СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Обзор и постановка задачи
1.1 Базовые понятия «Умного дома»
1.2 Анализ развития системы «Умный дом»
1.3 Возможности «Умного дома»
1.4 Обзор основных решений при проектировании систем автоматизации здания
1.5 Обзор основных стандартов связи для сети «Умного дома»
1.6 Постановка задачи
1.6.1 Анализ (формирование) требований к проектируемой системе
2 Проектирование системы управления модулями «Умного дома»
2.1 Основные проектные решения построения системы «Умный дом»
2.2 Система освещения
2.3 Система безопасности
2.3.1 Подсистема контроля и управления доступом
2.3.2 Охранная сигнализация
2.3.3 Подсистема видеонаблюдения
2.3.4 Состав системы безопасности
2.4 Калькуляция затрат на оборудование и комплектующие
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
«Умный дом» – это одно из приоритетных направлений развития Интернета вещей (IoT), в котором работает огромное количество компаний, предлагающих различные решения по созданию управляемой автоматизированной системы здания. Концепция «Умный дом» продолжает эволюционировать и получила широко применение в домах Европы и США. Активное внедрение систем комплексной автоматизации зданий происходит и в России, где особенно перспективны считается направления создания «Умных» систем для корпоративного сектора.
Целью данной работы является опытное проектирование аппаратной части телекоммуникационной составляющей системы «Умный дом» для ООО «Браво Моторс СРС», в которую входят:
- система освещения здания;
- система безопасности и мониторинга;
- удаленный контроль и управление системой.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выбор необходимого оборудования и платформы управления системой «Умный дом» для построения сети;
- проектирования сети связи для взаимодействия компонентов здания друг с другом и пользователем системы;
- калькуляция затрат на оборудование проектируемой системы.
Чтобы выполнить данные задачи были определены следующие этапы проектирования:
- анализ основных существующих решений при проектировании систем автоматизации дома;
- анализ основных стандартов связи для сети «Умный дом»;
- на основе предыдущих двух пунктов выбрать платформу для построения системы «Умный дом»;
- подбор необходимого оборудования;
- проектирование сети здания;
- калькуляция затрат на оборудование проектируемой системы.
1. Обзор и постановка задачи
Данный раздел посвящен анализу предметной области системы «Умный дом», ее развитию и постановке задачи дипломного проекта. Будут рассмотрены основные существующие на рынке решения при проектировании автоматизированной системы управления здания и наиболее распространенные стандарты связи для организации сети между «Умными» устройствами дома.
1.1. Базовые понятия «Умного дома»
Концепция «Умного дома», родившаяся в семидесятых годах прошлого века, была ориентирована, прежде всего, на экономию электроэнергии, которая обходилась, да и по сей день обходится американцам и европейцам очень дорого. В основе концепции лежало размещение в жилом доме различных датчиков (движения, инфракрасных и других), определявших, находится ли кто–нибудь в помещении, что позволяло включать и выключать свет в зависимости от наличия людей в комнате, а также при необходимости регулировать его мощность. По мере развития высоких технологий, концепция стала обрастать дополнительными возможностями.
«Умный дом» (англ. Smart house) – данный термин обозначает концепцию автоматизации жилья, которая является одной из приоритетных направлений в развитии Интернета вещей (IOT). Если рассматривать современное здание как множество инженерных подсистем, каждая из которых из которых выполняет свою функцию, обеспечивающая комфорт, безопасность и уют, то «Умный дом» обычно позволяет объединить следующие подсистемы (модули) в единую сеть управления зданием:
- подсистема вентиляций, кондиционирования и отопления;
- подсистема освещения;
- подсистема управления и связи;
- подсистема электропитания;
- подсистема безопасности и мониторинга.
Каждая инженерная подсистема «Умного дома» состоит из совокупности сложных программируемых интеллектуальных приборов, которые позволяют соответствующими образом на конкретных ситуации за счет программно–аппаратных средств, и автоматическая подстраиваться под потребности человека.
Подсистемы «Умного дома» предоставляют широкие возможности, дополнительный комфорт и относительную выгоду для потребителя. Выгода от эксплуатации системы выражается в экономии на коммунальных расходах от электропитания, отопления, водоснабжения и многом другом, которая достигается за счет реализаций различных сценариев работы системы. К подобным сценариям можно отнести, например:
- отключение приборов, которыми на текущий момент времени не используются;
- включение, отключение и регулировка яркости осветительных приборов на основе данных о времени суток и информации, полученной от датчиков движения и освещения в помещении;
- регулирование температуры комнаты в зависимости от присутствия человека дома, установления «ночного режима»;
- контроль расходы воды, газа и своевременное устранения их утечек.
В общем случае схема системы управления модуляции «Умного дома» состоит из:
- интерфейса управления: web-интерфейс, кнопочные выключатели, пульты дистанционного управления, сенсорных панели;
- различных датчиков: движения, освещенности, температуры, давления и тому подобное;
- управляемых устройств: светильники, приводы жалюзи, кондиционеры и тому подобное;
- центрального блока управления;
- сети управления устройствами, построенной на различных протоколах: ZigBee, KNX, X10, LoraWAN, 6LowPAN и тому подобное;
- вспомогательные сети: телефония, Ethernet и тому подобное;
- программного обеспечения системы.
Центральный блок управления, который выполняет функцию управления подчиненных ему устройств, как правило, содержит многозадачную операционную систему, web-сервер, инструментальные средства программирования. Управляемые устройства и датчики располагаются в определенных местах помещения и соединяются сетью с центральным блоком управления.
Здание проектируют таким образом, чтобы все системы его управления могли интегрироваться друг с другом с минимальными затратами, а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом. Проект обязательно предполагает возможность наращивать и видоизменять конфигурации инсталлированных систем.
Общие алгоритмы работы системы «Умный дом»:
- алгоритм выполнения функции управления устройствами пользователем:
- пользователь через интерфейс управления системой задает определенные параметры управления устройствами;
- заданные параметры обрабатываются центральным блоком управления, который затем генерирует команды для управляющих устройств;
- устройство управления реагирует по заранее заданному алгоритму в соответствии с принятыми командами;
- алгоритм выполнения функции отображения пользователю полученной информации датчиком и/или управления с помощью датчика:
- установленные датчики передают полученную информацию из окружающей среды и передают ее на центральный блок управления или сразу управляющие устройства (технология mesh–сети);
- если информация сперва передана на центральный блок управления, то он ее обрабатывает и отправляет сгенерированные команды:
- на управляющее устройство;
- на интерфейс взаимодействия с пользователем;
- одновременно и на управляющее устройство, и на интерфейс взаимодействия с пользователем;
- устройство управления реагирует по заранее заданному алгоритму в соответствии с принятыми командами, интерфейс взаимодействия с пользователем отображает информацию от датчиков в удобном виде.
Сгенерированные команды в процессе выполнения алгоритмов работы системы «Умный дом» передаются как на собственной сети, так и по вспомогательной. Способы генерации команд, а также форма и состав отображаемой информации о состоянии систем закладывается на этапе разработки программного обеспечения.
Рисунок 1 – Общая концепция системы «Умный дом»
1.2 Анализ развития системы «Умный дом»
Несомненно, существуют некоторые барьеры, препятствующие развитию концепции «Умный дом»: во–первых, множество различных сетевых протоколов и отсутствие общепринятых стандартов; во–вторых, вопросы безопасности, которые стали объектом внимания многих компаний, работающих в сфере IoT (Internet of Things); в–третьих, самый сложный для продления, это психологический барьер, связанный с неуверенностью людей в безопасности, стоимости и в целом нужности подобной системы.
Однако, несмотря на эти барьеры в развитии, концепция «Умный дом» имеет хорошие перспективы.
На начало 2016 года технологии «Умного дома» являются одним из самых быстрорастущих и массовых среди всех сегментов IOT и по программам многих авторитетных международных консалтинговых компаний (IBSG, IDC, BI Intelligence, Garther, Statista, ABI Research) количество «Умных вещей» в ближайшие 5 лет будет только расти, что обеспечит рост домов на рынке товаров «Умный дом».
Согласно исследованию Statista, объем мирового рынка товаров «Умный дом» на 2015 год составил 9,793 млн. долл. и уже к 2020 году увеличится в четыре раза до 42,987 млн. долл., по оценке ABI Research доля продаж домашней автоматизации к 2019 году составила 25% по сравнению с 20% в настоящее время. Прогноз состояния мирового рынка «Умный дом» представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Прогноз состояния мирового рынка «Умный дом»
1.3. Возможности «Умного дома»
Под термином «Умный дом» обычно понимают интеграцию в единую систему управления зданием следующих систем:
- система микроклимата;
- система мультирум;
- система управление освещением, шторами, жалюзи;
- система безопасности;
- домашний кинотеатр;
- системы связи (Интернет, телефония, компьютерная сеть);
- система силовой электрики;
- система водоснабжения;
- система канализации;
- любые другие, при необходимости.
Система микроклимата позволяет комплексно контролировать и управлять теми инженерными системами в доме, которые оказывают воздействие на воздух, его температуру и влажность.
Система микроклимата объединяет в себе:
- вентиляцию;
- кондиционирование воздуха;
- увлажнение;
- теплый пол;
- отопление.
Объединяя системы отопления, теплый пол, систему кондиционирования, вентиляции, увлажнения, система микроклимата способна сбалансировать их работу. Выбирая, каким способом, с помощью какой из систем, реализовать ту или иную задачу, система микроклимата опирается на принцип рациональности – она изначально запрограммирована экономить ресурсы, время и деньги.
Система создает индивидуально комфортный для человека микроклимат. Ведь ни для кого не секрет, что только здоровый свежий воздух, приятной для организма температуры, образует ту атмосферу, в которой и продуктивно работается и полноценно отдыхается. Поэтому столь важно автоматически регулировать температуру, влажность и насыщенность кислородом воздуха, чтобы сохранять эту полезную для человека атмосферу.
Мультирум (Multiroom) – система распределения аудио и видео сигналов от различных источников в несколько отдельных зон, удаленных помещений.
В определенном месте дома концентрируется вся техника, которая может являться источником аудио и видео – это может быть, например, спутниковый TV–тюнер, радио, компьютерный сервер с цифровыми данными, IPod, DVD чейнджер и тому подобное. Все источники подключаются к специальному ресиверу – с ним связываются все зоны, в которых следует выводить музыку или изображение.
Таким образом, нет необходимости во всех комнатах устанавливать свои источники звука и видео. Сигналы из Multiroom по специальным каналам распределяются по всему дому, и из каждого подключенного к системе помещения можно выбрать один из доступных источников данных.
Можно во всех комнатах вывести на динамики любимую музыку, и перемещаясь из помещения в помещение, слышать ее в идеальном качестве и с комфортной громкостью.
Система управления освещением позволяет организовать включение/выключение и регулировку яркости различных источников света в квартире или доме в соответствии с заданными сценариями. Добиться удобного управления электроосвещением, обеспечить работу групп света по таймеру, датчикам движения и освещенности. Кроме того, интеллектуальное управление светом позволяет оптимизировать пользование световыми приборами, что в свою очередь приведет к сокращению электропотребления (от 15 до 35 % экономии) и увеличению срока службы ламп в световых приборах.
Источниками света в интерьере любого помещения могут быть не только естественное освещение, люстры и всевозможные бра, но и специальные осветительные элементы, приборы, позволяющие организовать подсветку определенных зон в интерьере. Очень часто эти световые акценты позволяют совершенно иначе представить пространство, реализовать эффектную задумку дизайнера или архитектора.
Система безопасности для загородного дома может охватывать не только всю площадь здания, но и примыкающую к нему территорию.
Охрана периметра владения осуществляется с помощью специальных датчиков и аппаратуры видеонаблюдения. Другие датчики, аппаратура и контроллеры обеспечивают безопасность внутри дома. В случае несанкционированного доступа или любого иного форс–мажора система отслеживает событие по реакции датчиков (например, датчика открытия двери, датчика повреждения окна, датчика задымления, датчика изменения объема в помещении), оповещает службу безопасности (сигнализирует охране, информирует службы быстрого реагирования и владельца (например, по SMS). Возможен удаленный мониторинг – просмотр записи с видеокамер посредством Интернета.
Система безопасности может иметь несколько режимов: жесткий – в отсутствие хозяина, умеренный – в ночное время и нормальный – в дневное время. Возможно программирование любых других режимов и автоматических действий системы, так как она вполне «разумна». Так, например, могут быть весьма актуальны автоматические и отличные друг от друга режимы безопасности для разных этажей здания в ночное время, когда хозяин дома.
Домашний кинотеатр – сочетание комплекса специальной техники и инженерных решений, позволяющих создать в помещении своеобразную атмосферу – «эффект присутствия» зрителя в фильме. Эта атмосфера достигается за счет грамотного сочетания аудио и видео аппаратуры, с полным раскрытием ее потенциала, расчета акустических параметров помещения, использования звукоизолирующих, поглощающих и отражающих материалов в отделке кинозала, высококачественного монтажа и профессиональной настройки.
Для просмотра фильмов необходимо лишь вставить в проигрыватель диск, после чего вся техника включится автоматически, самостоятельно выбирая все параметры и настройки. Одновременно с этим, опустится экран, свет уменьшит свою яркость, жалюзи и шторы изменят своё положение, создавая благоприятные условия для домашнего киносеанса. Зрителю останется лишь удобно расположиться в комфортабельном ложе и в полной мере насладиться киноискусством, а также удивительными возможностями интеллектуальных систем.
Связать несколько компьютеров вместе, чтобы они образовали единую информационную базу, сеть, бывает необходимо не только в большом доме, но и в частной квартире, где компьютеров больше, чем один. Сделать это можно классическим способом – через провода и hub или же более современным – беспроводным – по Wi–Fi. В первом случае необходимо, чтобы провода и аппаратура были максимально скрыты, во втором необходимо еще и учитывать архитектурные особенности и площадь, на которой необходимо получение четкого и без помех сигнала с другого компьютера. При этом, чаще всего требуется, чтобы все компьютеры сети получали такой же четкий и без помех сигнал от источника интернета (точки доступа).
Система телефонии особенно актуальна в загородном доме, где часто организуется система распределения аудио и видеосигнала, активно используемая как интерком и домофон.
1.4 Обзор основных решений при проектировании систем автоматизации здания
Open Remote
Проект с открытым исходным кодом, которая позволяет управлять компонентами «Умного дома», обладая при этом минимальными навыками программирования. Данная система позволяет создавать мобильное приложение для управления компонентами «Умного дома» без программирования, используя различные технологии (Z–Wave, KNX, ZigBee и др.). Развернуть ее можно на любой платформе.
Основная цель проекта заключается в разработке программных инструментов интеграции компонентов «Умного дома» и развитие интернета вещей. На данный момент он поддерживает множество серийно выпускаемых продуктов. Доступно это программное обеспечение в базовой конфигурации – бесплатной для пользователей, и с расширенной функциональностью – платной.
Open Remote проект состоит из двух основных частей: сервера и облачного конструктора интерфейсов.
Контролирующая часть Open Remote – это сервер, получающий команды от мобильного или web-приложения и передающий их дальше к другому приложению или контроллеру, например Z–Way серверу.
СТРИЖ
Данная система является российской разработкой компаний «СТРИЖ Телематика», которая работает на базе собственного протокола связи Marcato 2.0, основанного на принципе сверхузкополосной передачи данных (UNB). На сегодня система используется в основном отраслях ЖКХ, сельском хозяйстве, электроэнергетике и «Умных» городах. В системе используется собственные модемы и устройства, информация от которых собирается и обрабатывается серверным оборудованием компании.
Беспроводная сеть обеспечивает 100% покрытие Москвы и частичное покрытие московской области, Санкт–Петербурга и других городов. В ближайшее время планируется обеспечить полное покрытие сетью городов миллиоников.
Принцип работы для передачи данных в сети «СТРИЖ» связи с сотовыми сетями: датчики, счетчики и другие устройства, подключенные к модемам, транслируют сигналы через базовую станцию в интерент. После чего на серверах компании происходит сбор и обработка постпующей информаци и предоставление ее в удобном виде для пользователя в веб интерфейсе.
Fibare
Данная система автоматизации зданий основана на беспроводной технологии Z–Wave. В качестве цента управления «Умного дома» используется оборудование Home Center 2, который предоставляют возможность взаимодействия пользователя со своими устройствами. Fibare обладает широким набором поддерживаемого оборудования, что позволяет реализовать проекты освещения, безопасности, мультимедиа для «Умного дома». Веб–платформа в свою обладает хорошей гибкостью, где можно настроить интерфейс системы под нужды пользователя.
MajorDoMo
Major Domestic Module – открытая программная платформа для комплексного управления домашней автоматики, является бесплатной для личного или коммерческого использования. Данный проект построен на веб технологиях, используя PHP, JS, HTML5, содержит расширенный анализ состояния и самодиагностику. Настройка и добавления устройств реализуется с помощью программирования на PHP и/или с визуальной среды Blockly.
MyHOME
Решение домашней автоматизации от группы Legrand, которое позволяет реализовать следующие функции:
- управление сценариями:
- звуковая и видео трансляция;
- техническая сигнализация;
- охранная и домовая сигнализация;
- контроль потребления воды, газа и электроэнергии;
- удаленный контроль и управление;
- централизованное управление всеми функциями с помощью мультимедийной панели.
Система MyHOME достаточно распространена в мире статистике компании более 12 миллионов устройств установлено в жилом секторе и в коммерческих объектах. Система работает с двумя технологиями связи устройств здания: шинная по протоколам BUS/SCS, KNX и беспроводная ZigBee.