Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Кафедра
Компьютерные системы автоматизации производства
Реферат на тему:
Автоматизация умного дома
Выполнил: студент 1
Курса, гр.РК9-11Б
Хван Евгений
Михайлович
г. Москва, 2017
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………….3
Основная часть………………………………………………………...5
1. История появления концепции «Умный дом»………...…………..5
2. Цели и задачи «Умного дома»……………………………………..8
3. Протоколы связи для умного дома……………………………….10
1.1-Wire……………………………………………………………..10
2.X10………………………………………………………………..11
3.KNX……………………………………………………………….12
4.WI-FI……………………………………………………………...13
5.ZigBee…………………………………………………………......14
6.Z-Wave……………………………………………………………15
7.Insteon……………………………………………………………..16
Заключение………………..…………………………………………..17
Список использованных источников……………………………….18
2
ВВЕДЕНИЕ
Любое здaниe cocтoит из подcиcтeм, кoторые отвечают за определенные задачи, возникающие в процессе эксплуатирования данного здaния. Чем больше подсистем и функций, которые они выполняют, тем сложнее ими управлять. Для решения данной проблемы была изобретена концепция «умного дома».
Умный дом (англ. Smart House) - жилoй дoм сoвременного типа, oрганизованный для комфoртного прoживания людей при пoмощи сoвременных высoкотехнологичных устрoйств. Понятие «умный дом» появилось в 1970г и формулировалось так: «Здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства». Под «умным домом» подразумевается система, которая обязана распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и определенным образом на них реагировать. В «умном доме» все подсистемы объединены в единый управляемый комплекс. «Умный дом» - наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством
3
Концепция «умного дома» c остоит из следующих положений:
- Интегрированная система управления зданием – системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания.
- Устранение всего обслуживающего персонала здания и передача функций контроля подсистемам интегрированной системы управления зданием.
- Реализация механизма мгновенного отключения и передачи при необходимости управления человеку любой подсистемой интеллектуального здания.
- Обеспечение корректной работы отдельных подсистем в случае отказа общей управляющей системы или других частей системы.
- Минимизация стоимости обслуживания.
- Наличие в здании проложенной коммуникационной среды.
4
Основная часть
1.История появления концепции «Умный дом»
«Умные дома» впервые задумали сделать в США. Одними из первых «умными» зданиями в середине XX века стали дома богатых американцев, оборудованные электроникой. Но в наше время уже практически все привыкли к электронным приборам, таким как микроволновая печь, стиральная машина, кондиционер, вентилятор или встроенный в стену телевизор с системой дистанционного управления.
В качестве комплексного решения задачи стали появляться интеллектуальные здания ( Intelligence Buildings ), в их основе лежала структурированная кабельная сеть. За счет нее можно было коммутировать и пользоваться одним и тем же кабелем для потребностей системы безопасности, АТС, компьютерных сетей и др. Затем появились мультиплексированные системы каналов связи, которые позволяли передать одновременно по одному проводу разную информацию. Благодаря бурно развивающейся информатике эти работы форсировались. К тому времени стало понятно, что проекты кабельных систем зданий устаревают еще до окончания строительства.
Так как данное направление сразу зарекомендовало себя как сверхприбыльное, в него были вложены немалые инвестиции. Так возникла идея создания «умных домов».
5
Впервые эту задачу решили компании Leviton и X10 USA в 1978 г. Ими была разработана технология управления бытовыми электроприборами по проводам сети. Но данная технология предполагала частоту 60 Гц и напряжение сети 110 В, из-за чего не стала популярной в России. Однако Х10 уже устарел, так как его использовали для электроосветительных устройств, а выполнял он всего 6 команд по управлению питанием. Но этого недостаточно, чтобы создать «интеллектуальный дом». Для видео- и аудиотехники нужны многие команды: смена каналов, изменение громкости, перемотка и управление воспроизведением, а нужно ведь еще и управлять системами кондиционирования, вентиляции воздуха и отопления (HVAC).
Для решения данных задач была создана Ассоциация электронной промышленности EIA, развивающая стандарт шины бытовых электронных приборов Consumer Elektronic Bus (CEBus), утвержденный в 1992 г. Сейчас стандарт открыт, поэтому любая фирма может произвести оборудование, в котором используется CEBus. При управлении разными устройствами выбирается наиболее удобная среда передачи: осветительные приборы — по электрической проводке, видеооборудование — по коаксиальному кабелю, кондиционеры и осветительные устройства — по витой паре. Радиосигналы и инфракрасные лучи — вообще универсальный способ. Взаимодействие между узлами домашней сети и исполнительными устройствами происходит через data bridges - мосты и роутеры, которые соединяют различные носители данных и сигналов. Основное преимущество CEBus перед Х10 — наиболее быстрая скорость при обмене данными на любом носителе (достигает 10 кбит/с). Это позволяет ускорить реакцию системы и уменьшить период активного состояния каждого узла.
6
Фирма Echelon создала действительно интеллектуальную систему в виде протокола LonWorks. Интеллектуализацию всех узлов сетей управления обеспечивают микропроцессор Neuron 3120, 3150 Chip (иногда более мощный микропроцессор — Motorola 68H360), микросхемы, сконструированные в Echelon и выпускаемые корпорациями Toshiba и Motorola. LonWorks (или LonTalk) — это коммуникационный семиуровневый протокол, который поддерживается практически всеми процессорами. Благодаря этой системе можно держать на компьютере базы данных наблюдения за различными сенсорами настроек и соответственно реагировать на определенные события. Доступ к сети возможен через Ethernet или модемные линии. Затем создали программное обеспечение Intellect, которое поддерживает базу данных LonWorks.
Сейчас уже системы зашли еще дальше в плане возможностей. Так, европейская система Instabus (или американская PowerLine) предлагает комплексное решение задач и больше возможностей для автоматизации. Недостаток этой технологии заключается в необходимости их проектирования и закладки еще на стадии строительства элитного здания или коттеджа, потому что данные системы не встраиваются в готовый вариант. Если же жилье сразу проектировалось под эти технологии, то переконфигурировать его будет просто.
7
2. Цели и задачи «Умного дома»
При проектировании системы «Умный дом» одной из задач является объединение отдельного оборудования различных производителей в одну хорошо слаженную автоматизированную систему.
Такой комплекс непрерывно отслеживает работу всего оборудования и, благодаря взаимодействию всех систем, дает возможность сократить затраты и повысить безопасность, надежность и комфортность Вашего помещения, а также бережет силы своих хозяев, выполняя за них ежедневную, рутинную работу.
Другой задачей является помощь Заказчику в определении компонентов, нужных для автоматизации индивидуальной системы «Умный дом».
Практика также показывает, что наиболее востребованной системой является система освещения. Вторая наиболее востребованная система – система безопасности. Третьей важной системой является домашний кинотеатр. Важно еще на стадии проектирования учесть различные системы и проложить для них кабели.
8
Следующей важной задачей является разработка сценария «Умного дома», т.е. запрограммированное поведение системы «умного дома» для определенного события. Для этого создается «библиотека сценариев», т.е. варианты – «никого нет», «вечеринка», «гость», «праздник», «утро», «вечер», «отпуск» и т.д. Для каждого Заказчика разрабатываются различные виды индивидуальных сценариев.
Сценарий «Умного дома» будет включаться в ответ на запрограммированное действие – нажатие на кнопку пульта, сигнал с датчика движения, команда компьютера, срабатывание таймера и т.д. В данный момент на стадии разработки «Умного дома» - система распознавания речи и принятия голосовых команд на русском языке.
После завершения работ по проектированию, установке и программированию системы в доме, Вы получаете в руки монитор с сенсорным экраном размером не более экрана ноутбука. На нем, в удобной форме, представлены все необходимые средства управления домом. Системой допускается управлять даже через Интернет.
9
3. Протоколы связи для умного дома
1-Wire: Пожалуй, самый банальный способ связать все устройства воедино — это взять на вооружение стандарт 1-Wire. Дело в том, что основной магистралью для передачи данных здесь выступает двунаправленная шина, которая в простейшем случае выглядит как двужильный провод. Другими словами, при создании сети можно обойтись даже дешевым телефонным кабелем. Один провод в данном случае используется для питания и передачи данных, другой — для заземления.
Топология сети — общая шина, т. е. ведомые устройства буквально «нанизываются» на единый кабель, как бусины на нить. Конечно, сеть 1-Wire не обязана выглядеть топорно: можно взять за основу качественную «витую пару» или FireWire-кабель, а компоненты подключить через RJ-розетки. Собственно, чем добротнее организована сеть, тем большую протяженность она может иметь: в идеальных условиях это значение достигает 300 метров. Тем не менее, главная «фишка» данного стандарта — дешевизна и неприхотливость. Есть у него и негативная характеристика — низкая отказоустойчивость.
«Гирлянда» из устройств 1-Wire, как правило, подключается к компьютеру — для этого используются специальные адаптеры. Реже управление сетью отдается на откуп микроконтроллеру. Обычно список используемых компонентов 1-Wire ограничивается датчиками температуры, освещенности, влажности и протечки, а также электрическими розетками, способными включаться и отключаться по команде. В некоторых случаях данное решение также используется для управления освещением. В целом, 1-Wire подойдет экономным пользователям, которые не предъявляют серьезных требований к функционалу умного дома.
10
X10: стандарт, разработанный еще в далеком 1975 году. Пик его популярности уже позади, но, тем не менее, он по-прежнему активно используется при проектировании умных домов. Секрет подобной живучести — необычайная универсальность при относительно низкой стоимости. В отличие от 1-Wire, X10 не требует прокладки специального кабеля: для передачи сигнала используется электропроводка здания. Также предусмотрена возможность использования трансиверов, которые ловят радиосигнал от беспроводных устройств, преобразуют его в нужный формат и передают в электрическую сеть. Данная функция используется для взаимодействия с датчиками и пультами ДУ.
X10 может похвастаться обилием всевозможных исполнительных модулей (актуаторов): при их должной подборке, автоматика способна управлять электроприборами, освещением, отоплением, вентиляцией и охранными системами. Можно даже заставить ваш дом самостоятельно осуществлять полив растений и регулировать степень открытия оконных штор на основании различных факторов. Для корректной работы всего этого добра необходимы специальные контроллеры. Как правило, их можно единожды запрограммировать с помощью компьютера, и в дальнейшем они будут выступать в качестве независимых устройств.
Серьезным недостатком X10 является низкая скорость передачи данных, из-за которой отклик на какое-либо действие происходит с секундной задержкой. Ну, а поскольку команды передаются последовательно, то, скажем, организовать сложное динамическое освещение посредством данного протокола практически невозможно. Кроме того, для использования X10 может потребоваться незначительная доработка электропроводки.
11
KNX: дорогостоящий вариант, пользующийся популярностью в Европе.
Стандарт характеризуется обилием заложенных в него функций, а также сложностью проектирования и монтажа. В качестве среды для передачи данных протокол KNX может использовать шину (витую пару), электрическую сеть или радиоканал. Чаще всего применяется первый вариант, нередко необходимые провода прокладываются совместно с силовыми кабелями еще на этапе строительства. Стандарт предусматривает различные варианты топологии сети. Итоговая система обязана иметь собственный источник питания, но при этом в ней может отсутствовать центральный контроллер, т. е. KNX позволяет создавать децентрализованные решения, в которых сенсоры и исполнительные модули взаимодействуют напрямую. Протокол подходит для автоматизации крупных зданий, в одну сеть можно объединить до 58000 устройств. Актуаторы в данном случае отличаются разнообразием и позволяют под завязку «упаковать» дом нетривиальным функционалом.
С программно-аппаратной точки зрения KNX хорош — это серьезный стандарт для решения серьезных задач. Но он плохо подходит для энтузиастов-одиночек: оборудование стоит дорого и связать его воедино непросто. Ну а если доверить проектирование и монтаж KNX-решения специалистам, то итоговая стоимость проекта будет очень высокой.
12
Wi-Fi: Вездесущий Wi-Fi используется практически в каждом умном доме.
Обычно этот стандарт связи применяется для того, чтобы “подружить” смартфон или планшет с уже готовой автоматизированной системой. Мобильное устройство всегда под рукой, а потому управлять домом с его помощью, порою, удобнее, чем использовать для этой цели компьютер, настенную сенсорную панель, пульт ДУ или интерпретатор речи. Особенно это актуально в тех случаях, когда для взаимодействия с системой предусмотрено специальное приложение, а не только веб-интерфейс.
Иногда Wi-Fi применяется для связи с устройствами, которые могут функционировать автономно, без помощи «умной» сети. Пример такого гаджета — лампочка LIFX. В последнее время подобные устройства набирают популярность, ведь они позволяют приобщиться к технологиям умного дома, не тратя время и силы на установку вспомогательного оборудования. Для сложных систем автоматизации Wi-Fi не подходит: модули связи этого стандарта дороги и очень прожорливы, а демонстрируемые ими скорости в рамках умного дома попросту не востребованы.
13
ZigBee: протокол связи по радиоканалу, превосходно вписывающийся в концепцию умного дома.
Во-первых, стандарт позволяет создавать датчики с низким энергопотреблением и превосходной отзывчивостью: большую часть времени их беспроводные модули находятся в спящем режиме, но на пробуждение последних тратится всего 15 миллисекунд. Во-вторых, ZigBee поддерживает ячеистую топологию 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, так что при грамотном подходе ZigBee можно использовать для автоматизации не только жилых домов, но и крупных рабочих помещений.
Компоненты сети разделяются на три типа: координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства. Первые берут на себя функции управления сетью, т. е. в системе обязательно должен присутствовать хотя бы один координатор. В роли маршрутизаторов выступают устройства-посредники. Они обязаны быть «на взводе» постоянно, и потому нуждаются в питании от электросети. Конечные устройства — это всевозможные датчики и контроллеры исполнительных устройств. Они могут работать от комплекта батареек месяцами и даже годами.
В целом, ZigBee подходит для решения всех типовых задач, связанных с проектированием умного дома. При этом стоимость оборудования можно назвать умеренной, да и процесс монтажа относительно прост.
14
Z-Wave: протокол беспроводной связи, который во многом схож с ZigBee — здесь и низкое энергопотребление, и поддержка ячеистой топологии сети.
Эти стандарты также сопоставимы по стоимости оборудования. Разумеется, при детальном изучении протоколов можно обнаружить некоторые различия в технической части, однако куда важнее тот факт, что их разработчики по-разному относятся к вопросу стандартизации. У Z-Wave с этим строго: все устройства, вне зависимости от фирмы-производителя, базируются на беспроводных модулях Sigma Designs (именно эта компания разработала протокол). Как следствие, все они совместимы друг с другом. Также для данного стандарта выпущено меньше программного обеспечения, нежели для ZigBee, но зато оно гарантированно работает с любым оборудованием Z-Wave.
Таким образом, Z-Wave — это “конструктор LEGO” от мира умных домов. Да, это не самый дешевый и не самый надежный вариант, но для тех, кто хочет самостоятельно автоматизировать свое жилище, он подойдет как нельзя кстати.
15
Insteon: пользуется большой популярностью в США, однако в Европу и Россию он пришел совсем недавно.
Фактором, сдерживающим распространение, стала несовместимость изначальной версии протокола с нашими электросетями: как и X10, Insteon использует проводку здания для передачи сигналов. Однако, в отличие от устаревшего конкурента, новый стандарт также поддерживает связь по радиоканалу, причем проводная и беспроводная сеть функционируют одновременно, дополняя друг друга и существенно повышая надежность автоматизированной системы. Кроме того, у Insteon нет проблем с отзывчивостью, свойственных X10.
К плюсам Insteon также можно отнести ячеистую топологию сети и совместимость с устройствами X10: есть возможность постепенно перейти со старого стандарта на новый. Интересная особенность — возможность организовать работоспособную сеть без использования центрального контроллера. Конечно, в этом случае функционал умного дома будет сильно ограничен, но сам факт радует.
С точки зрения проектирования, заморский гость схож с Z-Wave: все жестко стандартизировано, значительная часть оборудования выпускается под брендом Insteon самими создателями протокола — фирмой Smartlabs. Систему для умного дома на основе нового стандарта можно собирать постепенно, докупая необходимые компоненты по ходу. В общем, Insteon хорош. К его минусам можно отнести разве что проблемы с доступностью нужного оборудования в России.
16
Заключение
Технология «Умный дом» — это интеллектуальная система управления домом, обеспечивающая автоматическую и согласованную работу всех систем жизнеобеспечения и безопасности. Такая система самостоятельно распознает изменения в помещении и реагирует на них соответствующим образом. Основной особенностью такой технологии является объединение отдельных подсистем и устройств в единый комплекс, управляемый при помощи автоматики.
Была рассмотрена история создания концепции проекта «Умный дом», её ход развития и положение на данный момент времени.
Главные протоколы связи «Умного дома»- 1-Wire, X10,KNW,Wi-Fi,ZigBee,Z-Wave,Insteon.
Таким образом «Умный дом» - это вполне продуктивный и “благодарный” способ вложения средств и времени.
17
Список использованных источников
1. И. Федоров, «Сколько этажей у интеллектуального здания?» - "Бизнес: Организация, Стратегия, Системы", №10 1999 г.
2. В. Архипов «Системы для «интеллектуального» здания» - "СтройМаркет", №г.
3. А. Авдуевский «Крыша для интеллекта» - «Журнал сетевых решений LAN», №12 1998 г.
4. Информация сайта <https://www.ferra.ru>
Информация сайта http://www.beckhome.ru
18