Все новости от 23 мая 2005 г.

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* 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”.

*Диммирование — плавное управление яркостью ламп.