Умный дом - что это

• сетевая технология будущего
• Оборудование с подключением к сети
• LON, или локальная операционная сеть
• Технология LonWorks
• PLC (Power Line Communications), BPL
• Сравнение сетевых технологий

Умный дом – Digital Home

Умный дом – это сетевая технология будущего, обеспечивающая автоматизацию и дистанционный контроль вашего производства, офиса, жилого дома. Она объединяет в единую сеть управление оборудованием зданий, включая освещение, обогрев, вентиляцию и кондиционирование, охрану и доступ, средства мультимедиа, а также бытовое и профессиональное оборудование.  Это не только упрощает управление, но и обеспечивает существенную экономию энергетических ресурсов. Внедрения системы на этапе проектирования зданий или в уже построенные здания позволяет уменьшить объем коммуникационных цепей и, благодаря самотестированию, повысить их надежность, а значит уменьшить и вероятность самовозгорания. Одновременно  решаются и задачи внедрения современных средств коммуникации, таких, как высокоскоростной Интернет. В комплекс умного дома хорошо вписываются средства управления торговыми автоматами, сети вендинга как показано на сайте компании Инфотехника.
По прогнозу ученых ожидается повсеместное внедрение систем умного дома, обеспечивающих активное взаимодействие с окружающей средой и с людьми. Представьте, что в офисе и дома выше оборудование работает самостоятельно по заложенному вами сценарию или вашим командам, запрашивает у вас разрешение произвести ответственные действия, предлагает вам варианты действий с наименьшими энергетическими затратами… По дороге домой вы можете скомандовать проветрить комнаты вашего дома, разморозить рождественскую индейку, поджарить сэндвич.
Основа умного дома – это локальная сеть данных и команд, соединенная к оборудованию здания. Такие сети строятся на основе прокладки специальных линий (витая пара, Ethernet, радиоканал…) или через линии питания 120/220/380 в. Прогрессивный метод реализации таких линий на основе СКС – структурированных кабельных сетей – при строительстве здания. Уже используется более 20 сетевых платформ (в том числе популярная Consumer Electronics Bus – CEBus и уже стареющая Х-10), появившиеся в 1998 году новые сетевые технологии, такие как LonWorks, HomeRF и Bluetooth.

 Оборудование с подключением к сети

Многие производители оконечного оборудования (обогрев, кондиционирование, вентилляция, вендинг и т.д. ) закладывают в него возможность подключения в сети управления.
Так известная фирма M. E-I (названия сокращены для снятия обвинений в рекламе), один из крупнейших европейских производителей бытовой аппаратуры, начала выпуск разумных домашних сетевых устройств серии A. Digital (посудомоечных и стиральных машин, холодильников и т.п.). В результате они смогут взаимодействовать друг с другом и способствовать экономии энергопотребления дома
Одна из российских фирм выпускает блоки подключения теплосчетчиков в сеть управления.

Другая предлагает систему управления домом или квартирой с целью повышение уровня комфорта управления системами освещения, жалюзи, другими электронными устройствами на кухне. Управление всеми устройствами  (освещение, жалюзи/шторы, розетки) осуществляется от одной настенной  панели, которая устанавливается вместо обычного выключателя Панель представляет собой экран, где описаны зоны и сценарии управления. При нажатии на соответствующую клавишу выполняется необходимое действие или запускается сценарий. В панель встроен датчик температуры в комнате.
Вот некоторые из сценариев:
«Утро» —  открываются жалюзи, включается освещение на потолке, яркость в зависимости от естественного освещения.
«Семейный обед» —включение определенного заданного пользователем режима освещения (все освещение или частичное).

 Компания McDonald's намерена в будущем использовать в филиалах своей сети ресторанов быстрого питания технологию LonWorks от Echelon. Кухонное оборудование будет соединено в единую сеть, обеспечивающую коммуникацию между приборами. Такая "кухня будущего" потребляет меньше энергии и, в то же время, оптимизирует рабочие процессы. Эти меры позволяют ресторанам упростить процесс сертификации по программе LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), целью которой является поддержка экологически чистого планирования, а также строительства новых деловых зданий и модернизации старых.

Фирма ХАЙДЕБРЕННЕР (HEIDEBRENNER GmbH), основанная в 1948 году в городе Киль/Германия, специализирующаяся на производстве теплового оборудования для предприятий сферы общественного питания предлагает ИСУПЭ (интегрированная система управления электроэнергии) Сикотроник для уменьшения потребления электроэнергии. Это новое программное обеспечение компьютерного управления оборудованием кухни помогает уменьшить показатели потребления электроэнергии на 30-50% и более, снизить стоимость подключения оборудования, произвести подключение оборудования на объекте, при недостатке мощности. С помощью ИСУПЭ можно оптимизировать электронагрузку теплового, моечного, вентиляционного, компрессорного и других видов оборудования.

 В системах «умного дома» нашел свое применение децентрализованный подход к управлению.
С некоторого времени получили широкое распространение шинные системы, в частности Fieldbus-системы, которые по сравнению с концентраторами данных экономически более выгодны. Fieldbus-системы представляют собой новую технологию, которая предлагает новый образ мышления при системном проектировании. Узлы Fieldbus-системы могут децентрализованно использовать интеллект для управления, регулирования и контроля. В предельном случае это может быть система с полным отсутствием центрального управления (функции контроллеров с программируемой памятью распределяются между различными узлами сети, такими как датчики, исполнительные механизмы и устройства индикации).

 Для реализации сетей умного дома используются появившиеся в 1998 году сетевые технологии LON (локальная операционная сеть), такие как LonWorks, HomeRF и Bluetooth.
Домашняя радиосеть HomeRF выполнена на базе открытого промышленного протокола коллективного беспроводного доступа (Shared Wireless Acess Protocol – SWAP), разработанного рабочей группой фирм-производителей домашних ВЧ-систем (Home Radio Frequency Working Group – HomeRF). Группа, образованная в марте 1998 года, объединила более 90 производителей (в том числе и Intel). Используется полоса частот 2,4 ГГц с возможностью перескока частоты. Сеть работает с шумоподобным сигналом (ШПС) и поддерживает скорость передачи данных 2 Мбит/с на расстояние до 50 м. На рынке представлены такие изделия, как сетевые средства серии AnyPoint фирмы Intel и HomeLINE компании Farallon. В AnyPoint входят адаптер для подключения нескольких ПК через USB-порт к ближайшей телефонной розетке.
Популярная платформа Bluetooth рассчитана на полосу 2,45 ГГц. Она предусматривает применение трансивера с перескоком частоты (1600 перескоков/с) и работу в режиме временного уплотнения. В диапазоне от 10 см до 10 м скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с. Дальность действия невелика, но может быть увеличена до 100 м за счет наращивания мощности передаваемого сигнала
Будьте бдительны при использовании радиоканалов. Продвинутые дети нашей страны развлекаются попытками связи с вашим сотовым телефоном через Bluetooth. А когда я включил дома свой разветвитель HomeRF, компьютер сразу же обнаружил посторонние запросы и попытки «хакерских атак».

Технология LonWorks

Технология LonWorks (Local Operation NetWorks) разработана американской корпорацией Echelon с целью создания распределенных систем (сетей) управления промышленного и бытового назначения. Основа технологии - протокол LonTalk - семиуровневый коммуникационный протокол, позволяющий осуществлять передачу данных через различные физические среды: витую пару, радиоканал, инфракрасный канал, линии электропитания (с том числе 220 в), коаксиальный или оптический кабель. Набор LonWorks предоставляет средства и конструктивные блоки, необходимые для проектирования, монтажа и обслуживания интеллектуальных взаимодействующих узлов и подсистем, включающих различные типы датчиков, устройств управления, индикации и т.д.
LonWorks использует протокол LonTalk и микропроцессор Neuron Chip (3 х 8 бит ЦП, 10 Кбайт ОЗУ, 10 Кбайт ПЗУ), а также специализированные модули:  трансиверы для различных сред передачи, управляющие модули, сетевые адаптеры и маршрутизаторы. Программные шлюзы: Ethernet, Т1, Х.25, Bitbus, Profibus, CAN, Modnet, SINEC, Grayhill, Opto22 (цифровой), OptoMux, Modbus, ISAbus, STD32 bus, PC/104, VMEbus и EXMbus.
Протокол LonTalk является открытым и может быть «встроен» в любой подходящий микропроцессор. Примером такого встраивания является микропроцессор Neuron Chip, который разработан по технологии LonWorks и производится компаниями Motorola и Toshiba. Этот микропроцессор обеспечивает эталонную реализацию LonTalk и допускает использование как в задачах управления обменом данных, так и для тестирования других реализаций указанного протокола.
По мнению многих  системных интеграторов одним из достоинств оборудования Echelon перед другими конкурирующими компаниями является наличие широкого спектра сетевых адаптеров, основу которых составляют адептеры к персональному компьютеру, такие как:
адаптеры Ethernet;
адаптеры PCI (PCLTA-21);
адаптеры USB (U10, U20 ).
Благодаря простоте установки и работы, а также небольшой стоимости особой популярностью пользуются USB-адаптеры.
Компании-разработчики и производители приборов и инженерных систем для зданий образовали LonMark - международную ассоциацию интеграторов и производителей LonWorks оборудования   Ассоциация насчитывает более 200 членов.
Компонентами системы LON являются регуляторы, сенсоры, активаторы и системные устройства, которые соединяются друг с другом при помощи сети и осуществляют обмен сообщениями.
В 1999 коммуникационный протокол  LonTalk был представлен на рассмотрение в ANSI (American National Standards Institute) и принят как стандарт для сетей управления (ANSI/EIA709.1-B). Созданные фирмой Echelon технологии передачи сигналов по витой паре и линиям электропитания были также представлены в ANSI для стандартизации и утверждения.
В США изделия LonWorks для домашних сетей управления освещением и отоплением продает фирма Leviton. В Европе поставщиков изделий LonWorks больше. В мае 1994 года 36 компаниями была создана Ассоциация по обеспечению взаимодействия LonMark. Сегодня в нее входят 230 фирм. Основная задача Ассоциации – облегчить интеграцию систем многих поставщиков на базе сетей LonWorks.
Встроенный в платформу LonWorks Интернет-протокол позволяет объединять сеть управления функциями дома с Интернетом. Благодаря этому удастся значительно снизить затраты на реализацию домашней мультимедиа сети.
Основное преимущество технологии LonWorks заключается в том, что это открытая система. Любой производитель, системный интегратор или конечный пользователь может получить к ней авторизованный доступ. Любое LonWorks-устройство обменивается информацией с другими устройствами сети через коммуникационную среду. Такими устройствами могут быть контроллеры, IP-серверы, маршрутизаторы, адаптеры (LON, Ethernet и PCI) и различные датчики. Каждое Lon Works-устройство обязательно имеет интеллектуальный Neuron Chip– специальную микросхему, поддерживающую протокол LonTalk и содержащую в памяти программу управления устройством.
Маршрутизатор – это базовый компонент сетей передачи данных, которые передают данные через него на другой канал. Маршрутизатор работает также в качестве фильтра, предотвращающего нежелательную передачу данных в сети. Маршрутизаторы используются:
- для объединения двух различных сред, например, кабеля «витая пара» и шины питания
- для объединения двух кабелей с различной скоростью
- когда количество узлов выше, чем емкость одного сегмента
- когда эффективность сети увеличивается после помещения узлов, которые часто связываются с другими узлами по отдельному каналу. Это снижает трафик канала.
Трансивер PL-3170 создан инженерами компании Echelon с применением технологии Interoperable Self-Installation (ISI). Эта технология автоматической самоустановки бытовых устройств в сеть LonWorks представляет собой специализированное ПО, установленное на интегральную микросхему. Программное обеспечение ISI позволят пользователю без особых знаний или подготовки вносить изменения в домашнюю сеть LonWorks, например, подключать новые устройства, менять установки для освещения, кондиционеров и т.п. Альянс «Цифровой Дом» (Digital Home Alliance - DHA) был создан для внедрения в производство бытовой техники средств автоматизации на базе технологии LonWorks. Члены этого альянса видят свою цель в создании доступных по цене устройств с интуитивно понятным управлением, которые легко подключаются к домашней сети LonWorks. Таким образом, интеллектуальный трансивер PL-3170, встраиваемый в бытовую технику с логотипом DHA, это еще один шаг в направлении развития мирового рынка средств домашней автоматизации.

 BACnet
BACnet – это протокол обмена данными для систем автоматизации и управления зданиями. Сам протокол представляет из себя набор правил, позволяющих обмениваться данными через компьютерные сети. Этот набор правил имеет вид описанных спецификаций, с помощью которых обусловлено, что именно должно соответствовать протоколу
Языки BACnet и Echelon в корне отличаются друг от друга и устройства, использующие один их этих языков, никогда напрямую взаимодействовать не смогут, но при этом они могут одновременно использовать сеть LonTalk как среду ( LAN).
Сегодня сети умного дома непременно интегрируются во всемирную сеть. Так компания Echelon Corporation представила высокоскоростной LonWorks IP сервер серии i.LON 600, который предназначен для маршрутизации данных между сетями Ethernet и LonWorks, а также для обмена информацией между сегментами LON-сети. Новый IP сервер обеспечивает надежный и безопасный доступ через Интернет и IP-сети к контроллерам СКУД или инженерных систем здания, подключенным к управляющей LON сети. Кроме того, i.LON 600 поддерживает LNS, LonManager API и Echelon RNI, и работает со службами DHCP и NAT. Сервер i.LON 600 осуществляет маршрутизацию данных между сетями с протоколами LonTalk и IP, позволяя использовать IP канал как стандартный канал LonWorks, а также контролировать и настраивать LON-устройства через Интернет или сети LAN/WAN.
Важным преимуществом i.LON 600 является поддержка большинства стандартных протоколов межсетевого обмена, включая TCP/IP, ICMP, DHCP, HTTP, SNTP и FTP. При необходимости возможно сконфигурировать IP сервер таким образом, чтобы он использовал для доступа в Интернет и нестандартные порты

Технологии передачи данных по линиям электропитания PLC (Power Line Communications), BPL (broadband power line)
Технологии  передачи данных по линиям электропитания появились достаточно давно. В нашей стране они известны, благодаря предложениям подключить вас к Интернету. Преимущество этих технологий в том, что в готовых зданиях не нужно прокладывать новые линии и долбить стены.
Использование линий электропитания для связи активно используется в нашей стране для дистанционного контроля показания счетчиков потребления электроэнергии, но технический уровень созданных приборов не вызывает энтузиазма.
Сложность организации связи по линиям электропитания заключается в том, что существующие электросети изначально не предназначались для передачи данных. Они характеризуются высоким уровнем шумов и быстрым затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что коммуникационные параметры линии, постоянные для традиционных физических сред, существенно меняются во времени в зависимости от текущей нагрузки. Специфической особенностью линий электропитания является весьма разветвленная древовидная топология. Кроме того, при организации связи должны быть обеспечены электромагнитная совместимость и экранирование процессов передачи данных от электропотребления.
Вот отрицательный опыт их использования: город Манассас в США, который еще несколько лет назад приводился как пример успешного развития сетей доступа по технологии BPL (broadband power line), принял решение закрыть проект, который приносил по $100 тыс. убытков в месяц.
Реализация систем передачи данных по электрическим линиям в России связана с дополнительными трудностями, заключающимися в том, что технические характеристики отечественных электрических сетей отличаются от характеристик западных. У нас отсутствуют стандарты, определяющие параметры систем передачи данных по линиям электропитания.
Но мы сохраняем оптимизм, так как использование линий электропитания существенно упрощает монтаж и эксплуатацию сетей умного дома.
Наиболее распространенными технологиями передачи данных по электрическим сетям 120/220/380 являются:
-X-10 одноименной фирмы (http://www.x10.com);
-CEBus компании Intellon (http://www.intellon.com);
-LonWorks корпорации Echelon (http://www.echelon.com);
-Adaptive Networks, предложенная фирмой с таким же названием (http://www.adaptivenetworks.com);
-DPL 1000 производства NOR.WEB (http://www.nor.webdpl.com).
Технология X-10 разработана в 1978 г. корпорацией Х-10 для дистанционного управления светильниками и простейшими бытовыми приборами. Для передачи двоичной информации используется генерация коротких радиоимпульсов частотой 120 кГц в момент перехода переменного напряжения через ноль. Выбор такой схемы кодирования обусловлен тем, что нулевое значение напряжения характеризуется меньшими уровнями шумов и влияния других устройств, подключенных к сети.
Прикладному сетевому уровню соответствует язык управления простейшими устройствами. Контроллеры и адаптеры Х-10 выпускаются многими фирмами США. В ряде стран Европы доступны продукты Х-10, адаптированные к европейским электросетям. Стоимость модулей Х-10 колеблется от 8 долл. за пассивный приемник до 50—100 долл. за многофункциональное активное устройство. Основными недостатками системы на базе Х-10 являются низкая скорость передачи и функциональная ограниченность.
Технология Intellon CEBus (Intellon SSC) создавалась компанией Intellon для передачи данных по линиям электропитания (120 В, 60 Гц) в соответствии со стандартом домашней сети CEBus с использованием  языка приложений CAL
В составе LonWorks для линий электропитания 24/120/220/380/480 В переменного (50/60/400 Гц) и постоянного тока разработано несколько трансиверов (PLT), выполненных в виде микросхем и микросборок. Распределение каналов показано на рис.

Технология DPL 1000, позволяющая передавать данные по электросетям со скоростью до 1 Мбит/с, разработана английской компанией NOR.WEB (совместное предприятие Nortel Networks и United Utilities). DPL 1000 можно по праву считать революционным шагом в развитии средств передачи данных по линиям электропитания, поскольку она открывает возможность практически всеобщего прямого доступа в Internet
В локальные сети на основе DPL 1000 входят следующие аппаратные компоненты:
-центральная станция, которая обеспечивает подключение локальной сети к магистральным каналам связи и сетевое администрирование;
-базовая станция, размещаемая на трансформаторной подстанции и реализующая подключение информационной локальной сети к низковольтным силовым линиям питания;
-присоединительное устройство, которое устанавливается на входе силового кабеля в дом (рядом с электросчетчиком) и обеспечивает стыковку с внутренней информационной сетью;
-коммуникационный модуль, подключаемый к компьютеру, на котором устанавливается –
-коммуникационное ПО.
Компания Intelogis (intelogis.com), выделившаяся в свое время из Novell, предлагает технологию Plug-In, лишенную основных недостатков конкурирующих разработок для домашних компьютерных сетей (высокая стоимость, низкая пропускная способность, ограниченные функциональные возможности). Технология реализована в серии продуктов PassPort, использующих существующую сеть переменного тока (120 В, 60 Гц) в качестве среды передачи.
Минимальный комплект PassPort  включает в себя два адаптера для персональных компьютеров и один для принтера. Он обеспечивает совместное использование файлов и запуск сетевых компьютерных игр, участниками которых могут стать соседи по дому.
Архитектура Intelogis Plug-In реализует протоколы первого, второго, третьего, четвертого и седьмого уровней эталонной модели OSI. В основе протокола прикладного уровня лежит язык приложений CAL стандарта CEBus как и в компании Intellon.
 Израильская фирма ITRAN Сommunications (http://www.itrancomm.com) разработала и запатентовала технологию дифференциальной кодовой манипуляции (DCSK), позволяющую создавать дешевые сетевые компоненты с исключительно высокими техническими характеристиками. Детали DCSKне известны; сообщается лишь, что в ее основе лежат независимые от физической среды передачи методы адаптивной SS-модуляции в полосе частот 4—20 MГц с турбо-компенсацией и сжатием кода.
Аппаратные компоненты (трансиверы), созданные на основе DCSK, обеспечивают значительно более высокие скорость передачи, помехоустойчивость и защиту информации, чем существующие CEBus-трансиверы, при заметно меньшей стоимости устройств.

 Сравнение сетевых технологий.
По мнению ряда  экспертов, технически LonWorks уже устарел, он использует технологию "peer-to-peer", которая считалась современной лет 20 назад. Если управлять одной лампочкой, то особых проблем нет. Проблемы возникают когда надо одновременно управлять группой устройств. LON Works на это не способен в принципе, вместо этого контроллер будет посылать команды каждому устройству по отдельности, дожидаться подтверждения, перезапрашивать, иногда сталкиваться с другими контроллерами и долго разрешать коллизии, и т.п. В результате, 78 кбит не будут получены.
Например, EIB или C-Bus используют гораздо более современную технологию "producer-consumer",  что дает им большие технические преимущества. Контроллер пошлет команду один раз, ее примут все узлы, но среагирует (одновременно!) только та группа устройств, кому она предназначена. Поэтому для EIB и C-Bus нет разницы, управлять одним устройством или 10000 устройств одновременно, время реакции будет тем же.
LON Works появился как "боковой продукт", возникший в процессе разработке персонального компьютера Apple: Echelon's goal was to create a technology to allow the networking of everyday devices. То есть, LON Works первоначально направлялся на локальную связь в пределах помещения, а не здания.
В EIB и C-Bus используется CSMA/CA, collision avoidance. В отличие от LON Works, в них коллизий не бывает вообще. А в LON Works заложен изначально обмен с коллизиями CSMA/CD, на который поставлена заплатка в виде изощренного "статистического предотвращения коллизий".
В 2004 году в России появился Beckhoff. У него есть специальные модули, которые «заточены» именно под LON Works и EIB. Подключенные по собственной внутренней шине к PLC, которыйе у Beckhoff поддерживают почти все популярные шины, получаем интеграцию LON Works и EIB в любую промышенную шину.
EIB проще чем LON Works  (но никак не совершеннее).  EIB, C-Bus весьма просты в инсталляции, и это их преимущество. Но они предлагают очень ограниченный функционал, и это их недостаток.
Свободная топология в LON Works только на скорости 78 кбит. А канал 1.25 Мбит, со всеми своими ограничениями, хорош только для маркетинга. Скоростные линии проще и дешевле делать через Ethrnet. "Стандартная" реализация LON Works 78 кбит использует не витую пару, а экранированный пучок проводов, что дороже из-за дорогих магнитных экранов из мю-металла, максимальное расстояние в 2-3 раза меньше чем у C-Bus и EIB.
Еще одня «легенда», что в LON Works чипе Neuron не один процессор, а три. Процессор один, но процессор своеобразый, двухстековый. В этом чипе жестко заданный шеститактный полный цикл исполнения состоит из трех двухтактных циклов. В каждом двухтактном цикле полностью меняется контекст процессора (счетчик команд, указатели стеков, и т.д.), и исполняется одна команда в своем собственном контексте. В результате соседние команды оказываются полностью "развязанными" и исполняют совершенно независимые программы, которые не могут заблокировать друг друга. В сущности, получилась трехзадачная операционная система, воплощенная в железе. Остроумно сделано.
Еще один важный параметр для сравнения систем – это максимальное количество узлов в сегменте: LON Works это 127, C-Bus это 255. Реальное ограничение у C-Bus зависит от токонесущей способности кабеля и потребляемого узлом тока (типично - 18 мА на узел), и для дешевого CAT-5 (ток до 2А) составляет порядка 100. Если же посмотреть внимательнее на LON Works трансивер, то увидим, что кол-во узлов в сегменте не более 127 при выходном токе 25мА, или не более 64 при токе 50 мА, или не более 32 при токе 100мА. При этом ничего не сказано о потребляемом самим трансивером токе. Т.е. заявленное фирмой количество узлов возможно лишь при использовании дорогого кабеля, способного безопасно выдержать ток 3...4А.
О программных системах. В LON Works своя развитая система программирования (не бесплатно) - С-подобный язык. В EIB ничего такого нет. В результате, написание сложных алгоритмов управления типа PID-регуляторов, HVAC-систем, работа тепловых пунктов возможна толька под LON Works. Например, возьмем мастер кнопку, выключающую 25 устройств, в каждом по 16 каналов. В EIB придется установить 25х16=400 связей  - обезьянья работа. В LON Works задается всего 25 переменных - по одной на устройство.