В статье дается краткая характеристика систем домашней автоматизации («умный дом»), рассматриваются возможности современных систем, дается оценка проблем и перспектив их дальнейшего развития.
Ключевые слова: система домашней автоматизации, умный дом, электроснабжение, система управления, интернет вещей.
Все возрастающее количество бытовых электроприборов, количество групп освещения, внедрение охранной и технической сигнализации в индивидуальных жилых домах и квартирах вызывает необходимость организации единой системы мониторинга и управления этими устройствами. В последние годы возрос интерес к так называемым системам домашней автоматизации (СДА), или «умный дом». Понятие «умный дом» (smart home) появилось еще в 1970-е годы. Его можно сформулировать как совокупность архитектурных и дизайнерских решений, взаимоувязанных с автоматизированными инженерными и информационными системами, а также системами безопасности, обеспечивающую комфортную и безопасную среду для обитателей дома [1]. В первую очередь, данные системы разрабатывались для экономии энергоресурсов благодаря возможности автоматического отключения неиспользуемых электроприемников, регулирования потребления энергоносителей в системе отопления, в зависимости от времени суток и температуры наружного воздуха, и ведению статистики, на основе которой пользователь регулирует свои потребности в энергоресурсах. Кроме того, подобные системы дают и ряд других преимуществ:
- комфорт, который обеспечивается возможностью управлять всеми устройствами (бытовыми электроприборами, освещением, мультимедийными системами) с центральной сенсорной панели, пультов дистанционного управления, кнопок управления, компьютера или мобильного устройства;
- безопасность, обеспечиваемая устройствами охранной и технической сигнализации в составе СДА. СДА позволяют обнаружить утечки газа или воды и автоматически перекрыть их подачу;
- гибкость, обеспечиваемая простотой расширения системы, например за счет добавления новых устройств управления.
Изначально подобные системы разрабатывались на основе микропроцессорных (логических) реле, фотоэлектрических и импульсных реле, а также разнообразных датчиков, как обычные системы автоматизации технологических процессов, используемых на промышленных предприятиях. Самый простой вариант такой СДА позволяет производить коммутацию освещения по сигналу от датчика освещенности и датчика движения или звука. Элементы таких систем выпускаются большинством отечественных и зарубежных производителей электротехнического оборудования. Недостатком релейных систем домашней автоматизации является большое количество контрольных кабелей, прокладываемых к каждому устройству, кнопке управления или датчику, а также большое количество самих устройств (реле, датчиков и др.), что вызывает трудности при монтаже таких систем.
Следующим этапом развития СДА стало появление устройств, работающих в единой сети и связывающихся по одной проводной шине данных. Такой подход значительно снижает трудности при монтаже, так как требуется прокладывать только один кабель, к которому подключаются все элементы системы. Кроме того, сами устройства стали более многофункциональными. Например, у кнопки управления может иметься датчик температуры и освещенности. Такие системы применяются сегодня и выпускаются всеми ведущими мировыми производителями, такими как: ABB, Schneider Electric, Legrand, ELKO EP и др., а также некоторыми отечественными производителями, например ОВЕН.
Последние разработки направлены на создание элементов СДА, работающих по беспроводной связи (радиоканалу) [2]. Большую популярность здесь имеют такие протоколы беспроводной связи, как ZigBee, X10 и SimplisiTI. Среди производителей, выпускающих подобные системы, можно отметить Legrand, ELKO EP, Coco Technologies.
Используемые сегодня системы домашней автоматизации — это, как правило, системы с одним центральным элементом (контроллером) и большим количеством периферийных устройств. Эти устройства позволяют:
- коммутировать нагрузку либо регулировать напряжение на нагрузке;
- регистрировать состояние входов, к которым подключены кнопки управления;
- определять параметры окружающей среды;
- выполнять функции технической сигнализации (датчики пролива воды и загазованности) и охранной сигнализации;
- выполнять мультимедийные функции.
Все периферийные устройства соединяются с центральным элементом по одной или нескольким шинам данных (проводным или беспроводным). Центральный элемент регистрирует всю информацию, получаемую от периферийных устройств и от пользователей по проводной или беспроводной локальной вычислительной сети (ЛВС) и через интернет. На основе этих данных центральный элемент выполняет заранее определенные действия (сценарии), отдавая команды коммутирующим, регулирующим или мультимедийным периферийным устройствам.
Все системы домашней автоматизации имеют один большой недостаток. Получаемый от них экономический эффект от потенциальной экономии электроэнергии и других энергоресурсов, а также эффект, получаемый от богатых функциональных возможностей, не сравнимы с капитальными затратами [1].
Однако в последние годы производители электронных компонентов начали выпускать различные микропроцессорные контроллеры малой производительности и с малым объемом памяти, имеющие большое количество периферийных устройств (таймеров, АЦП, портов ввода/вывода и др.) и очень низкое энергопотребление. Это, например, такие контроллеры, как MSP430 от фирмы «Texas Instuments» [3]. Стоимость таких микроконтроллеров позволяет создавать на их основе недорогие и функциональные элементы систем домашней автоматизации. Для создания недорогих центральных элементов СДА могут быть использованы популярные сегодня одноплатные компьютеры, такие как Raspberry Pi [4], Banana Pi, BeagleBone, Cubieboard. Использование одноплатных компьютеров значительно сокращает затраты и время на создание программной части разрабатываемых устройств из-за возможности использования программного обеспечения с открытым исходным кодом, работающего на базе операционной системы (ОС) Linux, и языков программирования высокого уровня, таких как Python. Однако при этом могут возникать некоторые задержки при обработке сигналов от периферийных устройств, так как используемая ОС Linux является многозадачной ОС и в момент обработки сигнала ОС может быть занята выполнением другой, более приоритетной, задачи. Например, при использовании одноплатного компьютера Raspberry Pi Model B в СДА, при использовании языка Python, можно наблюдать задержки между моментом регистрации сигнала и выполнением конкретного действия (например, между нажатием кнопки управления и коммутацией электроприемника) в пределах от 0,2 с до 1,5 с. Однако, стоит отметить, что приведенная модель одноплатного компьютера имеет значительно более низкую производительность, чем другие модели. Эти задержки могут быть значительно сокращены за счет использования более производительных одноплатных компьютеров с многоядерными процессорами, например Raspberry Pi 2 Model B.
Производительности устройств, созданных на основе перечисленных микроконтроллеров и одноплатных компьютеров, может быть недостаточно для создания систем автоматизации технологических процессов, требующих высокого быстродействия, но они вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым системам домашней автоматизации, которые допускают некоторые задержки при обработке сигналов:
- возможность коммутации и мониторинга состояния электрооборудования (освещения, электрообогрева, электропривода дверей или ворот);
- управление системой отопления, вентиляции и кондиционирования;
- создание технической и охранной сигнализации;
- определение температуры и влажности воздуха;
- выполнение определенных действий при достижении заданного значения определенным параметром;
- передача контролируемых показателей по локальной вычислительной сети или через интернет на удаленные устройства;
- прием сигналов управления по локальной вычислительной сети или через интернет с удаленных устройств;
- ведение статистики расхода энергоресурсов (электроэнергии, воды, газа).
Современные бытовые приборы изначально снабжаются контроллерами для связи с определенными типами СДА или для связи напрямую друг с другом и с мобильными устройствами пользователя через беспроводной канал связи, ЛВС или интернет. Работая в одной сети, эти устройства образуют так называемый «интернет вещей» [5]. По мнению автора статьи, использование сегодня таких устройств только усложняет работу с ними, так как не создано системы управления, которая предоставляла бы единый интерфейс пользователя. Попытки создать единый интерфейс пользователя для управления такими разнообразными устройствами от разных производителей предпринимает компания Apple. Создав приложение под названием HomeKit [6] для операционной системы iOS, эта компания предоставила производителям бытовой техники универсальный протокол связи и единый интерфейс пользователя для этих устройств. Однако, широкого распространения это приложение пока не находит, кроме того, данным приложением поддерживаются только мобильные устройства с ОС iOS. Таким образом, производителям таких «умных» устройств необходимо сотрудничать с производителями СДА для их интеграции в эти системы и использовать универсальные протоколы проводной или беспроводной связи.
Последние разработки СДА должны быть направлены на создание новых многофункциональных и недорогих беспроводных устройств с низким энергопотреблением. Важным направлением сегодня является именно снижение стоимости этих устройств, так как их нынешняя стоимость не позволяет говорить об их повсеместном использовании. Низкое энергопотребление позволяет создавать устройства с одноразовыми источниками питания, которые устанавливаются на заводе-изготовителе и работают на всем протяжении срока службы или в течение нескольких лет без подзарядки или замены, что увеличивает удобство эксплуатации данных устройств. Также необходимо разрабатывать бытовые электроприборы, работающие в составе СДА.
Простота установки и настройки СДА на сегодняшнем уровне их развития достаточно низкая. Пользователи этих систем часто должны прибегать к услугам специализированных компаний при их установке или перенастройке под свои нужды. Это еще одно направление развития СДА.
Интеграция СДА с интеллектуальной электроэнергетической системой [7], сообщающей о величине тарифа на электроэнергию и дающей рекомендации о необходимости снижения потребления электроэнергии потребителем для сглаживания графика нагрузки, позволит наиболее эффективно использовать источники электроэнергии на возобновляемых ресурсах (солнечные батареи, ветряные электроустановки) и системы накопления электроэнергии. В идеальном случае интеллектуальная электроэнергетическая система должна предоставлять потребителям «плавающий» тариф на электроэнергию, величина которого зависит от мощности подключенных в данный момент времени потребителей, величины потерь электроэнергии и режимов работы источников электроэнергии. Такие компании как Toyota и Honda предлагают использовать силовые агрегаты и аккумуляторные батареи гибридных автомобилей в СДА для электроснабжения электроприемников дома в часы максимальных значений тарифов на электроэнергию [8, 9].
Литература:
1. Серебряник И. А. Интеллектуальные системы в российских домах («Умный дом»): роскошь или возможность экономии / И. А. Серебряник, Т. Я. Дружинина // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук: № 11. — Москва, 2010. – С. 109–111.
2. Егунов В. А. Управление «умным домом» с использованием беспроводного канала связи / В. А. Егунов, Х. А. Ал-Саади // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст.
3. Том 20, № 6(133). — Волгоград, 2014. — C. 73–75.
4. Гук И. Краткий обзор микроконтроллеров семейства MSP430 компании
5. Texas Instruments // Компоненты и технологии: № 59. — Санкт-Петербург, 2006. – С. 60–66.
6. Пархоменко А. А. Реализация системы «умный дом» на основе Raspberry Pi // Новые информационные технологии в исследовании сложных структур материалы Десятой российской конференции 9–11 июня 2014 г. — Томск, 2014. — С. 30–31
7. Никифоров О. Ю. Концепция и технологии «Интернета вещей» // Современные научные исследования и инновации: № 11–1 (43). — Москва, 2014. — С. 151–153.
8. «Умный дом» в действии // InAVate русское издание: № 10. — Москва, Декабрь, 2014. — С. 14–17.
9. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью. — 2011.
10. TMC Develops Mutual Power Supply System for Electric Vehicles and Homes [Электронный ресурс] // URL: http://www2.toyota.co.jp/en/news/12/06/0604.html (дата обращения: 01.04.2015).
11. Умный дом Honda [Электронный ресурс] // URL: http://www.honda.co.ru/news/cars/2012/4/honda_smart_home_system/ (дата обращения: 01.04.2015).
