3. ЭЛЕКТРОННЫЙ ФУНДАМЕНТ УМНОГО ДОМА

: понятие платформы : : обзор платформ : : X10 : : UPB : : Insteon : : Z-wave : : Zig Bee : : KNX/EIB : : С-Bus : : прочие платформы : : номенклатура устройств :

Вводное замечание. Эта глава имеет более технократическую ориентацию, чем даже предыдущая. Поэтому, если у читателя нет желания или возможностей вникать в технические подробности, можно сразу перейти к п. 3.3. Однако, для получения представления о «кирпичиках» для построения «умного дома», их разнообразии, уровне рыночной конкуренции и изобилии рекламной и технической информации, обрушивающейся на потенциального потребителя, все-таки желательно данный раздел просмотреть хотя бы «по диагонали», игнорируя мелкий шрифт.

 

Системы «Умного Дома» строятся из «конструкторов» - наборов, включающих различные электротехнические устройства, датчики, панели управления, исполнительные механизмы, программное обеспечение и пр. Каждый конструктор базируется на своих технических решениях, регламентированных своими стандартами и спецификациями, обеспечивающих возможность взаимодействия его устройств друг с другом и отличающих его от других конструкторов. Совокупность этих технических решений принято называть платформой.

Отличительными чертами платформ являются следующие:

Среда передачи информации. Это может быть домашняя силовая электропроводка для питания электроприборов, отдельная проводка, радиоканал, а также комбинация данных вариантов. Некоторые платформы ориентированы и на другие виды имеющихся в доме коммуникаций - телефонные, телевизионные и компьютерные.

Протокол информационного обмена - совокупность правил, регламентирующих форму представления и процедуры обмена данными и командами между компонентами в составе системы. Протокол является определяющей характеристикой платформы и обязательно указывается в документации и в рекламе. В большинстве случаев платформу и протокол называют одним именем.

Сетевая архитектура. Компоненты «Умного Дома» образуют сеть. Совокупность ее параметров именуется «архитектурой». Наиболее часто упоминаемый параметр - степень централизации, а именно: архитектура может быть централизованной, когда всем обменом управляет одно устройство, или децентрализованной, когда обмен между устройствами выполняется напрямую. Архитектурные параметры вытекают из протокола, но часто их выделяют в отдельную категорию.

Элементная база - электронные компоненты, используемые для реализации устройств платформы. Для одних платформ используется элементная база общего применения, для других (например, для 1-Wire, Z-wave, Homeplug) существуют специально разработанные микросхемы, что дает ряд преимуществ.

Программное обеспечение - обычно выделяется, если имеет самостоятельный статус, что характерно для систем с централизованной архитектурой, а также для управляющих устройств - панелей, компьютеров, смартфонов, мобильников и пр.

Степень открытости - определяется политикой разработчика платформы. Открытые платформы регламентируются открытыми стандартами и могут использоваться всеми без ограничений. Закрытые платформы регламентируются фирменными стандартами и в случае защиты их патентами могут тиражироваться только по лицензиям. Также есть платформы, открытые только для членов соответствующих альянсов, ассоциаций и пр.

Иллюстрация к понятию «платформа»

 

Надо иметь в виду, что данная классификация и терминология достаточно условны. Так, часто вместо термина «платформа» употребляют термины «протокол», «интерфейс» или «архитектура». Одним из параметров протокола является среда информационного обмена, а понятие архитектуры включает в себя и понятие протокола.

 

В настоящее время на рынке представлено достаточно большое разнообразие платформ для построения «Умного Дома», что обусловлено высоким уровнем конкуренции, широким спектром потребительских предпочтений, большим разнообразием задач, региональными политиками стандартизации, историческими тенденциями и пр. Платформы создаются и продвигаются как отдельными фирмами-разработчиками, так и различными ассоциациями. Полная характеристика всех существующих платформ требует их детального описания и является предметом отдельного аналитического обзора. Здесь же мы ограничимся краткой сводкой по наиболее распространенным и популярным, при этом такие специфические аспекты, как элементная база и программное обеспечение, рассматривать, в основном, не будем, ограничившись лишь общими характеристиками.

 

X10 - первая платформа для «Умного Дома». Базируется на одноименном протоколе, использующем в качестве среды информационного обмена обычную домашнюю силовую электропроводку, но имеет в своем составе и ряд устройств с радиоканалом. Разработчик платформы - фирма Pico Electronics Ltd (см. введение).

 

Основным производителем X10 была компания X10-USA (позднее X10-WTI), являвшаяся дочерней компанией фирмы Pico Electronics Ltd., но она недавно обанкротилась, оставив производство и сайт X10.com в наследство одному из своих своему дистрибьютеров фирме Authinx. Компания выпускала две линейки уcтройств: X10 PowerHouse - базовый комплект и X10 PRO - расширенный комплект. Крупнейшим производителем платформы X10 является также компания Marmitek (Нидерланды), выпускавшая X10 под своими брендами Marmitek, ActiveHome, ActiveHome Pro и недавно передавшая ее производство своей дочерней фирме HaiBrain.

Платформа была защищена рядом патентов, поэтому до начала 2000-х годов являлась закрытой. В настоящее время в связи с истечением срока действия патентов платформа позиционируется как открытая.

 

X10 ориентирована на задачи дистанционного управления электроприборами (включить - выключить, прибавить - убавить), но имеет в своем составе и средства для построения систем безопасности, а также простых систем климат-контроля (термостатирования). Она до сих пор пользуется большим спросом. Ее плюсы - дешевизна и простота инсталляции. Недостатком является чувствительность к помехам, вследствие чего иногда возможны несрабатывания, и ограниченное адресное пространтство (не более 256 адресов на одну электросеть). Подробные сведения о номенклатуре и параметрах устройств X10 приведены на сайтах X10.com и X10 Europe. Аналитический обзор по данной платформе см. в проекте «Умный Дом в разрезе» здесь.

Устройства платформы X10

 

Платформа UPB - Universal Powerline Bus использует в качестве среды также, как и X10, стандартную силовую электропроводку, но без дополнительного радиоканала. При ее создании преследовалась цель устранить главный недостаток X10 - чувствительность к помехам, для чего был разработан свой способ и протокол информационного обмена. Разработчиком платформы является фирма Powerline Control Systems Inc. (США).

 

Платформа UPB создавалась в конце 1990-х - начале 2000-х годов. Она защищена блоком патентов и является закрытой. Производство осуществляется фирмой-разработчиком, а также по ее лицензии еще несколькими фирмами, в т.ч. Powerline Lighting Control Pty Ltd, Simply Automated Inc., Web Mountain Technologies LLC и др.

 

Разработчик ограничивает область применения платформы UPB системами управления освещением, что обусловлено его маркетинговой политикой. К поставке им предлагаются три основных линейки устройств - SimpleWorx и PulseWorx - для систем освещения жилых помещений и GreenWorx - для систем освещения промышленных и общественных зданий. Существуют и другие продукты на базе платформы UPB, разрабатываемые и выпускаемые технологическими партнерами разработчика.

Устройства платформы UPB

 

Платформа Insteon также, как и X10, использует в качестве сред передачи стандартную силовую электропроводку и радиоканал, но, по сравнению с X10, отличается повышенной помехозащищенностью и более широкими возможностями. При этом обе среды - силовая проводка и радиоканал являются обязательными, т.к. работают совместно, и именно их совместная работа обеспечивает платформе те преимущества, которые позиционирует ее разработчик фирма Smart Labs Inc. (США).

 

Платформа разработана в конце 1990-х - начале 2000-х годов. Она имеет гибкую децентрализованную архитектуру на базе собственного протокола и защищена блоком патентов, что делает ее закрытой. Производство осуществляется только компанией Smart Labs Ink.

 

Область применения платформы та же, что и область применения X10, но номенклатура устройств гораздо более широкая. Предусмотрена возможность управления устройствами с компьютера, планшета или смартфона, для чего поставляется соответствующее ПО. Платформа также, как и X10, весьма популярна, проста в инсталляции, но несколько дороже. Она присутствует в номенклатуре поставок практически всех дистрибьютеров домашней автоматики. Подробную информацию о платформе см. на сайте Insteon.

Устройства платформы Insteon

 

Беспроводная платформа Z-wave на сегодня является одной из наиболее популярных. Она разработана в 2000-х годах датской фирмой Zensys A/S, приобретенной в 2008 году производителем микросхем для систем телекоммуникации компанией Sigma Design Inc. (США). Имеет две модификации - базовую Z-wave и усовершенствованную Z-wave plus.

 

Платформа использует узкополосный радиоканал на частотах до 1 Ггц. Максимальная скорость обмена данными - до 100 кбит/с. Архитектура платформы предусматривает алгоритмы самоорганизации для расширения радиуса действия радиоканала в условиях наличия препятствий для электромагнитных волн. Для построения функциональных устройств платформы фирмой Sigma Design разработаны и выпускаются специальные микросхемы категории SoC (System on Crystall - система на кристалле). Продвижение платформы и сертификацию устройств на ее базе осуществляет альянс Z-wave alliance, объединяющий более 500 различных компаний и возглавляемый также фирмой Sigma Design. Платформа защищена блоком патентов фирм Zensys и Sigma Design, но в то же время ее протокол на нижних уровнях узаконен открытым стандартом ITU-T G.9959. Последнее обстоятельство делает платформу частично открытой, тем не менее на ее использование производителями устройств Z-wave требуется лицензия фирмы-разработчика, которая предоставляется только членам альянса.

 

Номенклатура устройств Z-wave покрывает широкий класс систем «умного дома», но невысокая скорость обмена данными не позволяет использовать ее для работы с аудио- видеоконтентом. Устройства Z-wave обладают низким энергопотреблением, что позволяет использовать батарейное питание. С каталогом сертифицированных производителей и их продукцией можно ознакомиться здесь.

Микромодуль ZM-5101 для платформы Z-wave и устройства на его основе

 

Zig Bee - тоже весьма популярная беспроводная платформа, конкурент Z-wave. Ее разработчиком является альянс ZigBee Alliance, объединяющий более 600 компаний, предлагающих более 1000 наименований различных сертифицированных продуктов. Имеет базовую спецификацию, анонсированную в 2004 году, и ее модернизированный вариант Zig Bee Pro, анонсированный в 2006 году.

 

В основе платформы лежит стандарт на протоколы сетевого уровня и уровня приложений, являющийся надстройкой для стандарта IEEE 802.15.4 (стандарт на беспроводные персональные вычислительные сети). Устройства Zig Bee работают в том же нелицензируемом диапазоне, что и WiFi и Bluetooth (2.4 Ггц), но за счет высокоэффективных алгоритмов самоорганизации сетевой структуры обеспечивают гораздо более высокую помехоустойчивость, хотя и при меньших скоростях, а также существенно меньшие энергетические затраты, что позволяет использовать батарейное питание в течение длительного срока. Платформа разрабатывалась для широкого класса систем дистанционного контроля и управления и системы «умного дома» лишь одна из областей ее применения. Она позиционируется как открытая, но для ее коммерческого использования производителями необходимо их участие в альянсе.

 

Перечень сертифицированных устройств Zig Bee можно посмотреть здесь

Элементная база для платформы ZigBee и устройства на ее основе

 

KNX - европейский стандарт (EN50090) на системы автоматизации зданий. Разработан в конце 1990-х годов ассоциацией KNX на основе стандарта EIB и получивший в 2006 году статус международного стандарта ISO/IEC 14543. Стандарт предусматривает возможность использования различных сред - стандартную витую пару (скорость 9600 бит/с), силовую электропроводку зданий (скорость 1200 бит/с), радиоканал и компьютерные IP-сети, например, локальную сеть Ethernet.

 

Платформа KNX - наиболее массовая и наиболее детализированная на уровне стандарта. Она является полностью открытой и допускает взаимодействие с системами на базе других платформ. Разработчикам предоставляется единый универсальный пакет автоматизированного проектирования, при этом стандарт не устанавливает каких-либо ограничительных требований к аппаратной реализации и использованию элементной базы. На рынке представлено большое разнообразие различных функциональных микросхем для KNX - приемо-передатчики, контроллеры и пр. Сети KNX имеют децентрализованную архитектуру и допускают использование различных топологических структур.

 

KNX позволяет реализовать весь спектр систем автоматизации зданий, домов и квартир. Перечень сертифицированных производителей см. здесь. Перечень членов ассоциации, представленных на отечественном рынке, см. здесь.

Элементная база для платформы KNX/EIB и устройства на ее основе

 

Платформа C-Bus (Clipsal-bus) является одной из старейших. Она разработана в начале 1990-х годов австралийской компанией Clipsal Integrated Systems Pty Ltd (дочерняя компания коропорации Sсhneider Electric). Предусмотрено две модификации платформы - проводная C-bus, для которой требуется отдельная проводка, и беспроводная - C-bus Wireless, использующая радиоканал на частоте 433 мггц.

 

Интерфейс C-bus является магистральным. Для него используется стандартный сетевой кабель с 4-мя витыми парами UTP, при этом по две пары запараллелены, образуя две двойные пары. В большинстве применений используется только одна двойная пара т.е. интерфейс в большинстве случаев фактически является двухпроводным. Технические решения C-bus и C-bus Wireless защищены блоками патентов и платформа первое время являлась закрытой. Однако с 2008 года компания Clipsal позиционирует C-bus как открытую платформу, доступную для использования разработчиками оборудования и ПО путем участия в программе C-bus enabled. Однако это означает лишь возможность оснащения устройств других систем интерфейсом C-bus для обеспечения межсистемного взаимодействия. Производство же устройств платформы C-bus по-прежнему является монополией компании Clipsal. Полный пакет документации по протоколу см. здесь

 

Платформа C-bus изначально была ориентирована на системы управления освещением, но в настоящий момент номенклатура ее устройств позволяет строить почти все системы домашней автоматики. Ознакомиться с номенклатурой устройств C-bus можно на сайте материнской компании Schneider Electric.

Устройства платформы C-Bus

 

Выше были перечислены только наиболее распространенные платформы для домашней автоматизации. Кроме них есть еще много платформ, находящих применение в системах «умного дома», в т.ч. следующие (и это еще не все!):

 

BACnet (Building Automation and Control Network) - одна из старейших платформ для автоматизации зданий, регламентированная стандартом ISO 16484-5 и ориентированная на широкую гамму проводных интерфейсов.

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) - разработанная одноименной рабочей группой платформа для систем управления освещением, использующая двухпроводную информационную магистраль (обычно две жилы в составе пятижильного силового кабеля для питания ламп) и регламентированная открытым стандартом IEC 62386.

Lonworks - универсальная платформа американской компании Echelon Corporation на основе ее протокола LonTalk, использующая стандартную электропроводку, отдельную магистраль (оптоволоконную или проводную) и радиоканал.

Bus SCS - платформа фирм Legrand и bTicino, использующая двухпроводный интерфейс с протоколом FieldBus, по которому также передается низковольтное питание, звук и видео.

HDL-Bus/Smart-Bus - платформа компании HDL, использующая в качестве среды 4-х проводный кабель UTP и протокол RS-485 на канальном уровне.

LanDrive - платформа российской компании Insyte, использующая проводной интерфейс с протоколом Modbus/RS485.

M1 - платформа с проводным и радиоинтерфейсом компании ELK Products.

1-Wire - платформа на основе двухпроводного интерфейса и архитектуры устройств iButton компании MAXIM Integrated, наиболее популярная у домашних умельцев (обзор по данной платформе см. в проекте «Умный Дом в разрезе» здесь).

MoCA (Multimedia over Coax Alliance) - платформа для систем мультирума, использующая имеющийся в доме коаксиальный телевизионный кабель.

EnOcean (Energy Ocean - океан энергии) - платформа фирмы EnOcean, использующая радиоканал в сверхэкономичном режиме и получающая электропитание путем извлечения энергии из окружающей среды.

One Net - открытая беспроводная платформа, разработанная одноименным альянсом.

 

Кроме того, существует ряд платформ, прямо не предназначенных для систем «умного дома», но создающих для них первичную информационную среду, в т.ч.:

P-o-E (Power-over-Ethernet) - платформа на основе Ethernet-интерфейса с питанием устройств по тому же кабелю.

HPNA (Home Phoneline Networking Alliance) - платформа, разработанная одноименным альянсом для локальных сетей с использованием стандартной телефонной проводки.

HomePlug - сверхпопулярная платформа, разработанная одноименным альянсом для локальных сетей с использованием стандартной силовой электропроводки.

WI-FI и Bluetooth - стандартные платформы для персональных компьютерных сетей на основе радиоканала, которые также используются для систем домашней автоматизации, а в последние годы, в связи с широким использованием для управления смартфонов и планшетных компьютеров, приобретающие все больший вес.

Логотипы прочих платформ

 

 

 

 

Выше мы раскладывали компоненты смарт-хауса по полочкам с точки зрения принципа их построения - по платформам. Но обитателю жилища платформа, вообще говоря, до лампочки, ему важней сами лампочки с патронами, выключателями и розетками. Поэтому разложим теперь все это хозяйство по-другому, ближе, так сказать, к телу потребителя. Почти на всех сайтах, предлагающих устройства «Умного Дома», предусматривается их деление на следующие категории:

 

Выключатели. Рядовой «умный» выключатель с виду прост и незатейлив - кнопка да индикатор, показывающий, что лампочка включена. Но за этой простотой - большой список функций: дистанционное управление, возможность регулирования яркости ламп различных типов, плавное включение и плавное выключение, а также возможность их запараллеливания на одну нагрузку с размещением в разных местах.

Кроме рядовых выключателей есть еще и различные навороченные - с подсветкой, оригинальным дизайном, изощренной эргономикой, когда не сразу и разберешь, что и как нажимать, сдвоенные, счетверенные, совмещенные с управлением жалюзи, с кнопками выбора заранее запрограммированных сценариев и т.д.

Розетки. Розетка - она и в Африке розетка. Две дырки - вот и все! Ну, бывают еще и сдвоенные. «Умная» розетка отличается тем, что включает-выключает напряжение на своих выходах по командам, приходящим от других устройств по интерфейсу «Умного Дома». «Умная» розетка может служить «умным» переходником, т.е. включаться в обычную розетку, заменять обычную розетку, а также иметь в дополнение к «умным» дыркам еще и стандартные. Часто их снабжают индикаторами - включенного состояния, исправности и пр., а иногда даже регулятором мощности нагрузки (диммером), таймером для управления временем включения - выключения и прочими примочками.

Модули управления нагрузками. Модули управления нагрузками - это, практически, те же розетки, но в другом коструктивном исполнении и обычно ориентированные на конкретную группу потребителей, поскольку в их составе часто предусматривается регулятор мощности - диммер, который должен учитывать особенности конкретных нагрузок. Есть варианты модулей, которые имеют вилку для включения в стандартную розетку, а с какого-нибудь торца - гнезда для подключения вилки потребителя. Есть варианты для управления лампами, завинчивающиеся, как переходник, в стандартный патрон светильника. Есть варианты и в виде коробочек с клеммами для размещения где-нибудь под потолком, над плинтусом или в темном углу. Суть одна - включить - выключить - прибавить - убавить по сигналу с интерфейса «Умного Дома»,

Кнопочные (или клавишные) панели управления. Предназначены для ручной подачи команд управления устройствами и системами смарт-хауса. Кнопка - она и есть кнопка, нажал - и готово! Такие панели могут быть универсальными, где каждую кнопку можно назначить для какой угодно команды, и специализированные, где кнопки предназначены для конкретных функций в конкретных системах на конкретных платформах. На кнопочных панелях могут присутствовать и какие-нибудь индикаторы, например, логические - для индикации включенного состояния нагрузок или систем, или алфавитно-цифровые - для отображения меню или параметров.

Датчики. Датчик - очень нужная в хозяйстве смарт-хауса вещь. Почти на всех схемах основных систем, которые были рассмотрены во второй главе, они имеют место быть. Богаче всего на датчики системы безопасности, которые напичканы датчиками закрытия окон и дверей, датчиками обнаружения посторонних объектов, датчиками задымления, затопления, загазованности и пр. Не обходится без датчиков и климат-контроль - надо же замерить, как минимум, температуру, очень желательно еще и влажность, причем в разных местах. В продвинутых системах управления светом нужны датчики присутствия и освещенности. Даже в системах мультирума можно найти применение датчикам.

Таймеры - они и так есть у многих на кухне для подачи сигнала в заданный момент, чтобы не пригорело, не убежало, не переварилось и не выкипело. У таймера смарт-хауса более широкие задачи - подавать в заданное время не только предупреждающие сигналы, но и команды на включение и выключение электроприборов, систем и сценариев.

Интерфейсные устройства - всякого рода служебные модули, необходимые для организации требуемой сетевой структуры системы домашней автоматики - адаптеры, репитеры, шлюзы и пр. Это специфическая область, на которой заострять внимание в данной работе нет необходимости.

 

Пульты дистанционного управления - непременный атрибут, необходимый для управления всем оборудованием смарт-хауса, не вставая с дивана. По сути то же самое, что и пульты для телевизоров, но с другими кнопками. В принципе, и без них все работает.

 

Термостаты. Термостат - командир систем климат-контроля, задачей которых является поддержание заданной температуры. Это уже действительно некая интеллектуальная штуковина, которая имеет свой небольшой микрокомпьютерный мозг, программу для него и достаточно информативный дисплей. Для поддержания заданной температуры термостат обычно управляет стандартной HVAC - системой, включающей нагреватель, охладитель и вентилятор. Есть и другие разновидности термостатов, расчитанные на другие типы HVAC - устройств.

Контроллеры, серверы и графические сенсорные панели. Это те прибамбасы, без которых «Умный Дом» не является действительно умным. Они обеспечивают смарт-хаус необходимым объемом вычислительной мощности и удобством взаимодействия с ним, предоставляя богатейшие возможности для объединения путем программирования всех вышеперечисленных компонентов в то, что поражает воображение и опустошает карман воодушевленного покупателя. Эта тема еще более неисчерпаема, чем та, которую мы только что отработали, поэтому посвятим ей отдельную главу.

 

* * *

Развернутые аналитические материалы по теме Умного Дома см. в проекте
Умный Дом в разрезе.

* * * * *

 

 

Опубликовано 12.10.2014. Последнее изменение - нет.

© Janto 2014 Все права защищены