Технологии для Smart Home

• ООО "Микроника"
• телеметрия, удаленное управление

Технология Smart Home появилась около 20 лет назад. По версии ассоциации «Smart Homes Association» технология Smart Home это интеграция технологий и услуг через домашние сети для улучшения качества жизни.

Вначале автоматизация дома заключалась в установке управляемых розеток или выключателей со схемой инфракрасного управления вокруг дома. Технологии, разработанные в начале 70-х годов, были медленными, ненадежными и небезопасными, устанавливались в центральной части зданий. Развитие мобильной связи подняло технологический уровень домашней автоматизации еще выше. Беспроводные сети (3G, 4G, а также Wi-Fi) и смарт-устройства с беспроводными интерфейсами связи (через Bluetooth и Zigbee, беспроводной доступ в Интернет) в наше время общедоступны и позволили перевести технологии автоматизации и контроля зданий на новый уровень. Вместо простых переключений в розетках и выключателей, определенные и значимые функции бытовой электроники, бытовых устройств и компонентов инфраструктуры могут быть обьеденены. В результате, вместо обыкновенных рудиментарных функций, современная домашняя автоматизация может предоставить множество функциональных возможностей, которые реально влияют на комфорт, безопасность и энергосбережение в жилых и промышленных зданиях. Развитие технологий также привело к появлению возможностей в создании нового пользовательского интерфейса. Революция смартфонов и планшетов обеспечила появление универсального пульта для дома. Фирменные стационарные панели и приборы управления исчезли, их заменили соответствующие приложения, которые просты в использовании и легко обновляются. С улучшением простоты использования и возможностей, увеличилась мотивация для установки домашних интеллектуальных сетей. Наконец-то становится реальной концепция "зеленого" строительства, которая способна значительно снизить потребление энергии и воды. Также становится возможно применение управляющих приложений в сфере безопасности и домашней автоматизации для престарелых и инвалидов.

Использование беспроводных технологий в Smart Home

Существует множество стандартов беспроводной связи по разным технологиям. Bluetooth и Zigbee, RFID и беспроводной доступ в Интернет, и сотовые технологии являются наиболее известными стандартами. Сочетание этих стандартов используется для построения умного дома. Фактически все беспроводные технологии, которые могут поддерживать некоторые формы дистанционной передачи данных от датчиков и систем управления, являются кандидатами на включение в портфель Smart Home. В этом разделе рассматриваются некоторые из этих ключевых беспроводных технологий.

Bluetooth

Bluetooth - универсальный радио интерфейс, который позволяет различным электронным устройствам, включая мобильные телефоны, датчики... и т. д., осуществлять беспроводную связь через коротковолновый диапазон радиосвязи. Внедрение этой технологии позволяет отказаться от использования проводных соединений, облегчает процесс подключения устройств, а также дает возможность формирования персональных сетей. Широкое распространение электронных устройств с поддержкой Bluetooth дает возможность повсеместного подключения и, как следствие - развитие множества приложений.

Устройства Bluetooth используют безлицензионный частотный диапазон на 2.45 ГГц. В зависимости от класса Bluetooth, дальность связи варьируется от 1 метра для 3 класса до 100 метров для 1 класса. Наиболее распространенный 2 класс, с дальностью связи 10 метров. Скорость передачи данных для устройств в сети Bluetooth варьируется от 1 Мбит/с до 24 Мбит/с. В сети Bluetooth существует два типа устройств: ведущее (Master) и ведомое(Slave). Каждое устройство Bluetooth имеет возможность быть либо ведомым (Slave) или ведущим (Master) или обими одновременно. В общем, сеть Bluetooth состоит из мелких подсетей или пикосетей. Пикосеть образуется двумя или более подключенными устройствами, разделяющими один и тот же канал. В каждой пикосети, есть только один Master и до 7 Slaves. Общение между Slaves идет все время через Master. Когда подключены два или более пикосети, они образуют scatternet. Это устройство может быть Slave в одной пикосети и Master в другой пикосети, как показано на рисунке.

Для Smart Home технология Bluetooth может быть использована в различных направлениях. Одно из направлений предусматривает размещение оборудования с Bluetooth радиопередатчиками и использование этой технологии для связи с домашним сервером. Это позволяет осуществлять мониторинг и контроль операций, проводимых пользователем. Другим возможным направлением является установка сенсорных сетей с поддержкой Bluetooth, которые могут отслеживать состояние здоровья людей с ограниченными возможностями. Основной проблемой для использования Bluetooth является его уязвимость.

ZigBee(IEEE 802.15.4)

Это стандарт беспроводной связи с низкой стоимостью, низким энергопотреблением, и предназначен для создания персональных сетей (Pan). Низкая стоимость делает его приемлемым для дистанционного управления и мониторинга с помощью приложений. Невысокая потребляемая мощность позволяет применять его в схемах питания с аккумулятором, обеспечивая ему длительный срок работы. Низкая стоимость оборудования и малая потребляемая мощность обеспечиваются за счет снижения скорости передачи данных. Спецификации определяют только два нижних слоя эталонной сетевой модели OSI: физический и аппаратный уровни. Скорость передачи данных, рабочая частота, и размер сети определяются стандартом. Достигнутая скорость передачи данных между устройствами, совместимыми со стандартом IEEE 802.15.4 варьируется от 250 Кбит/с до 20 Кбит/с в зависимости от расстояния между устройствами. Эти устройства могут работать в одном из следующих трех групп диапазонах частот: 868 МГц (Европа), 915 МГц (Северная Америка) и 2400 МГц (по всему миру). Диапазон в 2.4 ГГц, используется чаще, чем другие группы, так как он доступен по всему миру для безлицензионной работы. Кроме того, производительность продуктов, которые разработаны для работы в этом диапазоне частот лучше по сравнению с другими диапазонами в отношении скорости передачи данных. Стандарт IEEE 802.15.4 определяет топологию сети - звезда, кластерное дерево и сотовую сеть в качестве возможных вариантов. Однако, сотовые сети обеспечивают высокий уровень надежности и увеличение дальности охвата, предоставляя более чем один путь через сеть к любой беспроводной точке связи.

Стоит обратить внимание, что в любой сети Zigbee существует три типа устройства:

• координатор - есть только один координатор в сети, который отвечает за запуск сети, связь устройств, также он маршрутизирует данные между различными устройствами, это полноценное функциональное устройство с сетевым питанием;
• маршрутизатор - он не может обеспечить запуск сети, однако он сканирует сеть, чтобы присоединиться к ней. Как только он будет находиться в сети, он сможет обеспечить в ней маршрутизацию данных между её маломощными устройствами, как правило маршрутизатор полноценное функциональное устройство с сетевым питанием;
• конечное устройство - оно не может запустить сеть, однако оно сканирует сеть, чтобы присоединиться к ней, его питание обеспечивается батареей.

Стек протокола Zigbee определяет только некоторую функциональность в слоях поверх физических и аппаратных уровней, которые определены в стандарте IEEE 802.15.4. Он предоставляет набор инструментов программирования для предполагаемого рынка. Кроме того, технология Zigbee определяет набор профилей приложений для облегчения разработки и внедрения устройства Zigbee различных производителей, как показано на рисунке.

Радиочастотная идентификация (RFID)

Радиочастотная идентификация описывает систему, которая передает идентификатор объекта беспроводным способом с использованием радиоволн. Он определяет RFID-тег, содержащий информацию об объекте, несущем тег, и считыватель RFID. Тег RFID передает сигналы, содержащие его данные, когда он сканируется считывателем. Тег RFID может быть активным или пассивным, если активный тег работает от аккумуляторной батареи, а пассивный тег не работает от аккумуляторной батареи. Пассивные теги используют магнитное поле считывателя и преобразует его в напряжение постоянного тока для питания своих электрических цепей. Следовательно, пассивные теги имеют меньшую стоимость по сравнению с активными метками. Системы RFID могут быть классифицированы в зависимости от использованных частотных диапазонов. Диапазону низких частот (НЧ) системы RFID соответствуют сигналы с частотой от 124-135KHz. Диапазону высокой частоты (ВЧ) системы RFID соответствуют сигналы с частотой 13.56 МГц и сверхвысокой частоты (УВЧ) используют системы с частотой 860-960 МГц. В общем, системы НЧ RFID имеют короткие диапазоны считывания и более низкие системные затраты. В случае, если требуется более широкий диапазон считывания, могут использоваться высокочастотные RFID-системы, однако их стоимость выше.

Системы RFID могут быть использованы в "умных домах", где каждый объект может быть подключен к домашней сети через виртуальный адрес и уникальный идентификатор. Это позволяет хранить и обновлять базы данных, содержащие информацию о местоположении объектов. Система RFID может быть использована для отслеживания смарт-объектов в доме, путем добавления в них тегов RFID и развертывания RFID считывателей в различных местах дома, таким образом местоположение каждого смарт-объекта может быть определено. Данная информация может быть использована для адаптации услуг в «умном доме» на основе предпочтений каждого пользователя. Одна из проблем использования RFID-меток для отслеживания местонахождения людей в доме является то, что читаемость RFID-метки осложняется рядом с водой или листом металла. Человеческое тело состоит в основном из жидкости, которая затрудняет сканирование метки RFID, прикрепленной к человеческому телу. Однако, исследователи ищут новые способы, чтобы улучшить читабельность RFID метки в этих трудных условиях.

GSM/GPRS

GSM (Глобальная система мобильной связи) - это технология, которая породила революцию в области мобильной связи. Для повышения скорости передачи данных и внедрения новых видов услуг, за последние десятилетия были разработаны новые поколения стандарта GSM, такие как GPRS, UMTC, LTE ... и т. д.

Сети GSM, которые также известны как сети сотовой связи, в которых конкретная географическая зона делится на соты (ячейки). Размер ячейки обычно зависит от локального распределения трафика и спроса. Беспроводные мобильные системы, такие как GSM/GPRS используются для обеспечения голосовой связи и передачи данных. Одной из экономически выгодных и эффективных услуг, доставляемых по сети, может быть использование для «умных домов» службы коротких сообщений SMS. С помощью SMS-сообщений, содержание которых может быть обработано с помощью соответствующей программы, пользователем могут посылаться команды для осуществления мониторинга и контроля над домом. Такие программы обычно написаны с использованием языка java. Возможность использования GSM-сети обеспечивает удаленный доступ и управление «умным домом».

WiFi (IEEE 802.11)

Wireless Fidelity (WiFi) - это общий термин, который относится к стандарту беспроводной связи IEEE 802.11 для беспроводных локальных сетей (WLAN) в полосах частот 2.4, 3.6 и 5 ГГц. Пользователи сети при использовании технологии WiFi могут беспрепятственно перемещаться и получать доступ к сети практически из любого места. Также она может обеспечить эффективную настройку сети для труднодоступных мест, таких как старые здания. В стандарте WiFi рассматриваются два типа устройств: точка доступа (AP) и беспроводное устройство, которое, например, может быть ноутбуком, оснащенным беспроводным сетевым интерфейсом. Основная функция точки доступа заключается в передаче информации между фиксированной проводной сетью и беспроводной сетью. Точка доступа может поддерживать до 30 беспроводных устройств и может охватывать диапазон 33-50 метров в помещении и до 100 метров на открытом пространстве. Беспроводные устройства могут иметь возможность быть объединенными в сеть с использованием топологии инфраструктуры или топологии специального режима. Топология инфраструктуры иногда называется топологией точки доступа, поскольку беспроводная сеть состоит, по меньшей мере, из этой самой точки доступа и набора беспроводных устройств. В этой топологии система разделяется на базовые ячейки, где каждая ячейка управляется точкой доступа.

В общем, беспроводные сети должны иметь возможность пользоваться услугами фиксированной локальной сети (LAN), такими как файловые серверы, принтеры и доступ в Интернет. Это достигается с помощью системы распределения (DS), соединяющей разные точки доступа. Соединение между точками доступа может быть выполнено с помощью кабеля, соединяющего их вместе или используя беспроводное соединение. Передача данных между беспроводными устройствами в базовой ячейке и системой распределения происходит через точку доступа. Система распределения отвечает за передачу пакетов данных между различными ячейками в беспроводной сети. Она также отвечает за отображение адресов и межсетевые функции. Чтобы покрыть расширенную область, базовые ячейки могут иногда частично перекрываться.

Также, специальная топология представляет собой группу WiFi-устройств, которые имеют возможность динамически формировать связи друг с другом для создания сети. Эта ad-hoc-сеть не требует подключения ни к точке доступа, ни к фиксированной сети. Она может расти, сокращаться и фрагментироваться без необходимости обращаться к центральному органу. Это полезно для быстрой и легкой настройки беспроводной сети.

Стандарт IEEE 802.11 похож на стандарт IEEE 802, который касается сетей LAN и городских сетей (MAN). Он базируется на двух нижних подслоях базовой модели сети межсетевого взаимодействия (OSI). А именно, физический уровень и уровень канала передачи данных. Стандарт IEEE 802.11 развился за последние годы, когда были определены два типа систем. Они работают в полосе 2,4 ГГц, например IEEE 802.11b/g, и в полосе частот 5 ГГц, например IEEE 802.11n. Стандарт IEEE 802.11n поддерживает высокую скорость передачи данных примерно в пять раз выше, чем в предыдущем стандарте, что позволяет его использовать в приложениях для бытовой электроники, особенно для потокового видео в «умных домах». Видеосигнал может отображаться в соответствующей системе отображения на основе местоположений и предпочтений пользователей. Поскольку существующие стандарты 802.11a/b/g были созданы для обслуживания домена приложений ПК, они имеют существенные ограничения для требований в реальном времени и высокой пропускной способности от приложений для бытовой электроники. Несмотря на то, что 802.11g имеет максимальную скорость передачи данных 54 Мбит/с, на практике он с трудом достигает 20 Мбит/с, особенно когда сигнал должен проникать сквозь стены. Благодаря усовершенствованиям в технологиях кодеков, таких как MPEG4, H.264 и WMV9, требуемая полоса пропускания для потокового видео уменьшена. Однако другие требования приводят к увеличению требуемой полосы пропускания потока, такие например как видео высокой четкости, передача голоса по интернет-протоколу (VoIP), сетевые аудиоустройства и т. д.

Управление и безопасность

Другое направление, в области применения современной домашней автоматизации, дистанционного контроля и управления это возможность использования таких функций:

• контроль пустующего дома (температура, электроэнергия, газ, вода, и т.д.);
• кормление и наблюдение за домашними животными;
• имитация присутствия для защиты от злоумышленников;
• вспомогательные системы, которые позволяет пожилым людям и инвалидам, оставаться дома в безопасности, с напоминанием о необходимости принятия лекарства, контролем артериального давления и пульса с сигнализирующем оповещением.

Мониторинг и управление бытовыми устройствами

Применение датчиков в бытовых приборах, подключенных к интеллектуальной домашней сети, позволяет сориентировать их на работу и выполнение более сложных и интеллектуальных функций. Их можно легко контролировать из любого места в доме, включать или выключить их дистанционно. Пульт дистанционного управления и мониторинга этих приборов может работать удаленно через Интернет или мобильные сети GSM. Кроме того, некоторые бытовые приборы могут действовать разумно, сообщая о своих проблемах сервисной компании напрямую. Например, холодильник может сообщить о проблеме с охлаждением сервисную компанию. Это может быть необходимым в случае, если хозяева дома находятся в отпуске. Кроме того, используя электронные метки в упаковках продуктов питания, одежде, посуде и т. д., умная бытовая техника может выполнять множество интеллектуальных функций. Некоторые компании выпускающие товары, внедряют в них приборы, которые общаются с объектами с использованием RFID. Стиральная машина может сканировать нагрузку в ней, чтобы настроить цикл стирки, подходящий для используемых тканей. Холодильник также может предупредить пользователя о датах истечения срока действия некоторых продуктов внутри него. В дополнение к этому он может автоматически отправлять список покупок в некоторые службы доставки на дом.

Безопасность и охрана

Охрана и безопасность являются важными аспектами человеческой жизни. Следовательно, включение вопросов безопасности в умный дом - это важное требование для большинства жильцов домов. На современном рынке имеется ряд продуктов, которые реализуют ряд концепций по обеспечению различных направлений безопасности, сигнализации и охраны. Ожидается, что число этих продуктов будет расти в ближайшем будущем. Общая архитектура этих систем состоит из соответствующего набора взаимосвязанных датчиков, которые контролируют конкретные условия или ситуации и связывают их с локальным сервером. Как правило, такими датчиками могут быть: датчики дыма, датчики утечек воды, датчик сигнализирующие о проникновении в дом и т.д. В случае возникновения тревожной ситуации, сигнал поступает домовладельцу и соответствующей службе охраны. Установленная в доме интеллектуальная система управления, будет передавать информации о характере тревожной ситуации и её местоположении. Кроме того, система позволяет осуществлять удаленное управление некоторыми функциями в доме. Например, если ожидается доставка на дом, а хозяев нет, то удаленно владельцем дома, охрана с некоторых охраняемых зон может быть снята, для осуществления в них доступа службы доставки, с последующей постановкой этих зон под охрану, осуществляемую также удаленно. Также удаленно, может регулироваться, отключаться или включаться отопление в доме, система кондиционирования. Осуществление переключения этих систем на работу и поддержание заданных параметров температуры только в определенной части дома. В случае длительного отсутствия жильцов в доме, интеллектуальную систему управления можно запрограммировать на имитации присутствия в доме жильцов с помощь манипуляций с освещением и работой бытовой техники.

Удаленный контроль здоровья

Требования для долгосрочной медико-санитарной помощи в больницах и клиниках строго ограничены. Однако, те пациенты, которые нуждаются в долговременной медицинской помощи, например, пожилые люди с заболеваниями сердца, могут не иметь возможности нанять сиделку, чтобы присматривала за ними, после их возвращения домой из медицинского учреждения. Наличие интеллектуального жилого пространства, в виде "умного дома", помогает облегчить некоторые аспекты этой проблемы и обеспечить раннюю диагностику хронических заболеваний, и сделать визиты более эффективным из-за наличия объективной информации перед такими поездками. Общая архитектура системы, которая обеспечивает необходимое медицинское обслуживание, будет включать соответствующий набор датчиков, которые отслеживают конкретные медицинские условия или ситуации, и передает их на локальный сервер, а потом передает ее лицу, назначенному за контролем над пациентом. Также возможно осуществление голосовой и видео связи с пациентом для проведения консультаций.

Контроль в сфере электроэнергетики

Экологическая осведомленность является важной тенденцией, которая оказывает влияние на все предприятия, особенно в развитых странах. Движущими силами для этого являются растущие затраты на энергию и поиск путей к сокращению выбросов парниковых газов. Эти факторы подталкивают к сокращению использования энергии и/или оптимизации ее использования в домах благодаря использованию интеллектуальных энергетических решений. В общем, стоимость энергии может составлять одну пятую от эксплуатационных расходов здания, с освещением, обогревом или охлаждением, используя большую часть его в жилых и коммерческих зданиях. Следовательно, они являются основными целями для снижения энергопотребления за счет использования "умной" энергетики. Поставщики электроэнергии заинтересованы в возможности, посредством контроля нагрузки, производить отключение некоторых некритичных потребителей, таких как отопление, вентиляция и кондиционирование, на короткие промежутки времени, в пик спроса на электроэнергию. Кроме того, они могут использовать механизм реагирования на спрос, путем реализации тарифов, стоимость электроэнергии в которых зависит от времени её потребления. Это будет стимулировать потребителей к более эффективному управлению потреблением энергии. Эти меры помогут предприятиям поставщикам электроэнергии снизить пиковую нагрузку, а потребителям, уменьшить свои коммунальные платежи. Использование смарт-счетчиков электроэнергии в "умных домах", позволит обмениваться информацией с коммунальными предприятиями с целью контроля нагрузки и реагирования на спрос. Посредством домашней сети, интеллектуальные счетчики могут обмениваться информацией и контролировать другие приборы в умном доме, например, системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Также владелец умного дома имеет возможность самостоятельно принимать меры в периоды пиковых нагрузок для уменьшения объёма потребляемой электроэнергии путем отключения бытовых приборов, освещения и т. д. Например, посудомоечной машине может быть дана команда отложить время начала работы на период времени, когда пик потребления электроэнергии спал и оплата за неё производится по более низкому тарифу.

Контроль за окружающей средой

Наиболее значительную часть в коммунальных счетах составляют расходы на отопление и охлаждение дома. Выбор хороших изоляционных материалов при строительстве домов, является основой для снижения этих затрат. Благодаря установке интеллектуальных датчиков внутри и снаружи дома можно управлять эффективностью энергопотребления домов. Информация принимается от распределенных датчиков внутри дома, и снаружи (датчики температуры, влажности интенсивности солнечного света, скорости ветра и т. д.). Эти данные обрабатываются и используются для управления оборудованием, регулирующим внутренний микроклимат в помещениях и оборудованием, расположенным на окнах этих помещений. Например, при открытых окнах в помещении и включенном кондиционере или системе отопления, работающих на это же помещение, системой управления может быть принято решение остановить работу этих систем или отправить хозяину дома предупреждение о неэффективном использовании энергии. В дополнение к этому, пользователю может быть предоставлен совет закрыть завесу ночью, когда температура снаружи намного ниже, чем температура внутри дома, при включенной системе отопления.

Возможность использования возобновляемых источников энергии, зависит от их географического местоположения. Например, в местах, где солнце светит большую часть года, целесообразно устанавливать на крышах солнечные батареи. В других местах, например с ветреным климатом, рекомендуется устанавливать ветровые генераторы. Контролируя условия окружающей среды снаружи и контролируя показания внутри дома, а также текущее состояние нагрузки на дом, можно принять решение о том, как использовать сгенерированное электричество. В случае, если дом подключен к общей электрической сети, дополнительно сгенерированную электроэнергию можно либо аккумулировать в резервных источниках питания, либо передавать её общую электросеть.

Доступ к информации

Умный дом должен реагировать на потребности людей и изменять эти потребности ненавязчивым и невидимым способом, оставаясь под их контролем. Определяя местоположение человека, внутри дома, и определяя его деятельность, окружающая среда может быть адаптирована в соответствии с его пожеланиями. Если человек требует информации, он будет перенаправлен на ближайший дисплей в зависимости от его местонахождения. Также его предпочтения и доступная информация должны перемещаться вместе с ним, когда он меняет свое местоположение. Если хозяин дома наблюдал за новостями во время бритья в ванной, тот же новостной канал будет отображаться на кухне, когда он перейдет туда, чтобы выпить кофе. В случае, если человек читает роман, информация, относящаяся к роману, может быть извлечена из Интернета и отображена на ближайшем дисплее.

Заключение

В этой статье рассмотрены современные технологии и возможности применения их в построении систем управления умных домов. Был дан обзор основных технологий беспроводной связи, которые являются фундаментальной частью инфраструктуры современных умных домов. Некоторые из этих технологий интегрированы в считывающие и сетевые устройства, такие как Zigbee, Bluetooth, RFID и WiFi. Другие беспроводные технологии, такие как GSM, представляют собой более широкий формат, который может образовывать большие сети. В данной статье также кратко обсуждались некоторые современные датчики, которые можно использовать в умных домах. Многие из них имеют встроенный контроллер, который оснащен возможностями беспроводной связи и может подключаться к другим устройствам. Обсуждаемые области применения включают в себя мониторинг и контроль за оборудованием, охрану и безопасность, телездравоохранение, энергосбережение, контроль за окружающей средой и доступу к информации.