Элементы системы "Умный дом"

Системы автоматизации небольшой квартиры, промышленного предприятия, офисного здания или умного дома строятся на основе общих подходов, основанных на использовании определенных базовых элементов. Каждая система автоматизации состоит из датчиков, устройств обработки, анализа и хранения информации и исполнительных механизмов. В вашем доме будет множество подобных устройства, так давайте более подробно рассмотрим их, чтобы хотя бы знать, как каждая «коробочка» называется.

Датчики

Датчиками называют устройства, регистрирующие факт возникновения какое-либо события и преобразующие это событие в электрический сигнал. В умном доме чаще всего применяются следующие виды датчиков:

Датчик движения – устройство, обнаруживающее движение в определенном участке пространства. Чаще всего применяются пассивные датчики движения (PIR), принцип действия которых основан на измерении фоновой температуры. Такие датчики выпускаются множеством компаний. При выборе датчиков движения учитывайте наличие домашних животных, поскольку некоторые датчики могут реагировать не только на человека, но и на вашу любимую кошку.

Датчики измерения температуры, давления и влажности воздуха . Это следующий вид датчиков, который очень часто используется в системах управления климатом умного дома. Они используют различные способы измерения и интерфейсы подключения, но достаточно дешевы, и могут быть установлены в каждой комнате.

Датчик освещенности предназначен для измерения уровня освещенности. Чаще всего он используется в системах управления освещения для автоматического включения света в темное время. Но и вы можете его использовать, если захотите узнать, наступила ли уже ночь или все еще день, хотя большинство систем управления определяют математическим способом время восхода и захода солнца, исходя из географических координат и времени.

Датчики разбития стекла чаще всего используются в системах безопасности. Они реагируют на звук разбившегося стекла и кратковременный звук, недоступный уху человека, который возникает при прогибе стекла.

Датчики измерения качества воздуха – это целая группа датчиков, которая измеряет уровень оксида углерода CO в воздухе, содержание метана, наличие дыма, уровень запыленности. Такие датчики могут использоваться для системы безопасности и пожарной сигнализации, а также систем вентиляции. Ну а датчик, измеряющий уровень алкоголя в воздухе, который вы выдыхаете, может в некоторых случаях заблокировать открытие дверей гаража. Вы можете использовать самые различные датчики подобного типа, однако учитываете, что многие из них стоят достаточно дорого.

В системах управления умного дома могут применяться датчики и других типов, например, датчики утечки воды, открытия дверей, охраны периметра. Все зависит от ваших требований и желания получить всестороннюю информацию о том, что происходит в вашем доме и его окрестностях.

Контроллеры

Вся обработанная информация, которую собрали датчики, должна быть, как то обработана, проанализирована, и на ее основании должны быть выполнены какие-либо действия. Всей обработкой информации в системе умного дома занимаются контроллерами, панели управления или персональные компьютеры. На рынке доступно огромное количество контроллеров зарубежного производства. В некоторых случаях вы можете использовать и продукцию отечественного товаропроизводителя.

Ключевым параметром контроллера является его быстродействие. Именно от этого параметра зависит скорость реакции на события, а значит и сложность алгоритмов, используемых для их анализа. Быстродействие контроллера оказывает прямое влияние на его скорость и потребляемую мощность. Требуемую производительность контроллера можно рассчитать, однако в домашней автоматизации это, как правило, не делается, и выбирается контроллер с большим запасом.

Еще одним важной характеристикой контроллера является его надежность. Есть достаточно сложные методики анализа надежности, но для целей домашней автоматизации ее можно объяснить следующим образом. Надежность – это вероятность того, что контроллер будет неожиданно перезагружен, и ваша программа начнет исполняться сначала (все замки станут открытыми, свет включен и т.д.). На надежность контроллера оказывает влияние качество изготовления, температурный режим работы, отсутствие, либо наоборот наличие дефектов программного обеспечения, качество и стабильность источника питания, электромагнитные помехи. Кроме того, сама архитектура системы умного дома очень сильно влияет на надежность работы. Например, неправильно проложенные кабели, либо неверные режимы работы могут приводить к «падению» даже самого совершенного устройства.

Исполнительные устройства

Управляющие воздействия, которые вырабатывает контроллер в виде электрических сигналов, должны быть преобразованы во внешние воздействия. Т.е. нужно произвести обратную операцию по отношению к той, которую выполняют датчики, – электрическое воздействие преобразовать в механическое, звуковое, световое воздействие. В качестве исполнительных устройств используются лампы накаливания, светодиодные ленты, электродвигатели, электромагнитные клапаны. Сам контроллер работает на очень низком напряжении и обладает малой мощностью, поэтому не может напрямую управлять подобными устройствами. Для этих целей понадобятся силовые элементы, которые могут быть выполнены как самостоятельно, так и в составе исполнительного устройства.

Самым простым вариантом силового устройства является электромагнитное реле, знакомое всем со школьного курса физики. Оно используется для включения источников света, подачи питания электрическим потребителям. Реле используется в роли посредника, усиливающее малое воздействие, вырабатываемое контроллером. Помимо реле в качестве подобных устройств могут применяться и другие электронные компоненты, например транзисторы, тиристоры, но основная идея остается без изменения.

Силовые устройства используются для управления различными моторизованными элементами, например для автоматического открытия штор и защитных жалюзи на окнах. Электромагнитные клапаны используются в системах автополива на вашем садовом участке или для автоматического перекрытия трубопровода.

Диммер.

Еще одним исполнительным устройством является диммер. Для достижения необходимого уровня комфорта вам может понадобиться плавно управлять яркостью свечения лампы. Именно для таких целей используется диммер – устройство, позволяющее менять яркость свечения лампы в зависимости от управляющего воздействия. Такое воздействие в умном доме приходит на диммер от контроллера. Но есть некоторые простые диммеры, которые управляется путем вращения ручки, установленной на корпусе диммера.

Не все лампы могут быть использованы вместе с диммером. Чаще всего на таких лампах есть пометка «DIM». Обязательно уточните этот вопрос перед покупкой ламп, поскольку ошибка при выборе может привести к выходу из строя лампы или диммера.

Различные типы ламп требуют разных подходов к управлению яркости. Поэтому выпускаемые диммеры также рассчитаны на работу с лампами разных типов. Кроме того, диммер имеет максимальную мощность, которую нельзя превышать. Если вы подключите к диммеру слишком мощную нагрузку, то он может перегреться и выйти из строя.

Диммеры используются для управления устройствами, рассчитанными на напряжение питания 220В. Для более низкого напряжения есть более простые варианты и дешевые варианты. Кроме того, в силу специфики работы при покупке обязательно требуйте сертификат соответствия диммера нормативным требованиям.

Помимо управления лампами диммеры часто используются для управления другими потребителями, например нагревательными элементами для регулировки температуры, или для управления скоростью вращения вентилятора. При таких комбинациях нужно обязательно все тщательно проверять, поскольку есть риск выхода из строя оборудования или даже возгорания в самом неблагоприятном случае.

Хорошей альтернативой дорогим диммерам является построение системы освещения на основе светодиодных лент, в том числе выполненных на базе трехцветных светодиодов и рассчитанных на низкое напряжение питания. Яркость свечения таких лент может управляться с помощью более простых решений. Еще одним хорошим вариантом является использование управляемых светодиодных лент, когда есть возможность отдельно включать каждый светодиод, что позволяет сформировать очень красивые световые эффекты. Например, подсветка лестницы на второй этаж может производится синхронно с каждым шагом.

Панели управления.

Пока скрытые за кулисами элементы домашней автоматизации окружают вас комфортом, вы управляете системой с различных устройств. В системах управления очень часто используются сенсорные панели, выпускаемые различными производителями. Выпускаются настольные панели, которые очень изящно смотрятся на столе или прикроватной тумбочке. Эти устройства могут работать по проводной и беспроводной сети, но в любом случае требуют дополнительного кабеля питания. Настенные панели встраиваются в стену, вы даже можете заменить все обычные выключатели на сенсорные панели. Панели могут выводить HD видео, иметь встроенные динамики, микрофон, камеру, биометрический сканер, встроенные датчики движения, освещенности, температуры. Они имеют различные размеры, выполняются в различном исполнении и хорошо впишутся в интерьер любого дома. Панели помимо сенсорного экрана могут иметь обычные кнопки, которые позволяют получить тактильные ощущения от нажатия. Некоторые производители выпускают беспроводные переносные панели со встроенным аккумулятором, что позволяет свободно перемещаться по дому.

С клавишных панелей началась эра домашней автоматизации. Такие панели содержат набор кнопок и могут устанавливаться настенно или быть выполненными в настольном исполнении. Они могут содержать различное количество кнопок, иметь подсветку, встроенный динамик и также содержать датчики. Множество вариантов размеров, отделки, цвета позволяет дизайнерам выбрать наиболее подходящее решение.

Альтернативным способом управления является использование пультов дистанционного управления, чем-то напоминающих обычные пульты от домашней электроники. При таком способе интерфейс выводится на обычные LCD телевизоры или мониторы, а все управление обеспечивается нажатием кнопок на пульте. Очень оригинально смотрится управление с помощью 3D мыши, которая отслеживает перемещение в пространстве.

В последнее время все большее распространение получает вариант использования планшета для управления умным домом. Поскольку в большинстве случаем нет необходимости использовать устройство с высокой производительностью, то часто используют недорогие китайские планшеты, работающие на платформе Android, со специальными элементами для крепления на стене, совмещенные с блоками беспроводной зарядки. Такие устройства смотрятся очень хорошо, и стоимость подобного решения значительно отличается от фирменных панелей управления. Разумеется, вы можете использовать и продукцию компании Apple, например, очень удобно использовать планшеты IPad Mini.

Программное обеспечение

Возможности вашего умного дома определяются не только используемым оборудованием. Очень сильно функциональность и интеллект системы зависит от программного обеспечения (ПО). Программное обеспечение разрабатывается для контроллеров, панелей управления, мобильных устройств, серверной части умного дома. Большинство производителей сделали свои типовые решения, которые могут быть сконфигурированы для любого дома или квартиры. При настройке системы описывается ее конфигурация, количество контроллеров, датчиков, исполнительных элементов, дорабатываются типовые сценарии, сделанные поставщиком системы. Чаще всего возможностей вполне достаточно для решения типовых задач домашней автоматизации, однако иногда вам может потребоваться индивидуальная разработка для решения вашей задачи.

Заказная разработка значительно дороже, но в этом случае вы можете реализовать все ваши фантазии. Кроме того, при заказной разработке безопасность системы значительно выше, поскольку у злоумышленника нет возможности использовать известные уязвимости, которые есть в любом программного обеспечении и он не сможет развернуть систему у себя для проведения тестовых атак, нацеленных на поиск возможных вариантов проникновения в вашу систему.

Кабельная инфраструктура

Еще одним элементом умного дома является кабельная инфраструктура. Несмотря на развитие систем беспроводной связи, прокладка кабелей во многих случаях является единственным вариантом. Кроме того, этот способ является более надежным. Для передачи различных сигналов требуется применение кабелей разных типов. Сейчас выпускается огромное количество кабелей, которые можно подобрать для решения любой задачи. Если у вас большой дом, то оптимальным вариантом является использование оптических кабелей для соединения этажных шкафов дома. Использование оптических линий позволит вам создать инфраструктуру, способную передать огромное количество информации с высокой скоростью. Заложив при строительстве дома оптические кабели, вы можете быть уверены в том, что пропускной способности будет достаточно для решения любых задач, как текущих, так и будущих. А еще, стоимость современных оптических кабелей меньше медных.

При прокладке кабелей следует соблюдать определенные правила, например, не следует располагать силовые и сигнальные кабели в непосредственной близости друг от друга. Также вашему архитектору следует продумать маршруты и способ их прокладки. При установке умного дома в существующем помещении больше всего проблем доставит именно новая кабельная инфраструктура, которую необходимо будет смонтировать.

Мы рассмотрели основные элементы систем автоматизации. Далее рассмотрим основные технологии, на которых основаны системы, доступные в настоящий момент. Рынок домашней автоматизации активно развивается с начала 80-х годов прошлого века. На рынке работает множество компаний, поэтому за это время было создано множество различных технологий, чаще всего несовместимых между собой, которые реализованы в оборудовании, доступном на рынке. При выборе системы домашней автоматизации вы, безусловно, столкнетесь с этими технологиями, поэтому ниже приведено описание решений, которые наиболее часто применяются на российском рынке.

X10

Это один из первых протоколов домашней автоматизации, который появился еще в 70-х годах прошлого века. Стандарт является открытым. Это проводной протокол, который использует в качестве среды передачи силовую электропроводку вашего дома. Соответственно при использовании устройств, работающих по этому стандарту, нет необходимости в прокладке дополнительных проводов.

Для этого протокола выпускается огромное количество исполнительных модулей для управления освещением, электроприборами, отоплением, вентиляцией и охранными системами. Также выпускается большое количество различных выключателей, датчиков, которые могут работать совместно с исполнительными модулями, но дополнительно может потребоваться установка соответствующего контроллера. Для связи с персональным компьютером и работы с контроллерами по стандартным протоколам требуются коммуникационные модули.

Серьезным недостатком X10 является низкая скорость передачи данных, из-за которой реакция на события происходит с определенной задержкой. Она не сильно велика, но заметна, например, при построении системы управления освещением. Еще одним недостатком протокола является отсутствие шифрования и гарантированной доставки сообщений. Это может привести к тому, что команда на включение света просто не будет выполнена.

Все эти недостатки связаны с использованием силовой линии питания для передачи данных. Кроме того, протокол был разработан давно, а импульсные источники питания, которые активно создают помехи, мешающие работе устройств X10, появились позднее, поэтому серьезных претензий к разработчикам протокола предъявить нельзя.

Несмотря на все эти недостатки, в мире работает огромное количество систем автоматизации, построенных на основе X10. Устройства X10 имеют очень низкую стоимость, в России есть компания «Разумный дом» http://www.razumdom.ru, которая активно производит устройства под этот стандарт. Поэтому вы можете использовать данные продукты для построения очень бюджетной системы автоматизации, но особой надежности от нее ждать не приходится

KNX

Построение системы автоматизации на базе стандарта KNX – это самый дорогой вариант, но очень популярный в Европе, и фактически является европейским стандартом автоматизации зданий. Стандарт относительно редко используется при автоматизации домов, еще реже он используется при автоматизации квартир, но часто встречается при автоматизации зданий и офисов.

Стандарт появился в начале 90-х готов прошлого века. В основе стандарта лежит шина EIB (European Installation Bus). Стандарт характеризуется обилием заложенных в него функций, а также сложностью проектирования и монтажа. В качестве среды передачи данных протокол KNX может использовать шину, электрическую сеть или радиоканал. Стандарт предусматривает различные варианты топологии сети Но у большинства профессионалов KNХ ассоциируется именно с проводным вариантом, поскольку он используется чаще всего. Система является децентрализованной, в ней может отсутствовать центральный контроллер. Но обязательно должен быть источник питания.

Протокол отлично подходит для автоматизации крупных зданий, в одну сеть можно объединить до 50 тысяч устройств. Создана всемирная ассоциация KNX, в которую входят более 350 компаний по всему миру. Наиболее известными производителями оборудования KNX сегодня являются Schneider Electric, ABB, Gira. В мире выпускается огромное количество устройств с самым различным функционалом. Поэтому при использовании этого стандарта можно решить любую задачу.

Для работы устройств чаще всего прокладывается кабель 4x0.8, при этом для работы собственно шины KNX используется одна пары линий, вторая пара используется для подачи питания. Обмен данных между устройствами осуществляется напрямую, без участия выделенного контроллера, поэтому выход из строя отдельного устройства не приведет к отключению всей системы. Такой подход имеет как свои плюсы, так и минусы. Однако никто вам не мешает использовать отдельный контроллер для решения сложных задач взаимодействия, которые не могут быть выполнены путем настройки устройств.

Единственным недостатком KNX является высокая стоимость оборудования и его ориентация на профессионалов. Внедрением проектов занимаются крупные компании, поскольку первоначальные затраты на обучение персонала, приобретение необходимого программного обеспечения и тестового оборудования очень велики. Стандарт практически не подходит под идеологию «Сделай сам», хотя теоретически это возможно. В качестве резюме можно сказать, что стандарт KNX очень дорогое, хорошее, престижное и надежное решение для систем автоматизации зданий.

ZigBee

ZigBee является беспроводным протоколом передачи данных. Это открытый стандарт. Решения на базе этого протокола очень хорошо подходят для домашней автоматизации. ZigBee основан на ячеистой топологии сети, при которой отдельные компоненты могут выступать в качестве посредника, передающего сигнал от одного устройства к другому. Подобная структура способна к самоорганизации и самовосстановлению, выход из строя одного-двух элементов, как правило, не приводит к серьезным последствиям. Ячеистая топология также позволяет существенно увеличить область покрытия беспроводной сети. 

sm-future.ru