Развертывание системы "умный дом" на базе технологии КNХ

Зарубежная статистика, где «умный дом» давно распространенная реальность, показывает выгоду произведенных инвестиций и быстрой окупаемости:

* На 30% - уменьшаются эксплуатационные расходы;

* На 30% - снижается энергопотребление;

* На 30% - уменьшаются выбросы углекислого газа в окружающую среду;

* На 41% - снижается потребление воды и соответственно оплата за воду;

* На 50% - снижаются платежи за отопление.

Кроме того, существуют льготы по страхованию рисков, которые при использовании интеллектуальных технологий снижаются на 60 %.

В России низкая платежеспособность населения приводит к тому, что интеллектуальные решения проблемы энергосбережения воспринимаются большей частью покупателей как элементы роскоши. Однако благодаря развитию интернета, технологий и телекоммуникаций в России с 2000г. технология «умный дом» пользуется нарастающим спросом.

В самом начале наличие «умного дома» являлись показателем статуса клиента, в настоящее время, это является больше необходимостью, чем роскошью.

Основная мотивация, побуждающая клиентов инвестировать в систему «умный дом» это желание иметь комфорт и безопасность, а также не мало важным аспектом выбора является бесперебойная работа оборудования и экономия электропотребления.

В соответствии с исследованиями Discovery Research Group от 2018г. рынок систем «умного дома» в РФ составил 9 млрд руб. По сравнению с 2017г. он вырос на 12,5%. В 2019г. объем рынка систем «умного дома» в РФ по сравнению с показателем 2018-го вырос на 16,5% и достиг 10,5 млрд руб. В ближайшие четыре года показатель будет только расти, например, 2020г. объем рынка составит 12,5 млрд руб., в 2021г. -- 14,7 млрд, в 2022г. -- 17,4 млрд, в 2023г. --20,6 млрд. Драйверами его роста, прежде всего, станут инициативы со стороны государства, отмечается в материале. В первую очередь -- проекты формирования инфраструктуры «умного города» и «умных» систем ЖКХ.

В ЕС, по данным аналитической компании IDC, объем рынка систем «умного дома» в 2018г. составил 88,8 млн систем, к 2023 году объем поставок в регионы различных смарт-устройств для дома на европейском рынке превысит 187 млн систем. Показатель среднегодового роста (CAGR) на рассматриваемом рынке в период с 2018 по 2023 годы составит 16,1% как показано на рис.5.

Рис. 5 Динамика роста мирового рынка «умный дом».

Составлено по: Strаtеgy Anаlytics: Globаl Smаrt Homе Mаrkеt to Hit $155 Billion by 2023

Значительную долю оборудования «умного дома» в ЕС составляют видео развлечения - 61,2% в 2018г, музыкальные колонки - 18,1%, системы домашней безопасности - 10,3%, системы освещения - 4,8%, термостаты - 2,6% всех поставок техники для «умного дома».

Распространению системы «умного дома» в Северной Америке способствуют продукты от крупных компаний, таких как Аmаzon, Gооgle, АDТ и Samsung. В Европе это такие компании-гиганты как Сentrica Сonnected Нomes (ССН), Deutsche Telekom (Маgenta), еQ-3 и Еnсо (Tооn), в Азии рынок представлен компаниями Xiaomi, LG, U+, iTSCOM и Panasonic.

По прогнозам, к 2023 году объем рынка «умного дома» вырастет в среднем на 10% каждый год и составит 155 млрд долларов США, при этом количество клиентов возрастет до 293 млн. Топ самых покупаемых устройств «умного дома»: интеллектуальные системы освещения, смарт-термостаты, системы безопасности и оповещения. В настоящее время основным рынком для систем «умный дом» является Северная Америка, на которую приходится 41% всех интеллектуальных систем.

Сдерживающим фактором развития является интеллектуальных систем в странах СНГ является неразвитость соответствующего сегмента рынка «Интернет вещей», включающего соответствующие технические системы (датчики) «умного дома», которых недостаточно. Эксперты указывают также на барьеры, связанные с наличием единых стандартов. Для большинства строительных компаний (застройщиков) остается проблематичным получение обоснованных практических решений от разработчиков и поставщиков интеллектуальных систем для «умного дома». Что касается управляющих компаний, то они, как правило, не обладают необходимыми ресурсами для эксплуатации интеллектуальных систем, а низкая стоимость энергоносителей не является стимулом для населения принимать решения по инвестированию в энергосбережение. Представители телекоммуникационных услуг и сервисов «умного дома» в качестве барьера отмечают также проблематичность организации модели сетей, которые очень важны для гарантии качества телеком-услуг и сервисов «умного дома».

Относительно низкие цены на энергоносители в РФ до недавнего времени снижали экономическую эффективность использования современных интеллектуальных решений. В РФ стоимость строительства ниже среднего мирового уровня всего на 20--30%, а стоимость энергоносителей на 600--700%. Однако тарифы на энергоносители для населения в долгосрочной перспективе будут расти что приведет неизбежно к поиску путей энергоэффективности и снижения энергозатрат в частном секторе.

Следовательно, будет расти спрос на строительство энергоэффективных зданий и вопрос энергосбережения станет основным. В первую очередь это затронет коммунальный сектор, который потребляет до 20% электрической и 45% тепловой энергии, производимой в стране. В РФ драйверами роста спроса на технологии «умного дома» является не только рост цен на энергоносители, но и законодательная база, предусматривающая соответствующие преференции государства пользователям этих систем.

В увеличении спроса на технологии «умных домов», заинтересованы также операторы связи, рассматривающие это направление как новый сектор рынка телекоммуникационных услуг. Исследование показало, что ряд российских телекоммуникационных компаний считают автоматизацию управления услугами жилищно-коммунального хозяйства перспективным направлением своей деятельности. При проникновении технологий «умных домов» только в 10% домовладений создается огромный рынок. Преимущество интернет - провайдеров заключается в постоянном контакте с домовладельцем, чего сложно достичь обслуживающим компаниям. Как показывает мировой опыт, массовыми технологии «умного дома» станут только при применении операторской модели.

Еще одно важное преимущество технологий «умного дома». Экономия энергоносителей от использования систем автоматизации в жилищном секторе может рассматриваться как потенциальный объем высвобождения энергетических ресурсов на внутреннем рынке и возможности наращивания экспорта.

В заключении следует отметить, что рынок «умных домов» растет прямо пропорционально спросу клиента. Люди осознают, что система «умный дом» может значительно сэкономить бюджет вследствие повышения эффективности использования предоставляемых ресурсов (свет, вода).

2. Разработка проекта автоматизации жилого помещения

2.1 Анализ систем автоматизированного управления умным домом

В настоящее время автоматизация систем жизнеобеспечения все шире внедряется в повседневную жизнь человеческого общества и атрибутом современного быта людей является, как отмечено в предыдущей главе, концепция «умный дом». Раньше автоматизация рассматривалась как система управления производственными процессами.

Большинство исследователей и практиков под «умным домом» подразумевают совокупность систем автоматизации, которые используется в квартире (доме).

В мире по-разному трактуют «умный дом»; «smаrt hоuse», «smаrt hоme» или «hоme automatizаtion», детали определения во много зависят от цели использования, предназначения, многофункциональности и формата работы, в русском языке обозначаются как «умные здания», «умный дом» или «система домашней автоматизации».

Однако, в русском языке наиболее используют термин «умный дом», и часто все три определения называются системой «умного дома». Отдельное понятие «мультирум» изначально предусматривало, автоматизированное управление техникой в комнате или квартире (музыка, телевизор, игровые приставки и др.) и являлось частью «умного дома, однако в современном мире электроники и девайсов, «мультирум» по сложности и функционалу, может быть намного выше «умного дома».

Системы жизнеобеспечения квартиры, выполненные в традиционном подходе без использования современных интеллектуальных инженерных решений и программных продуктов, представляют собой совокупность отдельных, не взаимодействующих между собой систем. Квартира (дом), в которой управление системами жизнеобеспечения автоматизировано, относится к категории «интеллектуальной». При этом основным принципом построения «умного дома» является соединение инженерных частей по блочной схеме. Это обеспечивает автономную работу каждого из блоков, что сохраняет независимость функций друг от друга и облегчает ремонт при поломке. Происходит легкая процедура замена или ремонта части систему «умного дома» при сохранении всех остальных функций.

Автоматизированная система управления (АСУ) предназначена для автоматизации систем здания: кондиционирование, освещение водоснабжение, отопление, вентиляция, канализация, электроснабжение и др. К основным целям автоматизации относятся повышение эффективности и качества работы систем жизнеобеспечения дома, сокращение расходов на содержание и функционирование квартиры. Опыт использования автоматизированных систем жизнеобеспечения свидетельствует о том, что они обеспечивают снижение эксплуатационных расходов на 30%; платежей за электрическую и тепловую энергию соответственно на 20% и 25%; платежей за воду на 40%.

Как правило, система автоматизации здания состоит из трех уровней, представленных на рис 6.

Рис 6 Уровни автоматизации здания

Всего различают три уровня автоматизации:

1. Уровень управления - осуществляет управление всей системой посредством программного интерфейса, приложений мобильных устройств, пультов, рассылки на почту или СМС, диспетчерских мониторов. Содержит информацию о всех частях системы.

2. Уровень автоматизации - представлен панелями оператора, автоматическими и системными контроллерами.

3. Уровень оборудования - представлен, собственно, самим оборудованием и датчиками, передающими информацию на уровень автоматизации и управления.

Объектами автоматизации дома могут являться системы:

· электроснабжения, предусматривающие как централизованные, так и автономные источники;

· управления водонагревательным котлом на газообразном или жидком топливе с целью регулирования температуры воды;

· управления системой подачи воды при скважинном или колодезном водоснабжении, или снижении напора в системах централизованного водоснабжения;

· регулирования температуры воздуха в различных помещениях;

· регулирования внутридомового и наружного освещения;

· управления полива земельных участков;

· визуального контроля внутри и снаружи помещения;

· моментального отключения систем газо- и электроснабжения при авариях.

Современные технологии позволяют создать полностью автоматизированные дома и переложить на автоматизированные устройства множество функций по управлению системами жизнеобеспечения, а в некоторых случаях полностью автоматизировать процессы, когда вмешательство человека не требуется совсем. Рассмотрим подробнее эти системы.

Климат контроль - позволяет настраивать температурный режим и качество воздуха в помещении в зависимости от температуры внутри и снаружи и регулировать параметры используемой в квартире тепловой энергии. Управление работой теплого пола обеспечивает поддержание оптимальных параметров температуры и влажности воздуха в каждом отдельном помещении. Система «Климат-контроль» управляет температурой, озонированием, влажностью, интенсивностью притока свежего воздуха, системой очистки с учетом площади квартиры и ее отдельного помещения (север, юг) и индивидуальных требований, проживающих в ней людей.

Автоматизированная система управления комплексом мультимедийного оборудования - позволяет дистанционно управлять звуком и видео по всей квартире. При этом автоматизация может предусматривать редактирование, настройку по времени автоматического запуска, установку сопутствующих настроек для просмотра, например, включение кондиционера в помещении, где установлен домашний кинотеатр, закрытие жалюзи, уменьшение интенсивности освещения и т.д.

Автоматизация управления освещением - позволяет управлять освещением удаленно. Преимущество автоматизированной системы управления освещением является возможность настраивания интенсивности освещения, включения и выключения в зависимости от времени суток и наличии человека в помещении используя информацию с датчиков и данные установленных таймеров. Этой системой также обеспечивается возможность имитации присутствия в квартире хозяев.

Автоматизированная система автономного электроснабжения - гарантирует комфорт, безопасность и экономическую эффективность. Исключение перерывов в электроснабжении при отключения централизованного электроснабжения обеспечивается автоматическим включением резервных источников энергии. К ним можно отнести солнечные панели, аккумуляторные батареи и инверторы, зарядные устройства и генераторы на жидком топливе, которые инсталлируются в систему и программно интегрируются.

Автоматизированная система обеспечения безопасности. Эта система является неотъемлемым элементом «умного дома». Она включает в себя охранно-пожарную сигнализацию и видеонаблюдение, обеспечивая защиту от коротких замыканий в электропроводке, от протечек воды и утечек газа. Это обеспечивается посредством срабатывания датчика дыма и включения систем пожаротушения, автономного электроснабжения, сигнализации, автоматического вызова соответствующих служб. Интеллектуальное видеонаблюдение, основанное на использовании интернет и спутниковых телевизионных сетей, также является преимуществом систем современных «умных домов».

Вместе с тем следует отметить, что большинство электробытовых приборов, включаемых в систему «умный дом», не нуждаются в автоматизации, так как они имеют встроенные их производителями соответствующие функции. К ним относятся:

· холодильники, являющиеся полностью автоматизированными электрическими приборами, работающими по установленной программе;

· кондиционеры, работающие по заданным параметрам температуры и влажности;

· стиральные машины, имеющие соответствующие программы управления режимами работы, включения и отключения;

· электрические плиты, режим включения и отключения которых автоматизирован;

· электро-водонагреватели, режим включения и отключения которых запрограммирован;

· системы освещения, режимы включения или отключения которых управляют реле с фотодиодами, реагирующими на уровень освещенности.

Перечень этого бытового оборудования можно продолжить, принимая во внимание большое разнообразие уже используемых в настоящее время бытовых электрических приборов и стремление их производителей увеличить спрос на них. Однако нужно отметить, что большинство людей пользуются самыми распространенными функциями, не используя возможности программ полного функционала телевизора, кондиционера или водонагревательного бойлера.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы об основных преимуществах автоматизации систем жизнеобеспечения дома:

· в каждом помещении квартиры постоянно поддерживается комфортный для жителей микроклимат. Температура воздуха, влажность и другие параметры поддерживаются постоянно или настраиваются в каждом помещении в определенное время;

· обеспечивается возможность дистанционного управления каждой системой;

· при возникновении любой неисправности, система не допустит включения объекта и отправит соответствующую информацию владельцу, что позволит избежать существенного ущерба при возникновении аварийных ситуаций.

Мировой рынок системных решений и оборудования для автоматизации систем жизнеобеспечения зданий в настоящее время достаточно развит. Предложение на этом рынке формируется большим числом компаний, в том числе: Crestron, AMX, ABB, GIRA, SIEMENS, Schneider-Electric, MARMITEK и др.

Рассмотрим некоторые технологии «умного дома», предусматривающие различный набор автоматизированных систем. Как отмечалось в предыдущей главе ВКР, в настоящее время существует достаточно много различного вида протоколов связи и стандартов, использующихся для управления контроллерами и взаимосвязи. Связь может быть проводной или беспроводной, в некоторых схемах предусмотрена комбинированная связь. Для использования устройств в отдельном доме или квартире очень важно обеспечить совместимость протоколов, используемых каждым устройством. Краткая характеристика протоколов приведена ниже.

Протокол WiFi. Этот сетевой протокол характеризуется высокой скоростью и достаточной надежностью. Несмотря на относительно низкую электроемкость и использование меньшей полосы пропускания других протоколов, большинство компаний, производящих оборудование для «умного дома», отдают предпочтение протоколу WiFi, ориентируясь на указанные выше его преимущества.

Протокол X10 -- это протокол, разработанный в 1975г. для связи между электронными устройствами, дистанционного управления простейшими бытовыми приборами, используемыми для домашней автоматизации (домашняя электроника). Главным образом данный протокол использует уже существующую линию электропередачи для передачи сигналов в цифровую информацию. Протокол беспроводной передачи также может использоваться в данном протоколе.

Протокол ZigBee - открытый глобальный пакетный протокол, разработанный для обеспечения простой беспроводной ячеистой сети с низкой энергоемкостью. Zigbee обеспечивает стандарты беспроводных сетей с низкой скоростью передачи данных, которые могут устранить дорогостоящие кабели. Ячеистая сеть обеспечивает функционал и надежность. В случае поломки одного узла ячеистой сети другие узлы продолжают работать, обеспечивая бесперебойность и устойчивость.

Протокол Z-Wave -- это протокол беспроводной связи, компании «Sigma Design», используемый в основном в интеллектуальных домашних сетях, позволяющий интеллектуальным устройствам соединяться и обмениваться данными друг с другом. Имеет схожую ячеистую сеть, как и протокол ZigBee, обеспечивающую недорогую беспроводную связь для домашней автоматизации, может использоваться как альтернатива Wi-Fi и Bluetooth.

Протокол Insteon - разработчик этого протокола компания Smartlabs предусмотрела использование комбинированной связи. Он комбинирует обмен данными по электросети и беспроводной протокол, при этом оба работают как ячеистая сеть. Все узлы сети Insteon независимы, но при этом связаны друг с другом. При поломке одного узла, связь идет через другие. Необходимо отметить совместимость этого протокола с протоколом X10.

Протокол EIB/KNX - создан в конце 90-х годов ассоциацией KNX, образованной на основе трех параллельно развивавшихся стандартов EIB, EHS (European Home System) и Batibus. Ассоциация KNX разработала итоговый протокол KNX, ставший в 2003 году европейским, а в 2006 году международным стандартом ISO/IEC 14543-3. В настоящее время этот протокол является одним из наиболее популярных международных стандартов построения автоматизированных систем управления инженерными и мультимедийными сетями для дома (зданий и сооружений). Проекты «Умных домов» с использованием технологии KNX реализованы в 190 странах мира, представлена более 350 компаниями, выпускающими более 7 тысяч продуктов, при этом система является открытой и позволяет подключать и совмещать устройства от различных производителей. Данная возможность выгодно отличает KNX и является его главной особенностью. KNX - децентрализованная система, это позволяет создавать большие инсталляции с высокой надежностью. В отличие от других аналогов протокол KNX имеет свое специальное программное обеспечение ETS Professional.

Протокол HAI - использование этого протокола в настоящее время ограничивается профессиональными установками стоимостью более $50 тысяч, в связи с этим его спрос в системах автоматизации «умного дома» ограничен.

Протокол BACnet (Сеть автоматизации зданий и управления) разработан для обеспечения связи систем автоматизации и управления зданиями, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, управления освещением, контроля доступа и систем обнаружения пожара и видеонаблюдения и др.

Протокол LonWork - это промышленный протокол используется чаще для автоматизации промышленных предприятий. Основан на концепции «распределенного интеллекта» - управляющей сети LON (Local Operating Networks), в которой предусмотрено минимальное количество уровней иерархии и отсутствует отдельно выделенное центральное устройство. Разработчиком является американская компания Echelon Corporation.

Протокол CeBus - бытовая электронная шина, также известная как EIA-600, в ней сигналы передаются по технологии Speed Spectrum, при этом система сама идентифицирует, где возникают проблемы. Данный протокол подходит для домашних хозяйств и офисов, и может быть полезен для служебного интерфейса и легких промышленных применений. Разработчик - компания Intellon.

Протокол RS-485 («Recommended Standard» - «Рекомендуемый Стандарт - 485») - разработан Ассоциацией электронной промышленности средств связи. Стандарт RS-485 предусматривает только электрические характеристики, физический уровень. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов.

Промышленный Ethernet (Industrial Ethernet) создан для обмена данными между запрограммированными контроллерами и интерфейсом системы человек - машина. Реже используется для обмена данными между самими контроллерами или для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков, исполнительных устройств). Рекомендуемая область применения: автоматизация зданий или в областях, не требующих высокой надежности.

Подробная характеристика протоколов приведена в последующих параграфах ВКР, при обосновании выбора протокола.

2.2 Характеристика объекта автоматизации

Выбранный объект автоматизации систем жизнеобеспечения является апартаментами, предназначенными для проживания клиента. Данные апартаменты, как представлено в таблице 2 включают семь помещений.

Таблица 2

Характеристика помещений объекта автоматизации

Общая площадь выбранного объекта автоматизации составляет 85.6 м². План апартаментов представлен в Приложении 1.

В помещениях расположены:

· 3 кондиционера компании Toshiba;

· 3 алюминиевых батареи, подключенные к центральной системе отопления здания;

· 4 окна, с встроенными жалюзи;

· 16 розеток;

· 5 источников света;

· 1 электронный замок.

Жилые апартаменты, которым в результате автоматизации в настоящей работе присвоен статус «Интеллектуальное помещение», расположены в доме в юго-западной части г. Москва. Температурно-влажностный режим в помещениях соответствует нормальному, согласно «ГОСТ Р 51617-2000. Государственный стандарт Российской Федерации. Жилищно-коммунальные услуги. Общие технические условия». В летний период: внутренняя температура t = +20-28°, влажность 50-55%. В зимний и переходное время года (весна и осень): внутренняя температура t = + 20-24°, влажность 30-45%.

2.3 Технические требования

Проектируемая система предназначена для автоматизации жизнеобеспечения и коммуникационных систем жилого помещения, обеспечения эффективного энергосбережения и максимального уровня комфорта. Основные цели создания системы ИП (назначение комплекса автоматизации):

· дистанционный контроль и управление работой оборудования систем жизнеобеспечения;

· получение информации о состоянии оборудования систем жизнеобеспечения;

· повышение надежности и безопасности функционирования инженерных систем помещения;

· предупреждение и предотвращение аварийных ситуаций;

· сокращение эксплуатационных затрат, экономия энергетических ресурсов;

· сокращение затрат на обслуживание оборудования;

Комплекс систем безопасности и жизнеобеспечения включает:

* система климат-контроля;

* система управления электроснабжением;

* система управления освещением;

* система управления электронным замком входной двери.

2.4 Обоснование выбора технологии

Анализ рынка технологий автоматизации позволил выявить лидеров в данной отрасли, предлагающих наиболее качественные и разнообразные решения для реализации задач автоматизации зданий и сооружений. Ниже приведены характеристики протоколов для систем с распределенной архитектурой, позволяющие подобрать оптимальный вариант для решения задачи проектирования системы ИП.

2.4.1 Протокол EIB