Системы Умный дом

Системы Умный дом: Жилище  Умный дом. Кто сказал - умный дом? Почему умный? Почему дом? Почему не автоматизированный коттедж? Хочется разобраться во всём этом. Какую работу мы хотели бы передоверить своим автоматизированным жилищам? Для начала давайте пофантазируем на тему, что же должен представлять из себя и что должен уметь делать "умный дом". Разбивая поставленную задачу на составляющие, разумно выделить четыре области:

• автоматизация;
• безопасность;
• компьютерно-универсальная деятельность;
• медиаинформация.

Эти области могут быть связаны между собой информационными потоками. Рассмотрим различные варианты их применения. Начнем с самого простого, понятного и наиболее доступного - контроля над освещением.

С помощью разных систем управления можно контролировать каждый источник света во всех помещениях независимо от того, где располагается светильник и какого он типа. Мало того, вы можете управлять освещением практически из любого места, даже находясь далеко от дома.

Неплохо поставить датчик движения - свет включится сам, как только приоткроется дверь в комнату или на лестничную площадку, причем нужной яркости, так, чтобы было достаточно светло и при этом не слепило глаза. Есть информация и для счастливых обладателей коттеджей: если датчики перемещения установить на улице, то "умный дом", обнаружив перемещающийся объект, может включить освещение снаружи и при этом передать сигнал об обнаружении объекта.

Помимо дистанционного управления система сможет изменять работу световой автоматики в зависимости от различных внешних воздействующих факторов: от присутствия в помещении человека, от времени суток и времени года, от погодных условий, освещенности, да и просто от настроения хозяина.

Возможно создание световых сценариев для сопровождения намеченной вечеринки. А при необходимости "умный дом" будет имитировать присутствие хозяев, каждый вечер включая в разных помещениях с определенной яркостью свет, а с наступлением ночи выключая его и оставляя лишь дежурное освещение. Таким образом, в отсутствие хозяев у стороннего наблюдателя будет полная иллюзия того, что в доме есть люди.

Многие знают о системе пожароохранной безопасности, которая отправляет соответствующие сигналы на пульт наблюдения охранных структур. Эта система отлично вписывается в структуру "умного дома", становясь одной из составных частей домашней автоматизации. Она активизируется при поступлении сигнала от какого-либо датчика (протечки воды, утечки газа, задымления, проблемы с электропроводкой и электроприборами) или от охранной системы, набирает заданный телефонный номер и после ответа абонента воспроизводит записанное голосовое сообщение - либо отправляет его на пейджер. Главное при этом - не забыть помимо систем оповещения установить ещё и системы активного пожаротушения, а также перекрывающие клапаны на системы подачи воды, газа и теплоносителей.

Вообще возможности системы сигнализации, а также аудио- и видеоподсистем очень широки - они ограничиваются только практическими нуждами и вашей фантазией.

Представляя себе "умный дом", вы наверняка подумаете о том, что в нём нужно поддерживать определенную температуру, климат. А главное, что вы этим климатом сможете управлять, или, еще лучше, что система, изучив ваши привычки, сама будет понимать ваши желания и принимать правильные решения. "Умный дом" может в каждом помещении поддерживать индивидуальные параметры: температуру, влажность, приток свежего воздуха - всё в зависимости от конкретных нужд. К тому же он самостоятельно создаст вам комфортные условия для сна - к ночи температура понизится, а к утру поднимется. А если вас нет дома, то на расстоянии по вашему запросу сообщит вам о функционировании всех элементов, а также выполнит ваши приказы - например, откроет окна, чтобы проветрить помещения.

Разумно здесь же упомянуть о таких возможностях "умного дома", как уход за домашними растениями или газонной травой. Он будет поливать их не только в соответствии с заданным временем, но и с учетом влажности грунта, а также по зонам, т. е. в зависимости от потребностей каждого растения. Если вы поставите датчики в зимнем саду, "умный дом" будет контролировать влажность, температуру и освещенность и принимать все необходимые меры, чтобы ваши любимцы всегда выглядели великолепно. Аквариумные рыбки также могут находиться под присмотром "умного дома".

У вас наверняка возник вопрос, как наладить общение со своим домом и со всеми приборами внутри него. Не будет ли сложно управлять той массой функций, какую может осуществить "умный дом"? Ответ однозначный: нет.

Самым простым способом управления являются кнопочные панели, где каждая кнопка соответствует какому-то прибору, группе приборов или означает последовательность действий, которые нужно выполнить. Кнопки, как правило, снабжаются световой индикацией состояния соответствующего прибора. Возможно и голосовое управление, именно оно наиболее вероятно в будущем.

Наконец, остается еще одно современное и мощное средство общения c "умным домом" - посредством Интернета. С любого компьютера, подключенного к Сети, можно узнать, все ли в порядке, просмотреть записи камер видеонаблюдения и даже увидеть текущее изображение с них. При необходимости система может регулярно посылать своему владельцу по электронной почте или по телефону отчет о состоянии дома, присутствии там людей, погоде и о многом другом. Конечно же эта информация будет доступна только хозяевам. Системы шифрования и защиты на сегодняшний момент достаточно развиты и с большим трудом поддаются взлому.

А теперь, пожалуй, самое главное. Система "умный дом" должна быть думающей и самообучающейся. Она будет заниматься систематическим анализом желаний своего владельца, чтобы постоянно угождать ему - выделять из всех присутствующих в доме и верно реагировать на каждое движение. И тут интересны системы интеграции человека в киберсреду. Вживленный интерфейс быстрее и лаконичнее множества пультов и тач-панелей сможет донести до системы всю гамму чувств, ощущений и желаний владельца системы, даже без помощи голосового управления. Это совершенно другой уровень взаимоотношений, где человек является частью киберсреды, а система "умного дома" - некой чувственной периферией его (человека) организма. Но это -- реалии далекого будущего.

Разумеется, автоматизировать свой дом - престижно, ведь сейчас это одно из передовых направлений в технике, нацеленных на благоустройство домов и офисов. Про безопасность уже много было сказано, она является основной и главнейшей задачей "умного дома". Немаловажна и функция энергосбережения. Пока такая функция не слишком востребована. Но цены на энергоносители постоянно растут, и в скором будущем нам понадобится помощник, умеющий экономить нашу энергию и наши деньги. "Умный дом" - это самая комфортная система управления домом и офисом на сегодняшний день.

Термин "умный дом" появился на заре автоматизации жилища - приблизительно в 50-е годы в США. Предлагаю несколько градаций этого понятия.

• Автоматизированное жилище - слабо насыщенное разными автоматами, которые не обладают высокой функциональностью и не связаны друг с другом. Кстати, самый простой пример такого автомата - холодильник, поддерживающий заданную температуру в заданном объеме. Для управления автоматами дому нужен "умный хозяин".
• Роботизированное жилище - оснащенное массой контроллеров повышенной функциональности, взаимодействующих между собой по какому-либо алгоритму. На сегодняшний день все предлагаемые проекты и часть бытовой техники относятся к этой категории. Реально называть их "умным домом" нельзя, поскольку "умный дом", по мнению автора, предполагает обучение и адаптивное мышление.
• "Умный дом" - жилище, управляемое сложной, взаимосвязанной компьютеризированной системой. Это система, изучающая и понимающая своего хозяина, основанная на адаптивных технологиях. По всей видимости, таким и должен быть "умный дом", дом будущего. Реальные проекты в этой области ведутся только в университетах США и Европы.

Коммерческих проектов ещё нет, но их появление не за горами.

Среда взаимодействия устройств "умного дома"

Но какой бы сложной ни была начинка, всё сводится к взаимодействию большого числа связанных между собой по определенному алгоритму устройств.

Первые системы домашней автоматизации были реализованы на контроллерах, поддерживающих протокол Х10.

Технология Х10 была изобретена и запатентована в конце 70-х годов прошлого века инженерной фирмой PICO Electronics, штаб-квартира которой находится в Англии. Впоследствии инженеры из PICO перебазировались в Нью-Йорк, где продолжили свои работы по развитию методов дистанционного управления проигрывателями, используя готовую электропроводку для передачи сигналов. После выполнения девяти экспериментальных проектов именно десятый оказался наиболее успешным (отсюда - и название Х10), и именно его результаты определили стандарт передачи сигналов по силовой электропроводке. Группа разработчиков Х10 назвала свою новую компанию по автоматизации домов X10 USA, или X10 Inc.

Помимо X10 Inc. сегодня Х10-совместимые устройства производят многие компании - Leviton, Marmitek, IBM, SmartLinc, PowerHouse и др.

Протокол X10 - это метод передачи управляющих сигналов-команд (включить, выключить, ярче, темнее и т. д.) по силовой электропроводке на электронные модули, к которым подключены управляемые электробытовые и осветительные приборы. Его главным преимуществом является то, что управляющие сигналы передаются по проводке, уже проложенной в помещении, то есть при внедрении системы "умный дом" отпадает надобность в проведении модернизации, часто дорогостоящей.

Вторым неоспоримым преимуществом стандарта Х10 является то, что он гораздо "старше" своего конкурента - "шинного" стандарта. По этой причине оборудование для Х10 в настоящий момент выпускается множеством фирм (в том числе IBM и прочими гигантами мировой электронной индустрии). Следствием этого является низкая цена (по сравнению с "шинным" стандартом) на оборудование данного стандарта.

Основные недостатки стандарта Х10 следуют из его основного достоинства - передачи сигналов по электропроводке:

• очень низкая скорость передачи информации и относительно низкая надежность;
• недостаточные возможности обратной (от электроприборов) передачи информации, что затрудняет организацию каких-либо диагностических функций.

В силу этого возможности приборов стандарта Х10 в домашней автоматизации существенно ограничивают полет фантазии.

Во-первых, без дополнительных ремонтных работ к "умному дому" нельзя подключить некоторое оборудование (например, невозможно будет "заставить" работать две существующие группы освещения как три, как бы этого ни хотелось).

Во-вторых, исполнение сложных схем управления бытовым электрооборудованием (с организацией диагностических функций и функций контроля состояния оборудования) на основе Х10 ведет к усложнению системы (а значит, к снижению ее надежности).

В-третьих, ограничено количество управляемых групп (до 256) и при этом велик риск несанкционированного доступа к Х10-устройствам по электросети.

Многие недостатки решений на базе протокола Х10 были устранены в так называемых "шинных" системах. Главное их отличие состоит в том, что они имеют отдельную сигнальную шину, по которой подается низкое напряжение питания и осуществляется подача сигналов управления.

На сегодняшний день в этой области не существует единого стандарта. На рынке наиболее известны протоколы EIB, LonWorks, BACnet и Clipsal C-Bus, а также брендовые продукты таких крупных компаний, как Crestron, AMX, Lutron, Leviton, Dynalite.

Чем же характеризуются эти системы?

EIB (European Installation Bus) - это децентрализованная открытая сетевая технология, поддержанная десятками ведущих компаний - членов EIBA (European Installation Bus Association), организации, основанной в Европе в 1990 г.

Устройства, будь то передатчики или приемники, связываются друг с другом непосредственно, без иерархии или сетевого контролирующего прибора. Компоненты осуществляют передачу последовательно, асинхронно, конфликты разрешаются расстановкой приоритетов сообщений. Предназначенная для передачи информация собирается в телеграммы и через шину передается приемнику или группе приемников. Сообщение получают все абоненты, но реагируют на него только те, кому оно адресовано. В случае успешной передачи каждый приемник подтверждает получение телеграммы. При отсутствии подтверждения передача повторяется. После трех неудачных попыток передача прекращается, а в запоминающем устройстве передатчика фиксируется информация о неисправности.

При необходимости возможно введение централизованного режима управления. Диспетчерский пульт или компьютер может быть помещен в любое место на шине.

Сегодня EIB-протокол поддерживает обмен по витой паре (9600 байт/с), непосредственно по силовой линии (1200/ 2400 бит/с, первоначально - только для 230 В, 50 Гц), по радио и по ИК-каналу.

При обмене данными по витой паре выполняются следующие условия:

• компоненты системы могут соединяться по типу "линия", "звезда", "дерево" и в любых сочетаниях;
• максимальная длина линии не должна превышать 1000 м, причем расстояние между двумя компонентами не может быть более 700 м;
• расстояние между источником питания и компонентом не должно превышать 350 м; если питание линии обеспечивается двумя источниками питания, то расстояние между ними должно быть более 200 м;
• в одной линии может быть до 64 компонентов;
• до 15 линий могут быть объединены в зону.

При обмене данными по силовой линии:

• топология - "звезда", "дерево", комбинированная;
• скорость передачи - 1200 бит/с;
• максимальное число логических адресов -255;
• максимальное число физических адресов - 32 767.

Данная технология используется при построении систем интеллектуального здания в крупных коттеджах и административных зданиях как для комплексной, так и для частичной автоматизации, например для управления светом на стадионах, в кинотеатрах, конференц-залах и т. д. Поддерживается большинством производителей средств автоматизации, такими, как Gira, ABB, Siemens, Hager, Marten и др.

Технология LonWorks - несколько более сложная система, разработанная американской фирмой Echelon для автоматизации зданий, промышленных и транспортных систем, общественных учреждений. Сетевая структура схожа с шиной EIB, но благодаря возможности программирования встроенного контроллера позволяет реализовать сложные протоколы управления исполнительными устройствами.

Ядром сети LonWorks является микропроцессор Neuron, включающий три восьмибитовых микропроцессора, встроенную память и 11 контактов ввода-вывода. Любое такое устройство содержит Neuron-процессор и способно обеспечивать получение данных, двунаправленную связь и управление. В основе технологии лежит стандартизованный протокол LonTalk. Концепция LonWorks заключается в реализации систем управления при помощи "распределенного интеллекта" - управляющей сети (Local Operating Networks - LON), которая имеет минимальное количество уровней иерархии и в которой нет выраженного центрального устройства (Master). Оборудование, функционирующее по технологии LonWorks, поддерживает различные сетевые топологии - "шину", "звезду", "кольцо", а также широко распространенную смешанную. На рынке имеется несколько типов маршрутизаторов, которые обеспечивают подключение к различным промышленным или общественным сетям. Для уменьшения нагрузки на сеть используется событийный механизм обмена сообщениями, т. е. данные передаются только тогда, когда произошли какие-либо изменения. Имеется встроенная поддержка распределенной операционной системы. Технология LonWorks ориентирована на построение территориально распределенных систем с огромным количеством узлов. В наибольшей степени все её преимущества раскрываются при построении автоматизированных систем управления инженерными системами (освещение, отопление, вентиляция, кондиционирование, системы доступа, охраны) жилых и промышленных зданий (концепция интеллектуального здания).

Кроме того, данная технология характеризуется отличным масштабированием:

• до 127 LON-узлов в каждой подсети;
• до 255 подсетей в домене.

BACnet (Building Automation and Control Network - сети управления зданиями. Этот протокол обмена данными для систем автоматизации жизнеобеспечения зданий разработан Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) и является зарегистрированным товарным знаком ASHRAE. Предназначен для управления системами отопления, кондиционирования и вентиляции.

BACNet - маршрутизируемый протокол, который при помощи программируемых контроллеров интегрируется со структурированными кабельными системами и различными совместимыми устройствами, маркируемыми как BACTalk. Под совместимыми устройствами, разумеется, нельзя понимать системы контроля доступа или управления освещением - речь идет исключительно о приборах, выполняющих функции отопления, кондиционирования и вентиляции.

Сети BACnet, хотя они и обладают рядом неоспоримых достоинств, известны в России пока мало. Главным из этих достоинств является возможность осуществления проектов без привязки к конкретному производителю - такие сети допускают легкую замену и модернизацию оборудования, в том числе на уровне отдельных функциональных элементов.

Протокол С-Bus разработан компанией Clipsal, основанной в 1907 г. и являющейся ведущим производителем электрооборудования в Австралии и Азии.

Фирма Clipsal производит более 50 000 видов оборудования и обеспечивает им 40% рынка Азии, Австралии и Великобритании.

Из наиболее известных проектов с использованием продуктов Clipsal можно назвать стадион "Манчестер" (Manchester Commonwealth), McLaren Mercedes, Дом оперы Сиднея (Sydney Opera House) и, конечно, главный стадион Олимпиады 2000 в этом же городе.

Система Clipsal C-Bus построена на базе открытого IP- протокола; ПО, совместимое со всеми версиями Windows, обеспечивает управление системами любого уровня.

Структура системы построена по принципу распределенного интеллекта. В каждый её управляющий элемент встроен микроконтроллер, позволяющий системе работать независимо от остальных блоков. Все блоки оснащены памятью, не повреждающейся при сбоях в подаче электроэнергии. Сеть C-Bus использует кабель данных Cat5 (витая пара) для соединения управляющих элементов и питания безопасным напряжением 36V/DC. При этом она электрически изолирована от основного электропитания и имеет защиту от коротких замыканий.

Функциональные возможности системы C-Bus:

• управление освещением - диммирование (плавное управление яркостью) ламп накаливания, галогенного и люминесцентного освещения с нагрузками до 20 А на канал, формирование любых световых сценариев, поддержание определенного уровня освещения и т. д.;
• управление климатическими системами - кондиционерами, бойлерами, теплыми полами;
• управление открытием и закрытием жалюзи, ворот, дверей, в том числе дистанционное;
• управление доступом - скоординированная работа с системами безопасности, дозвон на телефоны по любому несанкционированному событию, различные варианты работы системы в зависимости от присутствия или отсутствия хозяина, карточные системы идентификации;
• инфракрасное управление различными устройствами и бытовыми приборами;
• программирование любых последовательностей действий - ежедневных, еженедельных, в отсутствие хозяина, офисных расписаний обогрева и вентиляции и т. д.

Управление всей системой может осуществляться с помощью многоклавишных программируемых выключателей либо с применением обыкновенных выключателей другого производителя, сенсорных экранов, компьютера, по сигналам детекторов движения, датчиков уровня освещения, температуры, по сетям Ethernet и Интернет, по протоколу RS 232, посредством телефона и голоса.

Технические особенности системы Clipsal C-Bus:

• 100 устройств и 1000 м кабеля категории 5 в одной сети;
• 255 сетей в одной системе;
• 25 500 устройств, до 255 км кабеля категории 5 в системе.

За последние несколько лет C-Bus была применена более чем в 54 тыс. установок - начиная с домашних и заканчивая большими корпоративными. Устанавливать эту систему выгодно, надёжно и несложно.

ASI (Actuator-Sensor Interface) - такой интерфейс между сенсорами и актуаторами можно встретить в некоторых европейских разработках. Это простая и недорогая полевая шина с предельной скоростью передачи данных 167 кбит/с на расстояния не более 100 м. Строится по архитектуре "мастер - помощник" и допускает подключение до 31 устройства.

Bitbus (IEEE 1118) - развитая полноценная сетевая система "мастер - помощник", обеспечивающая высокую надежность передачи информации и высокую степень абстракции (вплоть до уровня 7 OSI). Поддерживается работа с 256 устройствами на одной шине на удалении до 13 км, скорости передачи в диапазоне от 62 кбит/с до 2,5 Мбит/c. На физическом уровне использует повсеместно признанный в промышленности интерфейс RS485.

CAN (ISO 11898) - набирающая силу полевая шина, изначально создававшаяся для применения в автомобилях. Характеризуется почти идеальным соответствием потребностям событийных систем управления, неплохими характеристиками масштабирования и невысокой стоимостью развертывания. CAN очень хорошо поддержана самыми разными производителями электронных компонентов, что делает её перспективной для небольших компаний, специализирующихся в области создания собственных узлов для реализации "умного дома". Требует применения двухпроводной витой пары, обеспечивает высокую скорость передачи данных и гарантированное время доставки пакетов (соответствует требованиям к системам реального времени).

HART - весьма забавная и в то же время заслуженно признанная (поддерживающая её организация - HART Communication Foundation создана в 1993 г.) и хорошо отработанная аналого-цифровая шина (т. е. позволяющая передавать одновременно аналоговый и цифровой сигналы). Требует двухпроводного кабеля, не слишком хорошо масштабируется (всего до 15 устройств, этот барьер можно преодолеть с помощью отдельных мультиплексоров), характеризуется возможностью небыстрой передачи данных (1200 бит/с) на большие расстояния (до 2 км). В силу специфики HART иногда применяется в наружных охранных подсистемах "умного дома".

В общем и целом битва стандартов пока продолжается, и конца её не предвидится. Работа протоколов совершенствуется, каждый производитель постоянно выбрасывает на рынок всё новые и новые устройства с улучшенными и расширенными характеристиками. Открытость протоколов способствует практически мгновенной интеграции технических новинок одного протокола во все остальные.

На сегодняшний день географическое распределение основных протоколов выглядит так:

• американский континент - LonWorks;
• Европа - EIB;
• Великобритания, Австралия и большая часть Азии - C-Bus.

По мнению автора, теоретически наиболее удобной была бы система, использующая массовые протоколы, например IP, применяемые в компьютерных сетях. Такую систему можно контролировать и настраивать с любого компьютера практически в реальном времени. А зная, с какой легкостью у нас в стране пишутся программы, можно бы было предположить, что решение, построенное на этих принципах, будет наиболее жизнеспособным. Компьютерные сети развиваются с неимоверной скоростью, и подключить в единую структуру устройства контроля и управления системами "умного дома" было бы логично.

Теперь по поводу цены. Конечно же цена - это немаловажный фактор. Но в жизни за всё приходится платить. Техника "умного дома" является высокотехнологичной, построенной на последних достижениях электроники, а потому не может быть общедоступной, её нельзя сравнить с электролампой. Но если вы не располагаете суммой, достаточной для покупки всего комплекса сразу, то для вас есть выход - создавать комплекс поэтапно. Начать можно с самого необходимого и постепенно пополнять комплекс, главное, чтобы при проектировании системы были заложены возможности её будущего расширения. Кроме того, существуют малобюджетные проекты, которые позволяют создавать отдельные виды систем с минимальными затратами.

Установить систему автоматизации несложно. Но сначала желательно обратиться за консультацией к профессионалам. Лучше делать поэтапно весь комплекс с применением "правильной" техники и технологии. Помните, что "умный дом" создаётся не на один день!

И наконец, главный аргумент в защиту предлагаемой технологии. Даже самые ярые сегодняшние скептики наверняка не откажутся от возможностей "умного дома", когда они станут реальностью (как в свое время не отказались скептики прошлого от автоматических стиральных машин, микроволновых печей и прочих обыденностей сегодняшнего дня).

Чего ждать в ближайшем будущем? Не станем выступать в роли гадалки, поэтому ответ поищем в современных маркетинговых исследованиях. Опросы домовладельцев, проводимые различными исследовательскими организациями, уже сейчас выявляют весьма сильную заинтересованность в функциональности систем "умного дома". Так, иметь в обязательном порядке возможность дистанционного управления технологическими подсистемами и устройствами "умного дома" хотят порядка 19% респондентов, для 40% это непринципиально и только 8% - категорически против. При этом возможность непосредственного управления подсистемами безопасности, без участия третьих лиц или организаций, считают безусловно необходимой 23% респондентов, нейтрально настроены 47%, а 8% полагают, что заботу об этой подсистеме безопасности лучше вообще переложить на плечи профессионалов. Примечательно, что и в том и в другом случае примерно пятая часть респондентов считает эти две функции совершенно ненужными. Но как бы там ни было, примерно пятьдесят - все-таки больше, чем примерно двадцать, откуда следует, что и дистанционное управление всем технологическим подпространством дома, и возможность сугубо персонального контроля системы безопасности обязательно будут реализованы в различных вариантах системы "умного дома". Однако строительным компаниям создание "умных домов" не гарантирует роста численности заказчиков - только 12% из них согласны с приоритетом "умности" при выборе жилья, 28% предпочитают сами строить свою систему "умного дома" на базе того, что у них уже есть. По мнению ученых, потенциальные заказчики, даже не владеющие описанной терминологией, инстинктивно стремятся сохранить социальную стабильность своего дома и поэтому хотят играть роль проектировщиков наряду со специалистами. Впрочем, управленцы строительных компаний тоже читают труды теоретиков, и во многих странах существуют фирмы, специализирующиеся на проектировании и возведении "умных домов" по принципу "любая прихоть заказчика - закон".