ЖИЛИЩЕ
Умный дом. Кто сказал - умный дом? Почему умный? Почему дом? Почему не автоматизированный коттедж? Хочется разобраться во всем этом. Какую работу мы хотели бы передоверить своим автоматизированным помощникам? И как эти помощники будут понимать и предугадывать наши мысли и желания?
Для начала давайте пофантазируем на тему, что же должен представлять из себя и что должен уметь делать "умный дом". Разбивая поставленную задачу на составляющие, разумно выделить четыре области:
- автоматизация;
- безопасность;
- компьютерно-универсальная деятельность;
- медиаинформация.
Эти области могут быть связаны между собой информационными потоками. Рассмотрим различные варианты их применения. Начнем с самого простого, понятного и наиболее доступного - контроля над освещением.
С помощью разных систем управления можно контролировать каждый источник света во всех помещениях независимо от того, где располагается светильник и какого он типа. Мало того, вы можете управлять освещением практически из любого места, даже находясь далеко от дома.
Неплохо поставить датчик движения - свет включится сам, как только приоткроется дверь в комнату или на лестничную площадку, причем нужной яркости, так, чтобы было достаточно светло и при этом не слепило глаза. Есть информация и для счастливых обладателей коттеджей: если датчики перемещения установить на улице, то "умный дом", обнаружив перемещающийся объект, может включить освещение снаружи и при этом передать сигнал об обнаружении объекта.
Помимо дистанционного управления система сможет изменять работу световой автоматики в зависимости от различных внешних воздействующих факторов: от присутствия в помещении человека, от времени суток и времени года, от погодных условий, освещенности, да и просто от настроения хозяина.
Возможно создание световых сценариев для сопровождения намеченной вечеринки. А при необходимости "умный дом" будет имитировать присутствие хозяев, каждый вечер включая в разных помещениях с определенной яркостью свет, а с наступлением ночи выключая его и оставляя лишь дежурное освещение. Таким образом, в отсутствие хозяев у стороннего наблюдателя будет полная иллюзия того, что в доме есть люди.
Многие знают о системе пожароохранной безопасности, которая отправляет соответствующие сигналы на пульт наблюдения охранных структур. Эта система отлично вписывается в структуру "умного дома", становясь одной из составных частей домашней автоматизации. Она активизируется при поступлении сигнала от какого-либо датчика (протечки воды, утечки газа, задымления, проблемы с электропроводкой и электроприборами) или от охранной системы, набирает заданный телефонный номер и после ответа абонента воспроизводит записанное голосовое сообщение - либо отправляет его на пейджер. Главное при этом - не забыть помимо систем оповещения установить еще и системы активного пожаротушения, а также перекрывающие клапаны на системы подачи воды, газа и теплоносителей.
И тогда получится, что состояние всей электросиловой структуры вашего дома, потребляемая приборами мощность, состояние рабочих элементов - все окажется под контролем.
Вообще возможности системы сигнализации, а также аудио- и видеоподсистем очень широки - они ограничиваются только практическими нуждами и вашей фантазией.
Представляя себе "умный дом", вы наверняка подумаете о том, что в нем нужно поддерживать определенную температуру, климат. А главное, что вы этим климатом сможете управлять, или, еще лучше, что система, изучив ваши привычки, сама будет понимать ваши желания и принимать правильные решения. "Умный дом" может в каждом помещении поддерживать индивидуальные параметры: температуру, влажность, приток свежего воздуха - все в зависимости от конкретных нужд. К тому же он самостоятельно создаст вам комфортные условия для сна - к ночи температура понизится, а к утру поднимется. А если вас нет дома, то на расстоянии по вашему запросу сообщит вам о функционировании всех элементов, а также выполнит ваши приказы - например, откроет окна, чтобы проветрить помещения.
Разумно здесь же упомянуть о таких возможностях "умного дома", как уход за домашними растениями или газонной травой. Он будет поливать их не только в соответствии с заданным временем, но и с учетом влажности грунта, а также по зонам, т. е. в зависимости от потребностей каждого растения. Если вы поставите датчики в зимнем саду, "умный дом" будет контролировать влажность, температуру и освещенность и принимать все необходимые меры, чтобы ваши любимцы всегда выглядели великолепно. Аквариумные рыбки также могут находиться под присмотром "умного дома".
У вас наверняка возник вопрос, как наладить общение со своим домом и со всеми приборами внутри него. Не будет ли сложно управлять той массой функций, какую может осуществить "умный дом"? Ответ однозначный: нет.
Самым простым способом управления являются кнопочные панели, где каждая кнопка соответствует какому-то прибору, группе приборов или означает последовательность действий, которые нужно выполнить. Кнопки, как правило, снабжаются световой индикацией состояния соответствующего прибора. Возможно и голосовое управление, именно оно наиболее вероятно в будущем.
Наконец, остается еще одно современное и мощное средство общения c "умным домом" - посредством Интернета. С любого компьютера, подключенного к Сети, можно узнать, все ли в порядке, просмотреть записи камер видеонаблюдения и даже увидеть текущее изображение с них. При необходимости система может регулярно посылать своему владельцу по электронной почте или по телефону отчет о состоянии дома, присутствии там людей, погоде и о многом другом. Конечно же эта информация будет доступна только хозяевам. Системы шифрования и защиты на сегодняшний момент достаточно развиты и с большим трудом поддаются взлому.
А теперь, пожалуй, самое главное. Система "умный дом" должна быть думающей и самообучающейся. Она будет заниматься систематическим анализом желаний своего владельца, чтобы постоянно угождать ему - выделять из всех присутствующих в доме и верно реагировать на каждое движение. И тут интересны системы интеграции человека в киберсреду. Вживленный интерфейс быстрее и лаконичнее множества пультов и тач-панелей сможет донести до системы всю гамму чувств, ощущений и желаний владельца системы, даже без помощи голосового управления. Это совершенно другой уровень взаимоотношений, где человек является частью киберсреды, а система "умного дома" - некой чувственной периферией его (человека) организма. Но это - реалии далекого будущего.
Разумеется, автоматизировать свой дом - престижно, ведь сейчас это одно из передовых направлений в технике, нацеленных на благоустройство домов и офисов. Про безопасность уже много было сказано, она является основной и главнейшей задачей "умного дома". Немаловажна и функция энергосбережения. Пока такая функция не слишком востребована. Но цены на энергоносители постоянно растут, и в скором будущем нам понадобится помощник, умеющий экономить нашу энергию и наши деньги. "Умный дом" - это самая комфортная система управления домом и офисом на сегодняшний день.
Термин "умный дом" появился на заре автоматизации жилища - приблизительно в 50-е годы в США. Предлагаю несколько градаций этого понятия.
1. Автоматизированное жилище - слабо насыщенное разными автоматами, которые не обладают высокой функциональностью и не связаны друг с другом. Кстати, самый простой пример такого автомата - холодильник, поддерживающий заданную температуру в заданном объеме. Для управления автоматами дому нужен "умный хозяин".
2. Роботизированное жилище - оснащенное массой контроллеров повышенной функциональности, взаимодействующих между собой по какому-либо алгоритму. На сегодняшний день все предлагаемые проекты и часть бытовой техники относятся к этой категории. Реально называть их "умным домом" нельзя, поскольку "умный дом", по мнению автора, предполагает обучение и адаптивное мышление.
3. "Умный дом" - жилище, управляемое сложной, взаимосвязанной компьютеризированной системой. Это система, изучающая и понимающая своего хозяина, основанная на адаптивных технологиях. По всей видимости, таким и должен быть "умный дом", дом будущего. Реальные проекты в этой области ведутся только в университетах США и Европы.
Коммерческих проектов еще нет, но их появление не за горами.
Среда взаимодействия устройств "умного дома"
Но какой бы сложной ни была начинка, все 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 - 32767.
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 ее 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 ее 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*1 ламп накаливания, галогенного и люминесцентного освещения с нагрузками до 20 А на канал, формирование любых световых сценариев, поддержание определенного уровня освещения и т. д.;
_____
*1 Диммирование - плавное управление яркостью ламп.
- 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, надежно 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 ее 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 ее 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 ее не предвидится. Работа протоколов совершенствуется, каждый производитель постоянно выбрасывает на рынок все 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 все приходится платить. Техника "умного дома" является высокотехнологичной, построенной на последних достижениях электроники, а потому не может быть общедоступной, ее 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 ее 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" создается 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".
