Нам часто приходится видеть маленькие чудеса, и ко многим из них мы уже привыкли. Например, как по взмаху волшебной палочки открываются двери при входе в магазин или включается свет. Все это иногда называют термином "умный дом" (intelligent home, smart home). Но это не совсем верно. Дело в том, что "умный дом" это не просто "два проводка, подключенных к датчику движения", – это целая концепция, позволяющая объединить множество разнообразных устройств в единый, слаженно работающий организм.
Электронные системы управления помещениями следует разделить на две категории. К первой относятся системы управления зданием (building management system). Как правило, данные системы имеют централизованное управление и используются в крупных промышленных зданиях или крупных офисных учреждениях. Основная задача данных систем – мониторинг и управление системами жизнеобеспечения (отопление, кондиционирование, безопасность и др.).
В общих чертах, система работает следующим образом. К центральной системе подключено множество датчиков, которые собирают различную информацию, начиная от температуры на улице и внутри помещений и заканчивая скоростью движения воздуха в вентиляционной шахте. После опроса этих датчиков система анализирует ситуацию и в зависимости от установок, заданных ей оператором, принимает то или иное решение.
Так же быстро решаются проблемы в случае аварийных ситуаций: оператор видит место аварии на экране и знает, куда послать ремонтную бригаду. А в случае аварии одного из котлов система автоматически подключит резервный и отключит подачу газа к аварийному, даже несмотря на возможные неправильные действия оператора. Только перечисленные преимущества позволяют сделать систему выгодным вложением средств. Но это еще не все, система сама себя окупит за счет той экономии энергоресурсов, которую она обеспечивает. К примеру, если зимой на улице стало теплее, то снижение интенсивности обогрева значительно сократит расходы, а если запрограммировать систему на то, чтобы отопление выключалось на ночь, когда в офисе никого нет, и включалось ближе к утру, чтобы воздух успел прогреться, то экономия будет видна практически сразу. Использование подобных систем позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала, поскольку для наблюдения за всем комплексом достаточно одного оператора, который, находясь рядом с управляющим компьютером, будет следить за системой.
Как и любая другая, эта система также имеет свои недостатки. Нельзя бесконечно увеличивать количество подключенных устройств, ведь скорость работы системы – весьма критичный фактор. При увеличении числа устройств не только усложняется их подключение, снижается общая производительность системы, поэтому данные системы в основном используют для контроля за большими или техногенными сооружениями. Для домашнего использования больше всего подходят системы второй категории.
Такие системы и называются "умными домами". Они нашли применение в помещениях, где на первое место поставлен комфорт: в обычной городской квартире, в крупных офисных центрах. Но наиболее широко "умные дома" используются при строительстве коттеджей. Причем это не просто дань моде. Представьте на секундочку, что вам нужно поддерживать комфортные условия в четырехэтажном особняке, в каждой его комнате, и при этом экономить энергоресурсы, не затрачивая на это много сил. А если в одной из кладовок забыли лампочку выключить?
Таким образом, автоматика просто незаменима, когда среда проживания превышает 3-4 комнаты, хотя может быть использована и в обычной квартире. "Умный дом" позволяет чувствовать себя комфортно всегда и везде. Комфорт достигается за счет того, что человеку нет необходимости выполнять действия, на которые способна автоматика. Так, например, при возвращении хозяина дом сам включит освещение, наберет воду в ванну и разогреет ужин. Но это не означает, что человек становится заложником автоматики – он может сам управлять автоматикой при необходимости. Управление может осуществляться с пультов, установленных на стенах помещения. Пульты могут быть как простыми (обычные переключатели), так и более сложными, с подключенными сенсорными экранами. Можно воспользоваться универсальными дистанционными пультами, которые позволяют управлять как обычными бытовыми приборами (телевизорами, магнитофонами), так и освещением, вентиляцией или отоплением. Возможно управление и с помощью смартфона, КПК или компьютера.
Система также способна контролировать расход ресурсов. Так, когда датчик будет фиксировать достаточную освещенность, система выключит ненужное освещение, а в противном случае автоматически включит свет даже днем. Датчик движения включит освещение, когда вы войдете в кладовку, а таймер выключит его, если в течение некоторого времени датчик не зафиксировал движения.
"Умный дом" может представлять собой как децентрализованную систему, так и систему с центральным компьютерным управлением. Первое означает, что у системы нет какой-то центральной точки, в которую стекается информация от устройств. В таком случае каждое устройство подключено к общей шине данных, посредством которой устройства общаются между собой. По сути, в "умном доме" выключатели тоже являются элементами системы. Если в обычном доме выключатель лишь замыкает контакты, то в "умном доме" нажатие на клавишу приводит к посылке сигнала люстре, и она, в свою очередь, решает, что ей нужно сделать: включить, выключить освещение или просто изменить яркость свечения. Во втором случае множество датчиков передают всю информацию о состоянии работы системы на главный модуль управления, который имеет возможность менять заданные параметры в зависимости от внешних условий. При этом каждая аварийная ситуация обрабатывается мгновенно, без участия человека. "Умный дом" чувствует и анализирует все, что происходит внутри и снаружи здания, реагирует соответствующим образом. Основным недостатком данной системы является ее дороговизна, и поэтому "умный дом" могут позволить себе сегодня далеко не все.
История развития
Идея создания "умных" зданий впервые появилась в США. Самые первые "умные дома" – у состоятельных американцев – начали оборудовать электроникой в 1950-х годах. (А сегодня почти все мы уже привыкли к таким вещам, как микроволновые печи, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, встроенные в стенку телевизоры с дистанционным управлением.)
Как комплексное решение задачи сначала появились Intelligence Buildings (интеллектуальные здания), основой которых были структурированные кабельные сети. Система позволяла коммутировать и использовать один и тот же кабель для нужд АТС, компьютерной сети, системы безопасности и т.д. Потом начали появляться системы мультиплексирования каналов связи, позволяющие передавать по одному кабелю различную информацию одновременно. Бурно развивающаяся информатика позволила форсировать эти работы, когда всем стало ясно, что любой проект кабельной системы здания устаревает к моменту завершения строительства.
Поскольку развитие данного направления представлялась более чем сверхприбыльным, на него были пущены немалые средства, и в результате появилась идея "умного дома".
Впервые эта задача была решена в 1978 году компаниями Х10 USA и Leviton, которые разработали технологию для управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети. Но технология эта была рассчитана на напряжение 110 В и частоту сети 60 Гц, поэтому не получила распространения в России. Впрочем, Х10 сегодня уже считается устаревшим, поскольку создавался для управления электроосветительными устройствами и поддерживал всего шесть команд управления питанием. Для создания "интеллектуального дома" этого явно недостаточно. Аудио- и видеотехника требуют как минимум команд смены каналов, изменения громкости, перемотки и управления воспроизведением; а ведь требуется управлять еще системой HVAC (отопление, вентиляция. кондиционирование воздуха). В поисках путей решения всех этих задач многие производители объединились в Ассоциацию электронной промышленности (EIA), которая занимается развитием стандарта шины бытовой электроники CEBus (Consumer Electronic Bus), утвержденного в 1992 году. На данный момент стандарт является открытым, и любая компания может производить оборудование, использующее коммуникационный протокол CEBus (управляющий сигнал передается по проводам бытовой электросети (ПО В), витой паре или коаксиальному кабелю в радиочастотном или инфракрасном диапазоне). Для управления различными устройствами можно выбрать наиболее удобную среду передачи: осветительными приборами – по электропроводке, видеооборудованием – по коаксиальному кабелю, кондиционерами и цифровыми устройствами – по витой паре. ИК-лучи и радиосигналы вообще универсальны. Исполнительные устройства или узлы домашней сети взаимодействуют между собой через роутеры и мосты (data bridges), соединяющие различные носители сигналов и данных. Основным преимуществом CEBus по сравнению с Х10 является скорость обмена данными, достигающая 10 кбит/с, независимо от типа носителя. Она обеспечивает необходимую быстроту реакции системы и непродолжительное время активного состояния узлов.
Поистине интеллектуальную систему создала компания Echelon, предложив протокол LonWorks. Интеллектуализация каждого узла сети управления обеспечивается микропроцессором Neuron 3120, 3150 Chip или более мощным микроконтроллером Motorola 68H360, микросхемами, сконструированными в Echelon и выпускаемыми корпорациями Motorola и Toshiba. LonWorks, известный также как LonTalk, представляет собой семиуровневый коммуникационный протокол, поддерживаемый многими процессорами. Эта система позволяет хранить базу данных настроек и мониторинга различных сенсоров на компьютере и при наступлении определенных событий соответствующим образом реагировать на них. Доступ к сети может осуществляться как с помощью Ethernet, так и модемных линий. После этого было создано программное обеспечение Intellect, поддерживающее базы данных LonWorks.
Современные системы продвинулись еще дальше в своих возможностях: в отличие от Х-10 американская система PowerLine или европейская Instabus предлагают комплексные решения и более мощные возможности для автоматизации. Недостатком этих технологий является необходимость их закладки при проектировании и строительстве коттеджа или элитной квартиры, так как такие системы в готовое жилье встроить невозможно. Но если комплекс был спроектирован сразу с учетом особенностей этих технологий, то его переконфигурация не займет много времени. Так как все устройства подключаются через единую шину данных, то иногда бывает достаточно предусмотреть доступ к шине данных. Сейчас на рынке систем для "умных домов" есть несколько технологий. О том, что они собой представляют, мы расскажем ниже.
Технологии в разрезе
К данному моменту технология Х10 очень сильно модернизирована и абсорбировала многие современные технические решения. Этот стандарт сейчас подразумевает подключение по разнообразным интерфейсам. В принципе, эти интерфейсы применяются и в других технологиях.
Шина RS-48 (C-Bus, ComBus) очень удобна – допускает соединение узлов по произвольной топологии, общая длина шины может доходить до двух километров, а с репитерами – и того больше. Существуют интерфейсы для обмена данными практически со всеми используемыми протоколами (CEBus, LonWorks, DMX512 и даже EIB). Скорость передачи данных обычно составляет 9600 бод, что более чем достаточно не только для домашней автоматизации, но и для управления светом на концерте. "Интеллектуальность" зависит от используемого контроллера. RS-485 применяют контроллеры Ocelot/Leopard (до 128 модулей могут быть объединены в сеть, число узлов до 2048, время прохода петли программы менее 1 с), HomeVision (от 24 до 224 узлов, время прохода петли программы 120 мс). К последовательному порту RS-232 можно подключить контроллеры домашней автоматизации. Простейший контроллер, который можно "повесить" на СОМ-порт, – это СМ17 Firecracker. Он передает сигналы по RFC-протоколу, а радиотрансиверы его принимают и преобразуют в сигналы стандарта XI0. Решается и обратная задача – к порту можно подключить МР (JR) 26 и принимать сигналы RFC от радиодатчиков. Существует огромное количество различного ПО для этих устройств, но под Windows его стабильная работа не гарантирована. Любители же Linux могут автоматизировать свой дом на двух недорогих устройствах – Ocelot и Leopard.
Передача сигнала по ИК-каналу имеет свои минусы и плюсы, обусловленные свойствами ультракоротковолновых точечных сигналов. Х10 выпускает ИК-контроллер, который понимает и передает дальше по сети команды по 10 каналам одного кода дома. Но далеко не каждая квартира имеет меньше 10 групп освещения. Контроллеры Ocelot/Leopard имеют память на 1000 ИК-команд, что может обеспечить все потребности домашнего хозяйства. Если 1000 окажется мало, можно соединить в сеть несколько контроллеров. Часто так и делается – для каждого помещения ставится свой контроллер, со своими ИК-сигналами. Home Vision принимает и передает 255 ИК-команд.
Принцип Х10 состоит в том, что передатчик посылает сигнал от устройства управления по обычным силовым проводам. На приемном конце к розетке питания обычные бытовые устройства подключаются через приемник, который транслирует команды Х10 в разные уровни напряжения питания устройств. Чтобы управлять питанием конкретного устройства, этому устройству необходимо присвоить один из 256 адресов. Чтобы посылать одинаковые сигналы на несколько устройств, им назначаются одинаковые адреса. Передатчиком может быть контроллер – при нажатии кнопок выдается соответствующая команда, таймер, компьютерный модуль. Приемники – релейные модули, выполняющие команды "Вкл." и "Выкл.", а также команду "Выкл. все", ламповые модули – выполняют команды "Вкл.", "Выкл.", "Ярче", "Темнее", "Вкл. весь свет", "Выкл. все". Для преобразования напряжения НОВ в 220В используются специальные трансформаторы.
Главное преимущество Х10 – простота и относительная дешевизна реализации, отсутствие необходимости использовать провода для подключения адаптеров, большое количество совместимых устройств. К минусам необходимо отнести использование напряжения НОВ и возможность помех в силовых линиях.
На данный момент Х10-совместимое оборудование производят фирмы Х10, Leviton, Stanley, IBM, JDS, ACT, Homepro и др. С помощью контроллеров Х10 можно управлять сигнализациями, камерами наблюдения, различными датчиками дыма, температуры, есть возможность взаимодействовать с домашней аудио-видеотехникой, проекторами, VCR- и DVD-устройствами, а также мультимедиа-устройствами стандарта 802.1 lg. В частности, D-Link представила мультимедиа-центр DSM-320, которым можно управлять с помощью пульта. К сожалению, такую сеть назвать полностью "интеллектуальной" можно с трудом, поскольку необходимо вручную настраивать каждый адаптер. Не так давно появилась возможность сопрягать контроллеры Х10 с беспроводными клавиатурами и мышами, а также системами распознавания голоса, хотя конкретных решений не так уж и много. Средняя цена на простые контроллеры – от $20 до $250. На сегодняшний день одними из самых прогрессивных являются две технологии "умных домов": американская система PowerLine и европейская Instabus. Также на этот рынок нацелена компания Intel с ее идей цифровых домов. Давайте рассмотрим эти технологии подробнее.
Технология PowerLine рассчитана на передачу сигналов и взаимодействие устройств по электропроводке, так уж исторически сложилось развитие американских систем "умных домов". Для технологии Instabus требуется прокладка специальной шины. Если устройство маломощное, оно запитывается от этой шины. Мощные устройства получают дополнительное питание от обычной электросети.
Особенностью системы Instabus является децентрализация устройств. Это означает, что устройства не подключаются к какому-либо центральному компьютеру или устройству, а общаются напрямую. Если каждое устройство будет выполнять какую-либо маленькую "свою" функцию и только при необходимости информировать о событии другие устройства, мы получим гибкую и умную систему.
К примеру, возьмем датчик движения. Срабатывая, он сообщает остальным устройствам, что произошло движение. Осветительный прибор, получив сообщение от датчика, включает свет. Но свет может включить не только датчик движения, но и датчик освещенности – он также посылает сообщение осветительному прибору.
Таким образом, устройствам достаточно "договориться". Общение устройств напоминает общение компьютеров. У каждого из них есть свой уникальный адрес, и по этому адресу другое устройство высылает команду и сообщает, что нужно сделать.
В каждом устройстве есть список адресов, от которых они принимают команды. Если устройство управляющее, например выключатель, то у него есть список адресов, по которым он должен разослать команды в случае нажатия на клавиши. Например, можно к одной клавише привязать включение лампы над столом, и при нажатии на эту клавишу выключатель пошлет команду лампе. На следующую клавишу можно "привязать" все осветительные приборы в комнате, при нажатии на нее выключатель последовательно разошлет всем устройствам команду на включение.
Таким образом, человеку, который программирует все эти устройства, достаточно задать простые алгоритмы для каждого устройства в отдельности, что, в свою очередь, позволит всем устройствам слаженно функционировать.
Если бы управление системой было централизованным, это вызвало бы много проблем при установке и настройке, зато имело бы преимущества при эксплуатации. Представьте, для каждого помещения нужно написать сложнейший алгоритм, в котором учесть слаженную работу всех устройств. Поэтому такая децентрализованная схема пользуется заслуженной популярностью. Ввиду отсутствия центра "умный дом" можно установить в сколь угодно большом количестве помещений, а особенности программирования позволяют быстро задать однотипные схемы работы для всех устройств.
Отдельное место в этой системе занимает компьютер. Как вы уже, наверное, поняли, в непосредственном управлении "умным домом" в данной схеме он не принимает участие, но это не значит, что нам нельзя использовать все его преимущества. Компьютер посредством специальной платы подключают к шине Instabus, при желании можно установить специальный сенсорный экран.
Если сенсорный экран вмонтировать в стену и спрятать сам компьютер, тогда мы получим ультрасовременную обстановку.
На компьютер устанавливают специальное программное обеспечение. В задачу этого ПО входит отображение текущего состояния устройств в доме, а также управление этими устройствами. Несмотря на то что компьютер не является обязательной составляющей, его использование значительно повышает удобство и возможности удаленного управления устройствами.
Совершенно очевидно, что самой медленной технологией является Х10. LonWorks (EIA 709) и CEBus (Е1А 600) применяются для контроля и управления на более высоких скоростях – соответственно 5 и 10 кбит/с. HomePlug Alliance и комитет R7.3 занимаются продвижением стандартов, способных обеспечить по сетям электропитания скорость передачи данных выше 1 Мбит/с. В принципе, скорость передачи в домашних сетях становится актуальной для "умного дома" только при использовании цифровой видеотехники с большим потоком медиаданных.
Стандарт HomePlug PowerLine 1.0 был принят альянсом HomePlug всего пару лет назад, но он обеспечил передачу данных по электропроводке со скоростью 14 Мбит/с. За счет уменьшенной частоты максимальное расстояние было увеличено до 500 метров. Стоит напомнить, что данные в доме будут передаваться только по той фазе, к которой подключено HomePlug-устройство. Чтобы обеспечить передачу данных в таких непростых условиях, компании, входящие в альянс HomePlug, приняли различные алгоритмы, позволяющие обеспечить передачу данных, как, например, алгоритмы обнаружения ошибок, автоматический повтор запроса, интерливинг и т. д. Для обеспечения защиты от несанкционированного доступа используется 56-битное шифрование на уровне MAC. Так что сеть защищена от злоумышленников.
Адаптеры HomePlug PowerLine (Intellon) работают полностью на аппаратном уровне, без драйверов и программного обеспечения. Соответственно, они совместимы со всеми операционными системами Windows на компьютерах с процессором от Pentium 166 ММХ с 32 Мбайт памяти.
Нельзя не упомянуть о еще одной важной технологии, нашедшей широкое применение в последние годы благодаря распространению домашних сетей – HomePNA (HPNA), которая позволяет передавать сигналы и соединять устройства по телефонной линии. Последняя спецификация стандарта HPNA 3.0 обеспечивает скорость передачи 128 Мбит/с, поддерживает quality of service. На данный момент разработано большое количество устройств, поддерживающих как HomePlug, так и HPNA.
Этот обзор был бы неполным без упоминания концепции Digital Home ("цифровой дом"), которую продвигает фирма Intel. Данная технология разработана для объединения всех цифровых устройств (аудио-видеоплееры, телевизоры, музыкальные центры) вокруг центрального обрабатывающего устройства, в роли которого выступает обычный персональный компьютер. Устройства обмениваются между собой данными посредством беспроводной связи, для этого к каждому из них подключается хаб, принимающий и отправляющий радиосигналы центральному роутеру. Эта разработка позволяет расширить возможность цифровых устройств и сделать развлечения более разнообразными. Для ее использования не нужно делать дополнительную проводку кабелей – достаточно оборудовать компьютер и медиаси-стемы специальными устройствами радиопередачи. Первое знакомство российских пользователей с "цифровым домом" произошло в 2003 году, когда московское представительство корпорации Intel проводило презентации под названием "Карнавал цифровых технологий" в крупнейших городах. В Москве возможности "цифрового дома" продемонстрировали на Горбушке: во время шоу ведущий удаленно управлял устройствами, оборудованными беспроводными адаптерами. С помощью Tablet PC (можно использовать и КПК), на котором была установлена Windows СЕ, он включал и выключал вентилятор, соковыжималку, кофемолку, чайник. Для этого использовалось несложное клиентское ПО, установленное на Tablet PC. Для управления питанием устройств использовались "умные" розетки российского производства. После того как управляющий модуль получает команду на включение или выключение того или иного прибора, он посылает "умным" розеткам по электросети соответствующий сигнал. Конечно, неотъемлемой составляющей такой концепции является использование беспроводных сетей Wi-Fi. Будущие же КПК на базе процессоров XScale с кодовым названием Bulverde по замыслу разработчиков должны привнести больше мультимедийных возможностей в портативные технологии.
В начале 2004 года была представлена концепция Entertainment PC, которая также относится к "цифровому дому". Entertainment PC – это развлекательный ПК, который предназначен для хранения, управления и воспроизведения медиаконтента. Он совмещает функции музыкального центра, цифрового видеомагнитофона и HDTV-тюнера, снабжен не только стандартными клавиатурой и мышью, но и пультом ДУ. Помимо того, Intel нацелилась на производство микросхем LCOS (Liquid Crystal on Silicon), которые применяются в проекторах и больших проекционных дисплеях. Несмотря на то что эта технология не очень популярна из-за большой стоимости чипов, Intel намерена развернуть массовое производство микросхем, а в дальнейшем и HDTV-дисплеев. Все эти решения скоро найдут свое применение в "цифровом доме". - На данный момент мультимедийная платформа, построенная на базе чипсета i915/925 с технологией Matrix RAID, позволяет нескольким пользователям одновременно смотреть цифровое видео удаленно. Как пример приводится ситуация, когда пользователь, вернувшись домой, обнаруживает, что фильм, который он хотел посмотреть, уже начали смотреть без него. В таком случае он может спокойно начать просмотр этого фильма на другом дисплее, не мешая тем, кто уже смотрит его в другом месте. Ну и важной частью новой платформы стал качественный 8-канальный 32-битный звук с частотой дискретизации 192 кГц – High Definition Audio, который с успехом может применяться для создания домашнего кинотеатра.
И будущее
Для того чтобы спрогнозировать направление развития технологии, проанализируем доступные нам факты. Концепция "умного дома" интересна и перспективна. На данный момент большое количество компаний, в том числе в России, предлагают услуги по созданию таких чудо-домов. Сама технология реализуется дешево (беспроводно или с использованием существующих силовых кабелей), а вот настройка такой системы, особенно если она управляется программно с компьютера, – вещь достаточно сложная для обывателя, как и любые новые технологии, к которым люди долго привыкают, и обойдется не так уж и дешево ее владельцам. Кроме того, наличие ряда таких решений необходимо учитывать при разработке дизайна помещений. Идеальное место применения таких технологий – частные дома и коттеджи, а также крупные офисы. В принципе, учитывая, что владельцы загородных домов тратят большие деньги на их содержание, стоимость такого решения будет относительно небольшой.
Очевидно, что самые передовые технологии будут появляться в домах самых обеспеченных людей. Звание самого дорогого "умного" особняка в мире сохраняется за жилищем главы Microsoft Билла Гейтса– оно стоит $53 млн. В нем вся электроника и бытовая техника – от климатических систем до телевизоров – управляется чрезвычайно сложными компьютерными системами. "Умный дом" включает свет и музыку, когда гости и близкие Билла Гейтса входят в дом и перемещаются по многочисленным комнатам. При этом световое и музыкальное сопровождение по мере передвижения посетителя по "умным" апартаментам меняется согласно пожеланиям хозяина, которые сохранены в настройках. Гейтсу не нужно задавать температурный режим в помещениях или настраивать освещение – установленная "интеллектуальная" система по состоянию хозяина распознает, какая температура и освещение необходимы ему в данный момент для полного комфорта.
В данном случае наиболее оптимальным решением для квартиры большинства пользователей представляется видение "умного дома" компанией Intel. Такое решение позволит сравнительно экономично и просто осуществить доступ ко всем устройствам, связанным с развлечениями и простейшими операциями с бытовой техникой.
Для обеспечения удобства в квартире могут использоваться разнообразные технологии, начиная от самодельных устройств и заканчивая высокоинтеллектуальными компьютерными АСУ. Читателю остается выбрать: что подойдет именно ему.
