Текст книги "«Умный» дом XXI века"

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 4×0.8, 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.

Стандарт позволяет создавать датчики с низким энергопотреблением, поскольку большую часть времени беспроводные модули находятся в спящем режиме. В сети могут присутствовать три вида устройств: координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства. В системе обязательно должен присутствовать хотя бы один координатор. Конечные устройства – это различные датчики и исполнительные устройства. Датчики получают питание от батарей, исполнительные устройства чаще всего получают питание от источника питания.

ZigBee подходит для решения всех типовых задач, связанных с автоматизацией дома. Стоимость устройств является относительно низкой, а процесс их установки является достаточно простым. В целом, устройства различных производителей хорошо работают вместе, однако бывают случаи, когда устройства оказываются несовместимыми. Устройства ZigBee продаются в России различными компаниями как в виде законченных устройств, так и в виде коммуникационных модулей. Очень широко распространены устройства XBee, которые можно видеть в различных проектах, особенно в устройствах, собранных на основе контроллера Arduino.

Также протокол известен тем, что знаменитые RGB лампы Philips HUE, которые обеспечивают дистанционное управление, используют этот протокол. В целом, можно сказать, что устройства ZigBee отлично подходят для домашней автоматизации и могут быть использованы в проектах, сделанных профессиональным инсталлятором или с использованием идеологии «Сделай сам».

Z-Wave

Z-Wave – протокол беспроводной связи, который во многом схож с ZigBee. Он был специально разработан датской компанией Zen-sys в конце девяностых годов прошлого века для систем домашней автоматизации. Для этого протокола также используется топология сети в виде ячеек, и все сделано для обеспечения сверхнизкого энергопотребления. Отличие заключается в том, что протокол является закрытым, поэтому разработкой и производством коммуникационных модулей занимается единственная компания Sigma Designs. Все устройства, вне зависимости от фирмы-производителя, используют однотипные коммуникационные модули. Это гарантирует совместимость устройств, хотя есть определенные тонкости, связанные с частотным диапазоном.

Z-wave использует свободный от интерференций диапазон 868Mhz. Передача данных производится с шифрованием AES. В сети должен быть обязательно центральный контроллер, который может обслуживать до 255 устройств. При увеличении количества устройств возможно объединение двух контроллеров.

В связи с тем, что протокол является закрытым, для него доступно значительно меньше информации и разработанного программного обеспечения. Однако есть бесплатные проекты, которые позволяют использовать оборудование Z-Wave совместно с другими системами домашней автоматизации, например LinuxMCE.

Все Z-Wave устройства на рынке можно разделить на следующие группы:

1. Электрические переключатели, вставляемые в розетку или как замена обычных выключателей в стене. Также возможно встраивание их в некоторые электрические приборы, такие как электрические плиты или обогреватели.

2. Электрические диммеры, подключаемые модули для розетки или в качестве замены традиционных выключателей в стене.

3. Устройства управления двигателем, как правило, для открытия или закрытия двери, окна, штор или жалюзи.

4. Датчики различных видов для измерения таких параметров, как температуры, влажности, концентрации газов (например, двуокись углерода или угарный газ).

5. Термостаты управления.

6. Пульты дистанционного управления, такие как универсальный пульт ДУ с ИК поддержкой или как выделенный Z-Wave пульт ДУ со специальными кнопками для сетевых функций, управления группами или сценами.

7. USB контроллеры и IP-шлюзы, которые используется чтобы программное обеспечение для ПК имело доступ к Z-Wave сети. Использование IP протоколов для этих интерфейсов могут обеспечивать удаленный доступ через Интернет.

Z-Wave отлично подходит для систем домашней автоматизации и с использованием идеологии «Сделай сам». Но это не означает, что на основе этого оборудования нельзя делать серьезные проекты. Множество компаний продают различные устройства Z-Wave и используют их в своих проектах. Их нельзя назвать дешевыми, но их установка является очень простой и доступной для большинства людей.

1-Wire

1-Wire – проводной протокол передачи данных. Зарегистрированная торговая марка корпорации Dallas Semiconductor. Обеспечивает низкоскоростной интерфейс для данных (от 16,4 Кбит/с до 125 Кбит/с), однако этой скорости вполне достаточно для решения большинства задач домашней автоматизации.

Для связи с устройством необходимо лишь два провода: на данные и заземление. Для этого коммуникационный процессор содержит конденсатор емкостью 800 пФ для питания от линии данных (режим паразитного питания). Электропитание осуществляется за счет разряда конденсатора, который заряжается во время наличия высокого уровня напряжения на линии данных. Здесь следует учитывать, что связь с устройствами, использующими паразитное питание, возможна только на коротких линиях. На длинных линиях приходится применять дополнительный провод питания.

Создание распределенных систем на базе шины 1-Wire является на сегодня наиболее оптимальным решением для большинства практических задач автоматизации. В настоящее время Dallas Semiconductor поставляет широкую номенклатуру однопроводных компонентов различных функциональных назначений для реализации самых разнообразных сетевых приложений. Поэтому имеется огромное число конкретных примеров использования интерфейса 1-Wire для целей автоматизации в самых различных областях, и все больше разработчиков проявляют интерес к этой технологии. В качестве среды для передачи данных чаще всего применяется кабель «витая пара», однако возможно использование обычного телефонного кабеля.

Используется топология общей шины, когда каждое из устройств подключено к линии связи. Типовой является структура с одним мастером сети и множеством ведомых устройств. Конфигурация сети является динамической, устройства могут быть добавлены без отключения питания. Каждое устройство имеет индивидуальный уникальный 64-битный адрес. Отсутствие совпадения адресов для компонентов, выпускаемых Dallas Semiconductor, гарантируется производителем. Поэтому сеть имеет практически неограниченное адресное пространство.

В протоколе присутствуют команды поиска ведомых устройств, которые позволяют быстро определить новые ведомые устройства. Каждое устройство просто подключается к сети без необходимости какой либо настройки. Основными преимуществом протокола 1-Wire является: низкая стоимость компонентов, отсутствие требований к линии связи, очень простой протокол, возможность питания устройств от линии связи, значительная протяженность линии связи. Кроме того, простота протокола приводит к тому, что он может быть реализован программным способом для практически любых микроконтроллеров, доступных на рынке. Например, широко распространенные контроллеры Arduino легко обеспечивают работу с устройствами 1-Wire.

Чаще всего устройства используются для измерения температуры, влажности, в качестве энергонезависимых устройств памяти (например, широко известные «таблетки» iButton, применяемые в домофонах, охранных системах). Есть даже система домашней автоматизации BENUKS, которая целиком построена на базе устройств 1-Wire.

В целом, можно сказать, что устройства 1-Wire однозначно должны использоваться в системах домашней автоматизации, однако целиком строить систему только на архитектуре нецелесообразно, поскольку низкое быстродействие и последовательный опрос устройств сказывается на скорости реакции системы в целом. Кроме того, я не нашел сертифицированных в России устройств, работающих для управления оборудованием, рассчитанным на напряжение 220В.