitoring infrastructure of a smart home using wireless technologies such as GSM. The second objective is the theoretical modeling of the behavior of the transmission channel in indoor environment of the received power and the losses caused by the phenomenon of shadowing. In the first chapter we analyse the configuration of the smart home. The second chapter presents the most important modern wireless technologies and an overview on protocols for the implementation of smart home. The third chapter presents the GSM network and proposes solutions and applications using it on a smart home. The fourth chapter includes a comprehensive reference on models that describe the electromagnetic diffusion of the internal environment. This chapter gives a first sense of the important role of the path losses and how they affect communications in general. Also, we focus on losses caused by the phenomenon of shadowing. Finally, in the fifth chapter we conduct the experiment and theoretical modeling of the behavior of the transmission channel topology in domestic house, specifically a house in the center of Patras was chosen and we conducted a verification of the path losses model of 802.11g Wi-Fi in 2,4 GHz regarding the received power and the losses caused by the phenomenon of shadowing. The results showed that the method based on Multi-Wall-Floor Model path losses, provides a more reliable calculation of the deviation bands. Key Words: Smart Home, GSM Network, Multi Wall Floor Model

Ευχαριστήρια Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Επικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους αυτούς που συνέβαλλαν στην ολοκλήρωση της εργασίας αυτής. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Σταύρο Κωτσόπουλο για την εμπιστοσύνη και την στήριξη καθ όλη την διάρκεια ανάπτυξης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Θεόφιλο Χρυσικό για την καθοδήγηση και την πολύπλευρη στήριξη κατά την διαδικασία του σχεδιασμού, ανάπτυξης, υλοποίησης, αξιολόγησης και συγγραφής της εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους συμφοιτητές και συναδέλφους που συμμετείχαν στην διαδικασία αξιολόγησης για τον χρόνο τους.

Περιεχόμενα 1 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας... 1 1.1 Εισαγωγή... 1 1.2 Τι είναι η ευφυής κατοικία... 1 1.3 Ιστορική αναφορά στην ευφυή κατοικία... 2 1.4 Ασύρματα δίκτυα... 3 1.5 Η ανάγκη για ασύρματη δικτύωση... 3 1.6 Εφαρμογές του μέλλοντος... 5 1.7 Τα ασύρματα δίκτυα στην υπηρεσία της ποιότητας ζωής... 7 1.8 Σχεδιασμός για Άτομα με Ειδικές Ανάγκες... 8 1.9 Περιγραφή του δικτύου του σπιτιού... 10 1.9.1 Εισαγωγή... 10 1.9.2 Πως δουλεύει η ευφυής κατοικία... 10 1.10 Απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής... 12 1.11 Μοντέλο δικτύωσης... 14 1.11.1 Περιγραφή οντοτήτων... 16 1.12 Ασύρματοι αισθητήρες... 16 1.12.1 Είδη αισθητήρων... 17 1.13 Συμπέρασμα... 23 2 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες... 25 2.1 Ασύρματο Δίκτυο... 25 2.1.1 Ασύρματη Μετάδοση... 25 2.1.2 Μέθοδοι μετάδοσης... 28 2.1.3 Ασύρματα τοπικά και προσωπικά δίκτυα... 29 2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα... 30

2.2.1 Ραδιοσυχνότητες... 30 2.2.2 Bluetooth... 30 2.2.3 ZigBee... 33 2.2.4 Home RF... 35 2.2.5 Z-Wave... 38 2.2.6 IEEE 802.11... 39 2.2.7 WiFi... 44 2.3 Επιλογή Πρωτοκόλλου... 47 2.4 Συμπέρασμα... 48 3 Εφαρμογή της GSM Τεχνολογίας για την υποστήριξη Διαδικασιών Τηλεελέγχου. 49 3.1 Γενικές πληροφορίες του GSM... 49 3.1.1 Τα βασικά μέρη που περιλαμβάνει το GSM... 49 3.1.2 Πιστοποίηση και Ασφάλεια... 52 3.1.3 Short Message Service (SMS)... 52 3.1.4 Τεχνολογία GPRS (General Packet Radio Service)... 53 3.2 Εφαρμογές GSM... 54 3.2.1 Εισαγωγή - GSM μόντεμ... 54 3.2.2 Φωτισμός... 57 3.2.3 Αυτόματο πότισμα... 61 3.2.4 Διαδίκτυο & τηλεφωνία... 62 3.2.5 Κινητήρες (Τέντες Ρολά Γκαράζ)... 64 3.2.6 Σύστημα επιτήρησης χώρου... 65 3.2.7 Συναγερμός... 66 3.3 Συμπέρασμα... 67 4 Χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού σε εσωτερικούς χώρους... 69

4.1 Εισαγωγή στα μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος κλειστού χώρου... 69 4.2 Πίνακας μοντέλων διάδοσης κλειστών χώρων... 72 4.3 Μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος κλειστού χώρου... 73 4.3.1 To Μοντέλο του Ελεύθερου χώρου... 73 4.3.2 Το Μοντέλο One Slope... 74 4.3.3 Το Μοντέλο της Λογαριθμικής Απόστασης... 76 4.3.4 Το Μοντέλο Ray Tracing... 78 4.3.5 Το Μοντέλο ITU Indoor Path Loss... 84 4.3.6 Το Μοντέλο Motley-Keenan... 86 4.3.7 To Μοντέλο Multi Wall Floor... 91 4.4 Συμπεράσματα... 92 5 Ανάπτυξη αλγορίθμου και προσομοίωση ασύρματου καναλιού... 93 5.1 Περίληψη... 93 5.2 Εισαγωγή... 93 5.3 Τοπολογία Οικίας... 95 5.4 Μοντέλα RF Εσωτερικών Χώρων... 97 5.5 Μετρήσεις Έναντι Προβλέψεων Μοντέλου... 99 5.6 Λογαριθμική-Κανονική Σκίαση... 106 5.7 Εμπειρικός Υπολογισμός της Απόκλισης Σκίασης... 110 5.8 Εξασθένηση λόγω απόστασης... 114 5.9 Συμπεράσματα... 116 6 Γενικά Συμπεράσματα... 119 Παράρτημα... 121 Βιβλιογραφία... 123

Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 1-1 Ασύρματη σύνδεση συσκευών... 4 Εικόνα 1-2 Σχέση ανάμεσα σε χρήστες, υποδομής και δυνατότητες... 9 Εικόνα 1-3 Τοπολογία ασύρματου δικτύου... 15 Εικόνα 1-4 Παθητικός αισθητήρας κινήσεως... 18 Εικόνα 1-5 Διπλός αισθητήρας κινήσεων τύπου TEC... 18 Εικόνα 1-6 Αισθητήρας με ζωική ασυλία... 19 Εικόνα 1-7 Αισθητήρας θραύσεως τζαμιών... 19 Εικόνα 1-8 Αισθητήρας μονοξειδίου του άνθρακα... 20 Εικόνα 1-9 Αισθητήρας καπνού... 20 Εικόνα 1-10 Μαγνητική επαφή παραθύρου πόρτας... 21 Εικόνα 1-11 Αισθητήρας υγρασίας... 21 Εικόνα 1-12 Αισθητήρας θερμοκρασίας... 22 Εικόνα 2-1 Μία κεραία για μετάδοση WiFi από σημείο σε σημείο... 26 Εικόνα 2-2 Σχεδιάγραμμα μιας συσκευής βάση του HomeRF πρωτοκόλλου... 37 Εικόνα 2-3 Επίπεδα λειτουργίας 802.11b... 40 Εικόνα 2-4 Λογότυπο WiFi... 45 Εικόνα 3-1 Δίκτυο GSM... 51 Εικόνα 3-2 Η πρόσοψη μιας ευφυούς κατοικίας... 54 Εικόνα 3-3 GSM Modem... 55 Εικόνα 3-4 Σχεδιάγραμμα συστημάτων για το έξυπνο σπίτι... 57 Εικόνα 3-5 Μονάδα για το αυτόματο πότισμα... 61 Εικόνα 3-6 Εικονοτηλέφωνο... 63 Εικόνα 4-1 Two Ray Μοντέλο... 80 Εικόνα 4-2 Two Ray Μοντέλο... 83 Εικόνα 4-3 Συντελεστής απωλειών λόγω πατωμάτων για το ITU Μοντέλο... 88 Εικόνα 4-4 Το τροποποιημένο Motley-Keenan μοντέλο... 90 Εικόνα 5-1 Τοπολογία οικίας: Μετρήσεις στον ίδιο όροφο... 95 Εικόνα 5-2 Τοπολογία Οικίας: Μετρήσεις Πολλαπλών Ορόφων... 97 Εικόνα 5-3 Μετρήσεις Έναντι Προβλέψεων Μοντέλου (Ίδιος Όροφος)... 101

Εικόνα 5-4 Μετρήσεις Έναντι Προβλέψεων MWF (Ίδιος Όροφος)... 101 Εικόνα 5-5 Μετρήσεις έναντι Προβλέψεων Μοντέλου (Πολλαπλοί Όροφοι)... 104 Εικόνα 5-6 Μετρήσεις έναντι Προβλέψεων MWF (Πολλαπλοί Όροφοι)... 104 Εικόνα 5-7 Καλή Προσαρμογή για Μετρήσεις Ιδίου Ορόφου... 107 Εικόνα 5-8 Καλή Προσαρμογή για Μετρήσεις Πολλαπλών Ορόφων... 108 Εικόνα 5-9 Λογαριθμική-κανονική CDF έναντι Εμπειρικής CDF (Ίδιος Όροφος)... 109 Εικόνα 5-10 Λογαριθμική-κανονική CDF έναντι Εμπειρικής CDF... 109 Εικόνα 1 Προσομοίωση με Μοντέλο Ελεύθερου Χώρου... 121 Εικόνα 2 Προσομοίωση με Μοντέλο Multi Wall Floor... 121 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 2-1 Πρωτόκολλα IEEE 802.11... 46 Πίνακας 4-1 Μοντέλα Διάδοσης Ραδιοσήματος για εσωτερικούς χώρους... 72 Πίνακας 4-2 Τυπικές τιμές για τον εκθέτη n... 75 Πίνακας 4-3 Τυπικές τιμές της παραμέτρου Ν και της απόκλισης σ (db) για το Μοντέλο Λογαριθμικής Απόστασης... 77 Πίνακας 4-4 Συντελεστής απωλειών Ν για το ITU Μοντέλο... 85 Πίνακας 4-5 Συντελεστής απωλειών λόγω πατωμάτων για το ITU Μοντέλο... 85 Πίνακας 4-6 Απορροφήσεις και πάχος... 90 Πίνακας 4-7 Παραδείγματα απωλειών για διαφορετικά υλικά... 92 Πίνακας 5-1 Προσαρμογή για Συντελεστή Κλίσης ITU (Ίδιος Όροφος)... 100 Πίνακας 5-2 Απώλειες Υλικών Εμποδίων... 101 Πίνακας 5-3 Μέσο Σφάλμα Μοντέλων RF (Ίδιος Όροφος)... 102 Πίνακας 5-4 Μέσο Σφάλμα RF Μοντέλων (Πολλαπλοί Όροφοι)... 105 Πίνακας 5-5 Συνολικό Μέσο Σφάλμα Μοντέλων RF... 106 Πίνακας 5-6 Απόκλιση Σκίασης (Λογαριθμική - Κανονική)... 107 Πίνακας 5-7 Εμπειρική Απόκλιση Σκίασης (Ίδιος Όροφος)... 112 Πίνακας 5-8 Εμπειρική Απόκλιση σκίασης (Πολλαπλοί Όροφοι)... 113 Πίνακας 5-9 Εξασθένηση λόγω Απόστασης (Ίδιος Όροφος)... 115 Πίνακας 5-10 Εξασθένηση λόγω Απόστασης (Πολλαπλοί Όροφοι)... 116 Πίνακας 0-1 Παραρτήματος... 122

1 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 1 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας 1.1 Εισαγωγή Σε πολλά σπίτια παρατηρείται καθημερινά η ανάγκη για αυτοματοποίηση ορισμένων διεργασιών που δημιουργούνται από τις απαιτήσεις της σύγχρονης ζωής. Παρακάτω θα παρουσιάσουμε μια λύση στο πρόβλημα της αυτοματοποίησης, που ονομάζεται ευφυής κατοικία. Θα μελετήσουμε τι είναι, πότε εμφανίστηκε, πως μπορούμε να την υλοποιήσουμε, γιατί επιλέξαμε την ασύρματη μορφή του, πώς η υιοθέτηση της ασύρματης τεχνολογίας βελτιώνει την ποιότητα ζωής μας αλλά και πώς μελλοντικά μπορούμε να έχουμε επιπλέον εφαρμογές προς όφελος του κατόχου μιας τέτοιας κατοικίας. 1.2 Τι είναι η ευφυής κατοικία Η «ευφυής κατοικία» θα μπορούσε να οριστεί σαν ένα περιβάλλον που περιλαμβάνει την τεχνολογία που επιτρέπει στις συσκευές και τα συστήματα που υπάρχουν, να ελέγχονται αυτόματα. Ο βαθμός αυτοματοποίησης σε ένα περιβάλλον μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τις ανάγκες του χρήστη, τον τύπο της οικίας στην οποία θα εφαρμόσουμε την τεχνολογία αλλά και το κόστος. Τα σπίτια που μπορούν αυτόματα να προσαρμόζουν την θερμοκρασία του περιβάλλοντος, το επίπεδο της ασφάλειας, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπουν ικανοποιητική επικοινωνία με τον έξω κόσμο προφανώς παρέχουν πλεονεκτήματα σε αυτούς που τα κατοικούν. Ο παρακάτω ορισμός της «ευφυούς κατοικίας» (smart home ή domotics) δόθηκε από τα Ευρωπαϊκά προγράμματα ADAPT και DIP: «Είναι η ολοκλήρωση των υπηρεσιών και τεχνολογιών που εφαρμόζεται σε κατοικίες, διαμερίσματα και κτίρια με τον σκοπό να αυτοματοποιηθούν και να παρέχουν καλύτερη ποιότητα»:

2 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας Στην ασφάλεια Στην άνεση Στην επικοινωνία Στην τεχνική διαχείριση Στο οικιακό περιβάλλον ένας αυτοματισμός μπορεί να βοηθήσει στον έλεγχο μιας συσκευής ή αντικειμένου από απόσταση, δηλαδή ενώ είμαστε σε διαφορετικό δωμάτιο από ότι το αντικείμενο να μπορούμε να το χειριστούμε. Παράλληλα μπορούμε να ελέγξουμε την κατάσταση στην οποία βρίσκονται διάφορες συσκευές, χωρίς απαραίτητα να έχουμε άμεση φυσική εποπτεία, επί παραδείγματι αν είναι κλειστά τα φώτα στο γκαράζ ή αν είναι κλειστή η εξώπορτα. 1.3 Ιστορική αναφορά στην ευφυή κατοικία Η δημιουργία κατοικιών με «δείκτη νοημοσύνης» έχει αρχίσει πριν πολλά χρόνια, ειδικότερα από τότε που έκαναν την εμφάνιση τους οι αυτοματισμοί προσαρμοσμένοι για οικιακές ευκολίες. Σε όλα τα σπίτια υπάρχει η αρχική μορφή ενός τέτοιου σπιτιού, χωρίς όμως να το συνειδητοποιεί ο κάτοχός του. Υπάρχουν πολλοί αυτοματισμοί στα σπίτια, οι οποίοι εάν καταμετρηθούν και αναλογιστούν, θα δώσουν μια αρχική εικόνα για το πώς ξεκίνησε η ιδέα για το έξυπνο ή δικτυωμένο ή αυτόματο σπίτι. Για παράδειγμα, ο έλεγχος των φωτιστικών από διαφορετικά σημεία, όπως είναι ο γνωστός διπλός διακόπτης (αλλέ-ρετούρ) ή το άναμμα των φώτων της κεντρικής σκάλας ήταν από τις πρώτες ιδέες για τον ομαδικό έλεγχο φώτων. Επιπλέον, η απενεργοποίηση των φωτιστικών της κεντρικής σκάλας ύστερα από συγκεκριμένο χρόνο, τον οποίο μπορούμε οποιαδήποτε στιγμή θέλουμε να τον αλλάξουμε, αποτελεί την αρχική ιδέα για τον έλεγχο των φωτιστικών ανά ομάδα. Επιπρόσθετα, η χρησιμοποίηση ασφαλειών σε μια ηλεκτρολογική εγκατάσταση για την διακοπή του ρεύματος σε περίπτωση διαρροής, ήταν η γένεση για την ιδέα να ελέγχονται οι παροχές ενός σπιτιού (φως, νερό, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) και σε περίπτωση διαρροής να κόβονται για την αποτροπή ατυχημάτων.

1.4 Ασύρματα δίκτυα 3 Με την πάροδο των χρόνων οι αυτοματισμοί πολλαπλασιάστηκαν, προκαλώντας την ανάγκη για ενοποίηση, εύκολο έλεγχο, αλλά και δυνατότητα λήψεως προκαθορισμένων αποφάσεων, χωρίς την συνεχή μεσολάβηση του χρήστη, κάτω από ένα κεντρικό σύστημα διαχείρισης. Με αυτόν τον τρόπο, άρχισε η υλοποίηση του έξυπνου σπιτιού, παίρνοντας την μορφή που γνωρίζουμε σήμερα. 1.4 Ασύρματα δίκτυα Ένα έξυπνο σπίτι βασίζεται σε κάποιο δίκτυο δεδομένων το οποίο μπορεί να είναι είτε ασύρματο είτε ενσύρματο. Τα ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιούν κανάλια ραδιοσυχνοτήτων ως φυσικό μέσο για την επικοινωνία τους. Κάθε κόμβος του δικτύου μεταδίδει πληροφορία η οποία μπορεί να ληφθεί από όλους τους κόμβους οι οποίοι βρίσκονται εντός του άμεσου εύρους μετάδοσης. Επειδή οι κόμβοι μεταδίδουν και λαμβάνουν πληροφορίες μέσω του αέρα, δεν χρειάζεται να είναι φυσικά συνδεδεμένοι σε κάποιο δίκτυο. Έτσι, αυτά τα δίκτυα προσφέρουν δυνατότητα σύνδεσης δεδομένων μαζί με δυνατότητα κίνησης των συσκευών. Σήμερα, είναι διαθέσιμα εξαιρετικά προηγμένα συστήματα επικοινωνιών. Οι ασύρματες επικοινωνίες είναι μία από τις γρηγορότερα αναπτυσσόμενες βιομηχανίες στον κόσμο. Η βιομηχανία των ασύρματων επικοινωνιών έχει διάφορα πεδία όπως η κυτταρική τηλεφωνία, τα ασύρματα LANs και τα δίκτυα επικοινωνίας τα οποία βασίζονται σε δορυφόρους. Ωστόσο, το κύριο μέρος της ανάπτυξης της ασύρματης βιομηχανίας βασίζεται στα δίκτυα με κυτταρική δομή. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 έγινε για πρώτη φορά η εμπορική εκμετάλλευση των πρώτων κινητών δικτύων με κυτταρική δομή. 1.5 Η ανάγκη για ασύρματη δικτύωση Σύμφωνα, με τις αρχικές προδιαγραφές, η ευφυής κατοικία διατρέχεται από κατάλληλα καλώδια με κατάλληλη διάταξη, για την κάθε εφαρμογή, επιτρέποντας την κατασκευή ενός τέτοιου σπιτιού, μόνο σε αυτά τα οποία είχε προβλεφθεί η κατάλληλη καλωδίωση. Σε κανένα παλιό σπίτι, ή σε σπίτι το οποίο δεν είχε όλα τα απαραίτητα καλώδια, δεν μπορούσε να γίνει μια έξυπνη υλοποίηση. Ακόμη και αν ο ιδιοκτήτης αποφάσιζε να τοποθετήσει όλα τα απαραίτητα καλώδια, θα έπρεπε να διανοιχτούν πολλές τρύπες,

4 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας τοίχοι να σκαφτούν και γενικότερα να γίνουν πολλές εργασίες στην υπάρχουσα κατοικία. Τη λύση στο πρόβλημα αυτό, έδωσαν οι μηχανικοί με την σημερινή τεχνολογία, χρησιμοποιώντας την ασύρματη τεχνολογία. Ο συνδυασμός της ασύρματης τεχνολογίας μαζί με την ενσύρματη, έκαναν ευκολότερη την κατασκευή, παρέχοντας ελευθερία, ευελιξία αλλά και νέες δυνατότητες. Η υιοθέτηση όμως κυρίως της ασύρματης τεχνολογίας έδωσε μια διαφορετική ώθηση στην δημιουργία των έξυπνων σπιτιών. Εικόνα 1-1 Ασύρματη σύνδεση συσκευών Πλέον υπάρχει μεγαλύτερη ελευθερία στην τοποθέτηση ενός αισθητήρα για μια εφαρμογή, αφού η απόσταση δεν έχει μεγάλο ρόλο. Ο αισθητήρας μπορεί να αλλάξει θέση, προκειμένου να έχουμε διαφορετική μέτρηση, χωρίς να επηρεαστεί το σύστημα. Με την διαφορετική μέτρηση, μπορούμε να πετύχουμε την εκτέλεση ενός σεναρίου λειτουργίας για διαφορετικούς λόγους ενεργοποίησης του αισθητήρα (αλλαγή χώρου, αλλαγή θερμοκρασίας). Για παράδειγμα, εάν θέλουμε την εκτέλεση ενός σεναρίου λειτουργίας μιας τέντας, μετακινώντας τον αισθητήρα σε διαφορετικό σημείο, δεν θα γίνουν οι καθορισμένες ενέργειες σύμφωνα με την προκαθορισμένη τιμή της ηλιοφάνειας, αλλά για την τιμή της ηλιοφάνειας του εκάστοτε σημείου που βρίσκεται ο αισθητήρας. Επιπρόσθετα, με την χρήση ασύρματων αισθητήρων μπορούμε να τοποθετήσουμε μελλοντικά περισσότερους αισθητήρες, χωρίς να έχει γίνει από την αρχή κάποια ιδιαίτερη πρόβλεψη. Δεν χρειάζεται η αρχική τοποθέτηση περισσότερων καλωδίων ώστε να προβλεφθούν τυχόν μελλοντικοί αισθητήρες.

1.6 Εφαρμογές του μέλλοντος 5 Επομένως, με την χρήση της ασύρματης τεχνολογίας, τοποθετούνται λιγότερα καλώδια, μειώνοντας το κόστος κατασκευής. Επιπλέον η τοποθέτηση γίνεται γρηγορότερα, αφού η τοποθέτηση καλωδίων θα χρειάζονταν αρκετό χρόνο, κάνοντας τον χρόνο παράδοσης της οικίας αρκετά μικρότερο. Τέλος, με την χρήση της ασύρματης δικτύωσης το κύκλωμα ελέγχου της εφαρμογής αποκτά αρκετά μεγάλη ευελιξία. Το κύκλωμα μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο, κοντά στην εφαρμογή για τον έλεγχο της, κάνοντας την τοποθέτησή του ευκολότερη. 1.6 Εφαρμογές του μέλλοντος Σε μερικά χρόνια, η πλειοψηφία των σπιτιών, θα κατασκευάζονται με τα πρότυπα της ευφυούς κατοικίας. Επιπλέον, οι υπηρεσίες που θα παρέχει, θα είναι ακόμη περισσότερες, και πάντα για το μεγαλύτερο συμφέρον και την μεγαλύτερη άνεση του κατόχου του. Ειδικότερα, το κάθε σπίτι θα είναι δικτυωμένο και πλήρως ελεγχόμενο από τον ιδιοκτήτη του, κάθε στιγμή και από οποιοδήποτε σημείο του πλανήτη. Ο κάτοχος ενός τέτοιου σπιτιού θα έχει εικόνα και ήχο, μέσα και έξω από το σπίτι του, αξιόπιστα και με ασφάλεια, ακόμα και μέσω του κινητού του. Κάθε ανάγκη θα εκπληρώνεται, σύμφωνα με την έλλειψη αλλά και την επιθυμία του ιδιοκτήτη. Για παράδειγμα, θα γίνεται αυτόματη μέτρηση της ποσότητας του πετρελαίου ανά τακτά χρονικά διαστήματα και κατά τους χειμερινούς μήνες και υπό την προϋπόθεση ότι η ποσότητα είναι σε χαμηλά επίπεδα, θα γίνεται αυτόματα η παραγγελία. Ένα άλλο παράδειγμα, είναι η χρησιμοποίηση των έξυπνων ηλεκτρικών συσκευών. Αναλυτικότερα, της έξυπνης κουζίνας και του έξυπνου ψυγείου. Με την έξυπνη κουζίνα, το φαγητό θα τοποθετείται στον φούρνο, θα δηλώνεται τι είναι, και αυτό θα το μαγειρεύει κατάλληλα χωρίς την μεσολάβηση του χρήστη. Όταν θα είναι έτοιμο θα ειδοποιεί τον χρήστη και θα κλείνει αυτόματα τη φωτιά. Με την χρησιμοποίηση του έξυπνου ψυγείου, όταν τελειώνουν κάποια συγκεκριμένα αγαθά θα ειδοποιείται ο ιδιοκτήτης, αυτός θα επιλέγει ποια θέλει, θα δίνεται η παραγγελία στο αντίστοιχο κατάστημα (μέσω διαδικτύου), και τελικά μέσω του δικτύου διανομής του καταστήματος θα έρχεται σπίτι, εξοικονομώντας χρόνο από την αγορά των προϊόντων

6 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας Στο μπάνιο θα υπάρχει ο έξυπνος καθρέπτης, ο οποίος όταν χρειάζεται θα δείχνει σε ένα μέρος του σημαντικά μηνύματα ή υπενθυμίσεις, ή ακόμη τηλεοπτικά κανάλια και γενικότερα ότι θα μπορούσε να δείξει το κύκλωμα τηλεόρασης. Μια ακόμη μελλοντική εφαρμογή, θα είναι η αναγνώριση προσώπων. Όταν ο ιδιοκτήτης θα φθάνει σπίτι του, θα αναγνωρίζεται, αυτόματα θα ανοίγει η πόρτα, και κατά την είσοδο του στο σπίτι, θα παίζει μουσική από μια συλλογή τραγουδιών που θα έχει επιλέξει και σύμφωνα με την διάθεση θα επιλέγεται το κατάλληλο κομμάτι. Με την ανάπτυξη των συστημάτων αναγνώρισης φωνής και της τεχνητής νοημοσύνης επιπλέον εφαρμογές μπορούν να αναπτυχθούν. Η αναγνώριση των φωνητικών εντολών του κατόχου του σπιτιού θα είναι μια πολύ εύκολη εφαρμογή. Ωστόσο, δεν θα περιορίζεται σε τυποποιημένες εντολές αλλά θα μπορούν να επικοινωνούν ως δυο άνθρωποι. Για παράδειγμα, θα μπορεί ο κάτοχος να ζητήσει από το σπίτι να ψάξει στο διαδίκτυο για το που μπορεί να πάει το καλοκαίρι για διακοπές. Αυτό θα επιστρέψει διάφορες επιλογές και θα του προσφωνήσει τα υπέρ και τα κατά της κάθε επιλογής, ενώ αυτός θα κάθεται στο σαλόνι και θα τα βλέπει μέσω της τηλεόρασης. Επιπρόσθετα, το σπίτι θα μπορεί να αναγγέλλει κάθε είδος πληροφορία, να προτείνει διάφορες προτάσεις, όπως όταν κάποιος λέει ότι είναι άρρωστος να προτείνει να καλέσει τον γιατρό του σπιτιού. Τελικά θα είναι σαν να υπάρχει ένας προσωπικός βοηθός, ο οποίος θα είναι παρών όλη την ώρα και δεν θα κουράζεται ποτέ, ενώ θα είναι πρόθυμος να σε εξυπηρετήσει όλη την ώρα. Το έξυπνο κρεβάτι είναι μια ακόμη εφαρμογή του μέλλοντος. Όταν θα ξαπλώνει κάποιος αυτόματα το κρεβάτι θα προσαρμόζει το στρώμα στις ιδιαίτερες ανάγκες και προτιμήσεις του καθενός. Ανάλογα αν το θέλει κάποιος πολύ μαλακό ή πιο σκληρό αυτό θα ρυθμίζεται αυτόματα. Θα μπορεί να πάρει το σχήμα του σώματος, γεγονός που βοηθάει σε άτομα με πρόβλημα στην μέση. Στο υπνοδωμάτιο, εκτός από το έξυπνο κρεβάτι θα υπάρχει και η έξυπνη ντουλάπα. Με την έξυπνη ντουλάπα μπορούμε ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουμε τι υπάρχει μέσα σε αυτή, ώστε όταν ψάχνουμε κάτι, να μπορούμε γρήγορα να το βρίσκουμε. Επιπλέον, η έξυπνη ντουλάπα θα μπορεί να μας προτείνει και τι συνδυασμό ρούχων να

1.7 Τα ασύρματα δίκτυα στην υπηρεσία της ποιότητας ζωής 7 πραγματοποιήσουμε, και να μας τα δείξει σε μια οθόνη πως θα είναι το σύνολο των ρούχων. Επιπρόσθετα, σε κάθε παράθυρο θα μπορούμε να κανονίσουμε είτε με περσίδες είτε με κουρτίνες είτε με το ίδιο το τζάμι πόσο φως θα αφήσουμε να περάσει στο δωμάτιο. Αν θέλουμε λίγο φως, οι περσίδες θα παίρνουνε την κατάλληλη γωνία, ενώ οι κουρτίνες θα καλύπτουν όλο και περισσότερη επιφάνεια από το παράθυρο, ενώ κάποια παράθυρα θα μπορούν να γίνουν πιο θαμπά, προκειμένου να πετύχουμε την επιθυμητή φωτεινότητα του δωματίου (ανάλογα με την παρουσία ή απουσία ηλεκτρικού ρεύματος). Στο πάτωμα θα υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός αισθητήρων, με τους οποίους θα μπορούμε να εντοπίσουμε που βρίσκεται ο καθένας μέσα στο σπίτι, αλλά και να εντοπίσουμε αν κάποιος, ιδιαίτερα κάποιος ηλικιωμένος, πέσει κάτω και χρειάζεται βοήθεια, ώστε να ειδοποιηθεί κάποιος αρμόδιος, όπως ένα ασθενοφόρο. 1.7 Τα ασύρματα δίκτυα στην υπηρεσία της ποιότητας ζωής Με τις ευκολίες που παρέχουν τα ασύρματα δίκτυα, οι έξυπνες εφαρμογές συνεχώς πληθαίνουν, γίνονται πιο λειτουργικές, με σκοπό να εξυπηρετούν διαρκώς όλο και περισσότερο την ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Τοποθετώντας έναν ασύρματο αισθητήρα στο γραμματοκιβώτιο, θα ειδοποιούμαστε ότι η αλληλογραφία έχει έρθει, ώστε να γίνει η παραλαβή τους, χωρίς ο ιδιοκτήτης να ελέγχει κάθε μέρα για τυχόν γράμματα. Η εξώπορτα μπορεί να διαθέτει μια ετικέτα αναγνώρισης χρησιμοποιώντας ραδιοσυχνότητες, ώστε οι ιδιοκτήτες να μπορούν να εισέλθουν χωρίς τη χρησιμοποίηση των κλειδιών τους. Κοντά στα παράθυρα μπορεί να υπάρχουν αισθητήρες οι οποίοι σύμφωνα με την ηλιοφάνεια του σπιτιού θα μεταβάλλουν την κλίση από τα στόρια για να πετυχαίνεται το επιθυμητό επίπεδο φωτός. Στην περίπτωση που δεν υπάρχουν στόρια αλλά υπάρχει κάποια τέντα έξω από το παράθυρο, ασύρματοι αισθητήρες καθορίζουν το άνοιγμα ή το κλείσιμο της τέντας σύμφωνα με την ηλιοφάνεια αλλά και του ανέμου που επικρατούν. Αισθητήρες στο δάπεδο μπορούν να δώσουν πληροφορία για το αν υπάρχει κάποια διαρροή στους σωλήνες νερού αλλά και σε ποιο σημείο υπάρχει, για την αποφυγή κάποιας πλημμύρας. Άλλοι αισθητήρες στο δάπεδο ενημερώνουν για το αν υπάρχει

8 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας κάποιος στο δωμάτιο αλλά μπορούν επίσης να ενημερώσουν για το αν κάποιος έπεσε, ώστε να ειδοποιηθεί κάποιος, ειδικότερα όταν υπάρχουν ηλικιωμένοι στο σπίτι. Στα ρούχα των ηλικιωμένων μπορούν να τοποθετηθούν ασύρματοι αισθητήρες ώστε ανά πάσα στιγμή να είναι γνωστό που βρίσκονται αλλά και ότι ετοιμάζονται να βγουν έξω από το σπίτι. Ασύρματοι αισθητήρες τοποθετημένοι κάτω από το γρασίδι του κήπου αναφέρουν το ποσοστό υγρασίας του εδάφους, ώστε να ποτιστεί την κατάλληλη διάρκεια και την κατάλληλη μέρα/ώρα. Αισθητήρες πίεσης αναφέρουν την πίεση στους σωλήνες νερού, και σε συνδυασμό με τους προηγούμενους αισθητήρες να ανοίγουν οι κατάλληλες βάνες του ποτίσματος ώστε να λειτουργούν με την σωστή πίεση. Αισθητήρες αναφέρουν την θερμοκρασία του κάθε δωματίου ξεχωριστά, ανάλογα με την ώρα της μέρας και την παρουσία ατόμων, ώστε να διατηρείται η επιθυμητή θερμοκρασία. Αισθητήρες καπνού ανιχνεύουν την πιθανή εκδήλωση πυρκαγιάς, ενώ αισθητήρες αερίου ανιχνεύουν πιθανές διαρροές φυσικού αερίου ή γκαζιού. 1.8 Σχεδιασμός για Άτομα με Ειδικές Ανάγκες Ένα από τα πιο σημαντικά κεφάλαια της τεχνολογίας του έξυπνου σπιτιού είναι ακριβώς ότι μπορεί να προσφέρει σημαντικές υπηρεσίες για τους ηλικιωμένους ανθρώπους αλλά και για άτομα με ειδικές ανάγκες. Τα έξυπνα περιβάλλοντα μπορούν να προσαρμόζονται στην αναπηρία ή την αδυναμία που έχει ο καθένας υποστηρίζοντας τις δραστηριότητες του. Για να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία του έξυπνου σπιτιού σαν βοηθητική τεχνολογία για άτομα με ειδικές ανάγκες χρειάζεται να προηγηθεί μια συστηματική ανάλυση των αναγκών των διαφορετικών ομάδων χρηστών. Αυτή η ανάλυση πρέπει να σχετίζεται από την μια με την ανθρώπινη καθημερινή δραστηριότητα αλλά και τους φυσικούς (σωματικούς), νοητικούς, ψυχικούς περιορισμούς ή αναπηρίες που μπορούν να ανιχνευτούν στις διαφορετικές ομάδες. Σύμφωνα με την παραπάνω ανάλυση εντοπίζουμε το είδος της υποστήριξης που χρειάζεται για τις διαφορετικές ομάδες των χρηστών. Τέλος εξετάζουμε τις δυνατότητες που μας προσφέρει η υπάρχουσα τεχνολογία του έξυπνου σπιτιού για την αποτελεσματική παροχή υποστήριξης σε αυτές τις κατηγορίες κόσμου και προχωράμε στην επιλογή των χαρακτηριστικών και την εφαρμογή. Η εμπειρία έχει αποδείξει πως χωρίς την δοκιμασία στην πράξη των εφαρμογών μας δεν

1.8 Σχεδιασμός για Άτομα με Ειδικές Ανάγκες 9 μπορούμε να είμαστε σίγουροι πως θα είναι χρήσιμες για αυτό τον κόσμο. Απεναντίας ενδέχεται να δυσκολέψουμε την καθημερινότητα αυτών των ανθρώπων και για αυτό χρειάζεται ιδιαίτερη μελέτη και προσοχή. Εικόνα 1-2 Σχέση ανάμεσα σε χρήστες, υποδομής και δυνατότητες Το παραπάνω σχεδιάγραμμα μας δίνει μια σχηματική αναπαράσταση της σχέσης ανάμεσα στην ομάδα των χρηστών και την τεχνική υποδομή και τις επιθυμητές δυνατότητες. Μέσα στην κάθε ομάδα γίνεται μια διάκριση ανάμεσα στις λειτουργικές δυνατότητες (φυσικές, αισθητηριακές και γνωστικές ικανότητες) από την μια πλευρά και τις ανάγκες από την άλλη με σεβασμό στις ιδιαίτερες δραστηριότητες του κάθε ατόμου, την καθημερινή του απασχόληση, τις συνήθειες του. Η τεχνολογία του έξυπνου σπιτιού στοχεύει στο να προσφέρει την δυνατότητα μιας ανεξάρτητης ζωής, απασχόληση και άνεση, να προσφέρει την δυνατότητα για μια ανεξάρτητη συμμετοχή του ατόμου στην κοινωνία αλλά και ευημερία. Η τεχνολογική υποδομή εξασφαλίζει τους παραπάνω σκοπούς.

10 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας Μέσα στην γενική τεχνολογική υποδομή υπάρχουν τρία σημαντικά στοιχεία: Παροχή φροντίδας: παρόλο που παρέχεται από επαγγελματίες, μπορεί να θεωρηθεί ως τεχνολογία που επιτρέπει στο άτομο να φροντίζει τον εαυτό του κι έτσι να υποστηρίζει καθημερινά τις δραστηριότητές του ατόμου. Βοηθητική τεχνολογία: τεχνικές βοήθειες που χρησιμοποιούνται για να υποστηρίζουν τις δραστηριότητες ατόμων με λειτουργικούς περιορισμούς. Οικιακή προσαρμογή: τυπικές προσαρμογές του οικιακού περιβάλλοντος που δίνουν την δυνατότητα στα άτομα με λειτουργικές ανικανότητες για να ζουν ανεξάρτητα. Η τεχνολογία του έξυπνου σπιτιού μπορεί να βοηθήσει σε αυτούς τους τομείς μέσα στην γενική τεχνολογική υποδομή. Θα δώσουμε ορισμένα ενδεικτικά παραδείγματα: Στην παροχή φροντίδας για ανθρώπους με νόσο Alzheimer είναι αναγκαία η ύπαρξη συναγερμών και το αυτόματο κλείσιμο των επικίνδυνων οικιακών συσκευών που μπορεί να ξεχαστούν για ώρες ανοιχτές. Στην βοηθητική τεχνολογία για παράδειγμα ο έλεγχος λειτουργιών με ομιλία για ανθρώπους με αναπηρία στα άκρα. Στην οικιακή προσαρμογή δίνοντας την δυνατότητα για πλήρη έλεγχο του περιβάλλοντος. 1.9 Περιγραφή του δικτύου του σπιτιού 1.9.1 Εισαγωγή Το έξυπνο σπίτι βασίζεται στο γεγονός ότι τα επιμέρους συστήματά του είναι δικτυωμένα μεταξύ τους. Το δίκτυο του σπιτιού έχει ορισμένα χαρακτηριστικά και απαιτήσεις, τα οποία θα πρέπει να συμβαδίζουν με κάποια πρότυπα ώστε να μπορεί το έξυπνο σπίτι να είναι εφικτό να κατασκευαστεί και συγχρόνως να είναι λειτουργικό. Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε τις απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής, ένα μοντέλο του δικτύου μας, καθώς και θα περιγράψουμε τα υποσυστήματα του και τα είδη των αισθητήρων που απαιτούνται για την υλοποίηση του δικτύου. 1.9.2 Πως δουλεύει η ευφυής κατοικία Ο έλεγχος του περιβάλλοντος, ο οποίος μπορεί να γίνει αυτόματα ή σε αλληλεπίδραση με τον χρήστη είναι στην ουσία μια περίπλοκη διαδικασία, η οποία χρειάζεται μια πολύπλοκη διάταξη να κατασκευαστεί, άσχετα με το αν στο τέλος στον χρήστη πρέπει να

1.9 Περιγραφή του δικτύου του σπιτιού 11 εμφανίζεται σαν απλός χειρισμός. Ο στόχος ούτως ή άλλως είναι η τεχνολογία που εφαρμόζουμε να είναι όσο το δυνατόν πιο απλή και προσιτή στον χρήστη γιατί μόνο έτσι θα καταφέρει να κινήσει το ενδιαφέρον του κόσμου, ενώ από την άλλη θα πρέπει να είναι αξιόπιστη και στιβαρή, γιατί η αποστολή που αναλαμβάνει πολλές φορές δεν χωρά λάθη. Ο αριθμός των λειτουργιών που θέλουμε να αυτοματοποιήσουμε, των συσκευών που θέλουμε να ελέγξουμε είναι σε άμεση συνάρτηση με την πολυπλοκότητα της κατασκευής αλλά και το κόστος. Κάποιες βασικές λειτουργίες που μπορούμε να ελέγξουμε είναι: Συστήματα συναγερμού και ασφάλειας, που μπορεί να περιλαμβάνουν συναγερμούς για παραβίαση του σπιτιού από πόρτες και παράθυρα, συναγερμούς λόγω φωτιάς ή διαρροής φυσικού αερίου και άμεσο σήμα στην πυροσβεστική, συναγερμούς για ατύχημα και κλήση για βοήθεια σε κέντρο υγείας κλπ. Συστήματα για έλεγχο εισόδων, εξόδων, άνοιγμα και κλείσιμο σε αλληλεπίδραση με τον χρήστη ή αυτόματα σε περίπτωση κινδύνου για παράδειγμα φωτιάς, σεισμού κλπ. Συστήματα για έλεγχο φωτισμού τεχνητού ή φυσικού, σε αλληλεπίδραση με τον χρήστη ή τελείως αυτόματα όπως για παράδειγμα άνοιγμα ή κλείσιμο των περσίδων ανάλογα με την ανατολή ή δύση του ηλίου ή με χρονοπρογραμματισμό, ελαφρύς φωτισμός όταν σηκωνόμαστε το βράδυ από το κρεβάτι κλπ. Συστήματα για τον έλεγχο της θέρμανσης και του κλιματισμού σε αλληλεπίδραση με τον χρήστη ή τελείως αυτόματα. Και βέβαια ανάλογα με τον εξοπλισμό που έχουμε μπορούμε να αποκτήσουμε μια μεγάλη γκάμα άλλων δυνατοτήτων. Ας φανταστούμε δηλαδή ένα έξυπνο ψυγείο που «γνωρίζει» το περιεχόμενο του, ξέρει ποια προϊόντα λείπουν, μας ειδοποιεί και του δίνουμε την έγκρισή μας να τα παραγγείλει από το σούπερ μάρκετ.

12 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας Το δεύτερο σημείο που είναι εντυπωσιακό είναι οι τρόποι ελέγχου: Από την τηλεφωνική μας συσκευή ή από τηλεφωνική συσκευή στην δουλειά. Από το Διαδίκτυο, δηλαδή από οποιονδήποτε υπολογιστή που μπορεί να έχει πρόσβαση. Με τηλεχειρισμό και χωρίς να υπάρχει ανάγκη για οπτική επαφή με την συσκευή. Από έναν υπολογιστή στο σπίτι που μπορεί να μας παρουσιάζει γραφικά τις διάφορες λειτουργίες ή από το μικρόφωνο. Μέσω ομιλίας που δέχονται συστοιχίες μικροφώνων μέσα στο σπίτι. 1.10 Απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής Η ευφυής κατοικία θα πρέπει να προσδιορίζεται από κάποια χαρακτηριστικά, όπως η ασφάλεια, η οικονομία, η φιλικότητα προς τον χρήστη, ο χειρισμός της από απόσταση καθώς και από την ευκολία της εγκατάστασης. Πιο συγκεκριμένα, ο ιδιοκτήτης μιας τέτοιας κατοικίας θα πρέπει να έχει έντονο το συναίσθημα της ασφάλειας τόσο κατά τις ώρες στις οποίες βρίσκεται σε αυτό, όσο και κατά τις ώρες που αυτός απουσιάζει. Επιβάλλεται ότι τα συστήματα του σπιτιού θα μπορούν να τα ελέγξουν μόνο όσοι μένουν σε αυτό το σπίτι και όχι κάποιος εισβολέας του σπιτιού. Επιπλέον, τα συστήματα του σπιτιού θα πρέπει να είναι αξιόπιστα ως προς την εκτέλεση σεναρίων, για την αποφυγή ανεπιθύμητων καταστάσεων. Για παράδειγμα, σε περίπτωση κάποιας διαρροής νερού να σταματήσει έγκαιρα την παροχή του νερού και όχι να αυξήσει την πίεση του. Γενικότερα, να μην υπάρχει αστοχία του συστήματος, με απώτερο αποτέλεσμα να μην μπορούν να ελεγχθούν τα επιμέρους συστήματα του σπιτιού. Η ευφυής κατοικία θα πρέπει να παρέχει και την δυνατότητα της οικονομίας των περιττών εξόδων. Τα φώτα στους εξωτερικούς χώρους μπορούν να σβήσουν αυτόματα το πρωί, και ειδικότερα καθώς χαράζει να ελαττώνεται σταδιακά η φωτεινότητά τους. Ειδικότερα, μπορεί να ρυθμίζει αυτόματα και καθημερινά την διάρκεια που θα είναι ανοιχτά τα φώτα σύμφωνα με την διάρκεια της εκάστοτε νύχτας. Επιπλέον, κατά τις ώρες που κανείς δεν βρίσκεται στο σπίτι, δεν υπάρχει κανείς λόγος να είναι ο θερμοσίφωνας ανοιχτός εκτός αν κάποιος πλησιάζει στο σπίτι και έχει δώσει την αντίστοιχη εντολή. Αντίστοιχα, όταν δεν είναι κανείς στο σπίτι, η εσωτερική

1.10 Απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής 13 θερμοκρασία του σπιτιού μπορεί να διατηρείται σε κάποιο συγκεκριμένο επίπεδο για την εκάστοτε εποχή. Δηλαδή θα μπορεί να είναι δροσερό το καλοκαίρι, όχι όμως αρκετά κρύο, ενώ αντίστοιχα το χειμώνα να υπάρχει μια ζέστη, αλλά όχι πολύ, ώστε να εξασφαλίζεται χαμηλή κατανάλωση. Τέλος, η υλοποίηση του έξυπνου σπιτιού θα πρέπει να είναι οικονομική, ώστε να μπορεί αρκετός κόσμος να μπορέσει να το αποκτήσει και να αξιοποιήσει τις δυνατότητές που του παρέχει. Για την ελαχιστοποίηση του κόστους μπορούν να χρησιμοποιηθούν συμβατικές συσκευές, οι οποίες εύκολα μετατρέπονται σε έξυπνες, όπως είναι οι διακόπτες φωτισμού, οι ανιχνευτές προσέγγισης για παράθυρα και πόρτες, οι ανιχνευτές θερμοκρασίας. Επιπρόσθετα, το έξυπνο σπίτι θα πρέπει να είναι φιλικό ως προς τον χρήστη, και ιδιαίτερα ως προς την τρίτη ηλικία αλλά και ως προς τα άτομα με ειδικές ανάγκες. Για την λειτουργία και την αξιοποίηση των δυνατοτήτων του σπιτιού, ο χρήστης δεν πρέπει να χρειάζεται ιδιαίτερες γνώσεις για την χρήση υπολογιστή. Το περιβάλλον παραμετροποίησης του συστήματος θα πρέπει να είναι κατανοητό και εύκολο στη χρήση. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό μια καλή εφαρμογή είναι οι εντολές να μπορούν να δοθούν προφορικά. Μέσω της αναγνώρισης της φωνής το σύστημα αναγνωρίζει τον χρήστη και δίνει τα αντίστοιχα δικαιώματα. Με αυτόν τον τρόπο, αποφεύγεται ο έλεγχος του συστήματος από τρίτους, αλλά και ο λανθασμένος χειρισμός από κάποιον χρήστη ειδικά άτομα της τρίτης ηλικίας και άτομα με ειδικές ανάγκες. Η ευφυής κατοικία χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι μπορεί να ελεγχθεί από απόσταση. Ο κάτοχος έχει την δυνατότητα να βρίσκεται εκτός του σπιτιού, και να έχει τον πλήρη έλεγχο αλλά και να ελέγξει την κατάσταση του σπιτιού. Ο έλεγχος μπορεί να γίνει από σταθερό ή κινητό τηλέφωνο αλλά και μέσω του διαδικτύου χρησιμοποιώντας ένα PC. Στέλνοντας ένα μήνυμα από το κινητό στο σύστημα, γράφοντας μια εντολή σε κατάλληλη μορφή για το σύστημα, αυτό θα μπορεί να απαντήσει, στέλνοντας την απάντηση μέσω μηνύματος. Για παράδειγμα μπορούμε να στείλουμε ένα μήνυμα και να ρωτήσουμε την θερμοκρασία του σπιτιού, το σύστημα θα λάβει την εντολή και θα στείλει την κατάλληλη απάντηση, ή να ρωτήσουμε αν κάποιο φως ή κάποια πόρτα είναι ανοιχτή. Ειδικότερα, με την αξιοποίηση της νέας γενιάς κινητών, ο χρήστης θα μπορεί να έχει ακόμη και εικόνα μέσα και έξω από το σπίτι. Επιπρόσθετα, ο έλεγχος μέσω του

14 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας διαδικτύου παρέχει γραφικό περιβάλλον του σπιτιού και εικόνα από τις κάμερες του σπιτιού. Ένα τελευταίο γνώρισμα της ευφυούς κατοικίας είναι η ευκολία εγκατάστασης. Όσο πιο εύκολη η εγκατάσταση τόσο πιο πολλά σπίτια θα γίνονται έξυπνα, και τόσο περισσότερο οι αντίστοιχες τεχνολογίες θα αναπτύσσονται. Η διευθυνσιοδότηση και η ρύθμιση του συστήματος, πρέπει εξίσου να είναι εύκολη. Ειδικότερα, με την χρησιμοποίηση της ασύρματης τεχνολογίας αυτό πραγματοποιείται ως ένα μεγάλο βαθμό. 1.11 Μοντέλο δικτύωσης Παρακάτω θα αναλύσουμε την τοπολογία του δικτύου του έξυπνου σπιτιού. Το δίκτυο αποτελείται από τον κεντρικό κόμβο (κέντρο ελέγχου) και τους κόμβους εφαρμογών. Το κέντρο ελέγχου τοποθετείται στο κεντρικό σημείο του σπιτιού και γύρω από αυτό οι κόμβοι εφαρμογής, ωστόσο λόγω της ασύρματης φύσης του συστήματος αυτό δεν είναι απολύτως απαραίτητο. Οι κόμβοι εφαρμογών συνδέονται ασύρματα με το κέντρο ελέγχου δημιουργώντας τοπολογία αστέρα. Ωστόσο, κάθε κόμβος εφαρμογής μπορεί να επικοινωνεί απευθείας με κάποιον άλλον κόμβο εφαρμογής, χωρίς να παρεμβάλλεται το κέντρο ελέγχου, με την προϋπόθεση ότι βρίσκεται εντός της εμβέλειάς του. Πιο συγκεκριμένα, εάν έχουμε το κέντρο ελέγχου και έξι κόμβους εφαρμογής, δημιουργούμε την τοπολογία του αστέρα, συνδέοντας κάθε κόμβο εφαρμογής (2,3,4,5,6,7) με το κέντρο ελέγχου (1).

1.11 Μοντέλο δικτύωσης 15 4 5 1 3 6 7 2 8 Εικόνα 1-3 Τοπολογία ασύρματου δικτύου Συγχρόνως, ο κόμβος 2 μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας με τους κόμβους 3 και 7, ενώ ο 3 με τον 2 και τον 4, και ο 7 με τον 2 και τον 6. Αφού ο 2 επικοινωνεί με τον 3 και αυτός με τον 4, άρα και ο 2 μπορεί να επικοινωνήσει με τον 4 μέσω του 3. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτει μια σύνδεση σε σειρά. Τελικά, η τοπολογία του συστήματος είναι ένας συνδυασμός του αστέρα και σύνδεση σε σειρά. Το πλεονέκτημα αυτής της συνδεσμολογίας είναι ότι δεν χρειάζεται να επικοινωνήσει ο κόμβος 2 με το κέντρο ελέγχου και μετά και ο κόμβος 3, και μετά το κέντρο ελέγχου να υπολογίσει την κοινή τιμή των αισθητήρων, αλλά μπορεί να επικοινωνήσει ο 2 με τον 3 και μετά ο 3 να στείλει, ύστερα από υπολογισμό, μια τιμή. Μια καλή εφαρμογή είναι η ένδειξη της εξωτερικής θερμοκρασίας, αφού το σύστημα μπορεί να πάρει από 3,4 διαφορετικά σημεία ενδείξεις. Αντί ο κάθε κόμβος εφαρμογής να στείλει στο κέντρο ελέγχου την τιμή που λαμβάνει, οι κόμβοι επικοινωνούν μεταξύ τους και στέλνουν μόνο μια τιμή, ώστε να μην καταναλώνεται το εύρος ζώνης του κέντρου ελέγχου, και να διατίθεται για άλλες εφαρμογές. Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα, είναι ότι σε περίπτωση που κάποιος κόμβος δεν μπορεί να επικοινωνήσει με το κέντρο ελέγχου, για παράδειγμα λόγω παρεμβολών ή γιατί είναι μακριά από το κέντρο (κόμβος 8) αλλά κοντά σε ένα κόμβο εφαρμογής (κόμβος 7 - για

16 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας μεγάλα σπίτια ), να έχει τη δυνατότητα να επικοινωνήσει ο κόμβος αυτός με το κέντρο ελέγχου. Το κέντρο ελέγχου επικοινωνεί με τους κόμβους εφαρμογής και αυτά με τις εισόδους και εξόδους του συστήματος. Οι είσοδοι και οι έξοδοι του συστήματος αποτελούν διευθύνσεις για το κέντρο ελέγχου, όπου σε κάθε διεύθυνση δηλώνουμε τι είναι, ή τι κάνει, δηλαδή dimming, on/off, timer. 1.11.1 Περιγραφή οντοτήτων Το κέντρο ελέγχου αποτελεί την καρδιά του συστήματος της διαχείρισης του έξυπνου σπιτιού. Ελέγχει την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των συσκευών εισόδου και εξόδου καθώς και την αξιόπιστη εκτέλεση σεναρίων που έχει καθορίσει ο ιδιοκτήτης. Στο κέντρο ελέγχου συνδέονται όλοι οι κόμβοι εφαρμογής, από τους οποίους το κέντρο ελέγχου θα λάβει τις απαραίτητες πληροφορίες και θα εκτελέσει τα σενάρια. Στους κόμβους εφαρμογής, συνδέονται οι συσκευές εισόδου και εξόδου του συστήματος. Ως συσκευή εισόδου μπορεί να θεωρηθεί ένας αισθητήρας ή μια ομάδα αισθητήρων, οι οποίοι δίνουν τις ίδιες πληροφορίες στο σύστημα. Για παράδειγμα, μια ομάδα αισθητήρων μπορεί να μας δώσει την πληροφορία ότι σε κάποιο δωμάτιο υπάρχει κίνηση, χωρίς να είναι απαραίτητο να ξέρουμε σε ποιο μέρος του δωματίου, αφού μας ενδιαφέρει μόνο σε ποιο δωμάτιο. Επιπλέον, ως είσοδος μπορεί να θεωρηθεί και η εντολή για άνοιγμα ή κλείσιμο ενός διακόπτη. Ως συσκευή εξόδου μπορεί να θεωρηθεί κάθε μηχανικό μέρος του συστήματος, το οποίο όταν θα λάβει εντολή από το κέντρο ελέγχου θα υλοποιήσει το δοσμένο σενάριο, για παράδειγμα οι τέντες του σπιτιού, αλλά και κάθε ηλεκτρικό μέρος, όπως ένα φωτιστικό. 1.12 Ασύρματοι αισθητήρες Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι άκρως κατανεμημένα δίκτυα μικρών και ελαφρού βάρους ασύρματων κόμβων, οι οποίοι παρατάσσονται σε μεγάλους αριθμούς για να εποπτεύουν είτε το περιβάλλον ή ένα σύστημα, μέσω της διαχείρισης φυσικών παραμέτρων όπως είναι η θερμοκρασία, η πίεση ή η σχετική υγρασία. Η δημιουργία αισθητήρων έγινε εφικτή λόγω των πρόσφατων προόδων στην τεχνολογία των μικρόηλεκτρομηχανικών συστημάτων MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

1.12 Ασύρματοι αισθητήρες 17 Κάθε κόμβος του δικτύου αισθητήρων αποτελείται από τρία υποσυστήματα: το υποσύστημα του αισθητήρα το οποίο αισθάνεται/ανιχνεύει το περιβάλλον, το υποσύστημα επεξεργασίας το οποίο εκτελεί τοπικούς υπολογισμούς στα δεδομένα που ανιχνεύονται και το υποσύστημα επικοινωνίας το οποίο είναι υπεύθυνο για την ανταλλαγή μηνυμάτων με τους γειτονικούς κόμβους αισθητήρες. Ενώ οι ξεχωριστοί αισθητήρες έχουν περιορισμένη περιοχή ανίχνευσης, επεξεργαστική ισχύ και ενέργεια, η διασύνδεση ενός μεγάλου αριθμού αισθητήρων δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας ενός εύρωστου, αξιόπιστου και ακριβούς δικτύου αισθητήρων το οποίο μπορεί να καλύπτει μια ευρύτερη περιοχή. Το δίκτυο είναι ανεκτικό σε σφάλματα επειδή πολλοί κόμβοι ανιχνεύουν τα ίδια γεγονότα. Επιπλέον, οι κόμβοι συνεργάζονται και χειρίζονται μαζί τα δεδομένα τους, γεγονός το οποίο οδηγεί σε ακριβή ανίχνευση γεγονότων στο συγκεκριμένο περιβάλλον. Οι δύο περισσότερο σημαντικές λειτουργίες σε ένα δίκτυο αισθητήρων είναι η διασπορά των δεδομένων (data dissemination), δηλαδή, η διάδοση δεδομένων/ερωτημάτων (queries) σε ολόκληρο το δίκτυο, και η συγκέντρωση δεδομένων, δηλαδή, η συλλογή των παρατηρούμενων δεδομένων από τους ξεχωριστούς κόμβους σε μία καταβόθρα (sink). 1.12.1 Είδη αισθητήρων Σε αυτήν την ενότητα θα αναφερθούμε στους πιο γνωστούς αισθητήρες της αγοράς που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση του έξυπνου σπιτιού. 1.12.1.1 Αισθητήρες Κινήσεως Οι αισθητήρες κινήσεων είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για να ανιχνεύσουν την κίνηση στην περιοχή που καλύπτουν. Οι αισθητήρες κινήσεων επικοινωνούν με το κέντρο ελέγχου, όπου στέλνουν ένα σήμα, όποτε η κίνηση έχει ανιχνευθεί, και αυτό με τη σειρά του εκτελεί το κατάλληλο σενάριο. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ανιχνευτών κινήσεων: Οι παθητικοί αισθητήρες υπερύθρων και ο διπλός αισθητήρας κινήσεων τύπου TEC. Επίσης, εάν υπάρχει κατοικίδιο ζώο, υπάρχουν μερικοί αισθητήρες που μπορούν να το καταλάβουν και να μη ενεργοποιηθούν.

18 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας Εικόνα 1-4 Παθητικός αισθητήρας κινήσεως Οι παθητικοί αισθητήρες υπερύθρων αντιλαμβάνονται κάθε αλλαγή στη θερμοκρασία του δωματίου. Όταν κάποιος εισέρχεται στο δωμάτιο, η θερμοκρασία του δωματίου αλλάζει. Αυτή η αλλαγή ανιχνεύεται από τον αισθητήρα, και στέλνει ένα μήνυμα στο κέντρο ελέγχου. Κατά την εγκατάσταση των αισθητήρων κινήσεων, θα πρέπει να αποφευχθεί να τοποθετηθεί κοντά σε ζεστό ή κρύο αέρα, στο φως του ήλιου ή σε αντανάκλασή του. Ο διπλός αισθητήρας κινήσεων τύπου TEC χρησιμοποιεί δύο διαφορετικούς τρόπους να ανιχνευθεί η κίνηση. Εκτός από να ανιχνεύσει τις αλλαγές στη θερμοκρασία του δωματίου (όπως ένας παθητικός αισθητήρας), ανιχνεύει και τις αλλαγές στο χώρο του δωματίου. Εικόνα 1-5 Διπλός αισθητήρας κινήσεων τύπου TEC Ωστόσο, ο αισθητήρας θα στείλει μόνο ένα μήνυμα στο κέντρο ελέγχου μόνο όταν ανιχνεύσει και αλλαγή στην θερμοκρασία και αλλαγή στο χώρο του δωματίου.

1.12 Ασύρματοι αισθητήρες 19 1.12.1.2 Αισθητήρες με ζωική ασυλία Εάν υπάρχει κατοικίδιο ζώο, οι αισθητήρες έχουν την δυνατότητα να μην ενεργοποιούνται από το κατοικίδιο, αποφεύγοντας τις λάθος ενεργοποιήσεις κάθε φορά που το κατοικίδιο περιπλανιέται στα δωμάτια. Οι αισθητήρες αυτοί είναι σε θέση να αντιληφθούν αν στο χώρο υπάρχει το κατοικίδιο και όχι κάποιος άνθρωπος. Εικόνα 1-6 Αισθητήρας με ζωική ασυλία Η ιδιότητα αυτή μπορεί να βρεθεί και στους δυο τύπους αισθητήρων κινήσεως. 1.12.1.3 Αισθητήρες θραύσεως τζαμιών Οι αισθητήρες θραύσεως τζαμιών είναι αισθητήρες που συνδέονται με τα παράθυρα, τους φεγγίτες, ή οποιοδήποτε άλλο γυάλινο σημείο εισόδου. Στην ουσία, οι ανιχνευτές αυτοί αντιλαμβάνονται δύο ήχους, για να καθοριστεί εάν το γυαλί έχει σπάσει. Κατ' αρχάς, οι αισθητήρες αντιλαμβάνονται έναν ήχο, τον οποίο δεν τον ακούει το ανθρώπινο αυτί, και είναι αυτός που κάνει ένα παράθυρο αμέσως πριν το σπάσιμο. Εικόνα 1-7 Αισθητήρας θραύσεως τζαμιών Κατόπιν, αντιλαμβάνεται τον ήχο του παραθύρου που σπάει, τον οποίο μπορούμε να ακούσουμε. Όταν και οι δύο ήχοι ανιχνεύονται από τον αισθητήρα, ένα μήνυμα

20 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας στέλνεται στο κέντρο ελέγχου. Οι ανιχνευτές αυτού βασίζονται στον τύπο, στο μέγεθος και στο πάχος του γυαλιού, καθώς επίσης και την εμβέλεια στην οποία μπορούν να αισθανθούν. 1.12.1.4 Αισθητήρας μονοξειδίου του άνθρακα Το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί να προέλθει από πηγές όπως μια αποτυχούσα σόμπα αερίου, ένα φούρνο, ένα τζάκι ή ένα θερμοσίφωνα. Μετά από τις πυρκαγιές, η δηλητηρίαση μονοξειδίου άνθρακα προκαλεί τον μέγιστο αριθμό τυχαίων θανάτων. Εικόνα 1-8 Αισθητήρας μονοξειδίου του άνθρακα Για το λόγο αυτό, οι αισθητήρες αυτοί θα πρέπει να υπάρχουν σε μια εγκατάσταση και να συνδεθούν με το σύστημα ασφαλείας. 1.12.1.5 Αισθητήρες καπνού Οι αισθητήρες καπνού είναι παρεμφερείς με τους ανιχνευτές καπνού που υπάρχουν στα περισσότερα σπίτια. Η μόνη διαφορά μεταξύ αυτών των αισθητήρων και των ανιχνευτών είναι ότι αυτοί οι αισθητήρες συνδέονται με το κέντρο ελέγχου. Εικόνα 1-9 Αισθητήρας καπνού

1.12 Ασύρματοι αισθητήρες 21 Όταν ο καπνός ανιχνεύεται, ένα μήνυμα στέλνεται στο κέντρο ελέγχου και αυτό με τη σειρά του θα προβεί στο κατάλληλο σενάριο. 1.12.1.6 Μαγνητικές επαφές παραθύρων - πόρτων Μια μαγνητική επαφή είναι μια μονάδα που αποτελείται από μια reed επαφή και έναν μαγνήτη. Η reed επαφή τοποθετείται στον τοίχο, παραδείγματος χάριν, και ο μαγνήτης τοποθετείται στην πόρτα ή στο πλαίσιο του παραθύρου. Εικόνα 1-10 Μαγνητική επαφή παραθύρου πόρτας Όταν η πόρτα ή το παράθυρο ανοίξουν περισσότερο από ένα με δυο εκατοστά, η επαφή χάνεται και στέλνεται το αντίστοιχο μήνυμα στο κέντρο ελέγχου. 1.12.1.7 Αισθητήρες υγρασίας Οι αισθητήρες υγρασίας, τοποθετούνται στο πάτωμα και χρησιμοποιούνται προκειμένου να ανιχνευθεί η παρουσία νερού. Παραδείγματος χάριν, θα μπορούσε να τοποθετηθεί έναν τέτοιος αισθητήρας δίπλα στο φρεάτιο της αποχέτευσης. Εάν ο αισθητήρας ανιχνεύσει το νερό που βγαίνει έξω από το φρεάτιο, στέλνει ένα μήνυμα στο κέντρο ελέγχου που δείχνει ότι υπάρχει πρόβλημα. Εικόνα 1-11 Αισθητήρας υγρασίας

22 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας Επιπρόσθετα, υπάρχει ένας συγκεκριμένου τύπου αισθητήρας νερού ο οποίος χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει εάν το πλυντήριο ρούχων ξεχειλίζει. Το ένα κομμάτι του αισθητήρα συνδέεται με τους υδροσωλήνες που πηγαίνουν στο πλυντήριο ρούχων και το άλλο βρίσκεται στο πάτωμα. Η παρουσία νερού στο πάτωμα όχι μόνο ενεργοποιεί τον αισθητήρα, αλλά αυτό αναγκάζει τη βαλβίδα να κλείσει, σταματώντας το νερό από το να πλημμυρίσει το σπίτι. 1.12.1.8 Αισθητήρες Θερμοκρασίας Οι αισθητήρες θερμοκρασίας κάνουν ακριβώς ότι το όνομά τους, δηλαδή, αισθάνονται τη θερμοκρασία. Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα ή έξω. Αυτοί οι αισθητήρες δεν χρησιμοποιούνται στο να ανιχνεύσουν έναν διαρρήκτη, αλλά μπορούν να είναι σημαντικοί όταν το σύστημα χρειάζεται να γνωρίζει τη θερμοκρασία τόσο του εξωτερικού όσο και του εσωτερικού περιβάλλοντος προκειμένου να εκτελέσει ορισμένα σενάρια του έξυπνου σπιτιού. Εικόνα 1-12 Αισθητήρας θερμοκρασίας 1.12.1.9 Εξωτερικοί αισθητήρες υπέρυθρων ακτινών Οι εξωτερικοί αυτοί αισθητήρες δημιουργούν έναν αόρατο φράκτη γύρω από την αυλή του σπιτιού. Ο κάθε πομπός τοποθετείται σε κάθε γωνία της αυλής μαζί με έναν δέκτη που τοποθετείται σε μια άλλη γωνία. Αυτό δημιουργεί ένα υπέρυθρο όριο στο οποίο, εάν η ακτίνα είναι διακοπή, στέλνει ένα σήμα στο κέντρο ελέγχου για να λάβει τα απαραίτητα μέτρα. Για παράδειγμα θα μπορεί να ανάβει ένα εξωτερικό φως, και ταυτόχρονα να θέτει την ευαισθησία του συστήματος ασφαλείας σε μεγαλύτερο επίπεδο για πιο αξιόπιστη ασφάλεια. Οι αισθητήρες είναι στεγανοί, και μπορούν να διατηρούν μέχρι και 99% από τις λειτουργίες τους ακόμη και κατά την διάρκεια άστατου καιρού.

1.13 Συμπέρασμα 23 1.13 Συμπέρασμα Το δίκτυο της ευφυούς κατοικίας βασίζεται σε κάποια πρότυπα, προκειμένου να είναι υλοποιήσιμο, αλλά και προσιτό. Η ευφυής κατοικία θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από ασφάλεια, οικονομία, φιλικότητα προς τον χρήστη, εύκολος χειρισμός από απόσταση καθώς και από την ευκολία της εγκατάστασης. Η ασύρματη μεταφορά των δεδομένων, δηλαδή η μεταφορά των εντολών, απαιτεί ένα συγκεκριμένο μοντέλο δικτύωσης προκειμένου να επιτευχτεί. Οι ασύρματοι αισθητήρες παρέχουν μια μεγάλη ευελιξία και ελευθερία στο σύστημα. Υπάρχουν αρκετά είδη αισθητήρων, τα οποία θα καλύψουν όλες τις απαιτήσεις για τις λειτουργίες του σπιτιού.

24 Παραμετροποίηση Υποδομών Ευφυούς Κατοικίας

2 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 2 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες 2.1 Ασύρματο Δίκτυο Ως ασύρματο δίκτυο χαρακτηρίζεται το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο, συνήθως τηλεφωνικό ή δίκτυο υπολογιστών, το οποίο χρησιμοποιεί ραδιοκύματα ως φορείς πληροφορίας. Τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, με συχνότητα φέροντος η οποία εξαρτάται κάθε φορά από τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που απαιτείται να υποστηρίζει το δίκτυο. Η ασύρματη επικοινωνία, σε αντίθεση με την ενσύρματη, δεν χρησιμοποιεί ως μέσο μετάδοσης κάποιον τύπο καλωδίου. Σε παλαιότερες εποχές τα τηλεφωνικά δίκτυα ήταν αναλογικά, αλλά σήμερα όλα τα ασύρματα δίκτυα βασίζονται σε ψηφιακή τεχνολογία και, επομένως, κατά μία έννοια, είναι ουσιαστικώς δίκτυα υπολογιστών. Στα ασύρματα δίκτυα εντάσσονται τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, οι δορυφορικές επικοινωνίες, τα ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WWAN), τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WMAN), τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) και τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPAN). Τα τέσσερα τελευταία εξετάζονται σε αυτό το άρθρο. Η τηλεόραση και το ραδιόφωνο, αν και ως τηλεπικοινωνιακά μέσα είναι εκ φύσεως ασύρματα στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν συμπεριλαμβάνονται στα ασύρματα δίκτυα, καθώς η μετάδοση γίνεται προς πάσα κατεύθυνση χωρίς να υπάρχει κάποιο δομημένο «δίκτυο» τηλεπικοινωνιακών κόμβων (συσκευών) με τη συνήθη έννοια. Επιπλέον, τα μεταφερόμενα δεδομένα συνήθως είναι αναλογικά και, επομένως, δεν μπορούν να θεωρηθούν δίκτυα υπολογιστών. 2.1.1 Ασύρματη Μετάδοση Ραδιοκύματα ονομάζονται οι χαμηλές συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, που εκτείνονται περίπου από τα 3 KHz ως τα 300 GHz. Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες

26 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες γίνονται συνήθως με ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής (από τα 30 MHz ως το 1 GHz), ή μικροκύματα (από τα 2 GHz ως τα 40 GHz). Τα ραδιοκύματα χαμηλότερων συχνοτήτων γενικά εξασθενούν σχετικά γρήγορα, αφού συγκριτικά μεταφέρουν λίγη ενέργεια, αλλά έχουν την ικανότητα να διαπερνούν τα φυσικά εμπόδια. Τα κύματα υψηλότερων συχνοτήτων διαδίδονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις, αλλά ανακλώνται ευκολότερα από φυσικά εμπόδια. Επίσης, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα ενός κύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η κατευθυντικότητα του (μπορεί δηλαδή να εκπεμφθεί σε μία σχετικά στενή δέσμη αντί προς πάσα κατεύθυνση). Έτσι, μιλώντας γενικά, τα μικροκύματα είναι κατευθυντικά ενώ τα ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής όχι. Εικόνα 2-1 Μία κεραία για μετάδοση WiFi από σημείο σε σημείο Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι διάδοσης κυμάτων για τις ασύρματες τηλεπικοινωνίες: 1. Διάδοση εδάφους (Ground-Wave Propagation) Χαμηλές συχνότητες (ως 2 MHz), που όμως ακολουθούν την κυρτή επιφάνεια της Γης λόγω διάθλασης τους από την ατμόσφαιρα, κι έτσι καλύπτουν ικανοποιητικές αποστάσεις. Έχουν το μειονέκτημα της ταχείας εξασθένησης. 2. Ατμοσφαιρική διάδοση (Sky-Wave Propagation) Υψηλών συχνοτήτων, δεν εξασθενεί η ισχύς τους εύκολα, μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις μέσω διαδοχικών ανακλάσεων τους από την ιονόσφαιρα στο έδαφος και ξανά πίσω, ώσπου να φτάσουν στον παραλήπτη.

2.1 Ασύρματο Δίκτυο 27 3. Διάδοση Γραμμής Όρασης (Line-Of-Sight Propagation) Πολύ μεγάλες συχνότητες, που δεν ανακλώνται από τις επιφάνειες. Οι κεραίες βρίσκονται σε οπτική επαφή και το κύμα εκπέμπεται κατευθυνόμενο από τη μία στην άλλη. Πρέπει να ληφθεί υπ' όψιν η διάθλαση λόγω της ατμόσφαιρας και, έτσι, αυτός ο τρόπος αποδίδει καλύτερα για επικοινωνίες μακριά από την επιφάνεια της γης. 4. Ανάκλαση εδάφους δύο ακτίνων (Two-Ray Ground Reflection) Η διάδοση από τον πομπό στο δέκτη γίνεται με δύο συνιστώσες: Απευθείας μετάδοση μέσω οπτικής επαφής και έμμεση λήψη μετά από ανάκλαση στο έδαφος. Εφαρμόζεται σε περιπτώσεις που η επικοινωνία γίνεται σε μικρή απόσταση και κοντά στην επιφάνεια του εδάφους (π. χ. ασύρματα τοπικά δίκτυα υπολογιστών). Η ασύρματη μετάδοση εμπεριέχει διάφορους παράγοντες, που δημιουργούν προβλήματα στην επικοινωνία: η κατάσταση της ατμόσφαιρας και η διάθλαση επηρεάζουν το σήμα, η μεγάλη απόσταση εξασθενεί την ισχύ του σήματος κλπ. Όλοι αυτοί οι παράγοντες (απώλειες ελεύθερου χώρου) επιδρούν διαφορετικά σε σήματα διαφορετικών συχνοτήτων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται στρέβλωση και πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπ' όψιν όταν μεταδίδονται σήματα που εμπεριέχουν διαφορετικές συχνότητες. Ό,τι δεν ανήκει στην προς μετάδοση πληροφορία ονομάζεται θόρυβος και είναι είτε θερμικός (προκαλείται από τις κεραίες, εξαρτάται από τη θερμοκρασία και δεν μπορεί να εξαλειφθεί), είτε από εξωτερικές πηγές (εκπομπές που προκαλούνται ακούσια από διάφορες ηλεκτρικές συσκευές λόγω κατασκευαστικών ατελειών), είτε από παρεμβολές άλλων εκπομπών σε επικαλυπτόμενες συχνότητες. Ο θόρυβος είναι εξίσου σημαντική επιβάρυνση στην επικοινωνία, με τις απώλειες ελεύθερου χώρου. Ένα άλλο φαινόμενο που ενυπάρχει στην ασύρματη μετάδοση και επιβαρύνει την επικοινωνία είναι οι πολλαπλές οδεύσεις, που οφείλονται στην ανάκλαση, διάθλαση και σκέδαση του σήματος κατά τη διάδοση του και έχουν ως αποτέλεσμα ένα σήμα να φτάνει στον αποδέκτη πολλές φορές, ή σε δόσεις, με χρονική διαφορά και διαφορετικά σήματα να φτάνουν την ίδια χρονική στιγμή παρεμβαλλόμενα το ένα στο άλλο. Το φαινόμενο όμως που δημιουργεί τα περισσότερα προβλήματα είναι οι διαλείψεις, η απότομη μεταβολή του πλάτους του σήματος, οι οποίες διαχωρίζονται σε υψίσυχνες και

28 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες αργές, ενώ αντιμετωπίζονται με κάποιες τεχνικές που εκμεταλλεύονται τις πολλαπλές οδεύσεις. 2.1.2 Μέθοδοι μετάδοσης Για τη μετάδοση του σήματος υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι: η εκπομπή στενής ζώνης (narrow band) και η διασπορά φάσματος (spread spectrum). Η πρώτη είναι η παραδοσιακή μέθοδος χαμηλού κόστους, χαμηλής ασφάλειας και χαμηλής αξιοπιστίας, κατά την οποία το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου κύματος είναι κατά πολύ μικρότερο από την κεντρική συχνότητα σε Hz. Κάθε τεχνική στενής ζώνης συμπεριλαμβάνει και μία τυποποιημένη διαδικασία διαμόρφωσης με φέρον κύμα (AM, FM για αναλογικά δεδομένα και ASK, FSK, PSK για ψηφιακά δεδομένα). Η δεύτερη μέθοδος είναι πιο πρόσφατη, παρέχει υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια σε υψηλό κόστος και βασίζεται στη διαμόρφωση της πληροφορίας προτού εκπεμφθεί με έναν κώδικα διασποράς ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα τη διασπορά του εκπεμπόμενου φάσματος σε μεγάλο εύρος ζώνης. Αυτή η διασπορά οδηγεί και σε πολλαπλασιασμό του δυνατού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο φυσικό επίπεδο, σύμφωνα με το Θεώρημα Shannon. Οι διάφορες μέθοδοι διασποράς φάσματος συμπεριλαμβάνουν και μία τεχνική διαμόρφωσης, η τελευταία όμως έχει επικρατήσει να ονομάζεται διαμόρφωση μόνο σε εκπομπές στενής ζώνης. Συνήθως η διασπορά φάσματος υλοποιείται με μία από τις παρακάτω τρεις μεθόδους: 1. Frequency Hopping (FHSS) Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε υποζώνες συχνοτήτων, καθεμία από τις οποίες έχει εύρος ανάλογο μίας εκπομπής στενής ζώνης, και ο κώδικας διασποράς ουσιαστικά καθορίζει σε ποια υποζώνη θα μεταπηδά η επικοινωνία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης θα πρέπει να συντονίζονται διαρκώς σε διαφορετική φέρουσα συχνότητα με τον ίδιο τρόπο (ο οποίος καθορίζεται από τον κώδικα) και στις ίδιες χρονικές στιγμές. Ως αποτέλεσμα κάποιος τρίτος που δε γνωρίζει τον κώδικα δεν μπορεί να υποκλέψει πληροφορία ή να παρεμβληθεί στη μετάδοση παρά ελάχιστα, αφού δε θα γνωρίζει πότε να συντονιστεί σε άλλη συχνότητα και σε ποια.

2.1 Ασύρματο Δίκτυο 29 2. Direct Sequence (DSSS) Για κάθε bit που πρόκειται να μεταδοθεί εκπέμπεται στην πραγματικότητα μία άλλη ακολουθία πολλών bit (η οποία εξαρτάται από τον κώδικα διασποράς). Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό διατηρώντας τον ίδιο πραγματικό ρυθμό μετάδοσης είναι η διεύρυνση του χρησιμοποιούμενου φάσματος και η ταυτόχρονη ολική χρήση του. Το πλεονέκτημα είναι και εδώ η αυξημένη ασφάλεια, αφού ο κώδικας διασποράς κρυπτογραφεί κατά κάποιον τρόπο τα εκπεμπόμενα δεδομένα. 3. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Η βασική αρχή του OFDM είναι η διαίρεση υψηλών-ρυθμών μετάδοσης σε χαμηλότερους ρυθμούς που μεταδίδονται ταυτόχρονα πέρα από ένα subcarrier. Για τη σχεδίαση OFDM συστημάτων, λαμβάνονται υπόψη διάφοροι παράμετροι, όπως ο αριθμός υποφερόντων, ο χρόνος φρουράς, η διάρκεια συμβόλου, το διάστημα υποφερόντων, ο τύπος διαμόρφωσης ανά υποφέρον, και ο τύπος κωδικοποίησης διορθώσεων λάθους. 2.1.3 Ασύρματα τοπικά και προσωπικά δίκτυα Τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα παρέχουν εύκολη διασύνδεση ετερογενών, φορητών ψηφιακών συσκευών τοποθετημένων σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Αν και είναι δίκτυα υπολογιστών, δεν σχεδιάζονται για ενσωμάτωση σε μεγαλύτερα δίκτυα καθώς στοχεύουν σε καταναλωτικές φορητές συσκευές περιορισμένων πόρων (κινητά τηλέφωνα, συσκευές αναπαραγωγής πολυμέσων κλπ). Αντιθέτως, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) συνήθως αποτελούν δίκτυα κανονικών υπολογιστών με δυνατότητα ενσωμάτωσης σε ευρύτερα (ενσύρματα ή ασύρματα) WAN. Συγκριτικά με τα ενσύρματα τοπικά δίκτυα παρέχουν ευελιξία, κινητικότητα και -υπό προϋποθέσεις- χαμηλότερο κόστος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν: Για ασύρματη επέκταση ενός προϋπάρχοντος ενσύρματου δικτύου, με έναν κύριο κόμβο να συνδέεται μέσω Ethernet με το LAN και να επικοινωνεί ασύρματα με άλλους σταθμούς. Για διασύνδεση LAN σε διαφορετικά κτίρια, συνήθως με συνδέσεις από σημείο σε σημείο μεταξύ γεφυρών ή δρομολογητών των επιμέρους LAN.

30 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες Για παροδική ασύρματη ζεύξη μεταξύ LAN και κινητού τερματικού (νομαδική πρόσβαση). Για δικτύωση ad hoc/αδόμητη - ασύρματα δίκτυα ομότιμων κόμβων και αυθαίρετα μεταβαλλόμενης τοπολογίας τα οποία δεν απαιτούν καμία προϋπάρχουσα υποδομή και δημιουργούνται δυναμικά, με κόμβους να προστίθενται αυτομάτως στο δίκτυο όταν βρίσκονται εντός της εμβέλειάς του. Τα WLAN λειτουργούν με ένα από τα τρία ακόλουθα φυσικά μέσα: υπέρυθρες ακτίνες, μικροκύματα με διασπορά φάσματος, μικροκύματα με στενή ζώνη. 2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα Για να δώσουμε πλήρη έλεγχο των συσκευών αλλά και ελευθερία κίνησης θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί κάποιου είδους ασύρματης τεχνολογίας. Οι βασικές τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι: 2.2.1 Ραδιοσυχνότητες Σε αυτή την περίπτωση μεγαλύτερες ζώνες συχνοτήτων χρησιμοποιούνται, συνήθως η ζώνη των 2.4 GHz αφού δεν είναι ανατεθειμένες σε παγκόσμια κλίμακα. Η τεχνικές διαμόρφωσης είναι επίσης διαφορετικές. Η διαμόρφωση παλμών χρησιμοποιείται στις υπέρυθρες, ενώ στις ραδιοσυχνότητες χρησιμοποιούνται δυο τεχνικές διαμόρφωσης: η διάδοση φάσματος και η εναλλαγή συχνότητας. Οι τηλεπικοινωνίες τύπου RF μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες στενής ζώνης και ευρυζωνικές, ανάλογα με το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται. Στις τηλεπικοινωνίες στενής ζώνης απαιτείται οπτική επαφή, όπως και στις υπέρυθρες, ενώ οι ευρυζωνικές είναι πιο ευέλικτες καθώς επιτρέπουν την επικοινωνία με τερματικά χωρίς να απαιτείται οπτική επαφή. 2.2.2 Bluetooth Το Bluetooth είναι μια μικρού εύρους ασύρματη τεχνολογία η οποία λειτουργεί στην ζώνη των 2.45 GHz. Παρέχει ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 722 kbps και τρία κανάλια τα οποία χρησιμοποιούνται για φωνή. Το Bluetooth χρησιμοποιεί μεταπήδηση συχνοτήτων (frequency hopping) η οποία αλλάζει την συχνότητα μετάδοσης ή λήψης μετά από την μετάδοση ή λήψη ενός πακέτου.

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 31 Για την μείωση της αναμετάδοσης των πακέτων που καταστρέφονται χρησιμοποιείται η μέθοδος FEC (forward error correction) εξαιτίας της παρεμβολής στα θορυβώδη περιβάλλοντα. Επίσης περιλαμβάνεται μηχανισμός ARR (automatic route request) όπου ο CRC ανιχνεύει πακέτα δεδομένων με λάθη τα οποία έπειτα μεταδίδονται ξανά. Κάθε συνδεδεμένη Bluetooth συσκευή έχει μία διεύθυνση 12 bytes και η πιστοποίηση της συσκευής όπως και η κωδικοποίηση της επικοινωνίας γίνεται για να αποφευχθούν κακόβουλοι χρήστες να παρέμβουν σε άλλες συσκευές. Το Bluetooth επιτρέπει στις συσκευές να επικοινωνούν ακόμα και όταν η οπτική επαφή εμποδίζεται από μη μεταλλικά αντικείμενα και παρέχει πανκατευθυντική επικοινωνία, αντίθετα με την κατευθυντική επικοινωνία η οποία προσφέρεται από IR τεχνολογίες όπως είναι η IrDA. Καθημερινές εφαρμογές του Bluetooth περιλαμβάνουν την σύνδεση ενός laptop και ενός κινητού τηλεφώνου για πρόσβαση σε ένα εξυπηρετητή ταχυδρομείου, στο Internet ή σε ένα intranet μέσω ενός VPN καθώς επίσης και ένα ζεύγος ακουστικών το οποίο μπορεί ελεύθερα να ανταλλάσσει πληροφορίες με κινητά τηλέφωνα, PDAs ή laptops. Επίσης, το Bluetooth μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία LANs ή piconets, ενώ μια συσκευή Bluetooth μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης και ως γέφυρα (bridge) Internet η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διασυνδέσει πολλούς χρήστες. Το εύρος μετάδοσης είναι περίπου 10 έως 100m, αν και για την τελευταία απόσταση απαιτείται πάρα πολύ μεγάλη ισχύς. Ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων που μπορεί να επιτευχθεί είναι 1 Mbps, αλλά στην πραγματικότητα ο ρυθμός αυτός πέφτει στα 722 kbps για ασύγχρονη μετάδοση και στα 433 kbps για συμμετρική μετάδοση. Δύο ή περισσότερες Bluetooth συσκευές που επικοινωνούν δημιουργούν ένα piconet το οποίο μπορεί να έχει μέχρι και οκτώ μονάδες, μία εκ των οποίων είναι η κυρίαρχη (master). Η κυρίαρχη μονάδα ελέγχει την μέθοδο μετάδοσης και μεταπήδησης. Το Bluetooth αναπτύχθηκε ως ένα πρότυπο για την μικρού εύρους ασύρματη τεχνολογία η οποία θα αντικαθιστούσε την καλωδίωση και τις συνδέσεις για διάφορες εφαρμογές. Είναι παρόμοιο με το IrDA interface η οποία, ωστόσο, ήταν λιγότερο επιτυχής. Το 1994 η Ericsson ξεκίνησε την ανάπτυξη μιας χαμηλής ισχύος ράδιο-τεχνολογίας για την αντικατάσταση των καλωδίων, καταβάλλοντας κάθε προσπάθεια για να ικανοποιήσει απαιτήσεις όπως είναι: η διεθνής συμφωνία, έτσι ώστε να γίνει παγκοσμίως αποδεκτό, το

32 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες χαμηλό κόστος, η χαμηλή ισχύς, το μικρό μέγεθος, έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμόζεται σε μικρές συσκευές και η δυνατότητα μετάδοσης ομιλίας και δεδομένων. Το Bluetooth χρησιμοποιεί την ISM (industrial, scientific medical) ζώνη συχνοτήτων (2402Hz έως 2480Hz) και λειτουργεί στα 2.4 GHz, χρησιμοποιώντας 79 κανάλια τα οποία έχουν εύρος 1 MHz. Η ζώνη των 2.4 GHz είναι χωρίς άδεια έτσι ώστε να μπορούν να λειτουργούν άλλες συσκευές που βρίσκονται στην ίδια περιοχή. Για την θεραπεία από τις παρεμβολές ανάμεσα στις διάφορες ράδιο-τεχνολογίες χρησιμοποιούνται τεχνικές εξάπλωσης του φάσματος (spread spectrum), ενώ η μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping) σημαίνει ότι μία συσκευή Bluetooth αλλάζει την συχνότητά της κατά ένα ψευδοτυχαίο τρόπο με 1600 αλλαγές το δευτερόλεπτο. Αν η παρεμβολή προκαλεί λάθη, η λύση που βασίζεται στα πακέτα επιτρέπει τα λανθασμένα πακέτα να ανιχνεύονται και να διορθώνονται, μεταδίδοντάς τα ξανά. Ένα κανάλι Bluetooth έχει ένα master και ένα ή περισσότερους slaves. Ο master συνήθως αρχίζει την σύνδεση και επιλέγει μία μέθοδο μεταπήδησης η οποία είναι σύμφωνη με το εσωτερικό του ρολόι. Οι slaves υπολογίζουν την διαφορά ανάμεσα στο ρολόι του master και στο ρολόι του slave και έπειτα καθορίζεται η συχνότητα μεταπήδησης. Ως αποτέλεσμα, ο master και οι slaves θα μεταπηδήσουν ομόφωνα στις ίδιες συχνότητες. Τα κανάλια άνω ζεύξης (uplink) και κάτω ζεύξης (downlink) ξεχωρίζονται χρησιμοποιώντας πολύπλεξη με επιμερισμό χρόνου (TDM) ενώ και τα δύο κανάλια χρησιμοποιούν την ίδια μέθοδο μεταπήδησης συχνοτήτων. Όσον αφορά την ασφάλεια του Bluetooth υποστηρίζονται τρεις τρόποι (modes) για τις συσκευές: ο τρόπος 1 είναι ένας μη ασφαλής τρόπος λειτουργίας και οι συσκευές δεν υλοποιούν διεργασίες ασφάλειας. Ο τρόπος 2, ή αλλιώς Service-Level Enforced Security, επιτρέπει στις συσκευές να έχουν πολιτικές πρόσβασης, αλλά δεν απαιτεί από τις συσκευές να υλοποιούν διαδικασίες ασφάλειας πριν από την εγκατάσταση των καναλιών. Ο τρόπος 3, ή αλλιώς Link Level Enforced Security, εξασφαλίζει ότι οι συσκευές ξεκινούν διαδικασίες ασφάλειας πριν την εγκατάσταση των ζεύξεων. Το Bluetooth έχει επίσης διαδικασίες πιστοποίησης (της συσκευής και όχι του χρήστη) αλλά και κωδικοποίησης δεδομένων, ενώ επιτρέπει στα μη Bluetooth πρωτόκολλα να

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 33 μεταφέρονται χρησιμοποιώντας το Bluetooth έτσι ώστε να έχουν διαφορετική πιστοποίηση και κωδικοποίηση. 2.2.3 ZigBee Το πρωτόκολλο Zigbee παρέχει ένα ανοικτό πρότυπο ασύρματης δικτύωσης χαμηλής ισχύος, για παρακολούθηση και έλεγχο συσκευών. Χρησιμοποιώντας το πρότυπο IEEE 802.15.4, που επικεντρώνεται σε δικτύωση χαμηλών ταχυτήτων και ορίζει τα πρωτόκολλα χαμηλών επιπέδων, όπως είναι π.χ. το φυσικό επίπεδο (PHY) και επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC), το Zigbee ορίζει τα ανώτερα επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, από το επίπεδο δικτύου έως της εφαρμογής, περιλαμβάνοντας κατανομές εφαρμογής (application profiles). Μπορούμε να φανταστούμε το 802.15.4 σαν το φυσικό ραδιοστρώμα και το Zigbee σαν το λογισμικό λογικού δικτύου και εφαρμογών. Το Ζigbee χρησιμοποιεί την ISM (Industrial, Scientific and Medical) ζώνη συχνοτήτων, που επιτρέπει απεριόριστη γεωγραφική χρήση. Το πρωτόκολλο Zigbee αποσκοπεί σε εφαρμογές κτιριακού ελέγχου, στον αυτοματισμό, την ασφάλεια, τα ηλεκτρονικά προϊόντα, τα περιφερειακά Η/Υ, την ιατρική παρακολούθηση και τα παιχνίδια. Οι εφαρμογές αυτές απαιτούν τεχνολογία που επιτρέπει τροφοδότηση με μπαταρίες μεγάλης διάρκειας, αξιοπιστία, αυτόματη ή ημιαυτόματη εγκατάσταση, την δυνατότητα εύκολης προσθήκης ή απομάκρυνσης κόμβων, καθώς και συστήματα χαμηλού κόστους. Το Zigbee στηρίζεται στο βασικό 802.15.4 πρότυπο για να εγκαθιστά τη ραδιοεπικοινωνία. Αφού το 802.15.4 είναι ένα πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας μικρής εμβέλειας, δεν προσπαθεί να ανταγωνιστεί πομπούς υψηλής ισχύος αλλά υπερέχει σε διάρκεια ζωής μπαταρίας και σε χαμηλής ισχύος μετάδοση. Το πρότυπο καθορίζει ονομαστική τιμή ισχύος εκπομπής στα -3 dbm (0.5 mw), με το άνω όριο να ελέγχεται από τις κανονιστικές Αρχές (regulatory agencies) της χώρας όπου θα χρησιμοποιηθεί ο αισθητήρας. Σε έξοδο -3 dbm, τα μονοαλματικά εύρη (single-hop ranges) από 10 μέχρι και πάνω από 100m είναι λογικά, ανάλογα με το περιβάλλον, την κεραία και το φάσμα συχνοτήτων λειτουργίας.

34 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες Το Zigbee επεκτείνει το βασικό 802.15.4 πομπό και πρωτόκολλο με μια λειτουργία δικτύου που επιτρέπει πολυαλματική (multi-hop) και ευέλικτη δρομολόγηση, παρέχοντας εύρη επικοινωνίας που ξεπερνούν τη βασική μονοαλματική (single-hop). Πράγματι, ανάλογα με τις απαιτήσεις για τη λανθάνουσα καθυστέρηση των δεδομένων (data latency), μπορούν πρακτικά να δημιουργηθούν δίκτυα που χρησιμοποιούν δεκάδες κόμβους (hops), με εύρη που αθροιζόμενα φτάνουν από εκατοντάδες σε χιλιάδες μέτρα. Τα δίκτυα μπορούν να έχουν δομή τύπου αστέρα, συστοιχίας δέντρων ή βροχωτού δικτύου, με την καθεμία να παρουσιάζει τις δικές της δυνατότητες. Για εφαρμογές αισθητήρων όχι πολύ υψηλών ταχυτήτων, η τεχνολογία Bluetooth μπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητική. Το πρότυπο αυτό δύναται να σχηματίσει διομότιμα δίκτυα (peer-to-peer networks) ή δίκτυα σε σχηματισμό αστέρα (star networks), αλλά αυτά δεν υποστηρίζουν περισσότερες από 8 ενεργές συσκευές συγχρόνως. Το σχήμα της φασματικής εξάπλωσης με αναπήδηση συχνότητας (frequency hopping spread spectrum, FHSS) του Bluetooth, αναγκάζει συσκευές που δεν έχουν ακόμα ενσωματωθεί στο δίκτυο, να επανασυγχρονίζονται για 3-30 secs πριν να είναι ικανές να απαιτήσουν σύνδεση, κάνοντας το χρόνο απόκρισης σε διακοπτόμενη λειτουργία αρκετά μεγάλο για πολλές εφαρμογές. Και για ένα σύστημα προορισμένο για μεγάλης διάρκειας λειτουργία, με μπαταρία, η ενέργεια που καταναλώνεται κατά τον επανασυγχρονισμό του δικτύου μπορεί να είναι απαγορευτική. Μολονότι η τεχνολογία Bluetooth είναι κατάλληλη για εφαρμογές φωνής και εφαρμογές υψηλότερων ταχυτήτων (π.χ. κινητά και σταθερά τηλέφωνα), η τεχνολογία Zigbee είναι περισσότερο κατάλληλη για εφαρμογές ελέγχου, που δεν απαιτούν υψηλούς ρυθμούς δεδομένων αλλά πρέπει να έχουν μεγάλη διάρκεια μπαταρίας, δίκτυα ποικίλης τοπολογίας και χαμηλή παρέμβαση από το χρήστη. Επίσης, η στοίβα του Zigbee είναι μικρή (28 KB) συγκρινόμενη με εκείνη του Bluetooth (250 KB). Το Zigbee είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα πλήθος συσκευών στο σπίτι ή το γραφείο, για παράδειγμα σε φωτισμούς, διακόπτες, εισόδους και ηλεκτρικές συσκευές. Αυτές οι συσκευές μπορούν να αλληλεπιδράσουν χωρίς την χρήση καλωδιώσεων και μπορούν να ελεγχθούν από μία και μόνη συσκευή η οποία μπορεί να είναι ένα κινητό τηλέφωνο ή ένα τηλεχειριστήριο. Παρά το γεγονός ότι η

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 35 τεχνολογία που εισάγει δεν είναι επαναστατική, προχωράει ένα βήμα παραπέρα από τις παραδοσιακές ασύρματες επικοινωνίες όπως ο απλός τηλεχειρισμός για το άνοιγμα της γκαραζόπορτας ή το άναμμα του φωτισμού. Το σημείο που διαφοροποιείται από αυτές τις εφαρμογές είναι το γεγονός ότι το πρωτόκολλο 802.15.4 επιτρέπει την επικοινωνία δύο δρόμων μεταξύ όλων των συσκευών στις οποίες ενσωματώνεται, δηλαδή τα φώτα, τους διακόπτες, τους θερμοστάτες, τον κλιματισμό και λοιπά. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η πάρα πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας είναι το κύριο σχεδιαστικό στοιχείο του προτύπου Zigbee, επιτρέποντας συσκευές αυξημένης διάρκειας λειτουργίας, ακόμα και με μπαταρίες μη επαναφορτιζόμενες, σε αντίθεση με τις επαναφορτιζόμενες συσκευές που υποστηρίζει το Bluetooth. Για παράδειγμα, η μετάβαση από την κατάσταση αδρανείας (sleep mode) στην κατάσταση μετάδοσης δεδομένων είναι γρηγορότερη στα Zigbee συστήματα συγκριτικά με εκείνα που χρησιμοποιούν Bluetooth. 2.2.4 Home RF Μια συνένωση εταιριών γνωστή και ως Home RF ομάδα εργασίας έχει αναπτύξει μια τεχνολογία η οποία είναι γνωστή με το όνομα HomeRF. Αυτή η τεχνολογία έχει ως στόχο να ενοποιήσει τις συσκευές που χρησιμοποιούνται στα σπίτια σε ένα και μοναδικό δίκτυο και να αξιοποιήσει τις RF ζεύξεις για επικοινωνία. Το HomeRF είναι ένας ισχυρός ανταγωνιστής του Bluetooth καθώς λειτουργεί στην ISM ζώνη. Το HomeRF 1.0 παρέχει ρυθμούς δεδομένων 1.6 Mbps, λίγο υψηλότερο από τον ρυθμό δεδομένων του Bluetooth, υποστηρίζοντας τόσο επικοινωνίες που βασίζονται σε υποδομή, όσο και ad hoc επικοινωνίες. Ωστόσο η καινούργια έκδοση του πρωτοκόλλου HomeRF 2.0 παρέχει ρυθμούς δεδομένων της τάξης των 10 Mbps χρησιμοποιώντας ευρύτερα κανάλια στην ISM ζώνη μέσω του FHSS. Το πρωτόκολλο παρέχει εγγυημένο QoS σε συσκευές που υποστηρίζουν μόνο φωνή και είναι best-effort για συσκευές που υποστηρίζουν μόνο δεδομένα. Οι συσκευές θα πρέπει να είναι plug-and-play, γεγονός που απαιτεί αυτόματη ανακάλυψη της συσκευής και αναγνώριση του δικτύου. Ένα τυπικό HomeRF δίκτυο αποτελείται από παροχείς πόρων (μέσω των οποίων εξασφαλίζεται η επικοινωνία με διάφορους πόρους όπως είναι το

36 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες καλωδιακό modem και οι τηλεφωνικές γραμμές), και τις συσκευές που συνδέονται με αυτούς (όπως είναι το ασύρματο τηλέφωνο, οι εκτυπωτές και οι εξυπηρετητές αρχείων). Ως προς το θέμα της ασφάλειας το HomeRF 2.0 έχει βελτιωθεί αισθητά σε σχέση με τις προηγούμενες εκδόσεις, χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία που καλείται μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping). Με την τεχνολογία αυτή το κανάλι δεδομένων αλλάζει από την μια συχνότητα στην άλλη πάρα πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Με αυτόν τον τρόπο είναι δύσκολο σε κάποιον να εισχωρήσει στο σύστημα. Επιπρόσθετα με την μεταπήδηση συχνότητας όταν εντοπιστούν παρεμβολές τότε αλλάζει κανάλι και ειδοποιείται το σύστημα να μην χρησιμοποιηθεί αυτό το κανάλι εφόσον δεν σταματήσουν οι παρεμβολές. Επιπλέον, στην έκδοση αυτή υπάρχει ο λεγόμενος κωδικός δικτύου, που είναι απαραίτητος για την εισαγωγή στο δίκτυο. Χωρίς τον κωδικό αυτόν οι περιφερειακές συσκευές δεν μπορούν να συνδεθούν στο δίκτυο. Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα για κρυπτογράφηση με 128 bit, ώστε όλα τα δεδομένα να είναι κωδικοποιημένα κατά την αποστολή τους. Η τεχνολογία HomeRF ακολουθεί ένα πρωτόκολλο το οποίο λέγεται SWAP (shared wireless access protocol). Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιείται για την δημιουργία του δικτύου το οποίο θα παρέχει πρόσβαση στο δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο, το διαδίκτυο (δεδομένα), σε δίκτυα ψυχαγωγίας (καλωδιακή τηλεόραση, ψηφιακός ήχος και video), θα περιλαμβάνει μεταφορά και μοίρασμα πόρων δεδομένων (όπως είναι δίσκοι και εκτυπωτές) καθώς επίσης θα μπορεί να παρέχει υπηρεσίες οικιακού ελέγχου και αυτοματισμούς. Το SWAP είναι ένα πρωτόκολλο το οποίο κατάγεται από το IEEE 802.11 και από το πρότυπο DECT. Για την πρόσβαση στο μέσο χρησιμοποιεί μία υβριδική TDMA/CSMA μέθοδο. Ενώ το TDMA χειρίζεται την ισόχρονη μετάδοση (παρόμοια με την σύγχρονη μετάδοση, η ισόχρονη μετάδοση χρησιμοποιείται επίσης για επικοινωνία πολυμέσων όπου και οι δύο μέθοδοι έχουν αυστηρούς χρονικούς περιορισμούς, αλλά η ισόχρονη μετάδοση δεν είναι τόσο αυστηρή όσο η σύγχρονη μετάδοση στην οποία οι ροές δεδομένων μεταφέρονται μόνο σε συγκεκριμένα διαστήματα) ενώ το CSMA υποστηρίζει την ασύγχρονη μετάδοση (με παρόμοιο τρόπο με αυτόν του προτύπου IEEE 802.11), κάνοντας ωστόσο την πραγματική δομή πλαισίωσης περισσότερο πολύπλοκη. Το SWAP

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 37 ωστόσο διαφέρει από το IEEE 802.11 επειδή δεν έχει την RTS-CTS χειραψία. Επιπλέον το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού δεν αποτελεί σοβαρή απειλή στην περίπτωση των μικρής κλίμακας δικτύων όπως είναι τα οικιακά δίκτυα. Η οικιακή δικτύωση απαιτεί επίσης και ισχυρά μέτρα ασφάλειας για την προφύλαξη από πιθανές επιθέσεις. Αυτός είναι και ο λόγος που το SWAP χρησιμοποιεί ισχυρούς αλγόριθμους όπως είναι η κωδικοποίηση Blowfish. Επίσης το HomeRF περιλαμβάνει υποστήριξη για προαιρετική συμπίεση πακέτων η οποία παρέχει ένα συγκερασμό ανάμεσα στο εύρος ζώνης και την κατανάλωση ενέργειας. Η ηλεκτρική κατανάλωση για τις συσκευές που το χρησιμοποιούν είναι πολύ μικρή. Επειδή, το πρωτόκολλο αυτό προοριζόταν για την δικτύωση φορητών ηλεκτρονικών υπολογιστών, τα chip των συσκευών καταναλώνουν πάρα πολύ λίγη ενέργεια. Ενδεικτικά αναφέρουμε τάση 3.3v, 120 ma για λήψη, 250 ma για εκπομπή, 3 ma σε αναμονή. Παρακάτω παραθέτουμε την υλοποίηση για μια συσκευή HomeRF όπως έχει προταθεί από την ομάδα εργασίας του HomeRF προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα για ασύρματη μεταφορά δεδομένων μέσα στο σπίτι. Εικόνα 2-2 Σχεδιάγραμμα μιας συσκευής βάση του HomeRF πρωτοκόλλου Πολλές καταναλωτικές συσκευές έχουν αρχίσει να υιοθετούν το HomeRF πρωτόκολλο, και ειδικότερα αυτές με επεξεργαστές Spartan-II FPGAs.

38 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες Εξαιτίας του πολύπλοκου MAC και του υψηλής ικανότητας φυσικού στρώματος, το κόστος των HomeRF συσκευών είναι υψηλότερο από αυτό των Bluetooth συσκευών. Αξίζει να σημειωθεί το έχει ανακοινωθεί η δημιουργία του HomeRF 2.1 με το οποίο θα υπάρξει μεγαλύτερη ταχύτητα της τάξεως των 20 Mbps και με μεγαλύτερη εμβέλεια, προκειμένου να μπορούμε να εγκαταστήσουμε το σύστημα σε πολύ μεγάλα σπίτια, χωρίς την τοποθέτηση αναμεταδοτών. Επιπλέον, με αυτή την έκδοση θα υπάρξει θα υπάρξει συγχώνευση της τεχνολογίας των 2.4 και 5 GHz, προκειμένου να υπάρξει μεταφορά εικόνας και ήχου υψηλών απαιτήσεων όπως εικόνα υψηλής ευκρίνειας. 2.2.5 Z-Wave To Z-Wave είναι ένα ιδιόκτητο πρωτόκολλο ασύρματης επικοινωνίας που έχει σχεδιαστεί για την αυτοματοποίηση σπιτιού, και ειδικά σε απομακρυσμένες εφαρμογές ελέγχου για κατοικίες και εμπορικά περιβάλλοντα. Η τεχνολογία χρησιμοποιεί ένα χαμηλής ισχύος ραδιόφωνο σήμα RF τοποθετημένο σε οικιακές συσκευές και ηλεκτρονικά συστήματα, όπως ο φωτισμός, το σύστημα ελέγχου πρόσβασης, συστήματα ψυχαγωγίας και οικιακές συσκευές. Το Z-Wave Alliance είναι μια διεθνής κοινοπραξία των κατασκευαστών που παρέχουν συσκευές Z- Wave. Το Z-Wave επικοινωνεί χρησιμοποιώντας μια χαμηλής ισχύος ασύρματη τεχνολογία και έχει σχεδιαστεί ειδικά για εφαρμογές απομακρυσμένου ελέγχου. Το ασύρματο πρωτόκολλο Z-Wave έχει βελτιστοποιηθεί για την αξιόπιστη, επικοινωνία με χαμηλούς χρόνους αναμονής και μικρά πακέτων δεδομένων, σε αντίθεση με το Wi-Fi που έχει σχεδιαστεί πρωτίστως για τη ροή δεδομένων με υψηλό εύρος ζώνης. Το Z-Wave λειτουργεί στην περιοχή συχνοτήτων κάτω του 1 GHz, περίπου στα 900 MHz. Αυτή η μπάντα ανταγωνίζεται μερικά ασύρματα τηλέφωνα και άλλες συσκευές ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, αλλά αποφεύγει παρεμβολές με το Wi-Fi και άλλα συστήματα που λειτουργούν με τα πολυσύχναστα ζώνη των 2.4 GHz. Το Z-Wave έχει σχεδιαστεί για να ενσωματωθεί εύκολα σε καταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα, συμπεριλαμβανομένων των συσκευών που λειτουργούν με μπαταρία, όπως τηλεχειριστήρια, ανιχνευτές καπνού και αισθητήρες ασφαλείας.

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 39 Το Z-Wave αυτή τη στιγμή υποστηρίζεται από πάνω από 200 κατασκευαστές σε όλο τον κόσμο και εμφανίζεται σε ένα ευρύ φάσμα καταναλωτικών προϊόντων στις ΗΠΑ και την Ευρώπη. Το ίδιο το πρότυπο δεν είναι ανοικτό και είναι διαθέσιμο μόνο σε πελάτες της Zensys που αποδέχονται συμφωνία μη αποκάλυψης. 2.2.6 IEEE 802.11 Το IEEE 802.11 είναι μια οικογένεια προτύπων της IEEE για ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) που είχαν ως σκοπό να επεκτείνουν το 802.3 (Ethernet), το συνηθέστερο πρωτόκολλο ενσύρματης δικτύωσης υπολογιστών, στην ασύρματη περιοχή. Τα πρότυπα 802.11 είναι ευρύτερα γνωστά ως «WiFi» επειδή η WiFi Alliance, ένας οργανισμός ανεξάρτητος της IEEE, παρέχει την πιστοποίηση για τα προϊόντα που υπακούν στις προδιαγραφές του 802.11. Αυτή η οικογένεια πρωτοκόλλων αποτελεί το καθιερωμένο πρότυπο της βιομηχανίας στο χώρο των ασύρματων τοπικών δικτύων. 2.2.6.1 Εισαγωγή στο 802.11 Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11 είναι το βασικότερο και πιο αναγνωρισμένο πρότυπο για WLAN, στις βασικές λειτουργίες του οποίου στηρίζονται τα πρωτόκολλα της ΙΕΕΕ (802.11a και 802.11b) για ασύρματα τοπικά δίκτυα. Σύμφωνα με την αρχική διατύπωση του Project Authorization Request, σκοπός του προτεινόμενου προτύπου ΙΕΕΕ 802.11 ήταν η δημιουργία των προδιαγραφών για τη διασύνδεση σταθερών, φορητών και κινητών συσκευών σε μία τοπική περιοχή. Έτσι το Νοέμβριο του 1997, το τελικό Standard που δημοσιεύθηκε, όριζε τη λειτουργία πρωτοκόλλων με τη βοήθεια των οποίων θα γινόταν η ασύρματη δικτύωση μιας τοπικής περιοχής. Όπως και στα πρότυπα 802.3 και 802.5, κύρια υπηρεσία του 802.11 είναι η μεταφορά των ΜSDU (MAC Service Data Unit) μεταξύ των ομότιμων στρωμάτων ζεύξης δεδομένων. Οι λειτουργίες και οι υπηρεσίες που καθορίζονται από το 802.11 αφορούν τα επίπεδα MAC και PHY, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2-3. Για το υπόστρωμα MAC, έχουν καθοριστεί δύο τρόποι λειτουργίας, μία κατανεμημένη (distributed) και μία συντονισμένη (coordinated).

40 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες Εικόνα 2-3 Επίπεδα λειτουργίας 802.11b To 802.11 υποστηρίζει για το φυσικό επίπεδο, τρία διαφορετικά στρώματα: δύο που χρησιμοποιούν ραδιοσυχνότητες ως μέσο μετάδοσης με χρήση τεχνικών εξάπλωσης φάσματος, εναλλαγής συχνότητας και ευθείας ακολουθίας και ένα που χρησιμοποιεί υπέρυθρη ακτινοβολία. Η διάκριση αυτή προέκυψε, επειδή την περίοδο προτυποποίησης του 802.11, υπήρχαν υλοποιήσεις ασυρμάτων δικτύων, οι οποίες χρησιμοποιούσαν τις παραπάνω τεχνικές. Έτσι υπήρξε η διάθεση να εντάξουν αυτές τις τεχνικές στο νέο πρότυπο. Για την ανάπτυξη του πρωτοκόλλου 802.11 ελήφθησαν υπόψη και οι επόμενες σημαντικές διαφορές ανάμεσα σε ενσύρματα και ασύρματα LAN: Ενέργεια: Οι συσκευές οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ασύρματο δίκτυο μπορεί να είναι είτε φορητές (portable), δηλαδή μπορούν να μεταφερθούν, αλλά για να λειτουργήσουν θα πρέπει να είναι σε κάποιο σταθερό σημείο (όπως για παράδειγμα είναι ένα laptop), είτε κινητές (mobile), δηλαδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν εν κινήσει (palmtop, κινητό τηλέφωνο). Και στις δύο προαναφερθείσες περιπτώσεις απαιτείται η χρήση μπαταριών, έτσι ώστε να υποστηριχθούν τα διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία, αλλά και η ασύρματη κάρτα δικτύου, που κατά κανόνα καταναλώνει περισσότερη ενέργεια συνεπώς εξαντλούνται πιο γρήγορα οι μπαταρίες της συσκευής. Έτσι, υλοποιήθηκαν διάφορες λειτουργίες ελέγχου της ισχύος, οι οποίες υλοποιούνται στο επίπεδο ΜΑC.

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 41 Εύρος ζώνης συχνοτήτων: Με διάφορες μεθόδους και τεχνικές που εφαρμόζει το πρωτόκολλο 802.11, επιτυγχάνει υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στη μπάντα συχνοτήτων ISM. Ασφάλεια: Επειδή στα ασύρματα δίκτυα τα σήματα μεταδίδονται σε πολύ μεγαλύτερες περιοχές από αυτές που καλύπτει ένα καλώδιο ή μία οπτική ίνα, το θέμα της ασφάλειας επικεντρώνεται στο να λαμβάνουν την πληροφορία μόνο όσοι είναι εξουσιοδοτημένοι. Επίσης, με διάφορες συνεχώς αναπτυσσόμενες και βελτιωμένες προδιαγραφές και μεθόδους γίνεται η κρυπτογράφηση των δεδομένων. Διευθυνσιοδότηση: Επειδή η τοπολογία ενός ασύρματου δικτύου είναι δυναμική, η διεύθυνση προορισμού δεν ανταποκρίνεται πάντα στην ίδια φυσική θέση του προορισμού. Έτσι προκύπτει πρόβλημα δρομολόγησης πακέτων μεταξύ κινητών σταθμών, το οποίο μπορεί να λυθεί με τη χρήση διάφορων πρωτοκόλλων όπως είναι το MobileIP, το οποίο βασίζεται στο πρωτόκολλο μεταφοράς TCP/IP. Το 802.11 υπήρξε καθοριστικό στην εξάπλωση των ασυρμάτων δικτύων, καθώς η προτυποποίηση έδινε τη δυνατότητα διαλειτουργικότητας στις συσκευές που το χρησιμοποιούσαν. Ωστόσο, επειδή δεν υποστήριζε υψηλές ταχύτητες (1 Μbps και 2 Mbps, ταχύτητες πολύ μικρές σε σύγκριση με τα 10 Mbps και τα 100 Mbps που προσφέρει το ενσύρματο Ethernet) η χρήση του περιοριζόταν, πρόβλημα το οποίο σιγά σιγά βρίσκει λύση καθώς εμφανίζονται νέες παραλλαγές του 802.11 που αύξησαν την ταχύτητα αλλά ταυτόχρονα βελτίωσαν και κάποια από τα χαρακτηριστικά του. Στη συνέχεια, αναφέρονται συνοπτικά οι προδιαγραφές του 802.11, καθώς και κάποιες από τις παραλλαγές του και τα χαρακτηριστικά της κάθε μίας. 2.2.6.2 Προδιαγραφές 802.11 Όπως έχει ήδη αναφερθεί, το πρωτόκολλο 802.11 λειτουργεί με ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων της τάξεως των 1 και 2 Mbps. Η μετάδοση σήματος γίνεται με δύο τρόπους,ένας από τους οποίους είναι στη ISM ζώνη συχνοτήτων (2.4 GHz 2.4835 GHz) όπου χρησιμοποιείται διαμόρφωση FSK 2 level, για μετάδοση με ρυθμούς 1 Mbps και FSK 4 level, για μετάδοση με ρυθμούς 2 Mbps. Ο δεύτερος τρόπος μετάδοσης σήματος είναι μέσω υπέρυθρης ακτινοβολίας, με μήκος κύματος 850nm, όπου

42 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες χρησιμοποιείται διαμόρφωση Pulse Position Modulation (PPM). Έχοντας ως σκοπό την ελάττωση κατά το δυνατόν του θορύβου στενής ζώνης, χρησιμοποιείται κωδικοποίηση με μεθόδους απλωμένου φάσματος, με τις μεθόδους εναλλαγής συχνότητας (FHSS) και ευθείας ακολουθίας (DSSS). Σύμφωνα με τους περιορισμούς για τη χρήση της ISM ζώνης συχνοτήτων, η μέγιστη εκπεμπόμενη ισχύς περιορίζεται στα 20dBm ενώ η ευαισθησία του δέκτη πρέπει να είναι μικρότερη ή ίση των 80dBm για FER της τάξης του 3%. 2.2.6.3 Παραλλαγές του 802.11 Κάθε παραλλαγή του πρωτοκόλλου συμβολίζεται με το 802.11 ακολουθούμενο από ένα πεζό λατινικό γράμμα, το οποίο προέρχεται από την ομάδα εργασίας (task group) που έκανε την αναθεώρηση του πρωτοκόλλου. 802.11a: Είναι ένα πρωτόκολλο για το φυσικό στρώμα ενός ασύρματου δικτύου, η λειτουργία του οποίου καθορίζεται στηn ζώνη συχνοτήτων των 5 GHz. Λόγω της λειτουργίας του στη ζώνη αυτή εμφανίζει σαφώς λιγότερες παρεμβολές από τη ζώνη ISM, καθώς και μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, που ανέρχονται έως και 54 Mbps. Σαφέστατα υπερέχει σε επιδόσεις από το κλασικό 802.11 και το νεότερο και πιο εξαπλωμένο 802.11b. Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιεί διαμόρφωση ορθογώνιας διαίρεση συχνότητας (OFDM). Το πρότυπο 802.11a επικυρώθηκε το 1999 802.11b: Στόχος αυτού του πρωτοκόλλου ήταν να αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης στα 5,5 Mbps και στα 10 Mbps, έτσι η ομάδα εργασίας b επέκτεινε τον τρόπο κωδικοποίησης DSSS του φυσικού επιπέδου του 802.11, με το να αλλάξει τον τρόπο διαμόρφωσης του σήματος. Συνεπώς, για την επίτευξη αυτών των ρυθμών χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση CCK, ενώ για τους ρυθμούς 1 και 2 Mbps χρησιμοποιήθηκε διαμόρφωση DBPSK (Differential Binary) και DQPSK (Differential Quadratic), έτσι ώστε να διατηρηθεί η συμβατότητα με το 802.11. Αυτή η ομάδα εργασίας δημιούργησε ένα πρότυπο για ασύρματα δίκτυα τα οποία λειτουργούν στην ζώνη συχνοτήτων των 2.4 GHz (ISM band) η οποία είναι ευρέως διαθέσιμη για ελεύθερη χρήση σε ολόκληρο τον κόσμο. Αυτό το πρότυπο αναφέρεται κοινώς ως Wi-Fi (Wireless Fidelity) και μπορεί να προσφέρει ρυθμούς δεδομένων μέχρι και 11 Mbps. Το πρότυπο αυτό επικυρώθηκε το 1999

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 43 802.11c: Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιείται κυρίως από τους κατασκευαστές σημείων πρόσβασης (Access Points), ώστε να εξασφαλίζεται η διαλειτουργικότητα του δικτύου με συσκευές άλλων κατασκευαστών. Οι πληροφορίες που περιέχονται στο πρωτόκολλο 802.11c είναι απαραίτητες για τη διασφάλιση της σωστής λειτουργίας γεφύρωσης (bridging operation). 802.11d: Ο κύριος στόχος αυτής της ομάδας εργασίας είναι η δημοσίευση προδιαγραφών και απαιτήσεων του φυσικού επιπέδου και να καταγραφούν τα νομικά πλαίσια που ισχύουν σε διάφορες χώρες για τη χρησιμοποίηση ραδιοσυχνοτήτων. Με αυτό τον τρόπο θα μπορούσαν να κατασκευαστούν προϊόντα που θα λειτουργούν σε διάφορες γεωγραφικές περιοχές. Το πρότυπο αυτό δημοσιεύθηκε το 2001 802.11e: Το αρχικό πρωτόκολλο 802.11 δεν παρείχε καλή Ποιότητα Υπηρεσίας QoS (Quality of Service), γεγονός που είχε ως αποτέλεσμα τη μη βελτιστοποίηση της μετάδοσης φωνής και video. Έτσι, το 802.11e έρχεται να καλύψει αυτό το μειονέκτημα και να βελτιώσει το QoS του πρωτοκόλλου. 802.11f: Στο αρχικό 802.11 δεν προσδιορίζεται η επικοινωνία μεταξύ σημείων πρόσβασης. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την υποστήριξη της περιαγωγής των χρηστών από ένα σημείο πρόσβασης σε ένα άλλο, δίνοντας ευελιξία όταν χρησιμοποιούνται διάφορα distribution systems. Σε περίπτωση όμως που τα σημεία πρόσβασης είναι από διαφορετικούς κατασκευαστές, ενδέχεται να ανακύψει πρόβλημα στην ομαλή λειτουργία μεταξύ τους όταν υποστηρίζουν λειτουργίες περιαγωγής. Το πρόβλημα αυτό λύνει το 802.11f, το οποίο παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες στα σημεία πρόσβασης, έτσι ώστε να εξαλειφθούν τα προβλήματα δια-λειτουργίας μεταξύ συσκευών οι οποίες κατασκευάζονται από διαφορετικούς κατασκευαστές. Το πρότυπο αυτό δημοσιεύθηκε το 2003. 802.11g: Είναι ένας συνδυασμός των παραλλαγών 802.11a και 802.11b, δηλαδή επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης μέχρι και 54 Mbps στην ζώνη συχνοτήτων των 5 GHz, διατηρώντας την συμβατότητα με τις παρούσες 802.11b συσκευές. Χρησιμοποιεί διαμόρφωση OFDM (όπως το 802.11a), καθώς και τη διαμόρφωση CCK ενώ λειτουργεί

44 Σύγχρονες Ασύρματες Τεχνολογίες στη ζώνη συχνοτήτων ISM (όπως το 802.11b). Το πρότυπο 802.11g δημοσιεύθηκε το 2003. 802.11h: Η προδιαγραφή αυτή είναι συμπληρωματική του υποστρώματος MAC και συμμορφώνεται με τους Ευρωπαϊκές κανονισμούς για τα ασύρματα δίκτυα στα 5GHz. Σύμφωνα με τους ευρωπαϊκούς κανονισμούς, οι οποίοι απαιτούν τα προϊόντα να έχουν μηχανισμούς ελέγχου της ισχύος μετάδοσης και δυναμική επιλογή συχνότητας. Το πρότυπο δημοσιεύθηκε το 2003. 802.11i: Στο πρωτόκολλο 802.11 για την ασφαλή μετάδοση δεδομένων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος κρυπτογράφησης WEP. Ο αλγόριθμος RC4 της RCA που χρησιμοποιεί αποδείχθηκε ανεπαρκής και με πολλά σφάλματα, γεγονός που καθιστούσε τα ασύρματα δίκτυα ανασφαλή και ευάλωτα σε διάφορα ήδη επιθέσεων. Η νέα αυτή προδιαγραφή «ενισχυμένης ασφάλειας» που αναπτύχθηκε, καθορίζει πρωτόκολλα για τα κλειδιά κρυπτογράφησης όπως τα ΤΚΙΡ (Temporal Key Integrity Protocol) και AES (Advanced Encryption Standard). 802.11j: Αυτή η ομάδα εργασίας δουλεύει πάνω σε μηχανισμούς για την βελτίωση των σημερινών πρωτοκόλλων του φυσικού στρώματος έτσι ώστε να λειτουργούν και στις νέες διαθέσιμες ζώνες συχνοτήτων της Ιαπωνίας, τα 4.9GHz και 5GHz 802.11n: Ο στόχος αυτής της ομάδας είναι να καθορίσει προτυποποιημένες μετατροπές στο φυσικό στρώμα και στο στρώμα MAC έτσι ώστε οι τρόποι λειτουργίας να έχουν μεγαλύτερη απόδοση στο στρώμα MAC με μέγιστο τουλάχιστον τα 100Mbps. 2.2.7 WiFi Ο όρος WiFi (Wireless Fidelity, κατά την ορολογία High Fidelity η οποία αφορά την εγγραφή ήχου) χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τις συσκευές που βασίζονται στην προδιαγραφή IEEE 802.11 b/g/n και εκπέμπουν σε συχνότητες 2.4GHz. Ωστόσο το WiFi («ασύρματη πιστότητα» στα ελληνικά) έχει επικρατήσει και ως όρος αναφερόμενος συνολικά στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Συνήθεις εφαρμογές του είναι η παροχή ασύρματων δυνατοτήτων πρόσβασης στο Internet, τηλεφωνίας μέσω διαδικτύου (VoIP) και διασύνδεσης μεταξύ ηλεκτρονικών συσκευών όπως τηλεοράσεις, ψηφιακές κάμερες, DVD Player και ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές το

2.2 Υπάρχοντα Πρωτόκολλα 45 802.11 βρίσκει εφαρμογές ασύρματης μετάδοσης, όπως π.χ. στη μεταφορά φωτογραφιών από ψηφιακές κάμερες σε υπολογιστές για περαιτέρω επεξεργασία και εκτύπωση, αν και σε αυτόν τον τομέα έχει υποσκελιστεί από το πρωτόκολλο Bluetooth για τα πολύ μικρότερης εμβέλειας ασύρματα προσωπικά δίκτυα. Εικόνα 2-4 Λογότυπο WiFi 2.2.7.1 Ιστορικό Η πρώτη έκδοση του WiFi εισήχθη το 1997 και στο φυσικό επίπεδο περιελάμβανε δύο μεθόδους διασποράς φάσματος για τη μετάδοση στη ζώνη συχνοτήτων 2.4GHz, η εκπομπή στην οποία δεν απαιτεί άδεια. Η πρώτη μέθοδος λειτουργούσε με Frequency Hopping (FHSS) και υποστήριζε ρυθμό μετάδοσης 1 Mbps, ενώ η δεύτερη λειτουργούσε με Direct Sequence (DSSS) και υποστήριζε ρυθμό μετάδοσης 1-2 Mbps. Περιλαμβανόταν επίσης και μία υπέρυθρη εκδοχή (IR). Πριν από την εμφάνιση του 802.11 δεν υπήρχε κάποιο ευρέως αποδεκτό πρότυπο για ασύρματα τοπικά δίκτυα υπολογιστών, ούτε ανάλογες εμπορικές εφαρμογές, καθώς η τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης δεν ήταν ακόμα αρκετά ώριμη. Το 1999 το 802.11b ώθησε την ταχύτητα στα 11 Mbps χρησιμοποιώντας DSSS. Οι ρυθμοί λειτουργίας 1-2 Mbps με DSSS ισχύουν ακόμα, έτσι ώστε οι συσκευές να μπορούν να πέσουν σε χαμηλότερες ταχύτητες για να διατηρήσουν μια σύνδεση όταν τα σήματα είναι αδύνατα. Με την έκδοση αυτή ο όρος WiFi άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως και οι ασύρματες κάρτες δικτύου 802.11 να εξαπλώνονται ταχέως. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μετάδοσης Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), δύο πρότυπα υψηλής ταχύτητας ακολούθησαν το 802.11b τα οποία παρέχουν μέχρι 54 Mbps: το 802.11a εκπέμπει στη ζώνη συχνοτήτων των 5GHz αλλά δεν είναι συμβατό με τις ασύρματες κάρτες δικτύου οι οποίες υποστηρίζουν 802.11b, ενώ το 802.11g εκπέμπει στη ζώνη συχνοτήτων των 2.4GHz και είναι συμβατό με το 802.11b.