Умный дом. Концепция

Что мы имеем в виду, называя дом «умным»? На самом деле, у каждого свое представление об этой системе. Но всё это сводится к простой автоматизации, делая нашу жизнь более комфортной.

В этой статье я опишу свой взгляд на комплексную автоматизацию жилища. Рассмотрю вопросы «что и зачем автоматизировать», «как соединить», «как управлять», «как внедрить» и многие другие, от сферических вопросов в вакууме, до сугубо практических.

↑ О системном подходе

Давайте рассмотрим плюсы системного подхода к автоматизации.
Например, у нас есть датчик движения, который включает свет в коридоре, есть пульт от люстры. Удобно, но… Эти две системы не могут взаимодействовать друг с другом, а расширить функционал можно только добавлением новой независимой системы. И в один прекрасный момент мы обнаружим у себя на столе 2 десятка датчиков движения по всей квартире, десяток пультов и головную боль по замене батареек и поиску пульта от конкретной системы. Печально.

При системном подходе можно управлять всеми устройствами централизованно, например, с общего пульта, через компьютер, телефон или даже голосом. Датчики движения, конечно, останутся, но они же будут работать в составе охранной системы и т.п.

Однако, это только управление освещением. Автоматизировать можно и другие системы.

↑ Что автоматизировать будем?

Вот список систем, которые можно автоматизировать и плюсы этой автоматизации:

• Освещение. Централизованное управление, экономия электроэнергии, включая свет только там, где это нужно. Создание эффекта присутствия (включение/выключение света при длительном отсутствии хозяев). Создание комфорта использования — например, если кто-то ночью встает попить водички, подсветку в коридоре можно включить на 20% яркости, не ослепляя и экономя электричество. Создание световых сцен (слабая подсветка при просмотре TV, свет только из-за спины при чтении, подсветка рабочей зоны на кухне только при готовке, а стола когда обедаем и т.п.). Контроль – можно вести статистику использования освещения и применить энергосберегающие технологии там, где это необходимо.
  
• Электроснабжение (розетки, счетчик). Можно контролировать расход электроэнергии и вести статистику по каждому потребителю. Удаленно управлять питанием приборов (например, отключить забытый дома утюг). Автоматически отключать электричество при пожаре или затоплении. Снимать показания со счетчика, отправлять их в сбытовую компанию и печатать квитанции.
  
• Водоснабжение. Снимать и отправлять показания счетчиков, печатать квитанции, вести статистику. Перекрывать воду в случае протечки или повышенного давления в системе, чтобы не прорвало трубы (в нашей стране и такое не редкость).
  
• Отопление и вентиляция. Датчики протечки. Снижение температуру теплых полов и в системы отопления при отсутствии в доме людей (зачем топить пустой дом по полной?), и восстановление ее перед приходом хозяев. Можно включать вентиляцию только там, где есть люди или по датчику углекислого газа и влажности. Перекрывать вентиляцию при пожаре.
  
• Сигнализация. Датчики углекислого, природного газа, дыма, протечки, движения проникновения и т.д. Можно использовать и в целях охраны, и в целях автоматизации.
  

Автоматизация всех этих систем позволяет обеспечить довольно значительную экономию, что очень актуально при нынешних ценах на электроэнергию, газ и прочие ресурсы.

Но есть и минусы. Внедрение системы требует изменения электропроводки, прокладки новых проводов для обеспечения связи между устройствами, настройки и отладки при введении каждого нового устройства. Невысокая отказоустойчивость, гибкость и высокая стоимость систем, представленных на рынке, сложность интеграции с уже имеющимися системами управления.

Проблему изменения проводки можно решить применением беспроводных технологий, однако это значительно снижает помехозащищенность и безопасность системы по отношению к внешнему воздействию.

Проблему стоимости и гибкости можно решить, только отказавшись от готовых решений. Тем более, намного интереснее создать такую систему самому и именно под свои нужды.

↑ Концепт

В широком плане, наша система должна интегрировать в себя всё, что только есть у вас в доме, начиная от простого выключателя и розетки, заканчивая ТВ, холодильником и чайником с микроволновкой.

↑ Физический уровень

Для обеспечения надежности, отказоустойчивости и гибкости системы, в ее основе должна лежать общая шина, соединяющая каждое устройство в общую сеть.

Требований к такой шине всего два:

• Надежность. Сеть должна быть хорошо защищена от помех, ее работа не должна зависеть от типа и состояния подключенных к ней устройств (например, продолжать работать при выходе из строя любого устройства или даже нескольких).
  
• Универсальность. Должна быть возможность передавать по ней любые данные, независимо от типа и состава находящихся в сети устройств.
  

В поисках реализации физического уровня я рассмотрел множество вариантов, но по всем требованиям подошла только шина CAN (Controller Area Network — сеть контроллеров).
Полностью описывать принцип ее работы я не буду. Отмечу только основные ее преимущества:

• Физический уровень – дифференциальная пара. Гарантирует высокую надежность и помехозащищенность.
  
• Мульти мастер. Любое устройство в сети может передавать и получать данные независимо от других.
  
• Доступ к шине в режиме Collision Resolving (CR, разрешение коллизии) и арбитраж гарантируют беспрепятственную передачу сообщения с большим приоритетом.
  
• Использование любого протокола. Очень хорошо, ведь мы будем писать свой.
  

Питание слаботочных устройств предлагаю так же осуществлять через имеющуюся шину. Оптимальным вижу напряжение 24 вольта, которое будет понижаться до 5 или 3,3 Вольт в самом устройстве. Это уменьшит ток в проводниках питания шины.
В качестве кабеля можно использовать обычную компьютерную витую пару.

↑ Протокол

Самая большая проблема при создании такой системы – взаимодействие между собой ее компонентов на логическом уровне.

В первую очередь мы отказываемся от режима Master-Slave (ведущий-ведомый), т.к. при выходе из строя главного устройства, перестает функционировать ВСЯ сеть.

Все устройства в сети должны быть равноправны. Каждое устройство может получать и передавать данные любому другому устройству или всем сразу в любой момент времени, а не только при его опросе.

Взаимодействие между компонентами системы можно организовать по двум принципам:

Сигнал – слот. В этом режиме одно из устройств сообщает в шину об изменении его состояния. Это сообщение принимают все устройства, но реагируют только те, у кого прописана реакция на этот сигнал. Остальные устройства его просто игнорируют.

Точка-точка. Одно из устройств отправляет команду или данные напрямую другому устройству в сети, создавая временную связку ведущий-ведомый (master-slave).

Оба этих режима взаимодействия можно использовать одновременно, реализуя практически любую логику работы всей системы.

Дополнительно это решает вопрос универсальности, позволяя передавать по сети не только сигналы управления, а что угодно, например, звук или видео (разумеется, в цифровом формате).
А так же, позволяет производить настройку и обновление прошивки без демонтажа, прямо по сети, что значительно снизит эксплуатационные расходы.

↑ Аппаратная часть

Основу любого модуля системы будет составлять микроконтроллер со встроенным CAN контроллером, драйвер шины CAN и стабилизатор питания. Цена такого модуля будет около 200-300 рублей, что намного дешевле промышленных аналогов.
К основному модулю можно будет подключить любую периферию, что позволяет реализовать практически неограниченный функционал.

↑ Программная часть

В каждом устройстве будет настраиваемая таблица «сигнал-действие», в соответствие с которой устройство будет интерпретировать полученные из сети сигналы и выполнять требуемые действия. Об этом я расскажу подробнее, если читатели заинтересуются темой умного дома.

↑ Управление

Управлять системой можно как и чем угодно. Компьютер, телефон, планшет — первое что приходит на ум. Но остаются и привычный органы управления, например, выключатель, ИК пульт. Можно сделать терминал с сенсорным экраном, на который выводить информацию о системе или новости и погоду. А можно сделать управление голосом. Тут уж каждый должен выбирать то, что удобно именно ему.

↑ Резюме

Мы имеем общую сеть и можем в любом ее месте подключить любое устройство (например, дополнительный выключатель у кровати, точечный светильник над умывальником). Или перенести его в другое место, не изменяя самой сети (например, перенести выключатель на другую стену). Интегрировать в сеть новую систему, не внося изменения в имеющиеся.

Получаем возможность настраивать любую логику взаимодействия (включил свет – закрылись жалюзи, зашел в туалет – заиграла расслабляющая музыка, открыл входную дверь – система проверила прогноз погоды и напомнила взять зонтик).

Ведение статистики, удаленное управление, экономия ресурсов, безопасность и комфорт – это не полный список всех достоинств, который каждый может дополнить на свой вкус.
Из минусов и неудобств – необходимость первого шага. Переделать проводку и проложить шину. Но Москва тоже не сразу строилась!

Функционал ограничен только полетом нашей фантазии! Напишите в комментариях, что бы вы хотели автоматизировать, а где считаете автоматизацию излишней.
Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации