Развертывание системы "умный дом" на базе технологии КNХ
Использование интеллектуальных технологий для решения проблемы энергосбережения. Анализ систем автоматизированного управления умным домом. Алгоритм автоматизации систем жизнеобеспечения объекта. Анализ энергопотребления интеллектуального помещения.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.07.2020 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ
им. А.Н.ТИХОНОВА
Программа подготовки бакалавров по направлению
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Выпускная квалификационная работа по направлению 11.03.02
Инфокоммуникационные технологии и системы связи
студента образовательной программы бакалавриата
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Развертывание системы «умный дом» на базе технологии КNХ
Студент Д.Р. Гарибмамадов
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
И. А. Иванов
Москва 2020
Список используемых сокращений
1. BACnet (Building Automation and Control network) - сеть автоматизации зданий и управления
2. CAGR (Compound Annual Growth Rate) - показатель среднегодового роста
3. CCH (Сentrica Сonnected Нomes) - соединенные дома
4. CeBus (Consumer Electronics Bus) - общая шина для бытовой электроники
5. EDF (Electricite de France) - французская энергетическая компания
6. EHS (European Home System) - европейская домашняя система
7. ЕIВ (Еuropeаn Instаllаtion Вus) - европейская инсталляционная шина
8. ENEL (Ente Nazionale per l'Energia eLettrica) - итальянская энергетическая компания
9. ЕТS (Еnginееring Tооl Sоftwаre) - инструментальный программный пакет для инженерного обеспечения
10. HAI (Human Agent Interaction) - взаимодействие человека с агентом
11. IDC (International Data Corporation) - международная аналитическая компания
12. Instabus (Installation Bus) - Монтажная шина
13. KNX (Konnex Networks) - Сеть Коннекс
14. LON (Local Operating Networks) - локальная оперативная сеть
15. TCP (Transmission Control Protocol) - протокол передачи данных
16. АСУ - Автоматизированная система управления
17. ВВП - валовой внутренний продукт
18. ВКР - выпускная квалификационная работа
19. ГОСТ - государственный стандарт
20. ЕС - европейский союз
21. ЕЭК - европейская экономическая комиссия
22. ЖКХ - жилищно-коммунальное хозяйство
23. ИП - интеллектуальное помещение
24. ООН - организация обьединенных наций
25. ТЭК - топливно-энергетический комплекс
26. ЦУР - цели устойчивого развития
Оглавление
автоматизация интеллектуальный умный дом
- Аннотация
- Abstract
- Введение
- 1. Концепция «умный дом» и история ее развития
- 1.1 Проблема энергосбережения и ее решение посредством использования интеллектуальных технологий
- 1.2 Концепция «умный дом» за рубежом и в России
- 1.3 Интеллектуальные системы «умного дома» и их эволюция
- 1.4 Технологии «умных домов»: спрос, барьеры и драйверы роста
- 2. Разработка проекта автоматизации жилого помещения
- 2.1 Анализ систем автоматизированного управления умным домом
- 2.2 Характеристика объекта автоматизации
- 2.3 Технические требования
- 2.4 Обоснование выбора технологии
- 3. Программирование систем жизнеобеспечения объекта автоматизации
- 3.1 Разработка алгоритма автоматизации систем жизнеобеспечения объекта
- 3.2 Разработка программного продукта
- 4. Экономическая эффективность автоматизации систем жизнеобеспечения жилого помещения
- 4.1 Анализ энергопотребления интеллектуального помещения
- 4.2 Расчет экономической эффективности автоматизации систем жизнеобеспечения
- Заключение
- Список литературы
- Приложения
- Аннотация
Особая роль в использовании потенциала повышения эффективности использования энергетических ресурсов и энергосбережения принадлежит развитию концепции «умный дом». Выпускная квалификационная работа посвящена разработке автоматизированной системы жизнеобеспечения жилого помещения на основе использования интеллектуальных технологий. На основе обобщения мирового опыта выявлены тенденции развития интеллектуальных систем «умный дом», обоснованы барьеры, сдерживающие развитие этого рынка в России и СНГ. Разработан проект комплексной автоматизации систем жизнеобеспечения жилого помещения на основе технологии KNX.
В ВКР представлен беспроводной подход к системе домашней автоматизации на основе KNX. KNX является всемирно открытым стандартом в зданиях для создания интеллектуальных приложений. Среди многих протоколов автоматизации предпочтение отдается технологии KNX из-за удобного в использовании программного обеспечения, простой и быстрой установки и возможности объединения всех инженерных систем, таких как электричество, безопасность, отопление, пожар и другие.
Предложенные в ВКР инженерные решения обоснованы расчетами их экономической эффективности и могут быть рекомендованы для практического использования.
Ключевые слова: коммуникационная шина, KNX, ETS, умный дом, автоматизация, контроллер, датчик, исполнительный механизм, монтажная шина, интеллектуальное помещение, инсталляционная шина.
Abstract
A special role in the potential usage of the efficiency increase of energy resources and energy saving belongs to the development of the “smart home” concept. The final qualification work is dedicated to the development of an automated life support system for an appartment applying the intelligent technologies. Based on a synthesis of world experience, identified tendencies in the development of intelligent systems “smart home”, justified the barriers that hinder the development of this market in Russia and CIS. A project is developed for the integrated automation of living support systems for residential appartment based on KNX technology.
The final qualification work presents wireless approach to KNX based home automation system. KNX is a worldwide open standard in buildings to make smart applications. KNX technology is preferred among many other automation protocols due to user friendly software application, an easy and quick installation, and possibility of combining all engineering systems such as electricity, security, heating, fire and others into one.
Engineering solutions proposed in the final qualification work justified by calculations of their economic efficiency and can be recommended for practical use.
Key words: communication bus, KNX, ETS, smart home, automation, controller, sensor, actuator, scene, automation, bus, smart premise, installation bus.
Введение
Истощение запасов органического топлива, изменение климата, обострение экологической ситуации, рост цен на энергетические ресурсы, сопровождаемые увеличением объемов их потребления, повышают актуальность проблемы повышения энергетической эффективности и энергосбережения и ставят перед мировым сообществом задачу поиска механизмов ее решения.
Правительствами многих стран разрабатываются стратегии устойчивого развития, важнейшими направлениями которых являются обеспечение энергетической безопасности, повышение энергетической эффективности. Реализация программ повышения энергетической эффективности и энергосбережения в энергетической политике развитых стран, например ЕС, рассматривается как дополнительный источник энергии. В развивающихся странах программы энергосбережнения и повышения энергетической эффективности, как правило, ориентированы на ликвидацию энергетической бедности и улучшение качества жизни населения.
Особую озабоченность мирового сообщества вызывают тенденции изменения климата на планете и экологический аспект проблемы энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Рост потребления энергетических ресурсов неизменно влечет за собой усиление загрязнения окружающей среды.
Перспективы снижения энергоемкости мировой экономики и разрушительного влияния ее развития на окружающую среду связаны с развитием концепции «умный дом». В настоящее время стратегическим приоритетом развития мегаполисов во многих странах является создание «умного города». Проблема реализации интеллектуальных систем управления энергопотреблением городов приобретает особую актуальность в условиях прогнозируемого роста численности городского населения. По оценкам ООН к 2050 году 67% населения нашей планеты будут проживать в городах.
Достигнутый в настоящее время уровень интеллектуальных технологий и наметившиеся тенгденции их развития уже в ближайшей перспективе дают возможность человечеству повысить эффективность использования энергетических ресурсов на основе реализации концепций «умный дом» и «умный город» и внести весомый вклад в улучшение экологической ситуации на нашей планете. Сегодня неоспорим тезис, что человечество, изменяя свое потребление энергетических ресурсов, может изменить мир.
Целью настоящей выпускной квалификационной работы (ВКР) является реализация концепции «умный дом» на основе автоматизации систем жизнеобеспечения в трех комнатной квартире многоэтажного жилого дом в г. Москва с разработкой программного обеспечения.
Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:
· изучена концепция «умный дом», ее становление и развитие;
· исследованы интеллектуальные системы «умного дома» и их эволюция;
· обоснованы барьеры и условия развития спроса на «умные дома»;
· обоснована актуальность и определено содержание проекта автоматизации систем жизнеобеспечения жилого помещения, как элемента «умного дома»;
· разработан проект автоматизации конкретного жилого помещения;
· на основании сравнительного анализа известных на рынке протоколов обоснован выбор технологии KNX;
· разработаны алгоритмы автоматизации систем жизнеобеспечения жилого помещения;
· предложен программный продукт реализации алгоритма;
· дана оценка экономической эффективности предложенных решений по автоматизации систем жизнеобеспечения.
· дана оценка современному состоянию энергосбережения и энергоэффективности национальных экономик и в целом мирового сообщества;
Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит введение, аннотацию на русском и английском языках, 4 главы, заключение, приложения и список использованной литературы.
В первой главе «Концепция «умный дом» и история ее развития» изложена актуальность проблемы энергосбережения, рассмотрены основные принципы и механизмы повышения энергетической эффективности и энергосбережения, проанализирован международный опыт повышения энергетической эффективности экономики, обоснована целесообразность использования интеллектуальной системы «умного дома», включая автоматизацию систем жизнеобеспечения. Основная цель этой главы состоит в раскрытии содержания концепции системы «умный дом», основанной на новом подходе к организации жизнедеятельности людей и направленной на решение системных проблем энергосбережения на основе использования комплекса высокотехнологичного оборудования.
Во второй главе «Разработка проекта автоматизации жилого помещения» рассмотрена автоматизация систем жизнеобеспечения жилого помещения, как элемента системы «умного дома», обоснован выбор объекта автоматизации и приведена его характеристика, сформулированы технические требования к автоматизированной системе жизнеобеспечения и предложена технология автоматизации. На основании сравнительного анализа существующих протоколов обоснован выбор технологии KNX, обладающей целым рядом преимуществ.
В третьей главе «Программирование системы жизнеобеспечения объекта автоматизации» разработаны алгоритм систем жизнеобеспечения объекта автоматизации и программный продукт его реализации, обоснован выбор необходимого оборудования.
В четвертой главе «Экономическая эффективность автоматизации систем жизнеобеспечения жилого помещения» выполнен анализ энергопотребления интеллектуального помещения (ИП). На основе расчета экономической эффективности автоматизации систем жизнеобеспечения подтверждена рентабельность предложенных проектных решений.
В заключении приведены обоснованные выводы и рекомендации по результатам разработанного проекта.
ВКР изложена на 65 страницах, включает 11 рисунков и схем, 6 таблиц, 3 приложения, списка использованной литературы, который включает 19 наименований.
1. Концепция «умный дом» и история ее развития
1.1 Проблема энергосбережения и ее решение посредством использования интеллектуальных технологий
Истощение запасов органического топлива, изменение климата, обострение экологической ситуации, рост цен на энергетические ресурсы, сопровождаемые увеличением объемов их потребления, повышают актуальность проблемы повышения энергетической эффективности и энергосбережения и ставят перед мировым сообществом задачу поиска механизмов ее решения.
В 2018 г. мировое потребление всех энергоносителей увеличилось +2,3%. Преимущественный спрос при этом характерен для электроэнергии и газа. Наиболее высокий темп энергопотребления имел место в Китае (3,7%). В США, в 2018г., в сравнении с 2017г. прирост потребления энергетических ресурсов составил 3,5%. Как считают эксперты одной из причин этого увеличения явились климатические условия - жаркое лето и холодная зима. Вместе с тем в рассматриваемый период потребление энергии в ЕС сократилось на 1%. Например, на 3,5% энергопотребление снизилось в Германии, что явилось следствием теплого зимнего периода и реализации эффективной политики энергосбережения в стране.
Рис 1 Динамика мирового потребления электроэнергии, TWh
Составлено и рассчитано автором по: https:уearbооk.enerdata.ru/electricity/еlеctricity-domestic-consumption-data.html
Динамика потребления электроэнергии в мире, приведенная на рис.1, свидетельствует о выраженных темпах роста. Мировое потребление электроэнергии в 2018 году по сравнению с 2017 годом увеличилось на 3,5%. Потребление электроэнергии в мире в 2018 году иллюстрируется рис. 2. При этом, в основном мировое энергопотребление увеличилось за счет Азии (примерно 80%), из которого 60% - за счет Китая.
Экономический рост Китая и промышленный спрос, обусловили повышенный спрос на электроэнергию в Китае (рис.2).
Рис 2 Потребление электроэнергии в разрезе регионов мира в 2018 г, TWh
Составлено и рассчитано автором по: https:уearbооk.enerdata.ru/electricity/еlеctricity-domestic-consumption-data.html
Спрос также вырос в Японии, Индии, Индонезии и Южной Корее. По сравнению с 2017 г., потребление электроэнергии в США увеличилось на 2,2% в 2018г. Значительное влияние на этот прирост оказал жилой сектор. Прирост электропотребления в этом секторе экономики, составивший 6,2%, имел место за счет увеличения потребления электроэнергии бытовой техникой и кондиционирования воздуха. В структуре потребления электроэнергии жилым сектором потребление бытовой техникой составляет около 50%, использование централизованных или индивидуальных систем кондиционирования воздуха в США составляет почти 90%.
Экономический рост в странах (например, Бразилии и России) способствовал росту потребления электроэнергии. Также отмечается рост ее потребления в Африке (Египет и Ближний Восток). При этом в Европе на протяжении и 2017 и 2018 гг. потребление электроэнергии оставалось стабильным: снизилось в Германии, Австрии и Франции, стабилизировалось в Великобритании, Италии и Испании и возросло в Польше, Болгарии и Нидерландах.
Особого интереса заслуживает и экологический аспект проблемы энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Рост потребления энергетических ресурсов неизменно влечет за собой негативное влияние на окружающую среду. Выбросы CO2, связанные с энергетикой, выросли на 2,1% в 2017 году и на 1,9% в 2018. Выбросы углекислого газа в окружающую среду, как результат деятельности энергетического сектора, увеличились в 2019 году на 1-1,5%, что обусловлено увеличением энергопотребления. Все страны, кроме европейских и стран Латинской Америки, увеличили энергопотребление. Несмотря на политику перехода с угля на газ, выбросы углекислого газа в окружающую среду значительно увеличились в Китае, Индии и в России на 3,1%, 4,2% 3,9% соответственно. Выбросы углекислого газа в окружающую среду в США выросли на 3,1%, что было вызвано, как отмечено выше, увеличением потребления энергии, связанными с погодными условиями. В ЕС выбросы CO2 сократились на 2,1% по нескольким причинам: снижение спроса на энергию (как, например, в Германии), увеличение доли возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии и относительно благоприятные климатические условия. С 2016 года выбросы углекислого газа в окружающую среду в Японии продолжают снижаться благодаря использованию солнечной и ядерной энергии.
Ограниченные возможности реализации располагаемого развивающимися странами потенциала повышения энергетической эффективности и энергосбережения обусловлены рядом причин:
· низкий уровень мотивации использования энергоэффективных бытовых электроприборов, современных интеллектуальных систем жизнеобеспечения;
· слабая нормативная и законодательная база в области энергосбережения;
· неблагоприятный инвестиционный климат и, как следствие, ограниченный доступ к инвестициям в реализацию энергосберегающих программ.
В связи с этим выгоды от реализации программ повышения энергетической эффективности и энергосбережения в каждой стране характеризуются различными масштабами. Эти программы в развивающихся странах, где подавляющая часть населения находится за чертой бедности, должны быть ориентированы на обеспечение доступа к энергии этой части населения, сокращение энергетической бедности.
Известно, что основным фактором, вызвавшим повышенное внимание к энергетической эффективности, стало постоянное повышение цен на энергоносители. Государственная политика по энергосбережению и энергетической эффективности вызвана тем, что значительные затраты на энергоносители в структуре себестоимости производимой продукции и оказываемых услуг снижает их конкурентоспособность.
В настоящее время наименьшие показатели энергоемкости ВВП в нефтяном эквиваленте (0,057 - 0,108) имеют Колумбия, Великобритания, Индонезия, Япония и Европа. К странам с высокой энергоемкостью ВВП (0,112-0,326) относится большинство государств, в том числе США, Бразилия, Индия, Китай, Аргентина, СНГ и другие.
Особая значимость проблемы энергосбережения и повышения энергетической эффективности и поиск механизмов ее решения в государстве характерна для всех уровней. На государственном уровне решаются проблемы, которые, как отмечено выше, имеют свои особенности и различные масштабы. Они включают обеспечение энергетической безопасности страны, обеспечение доступа к энергии населения, снижение энергетической бедности и отрицательного влияния на окружающую среду.
Повышенный интерес бизнеса к энергоэффективным технологиям вызван стремлением:
· уменьшить затраты на энергоносители и повысить конкурентоспособность своей продукции;
· повысить имидж компании с экологической позиции;
· уменьшить затраты на технологические процессы в использовании здания.
Заинтересованность населения в повышении энергоэффективности обусловлена ее особой значимостью в:
* повышении комфорта проживания в доме;
* снижении затрат на энергетические ресурсы;
* улучшении экологической ситуации.
В РФ потенциал энергосбережения - 360-430 млн. т у.т., что составляет 39-47% от нынешнего потребления энергии, при этом практически 1/3 составляет топливно-энергетический комплекс (ТЭК), распределяясь следующим образом: 25% в электроэнергетике и теплоснабжении, 25% в ЖКХ и 35% в тяга промышленности.
Особая роль в реализации программ энергосбережения и повышения энергетической эффективности отводится государственным органам. С целью эффективного государственного управления энергосбережением во Франции создано «Агентство по экономии энергии», в Японии - «Управление по рациональному использованию природных ресурсов», в Великобритании - «Комитет по вопросам энергоэффективности», и т.д. Принцип обязательной государственной экспертизы по энергосбережению заключается в определении соответствия деятельности субъекта принципам энергосбережения, а также в установлении соответствия проектных, плановых и других решений требованиям законодательства по энергосбережению. Основная цель экспертизы - предотвратить производство и выпуск энергетически неэффективного оборудования, технологий, приборов, бытовой техники и т.п. Экономическое стимулирование инвестиций для повышения энергетической эффективности является действенной мерой государственной поддержки роста рынка энергосберегающего оборудования и услуг.
Эффективность государственного стимулирования энергосбережения оказывается различной в разных странах. Это объясняется эффективностью реализуемых мер. Например, установленные правительствами Канады и США налоговые льготы не оказали стимулирующего воздействия на активизацию инвестиций в энергосберегающие программы в промышленности. В Канаде и Франции заметное влияние на стимулирование программ энергосбережения в промышленности оказала ускоренная амортизация, основанная на увеличении нормы амортизационных отчислений. Сокращение разрыва в области энергоэффективности экономик Западной и Восточной Германии было обеспечено тем, что собственники зданий в Восточной Германии на законодательной основе получили возможность инвестировать часть подоходного налога в повышение энергетической эффективности.
Существенный вклад в развитие энергосбережения и повышение энергетической эффективности в ряде стран вносят программы, направленные на создание и продвижение на потребительские рынки энергоэффективного оборудования, приборов, материалов и систем. Эти программы предусматривают стимулирование производителей и дилеров создавать и распространять такую продукцию. Например, консорциумом электроэнергетических компаний США регулярно выделяются финансовые средства для стимулирования производителей к созданию более энергоэффективных моделей энергопотребляющего оборудования и приборов.
Помимо американских энергокомпаний значительный позитивный опыт в разработке и реализации программ управления потребительским спросом на энергию имеют такие крупные европейские энергокомпании как EdF (Франция), ENEL (Италия), ряд энергокомпаний Великобритании. Этот опыт уже активно используется в ряде развивающихся стран.
Заслуживает внимания и имеющийся в развитых странах опыт создания энерго-сервисных компаний, формирующих предложение энергоэффективного оборудования и технологий для различных сфер экономики. Существенный вклад этих компаний в повышение энергетической эффективности и энергосбережение явился предпосылкой инициирования Комитетом по устойчивому развитию ЕЭК ООН проекта создания международного фонда энергосбережения для организации энерго-сервисных компаний в странах Восточной Европы и СНГ.
Многоуровневость и многоаспектность исследуемой проблемы дают основание сделать вывод о том, что развитие энергосбережения и повышение энергетической эффективности связаны и зависимы друг от друга, что можно иллюстрировать рис. 3.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис 3 Взаимозависимость устойчивости энергосбережения и повышения энергетической эффективности
При этом особое значение в обеспечении устойчивого развития имеет эффективность государственной энергетической политики, которая в дополнение к отмеченному выше, должна предусматривать реализацию следующих мер:
• разработку и реализацию адекватной тарифной политики, обеспечивающей экономические выгоды от энергосбережения и повышения энергетической эффективности в сфере производства и в сфере энергопотребления;
• повышение инвестиционной привлекательности проектов повышения энергетической эффективности и энергосбережения;
• поддержка программ и конкретных проектов повышения энергоэффективности в энергоемких отраслях;
• повышение качества подготовки кадров в области энергоэффективности и энергосбережения;
• обеспечение широких слоев населения достоверной информацией в области энергосбережения и энергоэффективных технологий;
• реализация эффективных мер по защите внутреннего рынка от предложения энергозатратных технологий и электроприборов;
• мониторинг государственной политики энергосбережения и повышения энергоэффективности.
Вместе с тем следует отметить, что деятельность в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности является одним из направлений бизнеса. Поэтому государственная политика в этой области также должна предусматривать меры по стимулированию его развития и снижению рисков.
Результаты исследования показывают, что экономика стран, в том числе ее жилищный сектор, имеет неиспользованный потенциал снижения ее энергоемкости. Одним из направлений является программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности в жилищно-коммунальном хозяйстве, чему посвящены последующие разделы настоящей ВКР.
1.2 Концепция «умный дом» за рубежом и в России
Особую роль в реализации программ энергосбережения и повышения энергетической эффективности сыграло развитие идеи «интеллектуального» здания, с возможностью эффективного использования энергии. Это направление известно в мировой практике, как концепция «умный дом». Концепция «умного дома» вызывает особый интерес в связи с ростом численности городского населения и, соответственно, потребления энергии в жилищном секторе.
Система «умный дом» основана на экономичном использовании ресурсов вследствие применения высокотехнологичных устройств. В настоящее время, такие устройства чаще являются частью интерьера и контролируют жизнеобеспечение здания. Учет и контроль каждого прибора и оборудования в квартире дают возможность сократить объемы потребления ресурсов, создать комфортные условия в помещениях и существенно продлить срок службы приборов и систем, обеспечивая при этом высокий уровень их безопасности.
В настоящее время в связи со сложностью самой концепции «умный дом», в литературных источниках существуют различные его определения. В нашей работе мы придерживается того, что «умный дом» - это комплексная инженерная система автоматизированного управления зданием, включающая подсистемы его отопления, кондиционирования, электроснабжения, водоснабжения, вентиляции, видеонаблюдения, сигнализации, охраны, противопожарной безопасности, телекоммуникации. Перечень управляемых подсистем и функциональные характеристики комплексной автоматизированной системы в целом отличаются широким разнообразием и определяются пользователем и уровнем развития техники и интеллектуальных технологий.
Эволюция концепции «умный дом». Понятие «умный дом» (на английском языке «smart house» впервые было предложено Вашингтонским Институтом интеллектуальных зданий в 1970г. Разработанная и внедренная американскими компаниями Х10 и Leviton интеллектуальная технология управления электроосвещения, по сути, заложила концептуальные основы современного «умного дома».
С целью ускорения развития интеллектуальных технологий был создан Electronic Industries Alliance, которому принадлежит авторство разработки Consumer Electronic Bus (CEBus) - шины бытовой электроники. Подробная характеристика стандарта CEBus, используемого многими компаниями при производстве интеллектуального оборудования, будет приведена в последующих разделах нашей работы.
Современный уровень развития интеллектуальных технологий, используемых в комплексной системе автоматизации «умного дома», характеризуется большим разнообразием способов передачи данных. В подсистеме автоматизированного управления освещением для передачи информации может использоваться как электропроводка, так и коаксиальный кабель. В подсистеме «климат контроль» и управлении цифровыми приборами могут использоваться витая пара, радиосигналы или инфракрасные лучи. Коммутация различных способов передачи данных (протоколы) обеспечивается преобразованием поступающих сигналов с помощью роутеров или специальных устройств - мостов (data bridges).
Сравнительный анализ зарубежного и российского опыта реализации концепции «умный дом». Обзор литературных источников показал, что число фирм, предлагающих услуги по автоматизации управления потреблением энергоносителей в квартирах, систематически увеличивается. Рынок интеллектуальных систем «умных домов» интенсивно развивается. С развитием мобильных технологий и повышением доступности интернета население высоко оценивает преимущества интеллектуальных систем автоматизации управления энергопотреблением квартиры (дома). В настоящее время широкое распространение получила комплексная система дистанционного управления системами жизнеобеспечения дома. Например, установка на персональных компьютерах специального программного обеспечения позволяет дистанционно управлять подсистемами освещения, кондиционирования и отопления, т.е. потреблением энергоносителей в доме. Это позволяет не только повысить уровень комфорта, но и уменьшить расходы по использованию энергоносителей.
Значительный сегмент рынка систем «умного дома» составляют интеллектуальные продукты компаний ABB, GIRA, SIEMENS и CLIPSAL. Продукция этих компаний широко представлена и на внутреннем рынке в Российской Федерации. Спрос на системы «умный дом» этих компаний обусловлен широким разнообразием выполняемых функций, простотой их установки и обслуживания.
В РФ и ЕС представлены европейские производители систем автоматизации жизнеобеспечения домов - «BTicinо» (Италия) или «In One by Lеgrаnd» (Франция). Итальянская система «My Home» является шинной, основанной на использовании оптоволоконной единой сети для передачи данных. Технология французской компании «умного дома» основана на передаче информации по электропроводке или инфракрасному каналу. Ее преимуществом является использование существующих кабелей, нет необходимости в прокладки специального кабеля. В остальном принцип работы шинной и радио-шинной систем схож: наличие сенсоров (датчики/термостаты), посылающих сигналы на контроллеры, которые изменяют режим работы соответствующего электрооборудования.
Необходимо отметить появление на рынке и российских разработчиков системы «умный дом». Наиболее распространенной на внутреннем рынке и рынке СНГ является радио-шинная интеллектуальная система дистанционного управления объектом GLASIS. Преимуществом систем российского производства является их относительно низкая цена. По оценкам экспертов системы «умного дома» российского производства пока уступают европейским аналогам по разнообразию функциональных характеристик, надежности и простоте обслуживания.
Характеризуя особенности спроса на интеллектуальные системы жизнеобеспечения на российском рынке следует отметить тенденцию повышения интереса к ним. При этом повышенный спрос (80%) на интеллектуальные системы формируется коммерческой недвижимостью. По оценкам экспертов это связано с тем, что срок окупаемости капитальных вложений в использование интеллектуальных технологий в здании в целом составляет два - три года. Это свидетельствует об инвестиционной привлекательности проектов интеллектуальных зданий.
Оснащение интеллектуальной системой отдельной квартиры нового жилого дома существенно повышает ее стоимость, что, соответственно, ограничивает платежеспособный спрос. Вместе с тем следует отметить, что интенсивное развитие рынка жилищного строительства и рост конкуренции строительных компаний-застройщиков способствуют активизации процессов использования строительными компаниями интеллектуальных систем, обеспечивающих снижение энергопотребления.
Следует отметить различные концептуальные подходы к использованию систем «умный дом» на постсоветском пространстве, в Европе и в США. Приоритетной целью автоматизации систем жизнеобеспечения в домах (квартирах) в ЕС и США является энергосбережение и повышение энергетической эффективности. Системы «умный дом» обеспечивают владельцам существенную экономию электроэнергии, тепла, воды и, соответственно, эффективное использование семейных бюджетов. В странах СНГ, в том числе Российской Федерации, приоритетом автоматизации управления энергопотреблением в домах (квартирах) является комфорт и стремление владельца «умного дома» повысить свой имидж, выделиться элитарностью своего жилья.
Платежеспособный спрос на интеллектуальные технологии управления энергопотреблением и различные концептуальные подходы предопределили и соответствующие масштабы распространения «умных домов» в странах СНГ и развитых странах. В западных странах уже в начале этого столетия интеллектуальные технологии использовались при строительстве жилых многоквартирных домов в спальных районах городов, возведении новых жилищных поселков с индивидуальными домами в пригородах. В настоящее время в Европе строительство «умных домов» это уже сложившаяся практика, подкрепленная соответствующими требованиями стандартов и соответствующими стимулами.
В России, в больших городах - Москве и Санкт-Петербурге внедрены проекты автоматизированных систем управления энергопотреблением административных и коммерческих зданий.
К сожалению, широкое использование автоматизированных систем управления потреблением энергоносителей и использование других интеллектуальных систем в практике строительства жилых зданий в Российской Федерации и других странах СНГ ограничивается недостаточным знанием и доступом к информации. Инвестиционные и строительные компании не имеют возможности получить квалифицированные консультации в отношении подобных инженерных решений, отсутствие квалифицированных специалистов на местах и эффективной нормативно-правовой базы, а также приоритетное желание покупателей квартир сэкономить финансовые ресурсы при приобретении недвижимости, не принимая в расчет затраты, связанные с ее эксплуатацией и обслуживанием инженерных систем.
Важнейшей составляющей современных проектов строительства жилых и коммерческих зданий является автоматизированная система управления их безопасностью. Она включает автоматизацию таких функций как видеонаблюдение, противопожарную безопасность, охранную сигнализацию и другие. При этом можно создать комплексную систему автоматизации управления безопасностью в целом, так и автоматизацию ее отдельной функции.
По прогнозам экспертов, в следующие три года (до 2023) объем рынка в области умного дома будет расти на 10% ежегодно и достигнет $155 млрд к 2024 году, при этом количество субъектов, пользующихся такими технологиями, повысится до 293 млн. По предварительным подсчетам Discovery Research Group, суммарный объем систем «умный дом» в Российской Федерации в 2017 году составил около восьми млрд. рублей, это превышает показатели 2016 года на 11%. На след год (в 2018 г. в сравнении с 2017) рынок вырос уже на 12,5% и составил более девяти миллиардов. рублей. Если оценивать структуру рынка в России, то в 2018г. основную долю рынка систем «умный дом» по федеральным округам составляет Центральный федеральный округ (ЦФО) с 52%, доля Москвы и области общем объеме рынка составляют порядка 44%. За ЦФО идет Северо-Западный федеральный округ (СЗФО) с 13%, и третьим в списке можно отметить Приволжский федеральный округ с 10% доли систем «умный дом» от общего количества жилья.
В системе «умный дом» для наглядности и эффективности выделяют три основных части:
1) непосредственно устройства и сервисы (программное обеспечение);
2) услуги установки и монтажа;
3) непосредственное подключение всех систем.
Основную финансовую составляющую и затратную часть на рынке систем «умный дом» составляет программное обеспечение (устройства и сервисы) - 5,1 млрд. руб. в 2018 году (26,9% от объема рынка). Discovery Research Group, прогнозирует повышение спроса и темпы прироста рынка вплоть до 2023 года.
Сегодня, российский рынок интеллектуальных систем управления зданиями намного ниже западного, и находится на начальном этапе. Потребители только осознают выгоду как в социальном плане, так и в экономическом аспекте, и соответственно наблюдается повышение спроса на рынке системы «умный дом» как на отдельные квартиры и загородные дома, так и на строительство интеллектуальных зданий. При этом предъявляются повышенные требования к административным зданиям с комплексной системой автоматизации электроснабжения, освещения, климат контроля, отопления, вентиляции, видео наблюдения, безопасности, а также информационных систем.
Изучение спроса на интеллектуальные технологии в строительстве зданий в России и других странах СНГ показало, что основными барьерами в его наращивании являются:
1. во-первых, ограниченный доступ потенциальных покупателей жилья и офисных помещений к информации о преимуществах автоматизации систем их жизнеобеспечения;
2. во-вторых, недостаточный уровень профессиональной подготовки проектировщиков, ограниченный доступ к типовым инженерным решениям в области проектирования интеллектуальных помещений;
3. в-третьих, слабая мотивация строительных компаний использовать интеллектуальные технологии.
Кроме того, следует отметить и такой важный, хотя и временный фактор, как относительно низкие цены и тарифы на энергетические ресурсы в жилищно-коммунальном хозяйстве. В ближайшем будущем, прогнозируемый рост спроса на «умные дома» сохранит и его зависимость от доступа к сети интернета, обеспечивающей автоматизацию управления их систем жизнеобеспечения.
В связи с низкой платежеспособностью большей части населения стран СНГ спрос на интеллектуальные систем жизнеобеспечения отдельной квартиры достаточно ограничен. В ближайшей перспективе ситуация на рынке будет складываться под воздействием потребностей и возможностей заказчика, интенсивности и масштабности влияния последствий пандемии СOVID-19 на платежеспособный спрос.
На сегодняшний день на российском рынке интеллектуальных систем в зданиях представлены не только западные, но и российские компании. Ценовые стратегии на оборудование, предлагаемое этими компаниями, достаточно привлекательны для покупателей. Проблематичным остается низкий платежеспособный спрос, связанный с программным обеспечением и настройкой автоматизированной системы, управляемой с компьютера. Последние характеризуются значительными затратами бюджета и ограничивает спрос среднестатистического владельца жилья на инновационные технологии. Как правило, на начальном этапе внедрения и предложения, люди относятся с некоторым предубеждением и долго привыкают. Однако принимая во внимание систематическое повышение цен на коммунальные услуги ситуация может быстро измениться. Нарастающая конкуренция приведет к повсеместному и активному внедрению интеллектуальных систем на стадии строительства зданий. Эксперты отмечают, что экономическая эффективность строительства "интеллектуальных" зданий с нулевого цикла существенно превышает этот показатель при модернизации уже находящихся в эксплуатации зданий. Если внедрение основных элементов «умного дома» происходит на этапе проектирования, то впоследствии «умные здания» можно соединить между собой. В перспективе, результатом соединения «умных зданий» станет создание «умного города».
Широкое распространение системы «умного дома» в перспективе обеспечит решение проблемы повышения энергетической эффективности и энергосбережения, при этом повысится уровень комфорта и безопасности, снизится негативное влияние на окружающую среду.
1.3 Интеллектуальные системы «умного дома» и их эволюция
Обзор современных технологий «умного дома». Неоспоримы преимущества использования систем автоматизации, обеспечивающих контроль качества работы систем и оборудования, выполнение графика проведения ремонта и профилактики. Ведется учет количества потребляемых ресурсов - электроэнергии, газа, воды, гарантируя при этом экономию их использования.
Система «умный дом позволяет централизованно контролировать и интеллектуально управлять жилыми, офисными и общественными помещениями. В зависимости от сложности и желания клиента, система «умный дом» может состоять из нескольких подсистем автоматизации управления, которые представлены на рис.4.
Рис. 4 Системы жизнеобеспечения жилого помещения
При инсталляции подобной системы каждый пользователь может дистанционно управлять отдельной подсистемой устанавливая необходимую температуру воздуха, освещенность отдельных помещений, звук, разрешенность камер видеонаблюдения и другие параметры.
В дополнение «умный дом» может иметь многозадачную операционную систему и средства программирования, а иногда веб-сервер.
Датчики размещаются в определенных точках здания и при этом все датчики объединены единой сетью либо непосредственно, либо через промежуточные устройства.
Интерфейсы управления управляют системой «умный дом». Управляемыми устройствами являются светильники, кондиционеры, компоненты домашнего кинотеатра и др.
Таблица 1
Проекты «умного дома»
|
Компания |
Страна-производитель |
Стоимость |
Возможности |
|
|
Samsung «Smart Things» |
Южная Корея |
$89,99-249,99 в зависимости от мощности и комплектации |
В зависимости от цены, может соединять простые совместимые смарт-устройства, либо представлять собой более продвинутый маршрутизатор Smart Home, разной мощности в зависимости от задачи и площади помещения |
|
|
Xiaomi «Smart Home Kit» |
Китай |
$66 |
Имеет дистанционное управление и датчики безопасности окон и дверей, может управляться со смартфонами, способен интегрироваться с другими смарт-устройствами |
|
|
«ТРОН учет Проект» |
Россия |
от $1740 в зависимости от сложности проекта |
Имеет беспроводное управление «умным домом» единовременно с нескольких устройств обеспечивая контроль света, штор, безопасности, тепла, вентиляции и др |
|
|
«Little Bits» |
США |
$249 |
Клиент может самостоятельно подключать устройства к сети используя коды пароли В набор входит СР3 плейер и 14 модулей |
|
|
«Insteon» |
США |
$79,99 |
Завязана на систему Apple, управление предлагается с любого девайса Apple (управление светом, плавное погашение, контроль температуры, видеонаблюдением системы «Insteon», беспроводным доступом в интернет, «push» уведомления при срабатывании датчиков. |
Составлено автором источник: https://robo-hunter.com/news/umnie-doma-v-mirovih-i-rossiiskih-realiyah-statistika-i-realnie-proekti9028 ©bo-hunter.com
В настоящее время в мировой практике существует достаточно большое разнообразие интеллектуальных технологий реализации концепции «умного дома». Крупные и небольшие компании стремятся к массовому внедрению интеллектуальных технологий в каждодневный быт людей. В таблице 1. приведены популярные в настоящее время проекты «умного дома» от различных компаний.
Рассмотрим проект «умного дома» компании Xiaomi «Smart Home Kit». Комплект умного дома этой компании содержит: многофункциональный шлюз, датчик дверей и окон, датчик присутствия человеческого тела, беспроводной переключатель. Многофункциональный шлюз может меняться. 16 000 000 различных цветов, встроенные лампы для смены цвета и динамик.
Предусмотрена возможность комбинации интеллектуальных устройств по желанию пользователя. Обеспечивается возможность получения полной информации о своем доме, находясь вне его. Отличается простотой установки, подключения и эксплуатации, без каких-либо инструментов и повреждения декора, не занимают места. Небольшая потребляемая мощность, нет необходимости менять батареи в течение двух лет. Высококачественный материал, прочный и безопасный.
Широко распространенный в ЕС протокол ЕIB (European Installation Bus - Instabus) является основной базой создания автоматизированной системы «умный дом» и предусматривает использование сенсорных выключателей, датчиков температуры, влажности и движения, таймеров, активаторов, диммеров, контроллеров, блоков питания, модулей интерфейса, шинных соединителей, репитеров и т.д. Аналогичный перечень с некоторыми изменениями оборудования предусматривается при использовании других протоколов.
Проживающие в «умном доме» не сталкиваются с широко распространенной проблемой - забыли что-то выключить при покидании жилища. Достаточно дополнительно активировать кнопку «выкл.». При этом можно выбрать огромное разнообразие функций - от «выключить все» или «включить все», либо какие-то специфичные функции уровня комфорта. Широко распространенные среди пользователей датчики движения позволяют оптимизировать расход электрической энергии на освещение. Используя соответствующие программы, можно обеспечить интенсивность освещения в зависимости от времени суток.
Преимущество датчиков состоит в том, что они работают автономно от батареек и не требуют прокладки кабеля. Помимо этого прожектор, связанный с датчиком движения, также может задействовать при необходимости другие приборы регистрации движения.
Автоматизация управления системой отопления помещения обеспечивается установкой электромагнитного клапана. Это устройство, обеспечивая экономию теплоносителя, позволит повысить уровень комфорта. Установив электромагнитные клапаны в комнате, можно устанавливать температуру отдельно для каждой комнаты. Есть аналогичные клапана для газа и предусмотрена возможность удаленного управления, по телефону. Телефонный контроллер позволяет управлять системами и бытовыми приборами с мобильного устройства, где допуск защищен кодом.
Соответствующие подсистемы «умного дома» при установке соответствующих датчиков могут обеспечить управление давлением газа и воды в системах газо и водоснабжения, осуществлять контроль температуры воды.
Особая роль отводится контроллеру, позволяющему дистанционно получить информацию о параметрах различных систем жизнеобеспечения и внести необходимые изменения, включить или выключить отопление или кондиционер, изменить интенсивность освещения различных помещений в квартире.
Этапы проектирования системы «умный дом». Создание автоматизированной системы интеллектуального управления домом предполагает несколько этапов:
· на первом этапе осуществляется разработка, согласование с владельцем жилья и утверждение проекта «умный дом» с подробным списком оборудования;
· на втором этапе после утверждения эскизного проекта разрабатывается и утверждается рабочий проект с участием архитектора и дизайнера;
· на третьем этапе осуществляются работы по монтажу оборудования;
· на четвертом этапе идет подключение программирования и отладка техники. Этот этап включает работу программистов, которые настраивают технику, все узлы и агрегаты, проводят отладку.
После этого система вводится в эксплуатацию.
1.4 Технологии «умных домов»: спрос, барьеры и драйверы роста
С ростом спроса на технологии «умный дом», растет число компаний, предлагающих услуги по автоматизации квартир.
Спрос на технологии «умных домов» в странах Европы значительно выше, чем в Российской Федерации. Одной из причин является то, что цены на энергоносители на внутреннем рынке России относительно низкие. Поэтому срок окупаемости технологий «умных домов», основанных на применении автоматизированных систем управления энергопотреблением, в ЕС существенно ниже, чем в России.
...Подобные документы
Анализ технологий "умного дома", их базовые понятия. Описание технологического процесса и модель автоматизации. Разработка системы управления зданием. Анализ программного обеспечения. Технология производства программного продукта, разработка бизнес-плана.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 06.04.2015Проект автоматизации системы энергосбережения на базе концепции Smart Grid. Анализ объекта управления, выбор оборудования. Реализация человеко-машинного интерфейса: центральный сервер, автоматизированные рабочие места, контроллеры активно-адаптивной сети.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 02.10.2013Структурированная кабельная система. Сети Интернет и системы САПР. Охранные системы видеонаблюдения. Компоненты системы управления "Умным домом". Модули расширения и панели управления. Скоростные интерфейсы LVDS и M-LVDS. Системы контроля доступа.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 17.04.2011Анализ тенденций развития информационных технологий. Назначение и цели применения систем автоматизированного проектирования на основе системного подхода. Методы обеспечения автоматизации выполнения проектных работ на примере ЗАО "ПКП "Теплый дом".
курсовая работа [210,0 K], добавлен 11.09.2010Использование автоматизированной системы управления нагрева печей для прокатки металла SCADA на базе GeniDAQ. Внешние и внутренние процессы объекта, выявление недостатков. Обзор аналогов систем и программных комплексов. Проведение тестирования системы.
дипломная работа [4,6 M], добавлен 17.06.2012Внедрение информационных систем взаимодействия с клиентами. Назначение автоматизированного варианта решения задачи. Анализ существующих разработок и обоснование выбора технологии проектирования. Расчет и обоснование экономической эффективности проекта.
дипломная работа [7,5 M], добавлен 11.12.2020Понятия в области метрологии. Представление знаний в интеллектуальных системах. Методы описания нечетких знаний в интеллектуальных системах. Классификация интеллектуальных систем, их структурная организация. Нечеткие системы автоматического управления.
курсовая работа [768,2 K], добавлен 16.02.2015Инструментальные средства проектирования интеллектуальных систем. Анализ традиционных языков программирования и представления знаний. Использование интегрированной инструментальной среды G2 для создания интеллектуальных систем реального времени.
контрольная работа [548,3 K], добавлен 18.05.2019Синтез и реализация процедур управления объектами как главная идея интеллектуального управления. Основные определения, степени интеллектуальности. Свойства интеллектуальных систем управления (ИСУ) с "интеллектуальностью в целом", принципы их организации.
презентация [51,8 K], добавлен 25.06.2013Анализ современного состояния систем автоматизации управления данными; учет инфраструктуры информационной системы и требования к ресурсам организации. Разработка системы управления данными на базе SharePoint-сайта, программная реализация и внедрение.
диссертация [4,1 M], добавлен 10.11.2011Классификация информационных систем по степени автоматизации, сфере функционирования объекта управления, уровню в системе государственного управления, видам решаемых финансово-экономических задач. Информационная система автоматизированного офиса.
презентация [280,1 K], добавлен 18.03.2014Использование пакета прикладных программ CADElectro для автоматизации проектных работ при создании электрических систем управления на базе контактной аппаратуры, программируемых контроллеров. Архив технической документации, управление данными об изделиях.
реферат [48,8 K], добавлен 04.04.2013Общая характеристика предприятия. Установка операционных систем, настройка и подключение компьютеров к локальной сети. Изучение существующей системы управления. Оценка потерь при данном уровне автоматизации. Разработка схемы документооборота объекта.
отчет по практике [106,3 K], добавлен 04.07.2015Анализ основных этапов решения задачи синтеза регуляторов в классе линейных стационарных систем. Нахождение оптимальных настроек регулятора и передаточной функции замкнутой системы. Изучение состава и структуры системы автоматизированного управления.
контрольная работа [3,0 M], добавлен 11.05.2012Краткая характеристика объекта управления, обзор и анализ существующих аналогов, реализующих его функции. Разработка архитектуры программной системы, тестирование и оценка эффективности приложения. Развертывание и использование программного продукта.
курсовая работа [691,0 K], добавлен 05.02.2015Роль интеллектуальных информационных систем в развитии общества. Проблемы концептуального классификационного моделирования для систем, основанных на знаниях. Иерархическая структура универсума. Интенсиональность и параметричность классификации, структура.
реферат [15,4 K], добавлен 19.02.2011Проблемы автоматизации менеджмента в турфирмах для повышения эффективности систем управления и безопасности, расширения числа клиентов, решения маркетинговых задач. Внедрение компьютерных систем бронирования на примере Fidelio Hotel Management System.
курсовая работа [268,3 K], добавлен 07.01.2015Обзор беспроводных технологий для систем домашней автоматизации. Системы "умный дом". Обзор элементной базы для построения ZigBee сетей, их программная поддержка. Устройство управления освещением и нагрузкой. Датчик присутствия и пульт управления.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 10.01.2013Задачи и преимущества использования автоматизированных информационных систем. Внедрение программного обеспечения в эксплуатационную деятельность на железнодорожном транспорте. Классификация систем управления по степени автоматизации управляющего объекта.
реферат [98,1 K], добавлен 09.11.2010Роль структуры управления в информационной системе. Примеры информационных систем. Структура и классификация информационных систем. Информационные технологии. Этапы развития информационных технологий. Виды информационных технологий.
курсовая работа [578,4 K], добавлен 17.06.2003
