Текст книги "«Умный дом» своими руками. Строим интеллектуальную цифровую систему в своей квартире"

C-Bus является одной из распределенных систем управления «умного дома». Каждый программируемый контроллер этой системы может «обучаться». Сеть таких контроллеров может управлять домом, а контроллеры присутствуют во всех звеньях системы: выключателях, датчиках, диммерах и т. д. Каждое звено системы оснащено памятью, не повреждающейся при сбоях в подаче электроэнергии. Это делает систему, построенную на шине C-Bus, особенно надежной. Именно поэтому на основе C-Bus построены наиболее сложные и безопасные системы.

ИНТЕРЕСНО

C-Bus является основным брендом компании Clipsal. Эта система была установлена на главном стадионе Сиднея, построенном к Олимпиаде 2000, в Доме оперы Сиднея (Sydney Opera House), на манчестерском стадионе (Manchester Commonwealth) и McLaren Mercedes. Другие пользователи этой технологии – знаменитые музеи, стадионы и самые грандиозные сооружения в мире.

В качестве передаточного звена для управления в C-Bus используется неэкранированная витая пара информационного кабеля. Информация посылается от переключателей или панелей управления через шину C-Bus к соответствующим активным блокам-реле.

Еще одно отличие и достоинство C-Bus – то, что эта система позволяет управлять домом на расстоянии без наличия сервера. Контроллер с постоянным IP-адресом подключается к сети Интернет и к «умному дому», и все это связывается IP-интерфейсом. На этот интерфейс и посылаются команды с удаленного телефона или компьютера, при этом «слушаться» он будет только хозяина.

Система C-Bus позволяет объединять до 100 устройств в одной сети и 255 сетей в одной системе.

Технология C-Bus особенно распространена в Великобритании, Австралии и Азии. В последнее время у нас в стране эта технология также становится популярной.

Технология EIB (European Installation Bus), как и C-Bus, также является децентрализованной. Соответственно своему названию, она наиболее часто используется в Европе. Для этой системы параллельно с силовой проводкой прокладывается витая пара, которая является управляющей шиной. К ней подключаются все устройства, и через нее поддерживается связь между устройствами, включенными в систему. Все устройства связываются друг с другом без какой-либо структуры или иерархии, а также без контролирующих приборов. Необходимая информация передается от передатчиков сериями сигналов, которые через шину подаются сразу на все приемники. И хотя переданную информацию получают все принимающие приборы, реагируют на нее только те, которым эта информация адресована.

Если приемник не реагирует, то есть не подтверждает получения данной информации, передача повторяется до трех раз. После этого попытки передачи прекращаются, а запоминающее устройство фиксирует информацию о неисправности в данном сегменте. В случае же, если сигнал проходит, приемник посылает подтверждение об этом на передатчик. Информация передается асинхронно и последовательно и имеет приоритеты сообщений. Таким образом, система хорошо защищена от ошибок, а технология EIB считается достаточно надежной.

Несмотря на то что технология EIB является распределенной, на ее основе можно собрать систему с централизованным управлением: управляющий процессор подключается к шине в любом месте. На сегодняшний день EIB-протокол может работать с радиоканалом, с инфракрасным каналом, с силовой проводкой (1200/2400 бит/с при 230 В, 50 Гц), а также осуществлять передачи по витой паре (со скоростью до 9600 байт/с).

Для системы, построенной на основе EIB с использованием витой пары, существуют ограничения. Например, длина линии не должна превышать 1 км, а расстояние между двумя компонентами должно быть не больше 0,7 км. Кроме того, расстояние между источником питания и любым устройством должно быть не более 0,35 км. В одну сеть может быть объединено не больше 64 компонентов, а 15 сетей могут быть объединены в одну зону. Обмен информацией по силовой проводке предполагает до 255 логических и до 32 767 физических адресов. Скорость передачи информации по силовой линии – до 1200 бит/с.

Технология EIB поддерживается такими производителями, как Siemens, Gira, ABB, Hager, Marten и т. д.

Системы, построенные по технологии LonWorks, по своей сетевой структуре похожи на EIB. Однако благодаря возможности программирования встроенного контроллера LonWorks позволяет реализовывать более сложные проекты. Информация в сети передается только тогда, когда происходят какие-либо изменения, например меняются внешние условия или на устройства поступает сигнал с пульта управления. Таким образом сеть избавлена от перегрузок.

Система управления LonWorks реализуется при помощи управляющей сети LON (Local Operating Network), имеющей минимальное количество уровней иерархии. Определенного центрального, ведущего устройства такая система не имеет (Master). Ядро сети LonWorks – микропроцессор Neuron, в который включены 3 восьмибитовых микропроцессора, 11 контактов ввода-вывода и встроенная память. LonWorks может объединять до 127 LON-узлов в каждой подсети и до 255 подсетей в домене.

Технология LonWorks была разработана американской компанией Echelon с целью автоматизировать промышленные и транспортные системы, а также общественные учреждения и здания. Сейчас эта технология используется в основном для построения распределенных систем с большим количеством узлов, отдаленных друг от друга. Наибольшее распространение технология получила в США.

Централизованные системы управления «умным домом» AMX и Crestron, как правило, строятся на основе применения широкого спектра управляющих центральных контроллеров и множества исполнительно-командных блоков. Функции обработки информации сосредоточиваются в мощном центральном компьютере, который принимает сигналы от датчиков и переключателей, пересылая их к управляющим блокам. Контроллеры AMX и Crestron имеют большие возможности и достаточную гибкость. Такие системы позволяют построить системы автоматизации практически любой сложности, но это требует высокоуровневого программирования.

Стоимость таких систем отличается от рассмотренных ранее C-Bus и X-10 в большую сторону. Однако AMX и Crestron считаются достаточно надежными системами.

ИНТЕРЕСНО

Именно такими системами оборудован дом Билла Гейтса.

Тем не менее недостатки таких систем также заметны невооруженным глазом: так как вся техника завязана на единый процессор, выход его из строя влечет за собой блокировку всех устройств в доме. С учетом того, что такому процессору придется работать беспрерывно 24 часа в сутки, можно предположить, что такая неприятность все-таки может произойти.

Система BACnet – Building Automation and Control Network – дословно переводится как сеть управления и контроля зданиями. Этот протокол был разработан американским обществом ASHRAE (общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха). Не нужно долго думать, чтобы сообразить, для чего предназначен этот протокол – для управления системами отопления, охлаждения и кондиционирования. Для управления освещением или другими бытовыми приборами этот протокол не применяется.

Программируемые контроллеры BACnet связывают структурированные кабельные системы и различные устройства с маркировкой BACTalk: отопительные, охладительные приборы и кондиционеры. Основное достоинство технологии BACnet – возможность замены устройств различных производителей. То есть любой элемент системы можно поменять, причем устройство не обязательно должно быть той же фирмы или с такой же функциональностью.

В нашей стране BACnet практически не используется.

1.4. Подготовка к созданию цифрового дома. Техническая база

Прежде чем начать собирать систему «умного дома», необходимо разобраться, а что, собственно, вы от нее хотите. Еще более важно понять, какая техника имеется у вас в наличии, а также как много денег вы готовы потратить на создание «умного дома».

Лучше всего для начала набросать схему того, что вы хотите получить. Например, если на кухне вы хотите поставить телевизор, который будет соединен с компьютером и телевизором в спальне, необходимо продумать, каким образом вся эта техника может соединяться в единую систему. Нужен ли вам цифровой медиаадаптер или медиаплеер? Будет ли все это соединено при помощи проводов или посредством Wi-Fi? Какие еще понадобятся устройства, чтобы максимально упростить вам жизнь?.. Подобные вопросы мы рассмотрим в следующих главах. Пока же рассмотрим общие вопросы подготовки к созданию «умного дома».

Протокол, с помощью которого мы можем бродить по сети Интернет, называется IP – Internet Protocol. Тем не менее для «умного дома» вовсе не обязательно быть подключенным к глобальной сети. Хотя с IP-адресами лучше все-таки разобраться – вот они как раз могут понадобиться нам для создания локальной сети.

Что же такое IP-адрес? Поскольку к глобальной сети Интернет подключено огромное множество компьютеров, количество которых растет с каждым днем, все они должны каким-то образом отличаться друг от друга, чтобы техника могла распознавать, к какому серверу в данный момент она пытается обратиться. Для этого-то и был придуман IP-адрес, то есть номер, состоящий из четырех наборов цифр, разделенных точками. Это выглядит, например, так: 192.168.1.15. Вероятно, именно такие адреса вы будете использовать для объединения техники в локальную сеть.

Каждый IP-адрес в Интернете должен быть уникальным. Иначе компьютеры начали бы конфликтовать друг с другом. Формат IP-адреса таков: четыре секции по 8 битов каждая (итого длина адреса 32 бита), разделенные точками.

В отдельной локальной сети IP-адреса также не должны повторяться (например, ваш компьютер будет иметь адрес 192.168.0.2, принтер – 192.168.0.3, а сервер – 192.168.0.1; при этом роутер, который имеет выход в глобальную сеть, будет иметь два IP-адреса: 194.44.186.2 для связи с Интернетом и 192.168.0.3 для локальной сети). Однако IP-адреса в любой локальной сети могут повторяться. При этом ни одна локальная сеть не может знать о существовании другой. Между собой локальные сети могут объединяться лишь посредством внешних маршрутизаторов, имеющих индивидуальные IP-адреса.

Локальные IP-адреса вы можете выбирать сами – никаких правил относительно них нет. Важно только, чтобы они не повторялись в одной сети, иначе конфликтующие устройства не будут давать возможность подключать к сети остальные. Каждому устройству, которое вы собираетесь включить в систему «умного дома», необходимо будет выдать уникальный IP-адрес. То есть каждая сеть должна иметь ее собственный уникальный адрес, и все устройства в ее пределах должны иметь их собственные уникальные IP-адреса. Эту систему можно сравнить с городами: например, в нескольких городах найдется улица Мира, на каждой из них есть дом с номером 9 и квартирами от 1 до 20. Каждая улица Мира будет отличаться лишь названием города, в котором она находится, и индексом.

Одной из технологий, которая может пригодиться в «умном доме», особенно если вы намереваетесь связывать в сеть компьютеры, выходить в Интернет или использовать КПК для управления своим домом и при этом хотели бы обойтись без прокладки многочисленных проводов, является Wi-Fi. Эта технология предназначена для беспроводного доступа на небольших расстояниях, но на достаточно большой скорости. Другими словами, вы сможете бродить по глобальной сети Интернет со своего ноутбука или КПК, не подключая их при этом проводами к модему, или подавать какому-либо устройству с Wi-Fi-картой команды со своего КПК, что, согласитесь, очень удобно.

Как правило, сеть Wi-Fi состоит как минимум из одной точки доступа (Access point) и одного клиента: ноутбука, компьютера, КПК или любого другого устройства, имеющего карту Wi-Fi. Но это минимум. На самом деле вы можете расставить компьютеры или ноутбуки с картами Wi-Fi хоть в каждой комнате, а также пользоваться КПК, мобильным телефоном или любой другой техникой, умеющей работать с Wi-Fi, и все они будут связаны через точку доступа и иметь возможность выходить в Интернет. Кстати, многие устройства позволяют дополнительно использовать Wi-Fi-карту, которую можно приобрести позже самого устройства, что, как правило, указывается в технических характеристиках. Вокруг точки доступа образуется территория, как правило, радиусом не больше 100 м, которую называют зоной Wi-Fi (или хот-спотом). Находящаяся в этой зоне техника, снабженная соответствующими картами и настройками, сможет связываться между собой при помощи точки доступа.

Возможно также подключение между двумя клиентами, то есть двумя компьютерами, компьютером и КПК и т. д. Такой режим называется «точка-точка». Клиенты в таком режиме подключаются напрямую, посредством сетевых адаптеров.

Дальнейшая работа с подключенными к Wi-Fi компьютерами ничем не отличается от их работы в локальной сети. Конечно же, за исключением наличия самих проводов. При желании иметь во всей квартире беспроводной Интернет, точка доступа подключается к модему и, получая данные от него, передает дальше к запрашивающим их устройствам – ноутбуку, компьютеру, КПК.

Буквальный перевод Wi-Fi, то есть Wireless Fidelity, – «беспроводная точность». У нас в стране наиболее распространены три модификации стандарта Wi-Fi: IEEE 802.11a, b и g. Различаются эти модификации максимально возможной скоростью передачи данных и расстоянием между устройствами, на котором будет возможно соединение. Наиболее популярный IEEE 802.11b работает в диапазоне частот от 2,4 ГГц до 2,48 ГГц, максимальная скорость передачи информации – 11 Мбит/с, дальность передачи сигнала – 100 м. IEEE 802.11a работает на частоте 5 ГГц, а IEEE 802.11g – 2,4 ГГц, максимальная скорость передачи данных – 54 Мбит/с. Разрабатываемый стандарт IEEE 802.11n сможет обеспечить доступ на скорости до 320 Мбит/с.

Работает Wi-Fi таким образом. Точка доступа передает свой идентификатор (SSID – Service Set Identifier) каждые 100 мс. Если клиенту известны параметры сети, то есть идентификатор точки доступа, он может подключиться к ней. Однако нужно учитывать, что Wi-Fi имеет ограниченный радиус действия. Например, обычный маршрутизатор стандарта 802.11b или 802.11g, используемый в домашних сетях, имеет радиус действия до 100 м, а если учитывать преграды, то всего 50 м.

Диапазон действия Wi-Fi зависит от частоты: устройства, работающие на частоте Wi-Fi 900 МГц, имеют больший радиус действия, чем устройства с диапазоном 5 ГГц.

Недостатком технологии Wi-Fi можно назвать достаточно высокое потребление энергии. В случае с нашим стремлением сделать свой дом экономичным это нужно учитывать. Но все же потребление Wi-Fi не столь велико, чтобы стоило отказываться от комфорта.

Еще один минус Wi-Fi – возможность легкого взлома (что все-таки можно исправить установкой системы шифрования) и возможность наложения сигналов точек доступа, работающих на одном или соседних каналах. Если одна из этих точек доступа будет использовать систему шифрования или работать в закрытом режиме, а другая будет работать в открытом режиме, доступ ко второй точке может быть затруднен. То есть если вы и ваш сосед установите точки доступа Wi-Fi, могут возникнуть проблемы. Для разрешения проблем подобного рода Wi-Fi стоит настраивать на работу в защищенном режиме, однако это может занять несколько больше времени, чем настройка открытого доступа.

Несмотря на все это, Wi-Fi для «умного дома» – находка. Вам не нужно прокладывать лишние провода, что может, кстати, уменьшить стоимость развертывания сети. Поскольку распространение Wi-Fi очень широко, многие устройства различных производителей умеют взаимодействовать друг с другом, что в случае «умного дома», опять же, просто необходимо.

Родоначальником Bluetooth была компания Ericsson – именно эта компания разработала спецификацию беспроводных персональных сетей в 1998 году. Зарегистрировала и оформила стандарт Bluetooth специальная группа Bluetooth Special Interest Group (SIG), в которую вошли Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia (позже в группу вошли и другие компании). Сначала предполагалось, что технология будет использоваться только для радиосвязи. Однако со временем появились планы по созданию беспроводных локальных сетей, и Bluetooth стали использовать для объединения техники в сети.

Как и Wi-Fi, технология Bluetooth является беспроводной и обеспечивает обмен информацией между устройствами на доступной радиочастоте для ближней связи. Например, между КПК и мобильным телефоном, компьютером и ноутбуком, принтером и цифровой фотокамерой и т. д. Bluetooth-устройства совместимы и работают на частоте 2,45 ГГц. Радиус действия Bluetooth, как правило, от 10 до 100 метров, и зависит он от наличия преград и помех. Сейчас ведутся разработки нового класса стандарта Bluetooth, который сможет передавать данные на расстояния до 40 км.

Для работы со стандартом Bluetooth нет необходимости в том, чтобы технические устройства находились в непосредственной видимости, будучи «нацеленными» друг на друга. Bluetooth использует радиоволны, которые легко проникают через стены и мебель. Каждое Bluetooth-устройство имеет свой уникальный 48-битовый адрес.

Bluetooth является достаточно экономичной и дешевой технологией. Кроме того, устройства с Bluetooth могут быть довольно компактными, поэтому технология используется и в маленьких устройствах. К примеру, благодаря возможности Bluetooth одновременно передавать голосовые данные и обрабатывать информацию технология используется для создания беспроводных гарнитур для мобильных телефонов.

Стандарт Bluetooth допускает передачу как открытой информации, доступной всем устройствам, так и данных в защищенном режиме: либо по паролю, то есть только к зарегистрированным устройствам, либо при помощи защиты данных 128-битовым ключом при передаче в одну или обе стороны.

ИНТЕРЕСНО

Есть версия, что Bluetooth получил столь странное название (blue tooth – «синий зуб», англ.) благодаря датскому королю. Дело в том, что датский король Гарольд Блатанд был знаменит тем, что сумел объединить территорию, на которой сейчас находятся Дания, Норвегия и Швеция. С датского языка Блатанд переводится как «Синий зуб». Видимо, именно поэтому технология, объединяющая устройства при помощи беспроводной связи, стала носить имя короля, который жил в X веке.

Bluetooth работает в диапазоне частот, которые не подлежат лицензированию (кроме Японии, Франции и Испании). Как и Wi-Fi, радиосвязь Bluetooth занимает частоты от 2,4 до 2,48 ГГц.

При взаимодействии нескольких Bluetooth-устройств одно из них становится главным, оно и управляет синхронизацией. Остальные элементы, которых может быть не больше 8, становятся подчиненными (то есть в одной сети должно быть не больше 8 устройств). Если количество элементов оказывается больше, чем 8, образуется еще одна сеть – с еще одним общим устройством. Происходит это автоматически. Однако таких сетей не может быть больше 10.

Радиочастота от источника Bluetooth скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами известна только источнику и приемнику, поэтому даже при наличии нескольких пар Bluetooth-устройств в одном помещении они друг другу не мешают. Каждые 625 микросекунд приемник и источник синхронно перестраиваются с одной частоты на другую по заданной последовательности. Такой алгоритм переключения частот и передачи данных называется FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – широкополосный сигнал по методу частотных скачков). Метод прост в реализации, и, что важно, оборудование для него сравнительно дешево. Кроме того, такой метод обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам. Кстати, алгоритм FHSS одновременно и защищает передаваемую информацию, так как переключение частот определяется для каждого соединения отдельно.

Если передаются цифровые данные, в случае потери какой-либо части информации сигнал передается еще раз – автоматически. В случае же передачи аудиоданных сигнал теряется безвозвратно, то есть не повторяется.

Благодаря поддержке EDR (Enhanced Data Rate – дословно «усовершенствованная передача данных», англ.) современные версии Bluetooth 2.0 и 2.1 позволяют развивать скорость передачи информации до 2,1 Мбит/с и 480 Мбит/с соответственно и совместимы с предыдущими версиями. В Bluetooth 2.1 введена поддержка энергосбережения, позволяющая устройствам работать гораздо дольше, улучшена защищенность, а также есть возможность присоединить к источнику два устройства одновременно.

Таким образом, технология Bluetooth как нельзя лучше подходит для использования ее в «умном доме».