elektro.info

Nowoczesne oświetlenie Neonica

Nowoczesne oświetlenie Neonica

Podczas remontu mieszkania, domu, pokoju czy biura, lub w trakcie planowania od samego początku ważnej dla nas przestrzeni, najczęściej w głowie mamy już przygotowaną wizję lub koncepcję. Plany te dotyczą...

Podczas remontu mieszkania, domu, pokoju czy biura, lub w trakcie planowania od samego początku ważnej dla nas przestrzeni, najczęściej w głowie mamy już przygotowaną wizję lub koncepcję. Plany te dotyczą zarówno układu mebli, wykorzystanych materiałów czy koloru ścian. Jednak przede wszystkim warto dokładnie i z uwagą podjąć decyzje związane z wyborem odpowiedniego oświetlenia.

news Skuter elektryczny od Seata

Skuter elektryczny od Seata

Seat przedstawił nowy, całkowicie elektryczny skuter, który pojawi się na drogach w przyszłym roku. Model e-Scooter został zaprojektowany w taki sposób, aby jak najlepiej wpisać się w rosnący trend współdzielonej...

Seat przedstawił nowy, całkowicie elektryczny skuter, który pojawi się na drogach w przyszłym roku. Model e-Scooter został zaprojektowany w taki sposób, aby jak najlepiej wpisać się w rosnący trend współdzielonej mobilności.

Zasilanie budynków w energię elektryczną w warunkach normalnych a zasilanie w warunkach pożaru (część 2.)

Zasilanie budynków w energię elektryczną w warunkach normalnych a zasilanie w warunkach pożaru (część 2.)

W tej części artykułu prezentujemy metodykę projektowania ochrony przeciwporażeniowej oraz zagorożenia stwarzane przez gazy wydzielane przez baterie akumulatorów wraz ze sposobami ich neutralizacji.

W tej części artykułu prezentujemy metodykę projektowania ochrony przeciwporażeniowej oraz zagorożenia stwarzane przez gazy wydzielane przez baterie akumulatorów wraz ze sposobami ich neutralizacji.

Architektura i zastosowania technologii inteligentnego domu

dr inż Piotr Bilski | 2012-12-08
Inteligentny termostat The Nest

Rozwój elektroniki i rozszerzanie możliwości jej zastosowań w dziedzinach pokrewnych (automatyka, pomiary wielkości nieelektrycznych) ułatwiają proponowanie nowoczesnych systemów pomiarowo-sterujących, które zwiększają komfort życia oraz usprawniają pracę tysięcy ludzi. Rozwiązania stosowane pierwotnie w wojsku, wkrótce trafiają do przemysłu, stając się standardowym rozwiązaniem w fabryce lub urządzeniach komputerowych (czego przykładem była magistrala ISA [1]). Na końcu stają się one elementem systemów komercyjnych, będących w zasięgu typowego użytkownika indywidualnego.

Dzięki postępowi technologicznemu systemy inteligentne stały się częścią urządzeń telekomunikacyjnych, pojazdów, ostatnio zaś trafiają coraz szerzej do rozwiązań związanych z budownictwem mieszkaniowym. Dobrym przykładem tego ostatniego jest idea domu inteligentnego (ang. smart house), rozwijana oraz implementowana przez korporacje związane z informatyką przemysłową (ABB, ioBridge, czy Microsoft). Budynki mieszkalne stały się miejscami, w których coraz więcej czynności jest automatyzowanych oraz poddawanych kontroli autonomicznego modułu sterującego. W tym celu muszą być jednak rozpatrzone przynajmniej trzy składowe. Pierwsza obejmuje zestaw czujników (temperatury, wilgotności, ruchu itp.) oraz układów wykonawczych (włączników światła, alarmu, sterowników drzwi itp.).

Zobacz także: Praktyczne zastosowania elektroinformatyczne w sterowaniu inteligentnym domem

Druga to metody komunikacji pomiędzy modułami systemu, który ma charakter rozproszony nawet w środowisku o niewielkim zasięgu geograficznym (jak w przypadku typowego domu jednorodzinnego). Ponieważ architektura domu inteligentnego spełnia te warunki, istnieje obecnie szereg standardów umożliwiających łączność (przewodową lub bezprzewodową) pomiędzy modułami pomiarowymi oraz wykonawczymi.

Zobacz także: Cyfrowe zegary sterujące jako elementy inteligentnego budynku

Trzecim aspektem jest oprogramowanie ułatwiające zarządzanie wszystkimi elementami z poziomu specjalizowanego mikrokontrolera lub systemu operacyjnego uruchomionego na tradycyjnym komputerze osobistym. W artykule przedstawiono strukturę systemu pomiarowo-sterującego wykorzystywanego w domu inteligentnym. Przeprowadzono analizę rozwiązań sprzętowych i programowych wykorzystywanych do tego celu. Na przykładach pokazano funkcjonowanie jego poszczególnych elementów.

Uwzględniono najnowsze trendy rozwojowe w elektronice oraz informatyce, np. oprogramowanie wykorzystujące usługi (ang. Service-Oriented Architecture, SOA) oraz Internet Rzeczy (ang. Internet of Things). Ponieważ technologia domu inteligentnego jest ciągle rozwijana, nie istnieją obecnie uniwersalne standardy komunikacji i zarządzania. Wszystkie proponowane rozwiązania rywalizują zatem o uwagę użytkownika końcowego.

streszczenie

W artykule przedstawiono strukturę i zasadę działania inteligentnego domu (ang. smart house). Omówiono metodykę projektowania systemu oraz elementów wchodzących w jego skład. Przedstawiono media komunikacyjne wykorzystywane w środowisku, kontrolery oraz moduły końcowe (czujniki, elementy wykonawcze itp.). Przedstawiono standardy łączności przewodowej (np. X10), a także bezprzewodowej (Z-Wave). Omówiono cechy oprogramowania wykorzystywane zarówno w automatycznych komputerach sterujących, jak i standardowym sprzęcie komputera PC. Zaprezentowano przykłady zastosowań i możliwości rozwoju poszczególnych technologii.



abstract

Architecture and applications of the smart house technology
The paper presents the structure and operational regime of the smart house technology. The methodology of the system design is introduced and constituent elements described. The communication media used in such system are presented, including devices exploiting them: controllers, measurement modules and actuators. The wired (X10) and wireless (Z-Wave) communication standards are introduced. The software used in the smart house to control remote nodes is briefly discussed, including microcontrollers and personal computers. Exemplary applications and advancement possibilities were also described.

Przeczytaj także: Inteligentny dom - zrób go sam

Architektura systemu

Dom inteligentny jest technologią wykorzystującą rozproszone systemy pomiarowo-sterujące oraz układy automatyki. Pierwotnie idea ta była wykorzystywana w budynkach komercyjnych, obecnie jednak cena rozwiązań technicznych obniżyła się do poziomu dostępnego przeciętnego przedstawiciela klasy średniej. Rozwiązania stosowane w halach produkcyjnych, centrach handlowych czy biurowcach nadają się (po uwzględnieniu mniejszej skali) do instalacji również w niewielkich powierzchniach mieszkalnych.

Cele stosowania rozwiązań automatyki obejmują oszczędności finansowe związane z mniejszym zużyciem prądu czy ciepła, dostosowanie trybów pracy poszczególnych urządzeń do obecności ludzi w pomieszczeniach (np. drzwi automatycznych, klimatyzacji, oświetlenia na korytarzach itp.), czy wreszcie zapewnienie bezpieczeństwa instalacji (poprzez zastosowanie czujników ruchu, w razie potrzeby wszczynających alarm).

Aktualnie priorytetem są również „zielone technologie” (ang. green technologies) chroniące środowisko, których wymogi spełnia dom inteligentny. Przeniesienie sprzętu i oprogramowania do prywatnych domów i mieszkań ma dodatkowo umożliwić personalizację, tzn. dopasowanie zachowania systemu do zwyczajów właściciela. Ze względu na obecność urządzeń audio-wideo praktycznie w każdym gospodarstwie domowym, ważnym aspektem jest również zintegrowanie go z pozostałymi elementami, czemu służą osobne standardy, np. DLNA.

W literaturze przedstawiono dziesiątki scenariuszy wykorzystania systemu w celu zwiększenia wygody użytkownika oraz zapewnienia mu bezpieczeństwa [2]. Do najpopularniejszych należą rozwiązania zwiększające komfort korzystania z urządzeń RTV oraz AGD. Przykładem może być wykrywanie przez system obecności domownika wracającego z pracy, co powoduje włączenie świateł, rozpoczęcie odtwarzania muzyki z płyty lub plików MP3 oraz parzenie kawy w ekspresie. Inny typowy scenariusz obejmuje uruchomienie systemu antywłamaniowego wyposażonego w czujniki ruchu oraz inteligentny algorytm zdolny do odróżnienia intruza od domowników, czy ich zwierząt. Realizacja takich scenariuszy wymaga odpowiedniego zestawu sprzętu i oprogramowania.

Typową architekturę systemu przedstawiono na rysunku 1. Widoczne są na nim główne składowe:

  • jednostka (lub jednostki) sterująca, zarządzająca pracą całości,
  • elementy pomiarowe, odpowiedzialne za pozyskiwanie informacji na temat sytuacji wewnątrz pomieszczeń,
  • elementy wykonawcze, realizujące polecenia płynące z modułów zarządzających,
  • obiekty sterowane przez moduły wykonawcze (takie jak np. drzwi przesuwne, wentylatory, elementy składowe systemu klimatyzacji itp.),
  • medium transmisyjne, wymagane do komunikacji między wszystkimi elementami.

 

Mimo że jedną z istotniejszych cech systemu jest autonomia, musi on być również wyposażony w moduł odpowiedzialny za komunikację z użytkownikiem. Za jego pomocą możliwe jest bowiem dostosowywanie do konkretnych potrzeb człowieka. W tym celu stosuje się graficzne interfejsy użytkownika (realizowane sprzętowo, jako oddzielne moduły z ekranami oraz klawiaturami, lub programowo w postaci narzędzia uruchamianego na klasycznym komputerze PC). Użytkownik systemu powinien mieć możliwość obsługi dowolnego modułu o określonej porze lub wyłączenia go (pomijając system automatyki).

O ile w instalacjach komercyjnych lub przemysłowych (centrach handlowych lub halach produkcyjnych) dane często zbierane są i przetwarzane lokalnie, do modułu zarządczego przesyłając już przetworzone wyniki, o tyle dom inteligentny realizuje schemat scentralizowanego składowania i przetwarzania danych oraz wydawania poleceń do pozostałych elementów. Jego cechą specyficzną jest często obecność dwóch podsystemów – jeden obsługuje sprzęt audio-wideo i RTV (np. używając protokołu Digital Living Network Alliance – DLNA), drugi zaś odpowiada za bezpieczeństwo oraz stan ogólny lokalizacji.

W takiej sytuacji problemem może być współpraca obu, korzystają one bowiem z różnych protokołów oraz metod transmisji. Podobnie jest w przypadku komunikacji modułów wykorzystujących komunikację przewodową oraz bezprzewodową, np. linie zasilające i standard ZigBee, czy Z-Wave. Rozwiązaniem problemu są moduły mostkowe (ang. bridge), które zamieniają jeden rodzaj sygnału na drugi z uwzględnieniem formatu przesyłanych danych. Wiele droższych modułów zawiera wbudowany mostek, dzięki czemu komunikacja w środowisku heterogenicznym odbywa się w sposób przezroczysty (niewidoczny dla pozostałych urządzeń).

Elementy pomiarowe oraz wykonawcze

Pomimo specyficznego przeznaczenia systemu, obecne są w nim typowe elementy, służące do akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych. Do takich zaliczają się czujniki temperatury, wilgotności, ruchu, czujniki kontaktowe (pozwalające stwierdzić, czy drzwi lub okna są zamknięte) itp. Z drugiej strony coraz powszechniej wykorzystywane są kamery pracujące w widmie widzialnym oraz podczerwieni. Rozmieszczone w wybranych lokalizacjach odpowiadają za pozyskiwanie informacji na temat sytuacji wewnątrz domu lub mieszkania.

Na podstawie ich wskazań kontroler podejmuje decyzję i generuje odpowiednie sygnały sterujące. Przykłady obejmują zamykanie i otwieranie drzwi (z uwzględnieniem opóźnienia czasowego), sterowanie klimatyzacją – tzw. HVAC (ang. heating, ventilation and air conditioning), czy przyciemnianie świateł. Do wykonywania wymienionych operacji potrzebne są specjalizowane elementy, np. moduł wykonawczy BC9191 (rys. 2.). Do oszczędzania energii stosowane są zautomatyzowane urządzenia – inteligentne termostaty, charakteryzujące się funkcjonalnością komputera przemysłowego. Ich zadaniem jest nie tylko automatyczne regulowanie temperatury, ale również uczenie się upodobań oraz nawyków domowników. Dopasowanie optymalnej temperatury odbywa się także na podstawie pomiarów oświetlenia, wilgotności, czy ruchu. Przykładem takiego urządzenia jest The Nest, przedstawiony na rysunku 3.

Osobną grupą sterowalnych urządzeń są przedstawiciele AGD i RTV. Korzystają one często z dedykowanych standardów typu DLNA. Zarządzanie urządzeniami w kuchni umożliwia rozpoczęcie programu zmywania o określonej godzinie, czy dopasowanie temperatury mrożenia jedzenia do jego charakteru. Z kolei sterowanie telewizorem, zestawem audio, czy odtwarzaczami płyt DVD lub BluRay pozwala na uruchomienie wybranego filmu w momencie pojawienia się konkretnej osoby w salonie, a także nagranie ulubionego programu w telewizji.

Oprócz wymienionych elementów pomiarowych i wykonawczych konieczne jest często zastosowanie dodatkowych elementów umożliwiających komunikację z komputerem oraz sterowanie systemem przez człowieka na odległość. W tym celu stosowane są np. moduły radiowe i podczerwieni (reagujące na polecenia sterujące z pilota). Z drugiej strony wykorzystuje się moduły USB, szeregowe (dla portów RS-232C) lub sieci komputerowej (z gniazdem RJ-45), do których podłącza się bezpośrednio komputer z oprogramowaniem sterującym.

Tym samym dom inteligentny staje się złożonym systemem rozproszonym z dużą liczbą różnorodnych modułów, wykorzystujących techniki przewodowej i bezprzewodowej transmisji danych, sterowanych zarówno przez kontrolery, jak i komputery PC, przyjmujących również polecenia od człowieka za pomocą odpowiedniego panelu lub odbiorników sygnału radiowego. Stosunkowo nowym pomysłem jest wykorzystanie kontrolera Kinect firmy Microsoft do ręcznego sterowania wybranymi modułami (np. w celu zasłonięcia żaluzji lub wyłączenia światła).

Moduły sterujące

Kontroler jest najważniejszym elementem systemu, od niego zależy poprawne działanie domu, na którego stan wpływa poprzez elementy wykonawcze. Wymaga to zastosowania mikrokontrolera [3]. Ponieważ polecenia wysyłane do modułów pomiarowych lub wykonawczych oraz informacje na temat ich stanu mają prostą postać, w większości wypadków stosuje się podstawowe procesory, np. Microchip PIC16F877 (rys. 4.). Jest to układ wykonujący 35 różnych instrukcji maszynowych (co stanowi niewielką liczbę, dla porównania, współczesny procesor Intel Core i7 implementuje kilkaset instrukcji), 356 bajtów pamięci RAM, 256 bajtów pamięci EEPROM oraz osiem kanałów wejść analogowych (z przetwornikami analog-cyfra).

Układ wystarcza do zarządzania komunikacją pomiędzy urządzeniami z wykorzystaniem linii zasilającej jako medium transmisyjnego (ang. Power Line Carrier – PLC). Wysyłanie i odbieranie wiadomości w formacie zgodnym z jednym z popularnych protokołów wymiany danych w systemach smart home możliwe jest za pomocą modemów wyposażonych w przetworniki analogowo-cyfrowe oraz filtry pasmowoprzepustowe (do eliminacji składowych sygnału spoza pożądanego zakresu częstotliwości). Podkreśla się obecnie niewielki koszt rozwiązań wykorzystujących nowoczesne mikrokontrolery typu AtMega, czy Arduino. Ich dodatkową zaletą jest duża uniwersalność. Istnieją na przykład rozwiązania wykorzystujące procesory z rodziny 8051 do zarządzania modułami wykonawczymi i pomiarowymi poprzez standard 802.15.4 (ZigBee). Układ cyfrowy pełni tym samym funkcję nadzorcy oczekującego na informacje od czujników i generującego na tej podstawie sygnały sterujące.

Drugim elementem pełniącym funkcję zarządcy systemu jest obecnie komputer klasy PC, podłączony do systemu za pomocą portu szeregowego (RS-232C, aktualnie rzadko spotykanego), magistrali USB lub interfejsu sieciowego Ethernet. Na komputerze zainstalowane jest zwykle oprogramowanie specjalistyczne, pozwalające na szybkie zaprogramowanie zachowania systemu (np. ustalenie godzin gaszenia i zapalania światła). Przykładem takiej aplikacji jest PowerHome2 (rys. 5.) [4], zapewniający wsparcie dla wielu metod komunikacyjnych (np. X10, Insteon, UPB, czy podczerwieni). Jest to typowy przedstawiciel programu sterującego, oferującego obsługę ekranów dotykowych, rozpoznawanie mowy, czy możliwości definiowania zdarzeń do wykrycia przez kontroler. Dzięki wymienionej funkcjonalności program komputerowy staje się interfejsem między systemem a użytkownikiem, który w prosty sposób może definiować i zmieniać zachowanie modułów.

Media transmisyjne

Technologie transmisji danych w domu inteligentnym realizują paradygmaty komunikacji równorzędnej (ang. peer-to-peer) lub master-slave. W pierwszym przypadku każdy węzeł pełni analogiczną rolę, może również realizować podobne zadania, obejmujące zarówno wysyłanie komunikatów, jak i ich odbieranie. W drugiej sytuacji jeden węzeł odgrywa rolę nadrzędną, wysyłając polecenia do modułów podrzędnych (wykonawczych). W pierwszej konfiguracji poszczególne urządzenia muszą być wyposażone zarówno w nadajniki, jak i odbiorniki, co zwiększa ich koszt. W drugim przypadku większość elementów (z wyjątkiem kontrolera) jest przystosowana do komunikacji jednokierunkowej. Protokoły wykorzystywane w domu inteligentnym rozróżniają dane przesyłane w jednym kierunku, jak i wymagające potwierdzenia. Realizowane są one jednak przez określone grupy urządzeń, które muszą zostać indywidualnie dobrane przez projektanta.

Architektura nowoczesnego systemu pomiarowo-sterującego działającego w domu inteligentnym traktuje wszystkie elementy uczestniczące w komunikacji jako połączone w tzw. pikosieć. Mianem tym określa się lokalną strukturę komunikacyjną, w której każdy węzeł może połączyć się bezpośrednio z dowolnym innym. Jest to szczególnie łatwe w przypadku nowoczesnych technologii bezprzewodowych, takich jak Z-Wave lub ZigBee. O ile wszystkie urządzenia znajdują się w swoim zasięgu, możliwa jest komunikacja bez użycia przekaźników lub mostków.

Dodatkowo połączenie systemu w pojedynczym budynku ze Światową Pajęczyną (za pomocą technologii opisanych w następnych punktach) sprawia, że dom inteligentny staje się częścią inteligentnej sieci (ang. Smart Grid) [5]. Jest to atrakcyjne rozwiązanie mające pozwolić na globalne zarządzanie zużyciem oraz magazynowanie energii elektrycznej. W przyszłości przewiduje się, że energia elektryczna będzie produkowana głównie nie przez elektrownie, ale przez pojedyncze gospodarstwa domowe, które będą wytwarzać prąd na swoje potrzeby (np. za pomocą ogniw słonecznych), nadwyżki eksportując do wspólnej puli magazynowej. Zarządzanie tego typu przepływem wymaga monitorowania zasobów oraz zużycia energii na bieżąco.

Ze względu na wykorzystywane medium komunikacyjne protokoły podzielić można na trzy kategorie. Do pierwszej zaliczane są metody przesyłania danych cyfrowych poprzez linie zasilające, wykorzystywane do dostarczania trójfazowego prądu przemiennego poszczególnym urządzeniom. Grupa protokołów wykorzystujących to medium jest liczna, jej najpopularniejszymi przedstawicielami są standardy X10, Insteon, Universal Power Bus (UPB), czy IEC61334. Druga grupa obejmuje standardy wykorzystujące dedykowane linie przewodów przeznaczone wyłącznie do zarządzania elementami domu inteligentnego. Linie te mogą obejmować skręconą parę przewodów, sieć komputerową standardu Ethernet, czy światłowody.

Do tej kategorii zaliczają się standardy LonWorks, KNX, czy CEBus. Trzecia kategoria zawiera standardy komunikacji bezprzewodowej, obejmujące protokół ZigBee lub podczerwień. Ponieważ wiadomości przesyłane pomiędzy węzłami są krótkie, nie wykorzystuje się do ich transmisji standardu Wi-Fi (tym bardziej że wymaga on użycia nielicencjonowanego pasma ISM, co może powodować konflikty z innymi urządzeniami). Protokoły używające wymienionych technologii to Z-Wave czy KNX. Warto zauważyć, że istnieją standardy (np. KNX), które potrafią wykorzystać wszystkie rodzaje mediów transmisyjnych. Są one najbardziej uniwersalne, zaś przełączanie się pomiędzy mediami możliwe jest dzięki mostkom wbudowanym w urządzenie. Możliwość współpracy w dwóch standardach komunikacyjnych jest określana jako podwójna sieć (ang. dual mesh) (rys. 6.).

Standardy wykorzystujące linie zasilające urządzenia są aktualnie używane najczęściej. Różnią się one pod względem prędkości transmisji, metod kodowania danych cyfrowych czy długości wiadomości. Większość istniejących obecnie rozwiązań pochodzi od pierwszego protokołu, X10, który zostanie przedstawiony bardziej szczegółowo. Opracowany w 1975 roku, stał się standardem przesyłu informacji cyfrowej pomiędzy urządzeniami użytkowymi (takimi jak ekspres do kawy czy lodówka) podłączonymi do sieci elektrycznej. Pomimo jego istotnych wad, do dzisiaj jest to podstawowy protokół transmisyjny domu inteligentnego [6]. Informacje przesyłane linią elektryczną wykorzystują modulację amplitudową. Poszczególne zera i jedynki są reprezentowane przez sygnał sinusoidalny o częstotliwości 120 Hz i czasie trwania 1 ms lub jego brak.

W celu odróżnienia informacji z protokołu X10 od sygnału zasilającego (również sinusoidalnego, jednak o częstotliwości 50 lub 60 Hz, w zależności od lokalizacji geograficznej), jest on przesyłany w momencie przechodzenia tego ostatniego przez zero (rys. 7.). Ze względu na dużą częstotliwość sinusoidy przenoszącej informację, występują problemy przesyłania jej przez transformatory oraz za pomocą wszystkich składowych sygnału trójfazowego. W celu rozwiązania tego problemu stosuje się aktywne tzw. repeatery, czyli układy powtarzające bit trzykrotnie, za każdym razem przy zmienionej fazie (dopasowanej do poszczególnych faz sygnału prądu zasilającego). Po uwzględnieniu retransmisji oraz dodatkowych informacji kontrolnych efektywność przesyłu danych wynosi ok. 20 b/s. Ponieważ linie zasilające poszczególnych domów i budynków są częścią większej sieci, informacje przenoszone przez protokół X10 mogą przedostawać się do innych lokalizacji. Aby temu zapobiec, stosuje się filtry tłumiące sygnał o zadanej częstotliwości poza obszarem, w którym powinien on być interpretowany.

Możliwości protokołu X10 są ograniczone ze względu na niewielką liczbę urządzeń, które mogą się tą metodą komunikować oraz prosty system komend, wysyłanych do modułów. Pakiet danych X10 składa się z trzech fragmentów, każdy po cztery bity. Pierwszy to identyfikator domu, drugi zawiera identyfikator urządzenia, trzeci zaś jest właściwym poleceniem. Oznacza to, że możliwe jest zaadresowanie do 256 urządzeń w każdej lokalizacji.

Informacje przesyłane pomiędzy modułami podzielone są na dwie grupy: polecenia do wykonania przez urządzenie oraz dane na temat statusu. Te pierwsze są proste i umożliwiają np. włączenie lub wyłączenie (on/off) oraz krokową zmianę wartości sterowanej wielkości (np. jasności światła). Komunikacja dwukierunkowa wymaga dodatkowego modułu nadawczego w urządzeniu (standard Advanced X10). Istnieje również rozszerzenie X10 obejmujące komunikację z wykorzystaniem techniki radiowej, tj. sygnałów na częstotliwości 433 MHz (standard europejski).

Komunikacja za pomocą linii zasilających rozwijana jest nadal, uwzględniając wprowadzenie nowych możliwości i funkcjonalności urządzeń końcowych. Obecnie intensywnie rozwijającym się standardem jest Insteon, proponowany przez firmę SmartLabs [7]. Charakteryzuje się on kompatybilnością wsteczną z X10, zapewniając jednocześnie większą prędkość transmisji (ponad 13 kb/s), modulację fazową nośnej danych cyfrowych oraz dłuższy format wiadomości (10 bajtów w wersji podstawowej i 24 w wersji rozszerzonej). Węzły posługujące się tym protokołem działają jako repeatery, powtarzając wszystkie odebrane komunikaty. Wymagania dla sprzętu cyfrowego wykorzystującego tę metodę do przesyłania danych to 256 bajtów pamięci RAM i EEPROM mikrokontrolera (plus 3 KB pamięci ROM zawierającej implementację protokołu).

Oprogramowanie systemowe

O ile urządzenia wchodzące w skład systemu są dobrze rozpoznane i opracowane, warstwa oprogramowania zarządzającego znajduje się w stosunkowo wczesnej fazie rozwoju. Aktualnie rozważane są dwa rozwiązania. Pierwszym jest system LinuxMCE (ang. Media Center Edition). Zainstalowany na komputerze klasy PC daje mu funkcjonalność modułu sterującego domowym centrum rozrywki w porozumieniu z modułami automatyki budynku. Zapewnia bowiem sterowanie oświetleniem, czy klimatyzacją, jak i odtwarzaczami i nagrywarkami wideo. Jest także przystosowany do wsparcia protokołu VoIP (ang. Voice over IP).

System operacyjny składa się z dwóch modułów: rdzenia (ang. core) oraz sterowników mediów (ang. media directors) podłączonych do ekranów telewizorów lub monitorów. System umożliwia sterowanie urządzeniami w budynku poprzez sieć komputerową. Obecnie trwają prace nad usunięciem błędów w kodzie oraz uczynienia interfejsu bardziej przyjaznego dla użytkownika.

Microsoft proponuje własne rozwiązanie dla zarządzania domem inteligentnym. Architektura rozważana jest pod nazwą HomeOS, który ma również zapewnić komunikację z urządzeniami w obrębie domu. W [8] przedstawiona jest ogólna koncepcja systemu wraz z jego czterowarstwową strukturą. Zapewnia ona wysoki poziom abstrakcji (tzn. ukrycia szczegółów sprzętu, na którym działa). Są to (w kolejności od znajdującej się najbliżej sprzętu): warstwa łączności ze sprzętem (ang. device connectivity layer), warstwa funkcjonalności urządzeń (ang. device functionality layer), warstwa zarządzania (ang. management layer) oraz warstwa zastosowań (ang. application layer). Taka budowa umożliwia jednolity sposób zarządzania różnorodnymi urządzeniami. Aktualna wersja systemu została przygotowana z wykorzystaniem platformy.NET 4.0, zweryfikowano ją również w dwunastu domach testowych. Jedną z istotnych zalet systemu jest wsparcie dla większości protokołów komunikacyjnych przedstawionych w artykule.

Komunikacja z Internetem

Mimo że technologie domu inteligentnego mają już ponad trzydzieści lat, dopiero ostatnia dekada przyniosła istotne rozszerzenia i modyfikacje, pozwalające na tworzenie skomplikowanych systemów zintegrowanych, charakteryzujących się rozsądnymi kosztami. Oprócz podstawowego sprzętu wymaganego w takich aplikacjach (kontrolera, czujników, elementów wykonawczych i urządzeń użytkowych sterowanych przez te ostatnie) dodatkowym elementem są obecnie elementy związane z technologiami komputerowymi. Zaliczają się do nich serwery www, moduły do komunikacji z telefonami komórkowymi i smartfonami, a także inteligentne czujniki zdolne do wysyłania informacji na temat pomiarów nie tylko do lokalnej sieci komputerowej (jak to miało dotąd miejsce), ale również do specjalizowanych serwerów Światowej Pajęczyny.

Związane jest to z rozwojem tzw. Internetu Rzeczy (ang. Internet of Things), czyli technologii wykorzystującej Internet do przesyłania oraz przechowywania informacji z czujników rozmieszczonych na całym świecie. Dane pomiarowe z inteligentnego domu stają się tym samym częścią większego systemu, mogą być wykorzystywane do prowadzenia obliczeń statystycznych (na temat wykorzystania określonego sprzętu, zużycia prądu itp.), ale również zapewniania kontroli lub bezpieczeństwa domowników z poziomu systemu globalnego. W tym celu potrzebne jest jednak stworzenie oraz skonfigurowanie serwerów bazodanowych zdolnych do przechowywania dostatecznie dużej ilości informacji (co może być problemem w przypadku znacznej liczby czujników przesyłających dane).

Wiele modułów wyposażonych jest we wbudowany serwer WWW. Jest to oprogramowanie pozwalające na zarządzanie oraz monitorowanie systemu poprzez Internet. Moduł taki musi być wyposażony dodatkowo w interfejs sieci komputerowej, dzięki któremu możliwe jest udostępnianie danych zdalnym komputerom. Dzięki temu rozwiązaniu możliwe jest sprawdzanie sytuacji w domu przy użyciu komputera stacjonarnego, notebooka, a nawet smartfona. Standardowy sposób komunikacji z serwerem WWW sprawia, że do pozyskiwania danych tą drogą nie jest wymagane specjalizowane oprogramowanie.

W większości przypadków wystarcza przeglądarka internetowa, zainstalowana w systemie operacyjnym. Zarządzanie systemem za pomocą przeglądarki jest obecnie tematem wielu badań, wykorzystujących technologię usług WWW (ang. Web Services). Jest to jednolita forma przekazywania serwerowi poleceń odnośnie operacji, które ten powinien wykonać na zamówienie klienta. Dodatkowo rozważane jest wykorzystanie usług WWW do zbierania informacji w sieci inteligentnej oraz wymiany ich pomiędzy poszczególnymi domami [9]. W tym ujęciu warstwę oprogramowania domu inteligentnego traktuje się jako architekturę zorientowaną na usługi (ang. Service Oriented Architecture – SOA). Jest to powszechnie przyjęty standard produkcji oprogramowania na potrzeby globalnej sieci.

Podsumowanie

Idea inteligentnego domu istniała w masowej świadomości od dawna, głównie dzięki pisarzom science fiction oraz przewidywaniom futurologów. Dzięki znaczącemu rozwojowi technik komputerowych od niedawna jest to technologia powszechnie dostępna, w dodatku o kosztach, na które może sobie pozwolić przeciętny właściciel mieszkania lub domu. Wachlarz zastosowań oraz stopień automatyzacji definiowany jest przez użytkownika, który decyduje również o całkowitym koszcie rozwiązania. Waha się on obecnie od kilkuset dolarów do kilkudziesięciu tysięcy w zależności od żądanej funkcjonalności.

W artykule przedstawiono rozwiązania sprzętowe oraz programowe stosowane współcześnie w systemach domów inteligentnych. Skupiono się na omówieniu i klasyfikacji sprzętu pomiarowego oraz wykonawczego, metod komunikacyjnych, a także rozwiązaniach programowych ułatwiających sterowanie systemem przez przeglądarkę internetową komputera stacjonarnego lub telefonu komórkowego. Duży wybór urządzeń stosowanych w systemach automatyki oraz niewielka jeszcze popularność opisywanych rozwiązań każe przewidywać, że intensywność rozwoju technologii domu inteligentnego będzie się nasilać.

Literatura

1. PROWAY-LAN Industrial Data Highway, online: http://www.isa.org/Content/Microsites121/Standards_and_Practices_Department_Board/Home119/Ballots/S_7201.PDF

2. I. Kaur, Microcontroller Based Home Automation System With Security, (IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications, Vol. 1, No. 6, December 2010, pp. 60–65.

3. P. Karataş, M. Aksoy, Microcontroller Based Home Automation, Proceedings of International Conference on Intelligent Knowledge Systems (IKS-2004), August 16–20, 2004.

4. PowerHome2&Elk M1Gold Guide, online: http://www.smarthomeusa.com/Products/POWER-Home/manuals/PowerHome2-Elk-Guide.pdf

5. C. Warmer, K. Kok, S. Karnouskos, A. Weidlich, D. Nestle, P. Selzam, J. Ringelstein, A. Dimeas, S. Drenkard, Web services for integration of smart houses in the smart grid, Grid-Interop Forum 2009, online: http://smarthouse-smartgrid.eu/fileadmin/templateSHSG/docs/publications/GridInterop.pdf

6. R. J. Robles, T. Kim, Applications, Systems and Methods in Smart Home Technology: A Review, International Journal of Advanced Science and Technology Vol. 15, February, 2010 , pp. 37–48.

7. Insteon Compared, http://www.smartlabsinc.com/files/INSTEONCompared20060102a.pdf

8. C. Dixon, R. Mahajan, S. Agarwal, A.J. Brush, B. Lee, S. Saroiu, P. Bahl, An Operating System for the Home, online: http://research.microsoft.com/pubs157701/homeos.pdf.

Galeria zdjęć

Tytuł
przejdź do galerii

Powiązane

Charakterystyka zaawansowanych architektur sterowników PLC (cz. 1 – sprzęt)

Charakterystyka zaawansowanych architektur sterowników PLC (cz. 1 – sprzęt)

W artykule przedstawiono współczesne zaawansowane sterowniki PLC, oferowane przez większość producentów tego rodzaju sprzętu. Dokonano w szczególności porównania ich z prostszymi odpowiednikami, a także...

W artykule przedstawiono współczesne zaawansowane sterowniki PLC, oferowane przez większość producentów tego rodzaju sprzętu. Dokonano w szczególności porównania ich z prostszymi odpowiednikami, a także szczegółowo opisano parametry czyniące z nich zaawansowane komputerowe systemy przemysłowe.

Przegląd bezprzewodowych technologii komunikacyjnych krótkiego zasięgu w zastosowaniach przemysłowych

Przegląd bezprzewodowych technologii komunikacyjnych krótkiego zasięgu w zastosowaniach przemysłowych

W artykule przedstawiono technologie komunikacji bezprzewodowej bliskiego zasięgu działające w paśmie poniżej 1 GHz. Po krótkim wprowadzeniu do standardów SDR omówiono ich parametry fizyczne (m.in. dopuszczalną...

W artykule przedstawiono technologie komunikacji bezprzewodowej bliskiego zasięgu działające w paśmie poniżej 1 GHz. Po krótkim wprowadzeniu do standardów SDR omówiono ich parametry fizyczne (m.in. dopuszczalną moc i typową prędkość transmisji), co obejmuje również liczbę i szerokość kanałów komunikacyjnych, wykorzystywane modulacje, a także zdolność do poprawnego odbioru danych cyfrowych w warunkach zakłóceń. Przedstawiono również typowe zastosowania omawianych standardów, zarówno obecne, jak i...

Metody pomiaru zużycia energii elektrycznej

Metody pomiaru zużycia energii elektrycznej

Od początku XXI wieku rządy większości państw wysoko rozwiniętych przejawiają wyjątkową dbałość o środowisko naturalne. Niekorzystne zmiany klimatyczne (wliczając w to efekt cieplarniany) oraz coraz wyraźniejsze...

Od początku XXI wieku rządy większości państw wysoko rozwiniętych przejawiają wyjątkową dbałość o środowisko naturalne. Niekorzystne zmiany klimatyczne (wliczając w to efekt cieplarniany) oraz coraz wyraźniejsze widmo wyczerpania kopalnianych źródeł energii skłaniają do przyjmowania kolejnych dyrektyw dotyczących przede wszystkim oszczędzania energii.

Komentarze

  • Natalia Natalia, 20.08.2013r., 11:41:03 Inteligentny dom to także liczniki energii elektrycznej, które zaczynają na dobre gościć w nowoczesnym budynku.
  • Natalia Natalia, 20.08.2013r., 11:42:13 Inteligentny dom to także liczniki energii elektrycznej, które zaczynają na dobre gościć w nowoczesnym budynku.
  • Andy Andy, 21.10.2013r., 09:06:17 Fajne
  • Edek Edek, 21.10.2013r., 15:50:30 Fajne
  • Ella Ella, 21.10.2013r., 16:33:42 Fajne
  • Misia Misia, 21.10.2013r., 17:19:00 Fajne

Copyright © 2004-2019 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
Portal Budowlany - Elektro.info.pl

Ta witryna wykorzystuje pliki cookies do przechowywania informacji na Twoim komputerze. Pliki cookies stosujemy w celu świadczenia usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. W każdym momencie możesz dokonać zmiany ustawień przeglądarki dotyczących cookies. Nim Państwo zaczną korzystać z naszego serwisu prosimy o zapoznanie się z naszą polityką prywatności oraz Informacją o Cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności oraz Informacji o Cookies.

Administratorem Państwa danych osobowych jest Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp.K., nr KRS: 0000537655, z siedzibą w 04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18, tel. +48 22 810-21-24, właściciel strony www.elektro.info.pl. Twoje Dane Osobowe będą chronione zgodnie z wytycznymi polityki prywatności www.elektro.info.pl oraz zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016r i z Ustawą o ochronie danych osobowych Dz.U. 2018 poz. 1000 z dnia 10 maja 2018r.