Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Техническое задание

Полное наименование разрабатываемого изделия:

Внутридомовая локальная вычислительная сеть «умного» дома.

Сокращенное наименование разрабатываемого изделия:

ЛВС-У.

Назначение:

Проект предназначен для оснащения «умных» домов в частных владениях с целью экономии электроэнергии, предотвращение последствий от аварийных ситуаций, а также с целью сделать проживание человека максимально комфортным.

1. Общие технические требования:

1.1. ЛВС-У должна включать в свой состав следующие подсистемы:

1.1.1. Локальную вычислительную сеть (ЛВС) в составе:

* персональные компьютеры;

* сетевое оборудование;

* сетевые принтеры;

* сервер;

* СКС.

1.1.2. Подсистемы управления:

- освещением;

- климат-контролем;

- охранной сигнализацией;

- пожарной сигнализацией;

- персональный компьютер мониторинга и управления подсистемами.

1.2. Подсистемы ЛВС-У должны функционировать в реальном времени прохождения электрических сигналов по подсистемам.

1.3. Время отклика ЛВС t_откл?5 сек. Должна быть выбрана базовая стандартная сетевая технология, обеспечивающая заданное время отклика при проводном подключении к сети Интернет.

2. Частные технические требования:

2.1. Подсистема управления освещением должна включать в свой состав:

- контрольную панель с экраном;

- датчики движения;

- диммеры.

Свет должен зажигаться при входе человека в помещение и гаснуть при его уходе.

Включение и выключение отдельных групп освещения, интенсивность освещения должно задаваться с панели управления или рабочей станции.

2.2. Подсистема управления климат-контролем должна включать в свой состав:

- датчики температуры;

- датчики влажности;

- контрольную панель с экраном.

Подсистема управления климат-контролем должна регулировать, поддерживать температуру и влажность в каждой комнате. Должно быть обеспечено задание климатических параметров с компьютера или пульта управления.

2.3. Подсистема управления охранной сигнализацией должна включать в свой состав:

- датчики движения;

- клавиатуру;

- контрольную панель;

- датчик открытия входной двери;

- сирену.

Охранная сигнализация должна быть выполнена с использованием проводных датчиков.

Постановку и снятие с охраны реализовать в районе входной двери, а также с помощью пульта дистанционного управления.

При срабатывании охранной сигнализации должно быть обеспечено звуковое оповещение людей в доме и сигналом (SMS) по GSM на запрограммированные номера мобильных телефонов.

2.4. Подсистема управления пожарной сигнализацией должна включать в свой состав:

- датчики тепловые, дымовые или комбинированные;

- сирену;

- контрольную панель;

- огнестойкие кабеля;

- источник бесперебойного питания.

При срабатывании пожарной сигнализации произвести звуковое оповещение людей в доме. Помимо подсистемы управления пожарной сигнализацией в доме должны быть расположены огнетушители.

2.5. Контрольная панель с экраном должна бить одна для всех систем управления.

2.6. Персональный компьютер мониторинга и управления подсистемами не должен быть подключен к сети Интернет и локальной вычислительной сети.

На нем должны отображаться данные со всех датчиков и с контрольных панелей.

Форма отображения данных: графическая.

2.7. Должно быть подключение ЛВС к сети Интернет.

3. Требования к характеристикам надежности.

Коэффициент готовности серверного ядра ЛВС должен быть К_г=0,99, при времени восстановления t_в?30 мин.

2. Предпроектное обследование помещения

2.1 Описание дома

Дом представляет собой двухэтажное здание с одним входом. Площадь первого этажа составляет 240 м?, второго - 160 м?. В центре дома расположена круговая лестница.

Количество рабочих мест - 7, постоянно проживает 9 человек.

Требуется спроектировать локальную вычислительную сеть для удобства пользования общими ресурсами, сетью Internet, а также работы на дому. Под рабочие места будут использованы 2 комнаты на втором этаже и 5 на первом. В доме предусмотрено серверное помещение.

2.2 Определение информационной нагрузки на ЛВС

Информационная часовая нагрузка одной информационной связи определяется по следующей формуле:

ИНсв =Е*(n1 +n2)/ 3600 [бит/сек], где (1) [2]

Е - информационная емкость стандартной единицы информации в битах;

n1 - число единиц, поступающих пользователю за час;

n2 - число единиц, отправляемых пользователем за час;

Суммарная часовая информационная нагрузка всех связей дома равна:

(2) [2]

Где N - число организационных связей.

Проживающие в дома дети и взрослые работают с разнородной информацией. Это могут быть и документы MS Office, изображения, фотографии, электронная почта, Интернет и т.д.

Информационные емкости одного документа (Е) для каждого приложения, возможно используемого в домашних условиях:

MS Office - 200 КБ;

Изображение - 1,5 МБ;

Графический редактор AutoCAD - 1,7 МБ;

Фотография - 4 МБ.

Для расчета информационной нагрузки за единицу данных взята средняя емкость файлов приложений Е = 1,85 МБ = 15518925 бит.

Таким образом, согласно формуле (1) внутренняя информационная нагрузка с 10 до 11 часов утра, если принять количество принятых файлов 5, отправленных 5, будет составлять:

ИНсв =15518925*(1+1) / 3600 = 8622 бит/сек. = 8,5 Кбит/сек.

Число организационных связей N примем равным 2, т. к. с 10 до 11 утра число пользователей в доме невелико. Ближе к вечеру N увеличится.

По формуле 2.2.2 рассчитаем суммарную часовую информационную нагрузку:

Для расчета внешней информационной нагрузки возьмем среднюю емкость электронного письма с прикрепленным файлом Е=1,5 МБ = 12582912 бит.

ИНсв =12582912*(20+20) / 3600 = 139810 бит/сек. = 137 Кбит/сек.

Для наглядности, дальнейшие результаты расчетов для остальных отделов сведены в таблицу 2.2.1, где приводится суммарная информационная нагрузка в Кбит/сек.

Таблица 2.2.1. Информационная нагрузка ЛВС

Время	Внутренняя	Внешняя	Итого
	ИН?(Кбит/сек.)	ИН?(Кбит/сек.)	ИН?(Кбит/сек.)
10:00-11:00	17	274	291
11:00-12:00	26	614	640
12:00-13:00	38	614	652
13:00-14:00	51	683	734
14:00-15:00	105	512	617
15:00-16:00	67	410	477
16:00-17:00	67	683	750
17:00-18:00	210	1195	1405
18:00-19:00	168	683	851
19:00-20:00	253	1092	1345
20:00-21:00	379	3584	3963
21:00-22:00	295	3482	3777
22:00-23:00	101	2048	2149

На основе полученных данных построим гистограмму информационной нагрузки сети, на которой обозначим внешний и внутренний трафик дома, а также суммарные объемы по часам.

Из гистограммы можно сделать вывод, что наибольшая нагрузка на сеть приходится на время с 20:00 до 21:00 часов, наименьшая - с 10:00 до 11:00.

Общая пропускная способность сети определяется по формуле:

, где k₁ = 1.3, k₂=2. (3) [2]

3. Логическое проектирование ЛВС

3.1 Выбор топологии сети

Существует несколько типов топологий сети, рассмотрим основные.

Топология звезда.

Концепция топологии сети в виде звезды (рис. 3.1.1) пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.

Рис. 3.1.1. Топология в виде звезды

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции.

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями.

В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Центральный узел управления может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

Кольцевая топология.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. (рис. 3.1.2). Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Рис. 3.1.2. Кольцевая топология

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять «в дорогу» по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Топология общая шина.

При топологии типа общая шина все клиенты подключены к общему каналу передачи данных. При этом они могут непосредственно вступать в контакт с любым компьютером, имеющимся в сети.

Передача информации в данной сети происходит следующим образом. Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети. Однако информацию принимает только тот компьютер, адрес которого соответствует адресу получателя. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу данных.



Рис. 3.1.3. Топология общая шина

Преимущества топологии общая шина:

Вся информация находится в сети и доступна каждому компьютеру.

Рабочие станции можно подключать независимо друг от друга. Т.е. при подключении нового абонента нет необходимости останавливать передачу информации в сети.

Построение сетей на основе топологии общая шина обходится дешевле, так как отсутствуют затраты на прокладку дополнительных линий при подключении нового клиента.

Недостатками топологии типа общая шина являются:

Низкая скорость передачи данных, т. к. вся информация циркулирует по одному каналу (шине).

Быстродействие сети зависит от числа подключенных компьютеров. Чем больше компьютеров подключено к сети, тем медленнее идет передача информации от одного компьютера к другому.

Итак, исходя из рассмотренных топологий, их достоинств и недостатков можно сделать вывод: для того чтобы добиться более высокой производительности и надежности сети, каждый из узлов сети необходимо подключить к центральному узлу (топология звезда). Данная процедура увеличит гибкость сети и упростит управление сетью.

3.2 Выбор и обоснование базовой технологии

В качестве среды передачи данных будем рассматривать проводные технологии, поскольку все рабочие станции проектируемой системы являются стационарными. Но надо учесть, что в настоящее время пользуются популярностью беспроводные устройства (планшет, ноутбук, смартфон), с помощью которых пользователь может выйти в сеть Интернет. Поэтому дополним проводную ЛВС устройствами, обеспечивающими беспроводное соединение.

В качестве базовой технологии выберем Fast Ethernet. Эта технология в наибольшей мере отвечает поставленным требованиям: она проста в эксплуатации и обслуживании, обеспечивает необходимую скорость и большей мере отвечает критериям цена / качество. Сеть использует модель доступа CSMA/CD, для достижения необходимой скорости будем использовать кабель «витая пара» категории 5. Эту технологию поддерживают большинство производителей активного сетевого оборудования.

Для определения соответствия пропускной способности выбранной сети заявленным требованиям, а также выявления необходимости структурирования сети, необходимо рассчитать коэффициент нагрузки сети.

Коэффициент нагрузки неструктурированной локальной вычислительной сети определяется по формуле:

(4) [2]

где С_{р -} общая пропускная способность сети, была рассчитана в пункте 2.3.

С_макс - максимальная пропускная способность базовой технологии сети.

Далее выполняется проверка условия допустимой нагрузки ЛВС:

 (5) [2]

Где - коэффициент нагрузки неструктурированной сети.

Если условия (5) не выполняется необходимо выполнить логическую структуризацию ЛВС: последовательно разделять сеть на логические сегменты по N_л.с. компьютеров в каждом логическом сегменте, проверяя на каждой итерации выполнение условия (5).

Проведем расчет коэффициента нагрузки неструктурированной локальной вычислительной сети согласно формуле 3.2.1 для сети на основе технологии Fast Ethernet:

Затем выполним проверку условия допустимой нагрузки ЛВС согласно формуле 3.2.2: 0,01 < 0.35.

Таким образом, для Fast Ethernet условие выполняется с запасом, необходимости дополнительного структурирования нет, поэтому для реализации проводной части ЛВС будет использоваться данная технология. Для реализации беспроводной части ЛВС будет использована технология Wi-fi, которая на сегодняшний день превосходит по пропускной способности технологию FastEthernet (100 Мбит/с). На основе полученных данных строим логическую схему ЛВС.

4. Техническое проектирование ЛВС

4.1 Выбор сетевого ПО

В доме на всех ПК установлена операционная система Windows 7.

Наиболее подходящей для сервера, с учетом требований в его спецификации, является ОС Windows Server 2012, которая позволяет использовать большинство приложений, разработанных для Windows 7.

Windows Server 2012 - это высоко масштабируемая среда с высокой плотностью размещения, которая может быть адаптирована для работы на оптимальном уровне в зависимости от потребностей пользователей;

Windows Server 2012 обеспечивает повышенную безопасность и надежность взаимодействия между географически удаленными сетями и публичным облачным сервисам, расширяя единую систему идентификации, управления и обеспечивая повышенную защиту информации.

Открытая web-платформа, предоставляющая ИТ-специалистам гибкость при построении многопользовательских приложений для локального размещения или на базе публичных облачных сервисов.

Windows Server 2012 предлагает простое решение проблем удаленного доступа с помощью любой комбинации легко развертываемых и управляемых решений, построения филиальной инфраструктуры и служб централизованных рабочих столов. Эти решения позволяют реализовать постоянный доступ к данным и / или виртуальному рабочему столу пользователя практически из любого места, включая филиалы или публичные подключения.

Windows Server 2012 помогает быть уверенным в повышенной безопасности данных и соответствии требованиям, предлагая грануляцию доступа к информации и корпоративным ресурсам на основе надежной идентификации и проверки статуса безопасности устройств, а так же за счет упрощенного конфигурирования и администрирования удаленного доступа.

Выпущены следующие версии ОС (рис. 4.2.1):

Рис. 4.2.1. Редакции ОС Windows Server 2012

Из рисунка видно, что самым оптимальным решением является ОС в редакции Essentian. Ее и устанавливаем на сервер.

Используемые протоколы.

Современная корпоративная ОС должна поддерживать сетевое оборудование стандартов Ethernet, TokenRing, FDDI, FastEthernet, ATM. На более высоких уровнях должны поддерживаться протоколы стеков TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS, AppieTalk.

Проектируемая сеть работает на оборудовании стандарта FastEthernet. В качестве стека протоколов используется TCP/IP, как протокол, который является основным для всех современных сетевых операционных систем.

5. Проектирование системы «Умный дом»

5.1 Состав системы «Умный дом»

Количество систем, которые объединяет в себе «Умный дом» может быть различным. Все напрямую зависит от желаний потребностей и финансовых возможностей.

В данном проекте будут спроектированы следующие подсистемы:

· Освещение

Регулировка яркости и включение / выключение света в квартире или доме организуется с помощью специальной системы управления, также входящей в «умный дом». Интеллектуальное управление светом позволяет удобно управлять освещением в помещении, обеспечить работу осветительных приборов по датчикам движения, освещённости и по таймеру.

· Охрана

Системы безопасности умного дома работают независимо от центрального энергоснабжения и в случае неполадок сами производят необходимые отключения и могут функционировать от внутреннего источника. При этом при нежелательном проникновении в дом система включит сирену и отправит сообщение на телефон хозяина, а также в полицию или охранную организацию.

· Климат

Схема создания микроклимата включает в себя создание систем вентиляции, кондиционирования и увлажнения воздуха и отопления.

В каждом помещении может быть задана своя недельная программа со своими температурными и временными установками. Это позволяет добиться оптимального управления отоплением квартиры или дома и дает экономию электроэнергии. Задание режима и температуры может осуществляться с пульта или экрана компьютера.

· Пожарная безопасность

Противопожарная система в случае пожара отключит вентиляцию, чтобы поток воздуха не способствовал возгоранию, электричество и газ, сообщит о случившемся хозяину, отправив тревожное SMS-сообщение. Система также включит сирену, чтобы предупредить соседей о случившемся и уберечь от опасности.

5.2 Выбор протокола системы

5.2.1 Протоколы в системе «Умный дом»

Различные подсистемы «умного» дома объединены между собой при помощи оптоволоконных кабелей, коаксиальных кабелей, витой пары, силовых линий и беспроводной связи (Wi-Fi, GPRS, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, ONE-NET, EnOcean).

Обмен данными между подсистемами умного дома осуществляется посредством технологий: Bluetooth, IEEE 1394 interface (Fire Wire), IrDA, Universal Serial Bus и ZigBee.

За автоматизацию и управление системой умный дом отвечают: C-Bus, EnOcean, EHS/KNX, LonWorks, X10, ZigBee и Z-Wave.

Работа всей сети умного дома обеспечивается за счет таких технологий, как: Ethernet, Homeplug, HomePNA и WiFi.

В конце 20 го века инженерами было сделано множество попыток прийти к созданию общего протокола аппаратных средств, электроники и коммуникационных интерфейсов.

Проблема заключалась в том, что одни протоколы используют дополнительную коммуникацию и кабельное управление, другие - обычную проводку строительных сооружений, третьи - радиочастоты, а четвертые - целые комбинации из перечисленных предыдущих. Решением задачи стало использование перемычек, которые способны конвертировать данные из одного протокола в другой, например X10 в EIB.

Итак, рассмотрим различные протоколы системы «Умный дом».

1. Протокол 1-wire

Технология 1-wire известна уже около 10 лет. 1-wire широко применяется как в быту, так и в промышленных системах.

Преимущества 1-wire:

· Простая и понятная архитектура сети

· Низкие требования к кабелям

· Большая протяженность линии

· Низкая стоимость и простота компонентов

· Открытый протокол и доступное ПО для программирования

· Возможность в определенных ситуациях обходиться без питания

Минусы:

· Низкая скорость передачи данных

· Обязательное наличие мастера, ведущего сети

Видно, что плюсов технологии гораздо больше, чем минусов. Остановимся подробнее на обязательном требовании к наличию мастера сети.

Дело все в том, что устройства с точки зрения организации обмена данными - пассивные элементы цепи. Компоненты 1-wire не могут без специального запроса посылать в сеть данные. Таким образом, устройства не могут общаться друг с другом без «активного» ведущего. Элементы сети являются всегда ведомыми. Мастер в сети 1-wire только один. Именно он инициирует, контролирует и управляет работой сети и подключенных к сети устройств. В зависимости от используемого программного обеспечения, мастер 1-wire линии может по-разному работать со своими подопечными, но только он в конечном итоге может опросить состояние конкретного элемента, а также послать запроса на получение от этого элемента какой-либо информации. Например, если нам необходимо в режиме реального времени выводить значение температуры с множества датчиков, то мастер сети в цикле будет по очереди опрашивать эти датчики. Отвечать мастеру по сети может только одно устройство. В качестве мастера может выступать МК (микроконтроллер), который может, при соответствующем ПО, напрямую включаться в сеть 1-wire к одному из своих портов ввода-вывода. Мастером может выступать также ПК (персональный компьютер), использующий специальные элементы сопряжения, позволяющие соединять 1-wire с COM-портом или USB-портом компьютера.

2. Протокол X10

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 оборудование для Х10 в настоящий момент выпускается множеством фирм (в том числе IBM). Следствием этого является относительно низкая цена 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 фантазию хозяев дома.

Каждое устройство, управляемое посредством Х10, имеет свой адрес, состоящий из двух символов. Первый - код дома, второй - код устройства. Каждый из них может иметь 16 значений, а общее число различных адресов достигает 256. Код дома обозначают латинской буквой (от A до P), а код устройства - числом от 1 до 16. По электропроводке каждый код дома и устройства передается своей последовательностью нулей и единиц - двоичным кодом.

Каждая команда Х10 также имеет свой двоичный код. Последний бит в двоичных кодах устройства и команды служит для различия типа кодов: 0 соответствует коду устройства, 1 - коду команды. Для того чтобы приемник знал, когда начинается передача полезного сигнала, передатчик сначала посылает так называемый стартовый код - ему соответствует последовательность 1110. За ним следует код дома, а потом - код устройства или команда. Последовательность стартового кода, кода дома и кода устройства или команды называется кадром Х10. Каждый кадр передается два раза подряд - для большей надежности.

Для передачи команды Х10 нужно сначала отправить кадр с кодом устройства, которому предназначена команда, а за ним - кадр с самой командой. Исключение составляют групповые команды, например «All Units Off» - они отправляются всем устройствам, поэтому код устройства перед ними передавать не нужно.

3. Стандарт EIB

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), 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 - 32 767.

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.

4. Протокол C-Bus

Протокол С-Bus разработан компанией Clipsal, основанной в 1907 г. и являющейся ведущим производителем электрооборудования в Австралии и Азии.

Из наиболее известных проектов с использованием продуктов Clipsal можно назвать стадион «Манчестер» (Manchester Commonwealth), Дом оперы Сиднея (Sydney Opera House) и главный стадион Олимпиады 2000 в этом же городе.

Система Clipsal C-Bus построена на базе IP - протокола; ПО, совместимое со всеми версиями Windows, обеспечивает управление системами любого уровня.

Структура системы построена по принципу распределенного интеллекта. В каждый её 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. При этом она электрически изолирована от основного электропитания и имеет защиту от коротких замыканий.

Функциональные возможности системы C-Bus:

· управление освещением - диммирование (плавное управление яркостью) ламп накаливания, галогенного и люминесцентного освещения с нагрузками до 20 А на канал, формирование любых световых сценариев, поддержание определенного уровня освещения и т.д.;

· 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, 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, 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, надёжно и несложно.

5. Протокол LonTalk

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 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 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 её преимущества раскрываются при построении автоматизированных систем управления инженерными системами (освещение, отопление, вентиляция, кондиционирование, системы доступа, охраны) жилых и промышленных зданий (концепция интеллектуального здания).

6. Протокол BACnet

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 пока мало известны в России. Главным из 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.

7. Технология Z-Wave

Z-Wave представляет собой полностью беспроводную технологию, в основе которой лежит ячеистая сеть. Каждое устройство в сети Z-Wave является как приемником, так и передатчиком. Благодаря этому увеличивается надежность сети (при выходе из строя одного устройства, сигнал пойдет через соседнее), а зона покрытия расширяется простым добавлением новых устройств, которые могут работать в качестве повторителей сигнала. В сети Z-Wave не нужны дополнительные усилители сигнала, достаточно, чтобы любое устройство сети Z-Wave находилось в радиусе действия соседнего устройства.

Технология Z-Wave доступна в виде чипа, именуемого Single Chip, а также в виде модуля с интегрированным радиочастотным трактом и антенной. В чип Z-Wave разработчики поместили процессор 8051, флеш память, SDRAM, контроллер Triac, радиомодуль, ввод / вывод, АЦП. Система управления на основе Z-Wave представляет собой mesh-сеть с дуплексной беспроводной радиосвязью.

В настоящее время насчитывается около 200 производителей, поддержавших технологию Z-Wave (Danfoss A/S, Intel, Intermatic, Leviton, Monster Cable, Universal Electronics, Wayne Dalton, BuLogics, ControlThink, Hawking Technology, HomeSeer, Inlon, Innovus A/S, Jasco Products, KTC Tech, Lagotek, Lantic Systems, Logitech, Merten, Navicom Technologies, Panasonic, uControl, ViewSonic, Xanboo, ELK Products и многие другие).

8. Технология ZigBee

ZigBee - это открытый стандарт беспроводной связи для систем сбора данных и управления. Технология ZigBee позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.

В настоящее время технология ZigBee широко применяется для создания беспроводных сетей датчиков, систем автоматизации зданий, устройств автоматического считывания показаний счетчиков, охранных систем, систем управления в промышленности.

Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/c. При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах 5… 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети соcтавляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве.

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология). В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.

В сети ZigBee существует 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство.

Главное устройство в ZigBee-сети - это координатор. Координатор выполняет функции по формированию сети, а также является одновременно доверительным центром. Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети.

Спящие и мобильные устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно они выполняют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств.

Роутеры осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов. Максимальное количество спящих или мобильных узлов, обслуживаемых одним роутером - 32.

5.2.2 Сравнение и выбор протокола системы

С учетом того, что в проекте рассматривается частный дом, который имеет большую площадь и в нем отсутствует ремонт, правильнее воспользоваться проводной технологией. Провода в ходе ремонта можно спрятать, зато надежность и помехоустойчивость сети будет выше.

Из проводных технологий наиболее распространены C-Bus, EIB/KNX и LonWorks. Также пользуется популярностью Х10 за счет невысоких цен, но качество работы ниже, невысокая скорость, недостаточная возможность обратной передачи информации. Сравним оставшиеся технологии.

Преимущества системы Clipsal C-Bus по отношению к EIB/KNX:

Ценовой диапазон: близкий, но C-Bus чаще дешевле. При высокой функциональности C-Bus может быть намного дешевле.

Технические характеристики:

- в C-Bus применяется стандартный кабель 5-й категории. В EIB свой собственный тип кабеля.

- Максимальная длина кабеля C-Bus - 1000 метров в одном сегменте. EIB - 600-700 метров.

- В C-Bus количество устройств в одном сегменте (без сетевых мостов) - 100, в EIB - 64.

- В C-Bus чаще всего используются встроенные в устройства блоки питания. Они располагаются по сети свободно. В EIB необходимы отдельные блоки, особым образом соединенные друг с другом.

Интерфейсы: C-Bus и EIB совместимы с системами Crestron, AMX, LonWorks и др.

Но недавно (2010-2011 г.) на отечественный рынок вышла новая технология, которая объединила все лучшее от KNX, C-Bus и LonWorks. Рассмотрим ее подробнее.

Smart Bus - распределенная система управления для построения сетей Умного Дома, Интеллектуального здания, управления светом, климатом, системы безопасности, мультирума.

Smart Bus строится на основе контроллеров, встроенных в каждый прибор. Все приборы объединяются проводом Cat5e UTP. Используется 4 провода - 2 для данных, 2 для питания. Питание приборов 8-32VDC от специализированных блоков питания.

В одном сегменте может подключаться до 65000 приборов, длина информационного кабеля - до 1.7 км. Увеличивается сеть за счет сетевых мостов, которые подключаются к сети Ethernet.

В настоящее время линия продукции Smart-BUS включает в себя сенсорные экраны, клавишные панели (в том числе уникальные многофункциональные клавишные панели DLP с ЖК-экраном), датчики, реле, диммеры, логические контроллеры, контроллеры безопасности, модули управления звуком, климатом, специализированные устройства и программное обеспечение для автоматизации гостиниц.

Линейка продуктов Smart-BUS неоднократно удостаивалась региональных и международных наград за техническое совершенство.

Главные преимущества Smart Bus:

* Управляющие элементы

- В составе системы клавишные панели с экраном, простые клавишные панели и цветные сенсорные экраны

- При помощи прибора SB-DN-EIB инсталляторам KNX/EIB предоставляется возможность сильно расширить возможности своих систем в области управления светом, музыкой, системой безопасности. При этом продолжая использовать прекрасный дизайн панелей и сенсоров KNX-Gira, Jung, Merten, ABB и других.

- С любой панели можно управлять светом, климатом, музыкой, охранной системой

- Дизайн - стекло разных цветов или металл

* Система

- Приемлемая цена

- Работает без центрального процессора, используя распределенный интеллект. Это делает ее надежной и гибкой

- Как можно реже использует сетевые мосты и повторители - до 65000 приборов в одной сети

- Очень быстро настраивается, как распределенная система; и одновременно работает со свободной логикой, не хуже централизованных

- Имеет полноценные KNX, LON. TCP/IP и RS232/485 интерфейсы

- Использует шинный интерфейс и любой кабель Cat5e UTP

- Поддерживает беспроводные приборы различных протоколов (включая Zigbee и Wireless DMX)

* Свет

- Имеет широкий спектр диммеров для регулирования света любой мощности. В качестве бонуса управляет DMX шоу-системами и диодными LED светильниками

- В любом приборе может хранить и запускать сценарии до сотни событий

- Всегда знает состояние любого канала управления

* Климат

- Имеет контроллеры автоматики кондиционирования со встроенной логикой

- Может управлять по ИК, LON, RS232/485, TCP/IP протоколам климатической автоматикой

- Термостаты, встроенные в клавишные панели или отдельные внешние термодатчики

* Мультимедиа

- Собственная новейшая мультирумная система, основанная на TCP/IP медиа клиентах, встроенных в аудиоусилители

- Поддержка мультирумного и медиа оборудования OPUS, NUVO и других

- Управление по RS232 протоколу другими системами (Kramer. Elan и др.)

* Система безопасности

- Многофункциональные датчики, работающие на свет и безопасность

- Готовые режимы дома. Отпуск. Ночь. Ночь с гостем и другие

Битва стандартов пока продолжается. Работа протоколов совершенствуется, каждый производитель постоянно выдает на рынок всё новые и новые устройства с улучшенными и расширенными характеристиками. Открытость протоколов способствует практически мгновенной интеграции технических новинок одного протокола во все остальные.

Техника «умного» дома является высокотехнологичной, построенной на последних достижениях электроники, а потому не может быть общедоступной, её нельзя сравнить с электролампой. Но если нет суммы, достаточной для покупки всего комплекса сразу, то есть выход - создавать комплекс поэтапно. Начать можно с самого необходимого и постепенно пополнять комплекс, главное, чтобы при проектировании системы были заложены возможности её будущего расширения. Кроме того, существуют малобюджетные проекты, которые позволяют создавать отдельные виды систем с минимальными затратами.

Итак, в данном разделе было представлено что такое «умный» дом, из чего он состоит, какие существуют протоколы и был произведен выбор технологии, которая будет применена в данном дипломном проекте.

умный операционный дом сеть

Размещено на Allbest.ru

...