Список использованных источников

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 здaниecocтoит из подcиcтeм, кoторые отвечают за определенные задачи, возникающие в процессе эксплуатирования данного здaния. Чем больше подсистеми функций, которые они выполняют, тем сложнее ими управлять. Для решения данной проблемы была изобретена концепция «умного дома».

Умный дом (англ. SmartHouse) - жилoй дoм сoвременного типа, oрганизованный для комфoртногопрoживания людей при пoмощи сoвременных высoкотехнологичныхустрoйств. 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» cостоит 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 (IntelligenceBuildings), 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 ConsumerElektronicBus (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 databridges - 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 мониторс сенсорным экраном размером не более экрана ноутбука. На нем, в удобной форме, представлены все необходимые средства управления домом. СистемойдопускаетсяуправлятьдажечерезИнтернет.

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 негативнаяхарактеристика — низкаяотказоустойчивость.

«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 SigmaDesigns (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