Умный дом

Разные подходы к реализации системы

Говоря о смешанных системах, я упоминал другие системы, но не рассказывал о них. Приведу фрагмент статьи, воспол­няющий этот пробел.

Вначале - коммуникации в системе автоматизации дома.

Для создания работающей системы автоматизации дома мы должны расширить управление оборудованием до кон­кретного устройства, конкретного места или уровня замкну­той цепи. Чтобы сделать это, необходима некоторая точка сосредоточения, осуществляющая сетевое взаимодействие и позволяющая командам и данным перемещаться между сис­темными компонентами.

Команды должны иметь возможность достигать оборудо­вания везде в доме, где бы оно ни располагалось. Наиболее развитые системы автоматизации дома осуществляют двух­стороннюю связь, допуская обратную связь от управляемого устройства к контроллеру или программе.

Есть несколько схем системной коммуникации, каждая со своими достоинствами и недостатками. Самые лучшие систе­мы автоматизации дома используют системный центр, кото­рый объединяет несколько типов соединений, зависящих от выбранного оборудования и его использования. Наиболее общие типы системных центров включают:

• типовую проводку в доме;

• несущие силовых линий;

• коаксиальный кабель;

• специализированные соединители витых пар;

• низковольтную проводку;

• беспроводные радиочастотные сигналы;

• беспроводные инфракрасные сигналы;

• оптический кабель.

Если вы хотите использовать типовую проводку дома в качестве системной основы, ваши возможности будут не­сколько ограничены, но все же в вашем распоряжении оста­нется достаточно много функций, предназначенных для автоматизации. Добавив модули контроллеров со специальны­ми возможностями коммуникаций по силовым проводам, или используя беспроводные связи, вы сможете интегрировать значительное количество оборудования в автоматизирован­ную систему дома со значительным объемом централизован­ного управления.

Но что вы сможете сделать без использования этих воз­можностей? Без изменения имеющейся проводки? Обычно управление оборудованием и автоматизация ограничены в возможностях управлением, которое было включено в обо­рудование. Например, телевизор и видеомагнитофон могут управляться с переносного пульта, микроволновые печи имеют встроенные возможности программирования, а сис­тема полива имеет свой собственный программируемый контроллер. Вы можете также заменить старые «глупые» устройства такими же, но «разумными». Так, термостат с ручной установкой может быть заменен программируемым термостатом, а выключатель с детектором движения может сменить старый ручной выключатель. Некоторые из этих разумных устройств могут поставляться с приспособления­ми беспроводного управления, хотя все это, в основном, работает только с конкретным устройством или нескольки­ми подобными.

Принципиальным ограничением стандартной проводки является то, что без дополнительных коммуникационных воз­можностей управление ограничено конкретными устройства­ми. Ограничен эффективный радиус действия удаленного управления. Например, вы можете использовать переносной пульт управления для управления или программирования видеомагнитофона, но он работает, только если видеомагни­тофон расположен так, что может получить инфракрасный сигнал от пульта - вы не можете управлять магнитофоном из другой комнаты или с другого этажа.

Система XI0 использует стандартизованный протокол и множество команд, поддерживающих множество задач авто­матизации. Она реализуется на коммуникациях силовых ли­ний, накладывая сигнал с высокочастотной несущей (120 кГц) поверх 60 Гц (или 50 Гц) несущей силовой линии.

XI0 контроллеры могут включаться в любом месте домаш­ней проводки. Команды от контроллеров передаются через внутреннюю питающую сеть и не ограничены какой-либо штатной длиной цепи (межфазовые мосты позволяют сигна­лам переходить с фазы на фазу обычной трехфазной сети). Специальные блокирующие устройства могут быть установле­ны в силовом шкафу для ограничения перемещения сигналов XI0 вне системного пространства, в другие дома или поме­щения с той же силовой цепью.

Любые команды посылаемые контроллерами XI0 по до­машней проводке будут получены всеми Х-10-приемниками или модулями в этой системе. Некоторые модули могут не только принимать, но и отправлять сигналы.

Когда модуль получает команду, он проверяет «адрес», до­бавляемый к команде, - не ему ли она адресована. Если коман­да предназначена другому модулю, команда игнорируется. Когда соответствующий модуль получает команду, он действу­ет согласно ей, включая или выключая что-либо, уменьшая яркость света, пересылая команду другому устройству и т. д.

Команды XI0 ограничены множеством из 16 команд, на­зываемым стандартным функциональным множеством. Однако большинство модулей распознает только базовое функцио­нальное множество из семи команд.

Были также развиты расширенные пакеты кодов для уве­личения функциональности при передаче, полезные для сис­темы автоматизации дома при управлении такими подсисте­мами, как управление климатом, охранная, аудио и т. д. Однако из-за природы технологии XI0 это снижает быстродействие, увеличивая количество циклов питающей сети, используемых для передачи дополнительной информации.

Коды адресации описываются 4-битовым кодом «дома» (буквы А-Р) и 4-битовым кодом «устройства» (номера 1-16) - А-1, А-7, С-14, G-9 и т. д.

Для активизации одного или более модулей на выполне­ние функций пакеты сообщений с кодом «дом/устройство» передаются-всем модулям, которым команды предназначе­ны. Это «оклик» модулей. Затем отправляется другой пакет сообщений с описанием кода функции. Выбранные модули выполняют эти функции. Модуль «освобождается» после при­хода кода функции, если первое полученное сообщение с ко­дом «дом/устройство» адресуется не ему, или если это функ­ция - «все выключить».

Два наиболее общих типов модулей XI0 - модули управ­ления освещением и управления бытовыми электроприбо­рами. Модули управления освещением обычно управляют активной нагрузкой, например лампами накаливания, и мо­гут включать и выключать их или регулировать яркость све­чения. Модули управления бытовыми приборами использу­ют реле для включения и выключения присоединенных к ним устройств.

Контроллеры XI0 могут быть отдельными подключаемы­ми устройствами или соединяться проводами в систему. Не­которые из них просты, только с несколькими основными функциями управления, тогда как другие могут содержать встроенные таймеры, часы и возможности доступа к телефо­ну. Контроллеры обычно имеют встроенные клавиши, ци­ферблаты и т. д., чтобы осуществлять пользовательский ин­терфейс с системой.

Другие устройства, добавленные для улучшения системы XI0, - это радиочастотные (RF) и инфракрасные (IR) кон­троллеры и модули. Они используются как вспомогательные в ситуациях, не перекрываемых технологией передачи по силовым проводам. Например, охранная система может за­действовать радиочастотные датчики для дверей и окон. Кон­троллер «базовая станция» получает радиокоманду от датчи­ка, переводит ее в команду XI0 и отсылает в силовую сеть. Естественно, расширение полезности системы XI0 подобным образом влечет за собой ее удорожание и увеличивает слож­ность без какого-либо улучшения в части надежности.

В самых больших системах могут потребоваться повтори­тели, когда ослабление сигналов становится проблемой.

Система XI0 достаточно дешевая и легко устанавливаемая, поскольку большинство ее компонентов используют имеющу­юся в доме проводку как среду связи. Однако есть некоторые неудобства:

• для силовых линий характерен «шум», уменьшающий возможности передачи;

• топология проводки часто неизвестна, особенно для старых проводок;

• ослабление сигналов в силовой сети непостоянно и час­то непредсказуемо, что ограничивает возможности пе­редачи;

• другие технологии могут одновременно использовать силовые линии для коммуникации и взаимодействовать с коммуникациями XI0;

• более ограниченное множество команд, чем у других технологий;

• скорость передачи данных низкая, ограничивается при­менением в тех случаях, когда время не критично, и неважна передача больших объемов данных;

• требует, по меньшей мере, одного передатчика (кон­троллера) для передачи или «ввода» сигнала в силовую проводку, а также отдельный приемник (системный интерфейс) для каждого управляемого оборудования или цепи;

• некоторые плохо продуманные устройства XI0 могут иметь коллизии при совместных передачах.

Новые улучшения в технологии XI0 увеличивают воз­можности системы, но и являются источником проблем. Исполнение этой технологии довольно трудно поддается усовершенствованию - требует дополнительных затрат и сложности, что противоречит назначению системы XI0: дешевой системы, которая одинаково хороша для большин­ства нужд домашней автоматизации.

Новые модули XI0 все время развиваются для расшире­ния круга задач. Как правило, они могут быть передатчика­ми, приемниками или приемопередатчиками, могут разра­батываться для управления специфическими типами оборудования. Итак, что может делать модуль? Вот непол­ный список:

• переключение - включать и выключать сетевые устрой­ства, такие как лампы;

• регулировка уровня/скорости - непосредственно ре­гулировать яркость света и управлять скоростью дви­гателей;

• теле-/аудио-/видеоконтроллеры - посылают специ­альные команды другим устройствам: телевизорам, ви­деомагнитофонам, радиоприемникам, аудиоустрой - ствам и т. д.;

• Х-10-совместимый термостат может показывать темпе­ратуру;

• датчик освещенности, датчик температуры, датчик ветра;

• управление открыванием/закрыванием;

• автоответчик и т. д.

Некоторые ведущие производители оборудования XI0 - Honeywell, Leviton, Advanced Control Technologies, IBM, и X10 USA

Стандарт CEBus позволяет использовать множество сете­вых сред, включая:

• витые пары;

• коаксиальный кабель;

• инфракрасные сигналы;

• радиочастотные сигналы;

• оптоволоконные сигналы;

• сигналы по силовым сетям;

• аудио/видеошины.

Коммуникационное оборудование CEBus, язык и прото­кол реализованы на микросхеме, сделанной фирмой Intellon Corporation, Ocala, Florida. Intellon продает микросхему

Производителям для встраивания в их разработки. Intellon может также производить специальные OEM CEBus продук­ты и средства разработки.

Системы автоматизации дома CEBus могут устанавливать­ся в жилом доме с использованием существующей проводки 110 В или 220 В для обмена данными. В случаях, когда это не оптимально для передачи данных, например в случае видео сигналов, предлагаются дополнительные возможности, осо­бенно там, где проводная связь не слишком удобна или слиш­ком дорога. Для целей удаленного управления обычно ис­пользуются инфракрасные или радиоканалы. Технология CEBus может встраиваться в конкретные бытовые приборы или устройства удаленного управления, включаемые в сете­вую розетку.

Стандарт CEBus включает такие технологии, как спект­рально модулированный поток в силовых линиях. Спектраль­ный поток начинает модуляцию на одной частоте и изменяет ее за время цикла. Начиная сигнал с частоты 100 кГц, его ча­стоту линейно увеличивают до 400 кГц за период 100 мкс. Сигнал («высокое» состояние) и отсутствие сигнала («низкое» состояние) могут воспроизвести простейшие цифры, поэто­му пауза между ними не требуется.

Логическая «1» может воспроизводиться отсутствием (или наличием) сигнала в течение 100 мкс. Логический «0» воспроизводится отсутствием (или наличием) сигнала в те чение 200 мкс. Это означает, что длительность передачи переменная и зависит от количества «1» или «0».

Вне зависимости от используемой среды в CEBus управля­ющие данные канала транслируются со скоростью 8000 бит в сЬкунду. Среда также может нести канальные данные. Про­пускная способность будет зависеть от возможностей среды. Управляющие сообщения CEBus всегда имеют один формат. Сообщение содержит адрес получателя, но не имеет инфор­мации о маршруте, так что получатель может быть где угодно в сети, в любой среде.

Управляющие каналы CEBus несут сообщения о статусе и команды. Эти сообщения состоят из строк или пакетов байт данных, которые могут иметь переменную длину, зависящую от количества данных в сообщении. Пакеты могут быть в сот­ни бит длиной. Минимальный размер пакета - 64 бита. Он занимает промежуток времени 1/117 с на передачу и прием.

Есть команды для назначения каналов данных, но в значи­тельной мере стандарт CEBus заботится о спецификации уп­равляющих каналов. Включение каналов данных не специфи­цировано в стандарте CEBus.

Адрес устройств устанавливается аппаратно при произ­водстве и допускает 4 млрд. комбинаций. CEBus имеет также определения языка объектно-ориентированного управления, включающего такие команды, как увеличить уровень, быстро вперед, перемотать, пауза, пропустить, температуру поднять или опустить на один градус и т. д.

Сообщения могут быть адресованы (посланы) конкретно­му устройству. Может использоваться и специальная адреса­ция для обращения ко всем устройствам сети или некоторой группе устройств. Адреса бывают индивидуальными или групповыми. Устройства могут принадлежать более чем к одной группе. Заметьте: не все CEBus совместимые устрой­ства поддерживают групповую адресацию. Это определяется производителем и моделью.

Технология CEBus позволяет устройствам располагаться в любом месте сети на любом расстоянии, независимо от среды, если они имеют соответствующий для нее CEBus-интерфейс. Сообщения, посылаемые из среды одного типа в другую, про­ходят через маршрутизирующую цепь. Маршрутизатор может быть отдельным устройством или интегрироваться в бытовой прибор.

Управляющие сообщения распределяются между CEBus-yc - тройствами и маршрутизаторами. Централизованный кон­троллер не применяется для управления доставкой. Никакая специальная топология в CEBus не стандартизируется. Все точки соединения управляемых устройств в среде обрабаты­ваются логически так, как если бы они были на той же шине. Это означает, что все управляемые устройства в каждой среде чувствуют поступление пакетов данных одновременно. Все устройства прочитывают адрес получателя в сообщения, но только те, кому они адресованы, получают остальную часть со­общения и отвечают на нее.

Соблюдаются требования по аудио/видео, но специфика­ции совершенно не были реализованы в ЕІА. Они описывают многоконтроллерную шину, состоящую из восьми витых пар. Она разработана для внутреннего соединения группы домаш­него оборудования в небольшом пространстве (в одной ком­нате). Максимальная длина кабеля - 30 футов. Кабель несет три аудиоканала, четыре видеоканала и управляющий канал. Единственный разъем используется для подключения кабеля к управляемому устройству.

В отношении коаксиального кабеля CEBus определяет двухкабельную систему. Один кабель присоединяется к источ­никам сигнала в доме (камеры, магнитофоны и т. д.), а другой используется для распространения сигнала к любому прием­нику в системе. Любые внешние видеосигналы могут комби­нироваться с сигналами от источников в доме.

Система Echelon базируется на наличии разумно управля­емых устройств (узлов). В системе Echelon, также называемой LonWorks-сетью, соединение между устройствами может быть либо один-к-одному (распределенное управление), либо ведущий-ведомый (централизованный контроль). Об­щий протокол используется в обоих случаях.

Какой бы вариант ни использовался (централизованный или распределенный), каждый узел имеет высокий уровень встроенной разумности. Компьютерные возможности узлов допускают распределение функций процесса по всей систе­ме. Например, температурный датчик на Echelon технологии может быть предварительно запрограммирован для анализа прочитанной локальной температуры и фильтрации резуль­татов, так что к центральному контроллеру или другому узлу будут направляться только определенные изменения. Функ­ции управления тоже могут распределяться по всей системе, обеспечивая наилучшую производительность и надежность.

Узлы соединяются один с другим на основе равноправия, используя общий протокол. Каждый узел содержит внутрен­нюю разумность, поддерживающую протокол, управляющие функции и функции процесса, а также включает интерфейс ввода-вывода, который присоединяет микроконтроллер узла к коммуникационной сети. В каждом узле большинство этих возможностей реализовано на одной микросхеме, называе­мой Нейрон-чип, и производимой в нескольких версиях фир­мами Motorola и Toshiba. Технология Echelon LonWorks явля­ется открытой, но патентованной.

Подход Echelon не предусматривает использования имею­щейся проводки для коммуникации. Соответственно, требу­ет дополнительной проводки при установке, что избавляет от проблем и ограничений, связанных с применением сило­вой проводки, как в системах подобных XI0. Передача идет много быстрее и значительно надежнее, не требует интер­фейса подключения к силовой сети, не зависит от постоян­ных или меняющихся условий в проводке. Вдобавок, Echelon не ограничено никакими исключительными типами сетевых коммуникационных проводок/соединений. Допустимо мно­жество передающих и соединительных устройств. Поддержи­вается вход в Ethernet, ТІ, Х.25, Bitbus, Profibus, CAN, Modnet, SINEC, Grayhill, Opto22 (digital), OptoMux, Modbus, ISA bus, STD32 bus, PC/104 bus, VME bus и EXM bus.

Встроенные возможности Нейрон-чипа предлагают ши­рокий круг вычислительных и разумных функций, осуществ­ляемых на локальном уровне, но технология Echelon LonWorks не ограничена процессами узлового уровня, она поддерживают также возможность работы с хост-приложе - ниями, которые работают на иных процессорах, чем любой из Нейрон-чипов. Должен быть компонент микропроцессо­ра, который использует Нейрон-чип в качестве коммуника­ционного сопроцессора или Windows-ориентированный персональный компьютер, который связан с системой через серийный порт или адаптер PC. Эти приложения позволя­ют добавить в систему серверы, консоли или мониторы, и могут проводить централизованное управление для не рас­пределенных систем автоматизации. Они также предназна­чены для переноса имеющихся приложений, работы утилит сложного сетевого управления и создания входов в другие системы.

Типичный узел в системе Echelon предназначен для про­стых задач. Такие устройства, как датчики приближения, пе­реключатели, диммеры, датчики движения, реле, контролле­ры моторов, шаговые двигатели и т. п., могут быть узлами сети. Объединенное множество коммуникационных узлов создает супермножество сложных функций управления, тре­буемых для автоматизации дома.

В системе Smart House управляющие сигналы для быто­вой техники, информация о состоянии, данные сообщений приходят по одному каналу и используют тот же самый про­токол. Исключение составляют видеосигналы и телефонные данные.

Базовая топология состоит из звезды с ветвями, относящи­мися к электрическим ответвлениям цепей. В концентрато­ре звезды находится системный контроллер, который обыч­но располагается в непосредственной близости от сетевых выключателей электросистемы дома. Системный контроллер включает бесперебойное питание, экранирование от наво­док, GFI, телефонный ввод и наконечник для коаксиального кабеля.

Системный контроллер выполняет следующие задачи:

• обслуживание системы;

• пересылку данных бытовым приборам;

• планирование обслуживания.

Все пересылаемые сообщения поддерживаются систем­ным контроллером. Smart House имеет специализированный формальный язык для управления приборами и сообщений о состоянии.

Система Smart House базируется на трех группах кабелей или типах:

• ответвляющих кабелях - силовых и цифровых; они со­стоят из силового кабеля и отдельного цифрового кабе­ля (четырехпарного, витого); одна витая пара - для дан­ных, другая - для передачи сигнала синхронизации, а оставшиеся две не используются или могут быть ис­пользованы для отдельных ветвей;

• прикладных кабелей - постоянное напряжение для дат­чиков и цифровых данных;

• коммуникационных кабелей - телефонные провода и коаксиальный видео кабель.

Проводка Smart House наиболее подходит для новых раз­работок, поскольку предотвращает необходимость в последу­ющих переделках.

Настенные выключатели не соединены непосредственно с розетками. Они соединяются прикладными кабелями, что включает коммуникационные каналы. Когда выключатель разомкнут или замкнут, сигнал поступает к системному конт­роллеру, который действует в соответствии с программи­руемыми таблицами для управления различными лампами или розетками. Такой подход позволяет осуществлять пере­распределение приборов и переназначение выключателей, при котором тот же самый выключатель может выполнять разные функции, зависящие от времени дня или других фак­торов.

В системе Smart House определена двойная система коак­сиальных кабелей. Снижающие кабели несут видеосигналы от источников - кабельного телевидения, спутниковых таре­лок, антенн и т. д. Поднимающие кабели несут видеосигналы от внутренних источников - видеомагнитофонов, компью­терных терминалов и т. п. Наконечники сервисного центра Smart House комбинируют эти поднимающиеся и снижающи­еся сигналы для распределения по снижающим коаксиальным кабелям. Этот подход аналогичен системе CEBus.

Телефонный вход осуществляет функции интеркома и до­ступа системы Smart House для операций с удаленным управ­лением. Специфическое звучание звонка отличает вызов по интеркому от звонков остальных телефонов в доме. Телефон­ный вход включает модем для целей удаленного управления. Тональные сигналы с внешнего телефона могут активизиро­вать программируемые посылки данных для действующих приборов или сервисов в доме. Доступ закрыт паролем. Ин­струкции синтезированным голосом поддерживают удален­ный контроль.