109046 (Разработка информационной системы интеллектуального здания на примере музея-усадьбы Н.Е. Жуковского)

Разработка информационной системы интеллектуального здания на примере музея-усадьбы Н.Е. Жуковского

Бондарьков Денис Петрович, средняя школа № 1275, 11 класс

Введение

Работа состоит из четырех разделов. В первом рассматривается концепция и определение интеллектуального здания. Во втором проводится анализ различных систем управления и применяемых протоколов взаимодействия устройств. В третьем разделе приведены описания двух проектов системы интеллектуального здания и рассмотрен вариант построения интегрированной системы интеллектуального здания на примере музея-усадьбы Н.Е. Жуковского. Четвертый раздел – заключение.

1. Интеллектуальное здание и его концепция

Необходимость появления интеллектуального здания

Любое здание (административное, производственное или жилое) состоит из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее. Также стремительно росли расходы на содержание и обслуживание персонала, ремонт и обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации больших административных и производственных комплексов.

Если мы рассмотрим любое административное здание, то увидим, что в нем действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или администратор, которые используют или обслуживают эту систему практически круглосуточно. Хотя есть немало средств автоматики, которые сами справляются с возложенными на них задачами, такими, как отопление, вентиляция, поддержание микроклимата, освещение, пожарная сигнализация, дымоуничтожение, контроль входа/выхода и т.п., но управление и обслуживание всех этих систем требует наличие администрирующего персонала. Его обязанностью является контроль работы этих подсистем и принятие мер в случае выхода из строя. Но есть ситуации, когда даже действия квалифицированного персонала могут оказаться неэффективными. Это случаи возникновения угрозы зданию и находящимся в нем людям, имеющие глобальный характер – пожар и другие стихийные бедствия. В подобном случае необходимо быстро принимать экстраординарные меры. Реакция и правильность действий людей в критической ситуации может оказаться недостаточной. В таком случае необходимым становится вмешательство автоматизированной системы управления зданием.

Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в прошлом проектировались как автономные. Такие системы создавались отдельно для каждой функции и объединялись для произвольной части здания. В зданиях устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, которые были необходимы на текущий момент построения здания. Дальнейшее расширение и модернизация данных систем были сложными и дорогостоящими задачами из-за множества различных факторов.

Затраты на эксплуатацию такой системы складываются из затрат на эксплуатацию каждой автономной системы в отдельности и стоимости обучения персонала.

Стоимость эксплуатации этих систем высока – в силу их автономности каждая из них поддерживается отдельно. Стоимость обучения персонала столь же высока, поскольку операторы должны быть ознакомлены с каждой автономной системой.

Основные положения концепции интеллектуального здания

В настоящее время для комплексного решения вышеперечисленных проблем используется подход, называемый «Интеллектуальное здание». Интеллектуальное здание – не очень точный перевод английского термина «intelligent building». Под интеллектом в этом подходе понимается умение распознавать определенные ситуации и определенным образом на них реагировать. Вместе с тем, в соответствии с буквальным переводом с английского, ИЗ можно интерпретировать как «разумно построенное». В то же время здание должно быть спроектировано так, что все сервисы могли бы интегрироваться друг с другом с минимальными затратами (с точки зрения финансов, времени и трудоемкости), а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом.

Концепция интеллектуального здания содержит в себе следующие положения:

Создание интегрированной системы управления зданием – системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других.

Передача функций контроля и принятий решений подсистемам интегрированной системы управления зданием. В эти подсистемы как раз и закладывается «интеллект» здания – то, как оно будет реагировать на изменение параметров датчиков системы и другие события типа чрезвычайных ситуаций.

Реализация механизма немедленного отключения и передачи при необходимости управления человеку любой подсистемой интеллектуального здания. Вместе с этим человеку должен предоставляться удобный и единообразный доступ к управлению и отображению всех подсистем и частей «Интеллектуального здания».

Обеспечение корректной работы отдельных подсистем в случае отказа общей управляющей системы или других частей системы.

Минимизация стоимости обслуживания и модернизации систем здания, что должно обеспечиваться применением общих стандартов в построении подсистем, автоматическое конфигурирование и обнаружение новых устройств и модулей при их добавлении в систему.

Наличие в здании проложенной коммуникационной среды для подключения к ней устройств и модулей систем. Наряду с этим возможность использования в качестве коммуникационной среды в системе управления различных типов физических каналов: слаботочные линии, силовые линии, радиоканал.

Технические возможности интеллектуального здания

Интеллектуальное здание имеет массу преимуществ перед неинтеллектуальным. Интегрированная система управления зданием позволяет владельцам здания создавать сколь угодно сложные и интеллектуальные процедуры функционирования этого здания, так как все исполнительные системы этого здания могут работать согласованно и совместно. Отсюда следует реализация множества ресурсосберегающих процедур, процедур контроля доступа и обеспечения безопасности здания, учета контроля практически всех параметров систем здания и оперативное реагирование на их критическое изменение, причем реакция является комплексной и мгновенной, процедур удаленного контроля и управления зданием, так как все информационные и управляющие каналы связи в такой системе являются цифровыми.

2. Системы управления интеллектуальным зданием

2.1. Рынок технологий систем управления интеллектуальным зданием

Системные решения и оборудование для систем автоматизации зданий представлены многими именитыми и не очень именитыми производителями. В этот перечень входят такие компании как Crestron, AMX, ABB, GIRA, SIEMENS, IBM, MARMITEK и многие другие. Все вышеперечисленные компании используют достаточно ограниченный ряд протоколов передачи команд и данных: EIB, CeBus, X10 и еще несколько, менее распространенных.

По перспективности развития систем автоматизации зданий в России сейчас видится три стандарта:

А. В сфере больших проектов лидирует шина EIB. Имеется также LonWorks, в России этим стандартом занимается лишь два - три инсталлятора, да и в Европе EIB не очень популярна. Хотя из серьезных протоколов LonWorks предпочтительнее, но стоимость реализации проекта на основе этого протокола огромна: стоимость лицензии превышает 250000$, стоимость вступления в ассоциацию EIBA - 50000$, стоимость программного обеспечения приблизительно равна 10000$. Но и EIB, и LonWorks лидируют только на рынке больших проектов, и лишь только в новостройках или при капитальном ремонте зданий, где вся электропроводка и инженерные коммуникации переделываются.

В. На рынке частных проектов (до 2000 кв.м.) перспективным видится CeBus – идеология понятна, реализовать можно систему любой сложности, протоколы открыты. Сигналы передаются по технологии SpreadSpectrum - система сама понимает где помехи, а где данные, сигнал является шумоподобным, так что зашумливать его дальше трудно. Управляющие сигналы на скорости 9600 надежно передаются, и включиться в передаваемую команду постороннему не получится. К тому же существуют переходники CeBus - Х10 и наоборот. Кроме того, протокол передачи управляющих команд CeBus планируют использовать основные производители бытовой электроники - Panasonic, Sony, JVC. Но спектр CeBus-продуктов очень узок, производителей оборудования, поддерживающих базовый протокол передачи команд, мало. Оборудование на 220В испытано только в Норвегии (для этой страны делает оборудование Emerald, Gateaway) и в Австралии.

С. В диапазоне частных и коммерческих проектов (до 1500 кв.м.) у X10 нет конкурентов по соотношению: цена - качество - диапазон представленного оборудования. Недаром свыше 5 миллионов объектов по всему миру оборудованы именно X10.

Из вышеперечисленного следует, что существует большое количество систем по управлению жилыми комплексами. Большинство из них предназначены для инсталляции во вновь строящиеся здания и сооружения. Это связано с тем, что для большинства из них требуется осуществить прокладку кабеля внутри здания и монтаж датчиков, исполнительных модулей и систем управления.

Моя задача усложнялась тем, что данный объект является историческим памятником, и любое проведение строительно-монтажных работ в нем абсолютно исключается.

После проведения анализа возможностей различных систем мой выбор остановился на стандарте X10 – стандарте, который позволяет автоматизировать управление различными системами дома (освещение, охрана, отопление) без прокладки дополнительных кабелей, а с использованием уже существующей электропроводки здания.

2.2. Описание системы управления интеллектуальным зданием по протоколу X10

Возможности протокола X10 по управлению освещением и электроприборами:

дистанционно с радио и инфракрасных пультов управления передать сигнал управления в сеть;

удаленно с помощью телефона и через Интернет;

по временным сценариям с помощью программируемых таймеров;

по датчикам освещенности, движения и температуры.

С точки зрения логики организации сети X10 все устройства можно разбить на две большие группы:

КОНТРОЛЛЕРЫ - отвечают за генерацию команд X10 и, помимо ручного кнопочного управления, могут иметь встроенный таймер или специализированное устройство ввода внешнего воздействия (датчик освещенности, фотоприемник инфракрасного излучения от пульта дистанционного управления и т.д.).

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ - выполняют команды, передаваемые тем или иным контроллером, управляют коммутацией электропитания бытового или осветительного прибора, играя роль «умного» выключателя.

Исполнительные модули также можно разделить на два типа:

Ламповые модули (lamp module) - конструктивно представляют собой тиристорные регуляторы мощности. Они обеспечивают, помимо функций включения и выключения, плавную регулировку яркости свечения электроламп.

Приборные модули (appliance module) - оснащены электромагнитным реле для включения или переключения питания, и не предназначены для плавной регулировки подаваемой на нагрузку мощности.

С функциональной точки зрения сеть Х10 включает следующие компоненты:

Передатчики - позволяют передавать специальные коды команд в формате Х10 по электросети. Такими устройствами являются: преобразователь (трансивер) радиосигналов в Х10, программируемые таймеры, посылающие сигналы Х10 в нужное время; компьютерные модули и контроллеры типа « LEOPARD », выполняющие заданные программы по управлению электроприборами; датчики температуры, освещенности, движения и др., которые при наступлении определенных событий посылают X10 сигналы, по сети 220 вольт, приемникам.

Приемники - принимают команды Х10 и выполняют их: включают или выключают свет, регулируют освещенность и т.д. На каждом приемнике имеются селекторы установки его адреса: 16 возможных кодов дома (А - P) и 16 возможных кодов модуля (1-16), то есть всего 256 различных адресов. Несколько приемников могут иметь тот же адрес, в этом случае они управляются одновременно.

Трансиверы - принимают сигналы от инфракрасных или радио пультов дистанционного управления и передают их в электросеть, преобразовав в формат Х10.

Пульты ДУ - по радио или ИК каналам через трансиверы обеспечивают дистанционное управление устройствами Х10 по сети 220 вольт. Наиболее удобны универсальные, обучаемые пульты ДУ, с их помощью можно управлять как по радиоканалу, устройствами Х10, так и по ИК каналу, стандартной аудио/видео аппаратурой.

Линейное оборудование - повторители/ретрансляторы сигналов, фильтры скачков напряжения или тока, противопомеховые фильтры, блокираторы сигналов. Эти устройства используются для повышения надежности и безотказности системы в целом. Хотя в простых системах возможно достижение прекрасных результатов и без использования этих средств, но производители рекомендуют подстраховаться.

Измерительное оборудование - используется для измерения уровней полезных сигналов Х10 и помех в электросети при выполнении монтажных и пуско-наладочных работ.

2.3. Технология передачи сигналов Х10

Х10 - протокол взаимодействия передатчиков и приемников, путем передачи и приема сигналов по силовым линиям (бытовая сеть электропитания). Этими сигналами являются ВЧ - импульсы, которые кодируют цифровую информацию.

Импульсы представляют собой пакеты переменного напряжения амплитудой 5В, частотой 120 КГц и длительностью 1 мс, что определяет бинарную единицу (единичный бит); бинарный ноль - отсутствие импульса. Передача импульсов синхронизирована с переходом переменного тока через нулевой уровень в пределах 200мкс интервала.

Единичный бит передается в виде трех импульсов с интервалом 3,33 мс (для сети с частотой напряжения 50 Гц), которые соответствуют по времени, нулям трех фаз трехфазной электрической сети (рис.1).