Создание современной концепции системы «Умный дом»

В настоящее время во всем мире разрабатываются различные системы и их составляющие, которые обобщенно называются системами и комплексами «Умный дом».

Так как в настоящее время не сложилась общепринятая концепция по разработке, монтажу, наладке и эксплуатации систем «Умный дом», то идет активный поиск и выработка оптимальных технических, организационных и других путей реализации данных систем. В этом направлении работает и компания ООО «БИОМ-ПАРК».

Рассмотрим некоторые основные моменты, необходимые для грамотного системного подхода при проектировании данных систем. Рассмотрим системы, ориентированные на использование в небольших коттеджах и квартирах. Однако применяемый системный подход применим и к большим разветвленным сложным комплексам.

Для начинающих проектантов, монтажных и эксплуатирующих организаций в первую очередь необходимо четко понимать, что обозначает система «Умный дом», понимать ее современную концепцию. В первую очередь система должна быть безопасной и направлена на повышение уровня безопасности. Остальные функции можно рассматривать как приятные «бонусы», облегчающие жизнь внутри «Умного дома».

Работниками компании ООО «БИОМ-ПАРК» были спроектированы и установлены системы «Умный дом», так же была проведена модернизация уже существующих систем. Рассмотрим отдельные вопросы, возникающие при проектировании систем. Приведем примеры как удачных, так и неудачных решений, встречаемых в практике компании.

Основные принципы проектирования систем «Умный дом».

1. Разделение охранной функции, функции защиты ивспомогательных систем. Этот вопрос очень сложный и заслуживает большого внимания. Многие существующие системы объединяют в себе все функции. Такие системы обеспечивают мониторинг внутреннего и внешнего периметра, участвуют в процессе экстренного прекращения подачи энергоносителей, накопление и распределение энергии от альтернативных источников питания, а также управляют освещением и другими системами. Можно представить какое количество информации необходимо обрабатывать микропроцессорам или компьютерам, какие немыслимо сложные алгоритмы необходимо разрабатывать. Если речь идет об очень больших эксклюзивных системах, то да, они существуют. Но они не могут быть эталонными в силу их единичности, эксклюзивности и невозможности копирования. Для осуществления средней по уровню автоматизации систем применимых к небольшим коттеджам или квартирам целесообразно применять иной подход в реализации различных управляющих функций. Такой подход подразумевает разделение реализованной системы на подсистемы: подсистема — охрана, подсистема — прекращение подачи энергоносителей, подсистема, отвечающая за управление жизненной средой потребителя. Такой подход позволяет при необходимости, отключать одну из систем не затрагивая работоспособность остальных. Происходит упрощение диагностики неисправностей и отладка составляющих системы «Умный дом». Это, в целом, подтвердила практика проектирования, монтажа, пусконаладки и эксплуатации на многих объектах [1]. Так же проектным организациям необходимо учитывать тот факт, что заказчик не всегда готов к полной автоматизации. При разделении систем, намного проще добавлять дополнительную подсистему, чем совершенствовать уже готовую. Если на этапе сразу предусматривать возможность расширения, то система получается переразмеренной и дорогой. Удачным примером спроектированной системы «Умный дом», является проверенная схема организации автоматизированного коттеджа [2]. В процессе работы компании была проведена модернизация существующей системы «Умный дом». В качестве охранной системы имелась уже смонтированная GSM сигнализация. В процессе модернизации были добавлены дополнительные датчики дыма и протечки воды. Спроектирован и изготовлен щит управления с контроллером. Функция щита — это сбор данных о протечки воды и возникновения пожара. Таким образом, GSM сигнализация подает сигнал на сотовые телефоны пользователей о критических ошибках, но в управлении не участвует. Щит управления производит отключение (перекрывание) подаваемой воды и отключает все электричество. Сигнализация и щит управления запитаны от ИБП. От щита управления запитывается дополнительный щит с контроллером, осуществляющий управление освещением, розетками, системой кондиционирования, системой озонирования и др. Таким образом, модернизированная система оказалась очень гибкой в настройке и неприхотлива в использовании.
2. Выбор иразделение управляющих исиловых сетей. Разделение сетей на управляющие и силовые предусматривает их разнесение в пространстве для исключения взаимовоздействий. Особенно это относится к электрическим витым парам. В управляющих и сигнальных сетях целесообразно применять безопасное напряжение 12В [3]. При использовании на небольших объектах такого напряжения вполне достаточно. Так же отметим, что такое напряжение хорошо коммутируется. Крайне не рекомендуется использовать данное напряжение в качестве основного. Несмотря на то, что такое напряжение безопасно, легко коммутируется, имеет широкую возможность применять ШИМ управление, возникает необходимость в очень мощных преобразователях 12В и в применении проводов большого сечения. В практике компании встречалась следующая непродуманная реализация «Умного дома», работающая как бы исключительно на 12В. Имелась двухкомнатная квартира площадью около 60 кв.м. Для обеспечения приемлемого уровня освещения применялись три преобразователя по 10А и два по 5А. Вся автоматика так же запитывалась от этих преобразователей. Но имелись сигнализация, запитанная от 220В, кондиционер и розетки с напряжением 220В. Таким образом, получилась такая ситуация, при которой реализована непродуманная система освещения, фактически существовало две системы электропитания.
3. Имитация аналогового взаимодействия. На протяжении всей эволюции человека происходило его тесное взаимодействие с природой. Человек постоянно получал от природы аналоговые сигналы. Солнце вставало постепенно, температура так же увеличивалась и уменьшалась постепенно, звуки природы менялись постепенно. Таким образом, для создания комфортного воздействия на человека необходимо, по возможности, ограничить резкие перепады температуры от систем кондиционирования, резкое включение и выключение освещения, резкие звуки. При проектировании систем «Умный дом», по возможности, следует избегать соленоидных реле и других компонентов, производящих резкий шум. Так же негативно воздействует на человека фоновый шум от вентиляторов охлаждения электросхем. Целесообразно применять регулируемые кулеры, частота вращения которых зависит от выделяемой теплоты электроустройств внутри системы управления «Умным домом». Одним из важнейших факторов является спектр осветительных приборов и устройств. Как правило, даже условный белый свет от GRB лент очень некомфортный. Практика показывает целесообразность применять данные ленты или аналогичные только в качестве декоративной подсветки. Удачное использование светодиодных лент — это их применение совместно с регулятором ШИМ в составе ночников с датчиками движения или аналогичными, определяющими присутствие человека [4]. Для реализации и настройки таких ночников требуется немного времени и финансовых затрат, но приносит большой комфорт пользователям и повышает респектабельность системы.
4. Беспроводные сети преимущества инедостатки. Системы управления «Умный дом» строятся как на беспроводных, так и на проводных технологиях. Существуют и смешанные. Проводное управление более простое в настройке и диагностике неисправностей. Имеется возможность передавать между конечными устройствами большое количество данных (аудио, видео данные и др.), хорошая совместимость протоколов обмена данными. Недостатком таких систем является сложная прокладка большого количества проводов, невозможность модернизации системы без вскрытия облицовочных материалов в помещении. Беспроводные сети хороши отсутствием проводов, однако имеют плохую помехоустойчивость, относительно плохую диагностируемость неисправностей по сравнению с проводными системами. Практика эксплуатации показывает, что гибкие и устойчивые к внешним воздействиям системы включают в себя как проводные сети, так и беспроводные. В вышеописанном примере коттеджа применялись две сети. Сигнализация GSM получала сигналы от беспроводных датчиков по радиоканалу, а система обеспечивающая отключение энергоносителя использовала проводную систему, как более надежную. Так же в проводной системе у специально спроектированных датчиков имеется кнопка проверки срабатывания, для облегчения сервисного обслуживания системы. Еще один важный момент в использовании проводных датчиков — это применение нормально замкнутых контактов датчиков. Встречались проекты, в которых у датчиков были нормально разомкнутые контакты в режиме контроля среды. В этом случае, при контролировании какой либо среды ток в цепи управляющего контроллера не проходил. То есть существовала такая ситуация, при которой, даже при обрыве электрической цепи датчика система никак не реагировала.
5. Самодиагностика, возможность тестирования. Выше была описана необходимость применять датчиков с нормально замкнутыми контактами. Это косвенно является организации функции самодиагностики системы. Функция самодиагностики очень важна как для сложных, так и для более простых систем. В качестве простой реализации одной из функций самоконтроля является контроль предельного расчетного протекающего тока через конечные потребители. Для этого применяют независимые от основной системы устройства, обеспечивающие отключение основной системы в случае возникновения нештатной ситуации. Хорошим примером самозащиты от ложных срабатываний является система пожаротушения на объектах нефтяной и газовой промышленности. Суть заключается в том, что сигнал о возникновении пожара формируется в контроллере от двух различных по типу датчиков — датчика пламени и температурного датчика. Дополнительно в алгоритм контроллера заведено отслеживание скорости возрастания температуры. Этими мероприятиями снижен риск возникновения ложных срабатываний. В процессе эксплуатации компания ООО «БИОМ-ПАРК» встречалась с различными ложными срабатываниями систем «Умный дом». Это реагирование датчиков дыма на пар, прохождение животных или пролет птиц перед датчиками и др. Наблюдались частые случаи сбоя алгоритмов управления от различных внешних воздействий.

В процессе проектирования необходимо предусматривать возможность подключения контрольно-измерительной аппаратуры к системе, выводить сервисные разъемы на шкафы управления. В сложных системах возможно предусмотреть периодическую подкалибровку датчиков и др.

6. Безопасность алгоритмов иих сертификация. Многим известно, что неправильные или некорректная работа алгоритмов управления «Умным домом» могут привести к плачевным последствиям. Эта проблема до настоящего времени никак не решена во всем мире. Постоянно продолжают разрабатываться и совершенствоваться алгоритмы безопасного взаимодействия человека и электронных систем. При проектировании сложных систем очень трудно смоделировать ответные реакции управляющей системы на возмущающие воздействия. Если одно возникающее событие поддается прогнозу реакции системы, то несколько взятых одновременно прогнозируются с большим трудом, а иногда и не прогнозируются вообще. Такая группа одновременно происшедших событий могут привести к очень неблагоприятным ситуациям. Были случаи в эксплуатируемых системах, в которых происходила некорректная работы системы при появлении новых животных в помещении и/или в зоне ее действия, неправильное распознавания пользователя. В настоящее время в полной мере не разрешена проблема корректного функционирования системы с появлением или исключением дополнительных пользователей во времени. Если система не опознает вновь вошедшего в зону взаимодействия пользователя, то она не корректирует свои программы воздействия на управляющую среду. Для безопасного использования новых алгоритмов управления жизненной средой человека необходимо вводить сертификацию применяемых алгоритмов на законодательном уровне. Этот процесс долгий и очень трудный, но без преувеличения можно сказать — он жизненно необходим! В связи с резким усложнением управляющих и вспомогательных систем очень часто оказывается, что какое-либо изделие имеет набор функций и возможностей, о возможности существовании которых конечный пользователь даже не подозревает. Такая ситуация может привести к травмированию пользователя устройства или системы, потеря финансовых накоплений и т. д. Эта ситуация усугубляется нежеланием пользователей следовать инструкциям по эксплуатации. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости разработки таких устройств, систем и алгоритмов, которые даже при неправильной их эксплуатации, в самом плохом случае просто отключатся, но не принесут вред жизни и здоровью пользователя. В сложных системах необходимо четко прописывать в алгоритмах приоритеты и взаимозапрещающие операций управления средой. Надо четко понимать, что усложнение системы неизбежно приводит к уменьшению ее надежности. Рассмотрим пример нецелесообразности перегруженной системы.
7. Организация ицелесообразность сложных систем. Под сложными системами понимаются не только системы, управляющие «Умным домом», но более сложные, именуемые «искусственным интеллектом» (ИИ). Такие системы, несомненно, будущее человечества, но находятся на стадии становления. Такие системы еще в большей мере обладают недостатками в области корректных алгоритмов поведения с пользователями. В таких системах рисков, связанных с безопасностью пользователей, в разы больше, чем в обычных. Это относится не только к системам «Умный дом», но и к ИИ в области автомобилестроения, авиационной промышленности и др. Проблемой создания ИИ занимаются во многих странах. Конечно, есть большие успехи в этой области, но все ИИ пока не идеальны.

Усложнение систем нередко происходит нецелесообразным увеличением технических компонентов. В практике эксплуатации таких систем компанией ООО «БИОМ-ПАРК», встречалась ситуация, в которой каждая розетка и выключатель освещения в квартире имела собственный адрес в локальной сети. Имелась возможность управлять каждой по отдельности. Однако в это не было надобности. Получилась бесполезная функция, система усложнилась, надежность уменьшилась. При отключении управляющей системы во всей квартире пропадало освещение и электричество в розетках. Такая организация системы «Умный дом» в сочетании с постоянными перебоями электропитания приводила к некомфортному использованию. Можно говорить о том, что при разработке управляющих систем «Умный дом» надо четко понимать задачи, возлагаемые на систему и стремиться к ее упрощению, что всегда положительно скажется на ее стабильной работе и устойчивости.

8. Взаимодействие систем «Умный дом» сдругими техническими системами. При разработке, проектировании и монтаже систем управления необходимо учитывать в большинстве случаев фактор неизолированности системы. Разрабатываемые системы будут взаимодействовать с системами водоснабжения, водоотведения, электросетями, системами пассивной вытяжной вентиляции и др. Так же системы «Умный дом» могут прийти во взаимодействие с другимиустройствами. Эти факторы необходимо принимать во внимание.
9. Голосовое управление исопровождение. Нередко, при проектировании управляющих систем, возникает желание «оживить» «Умный дом». Для этих целей применяют озвучивание происходящих событий, голосовое управление желаемыми событиями и их комбинация. Существуют различные голосовые модули по озвучиванию. Они достаточно недорогие и просты в настройке, относительно легко интегрируются в системы управления, работают по стандартным протоколам связи. В целом, получаются хорошие интересные проекты. В области голосового управления на сегодняшний день существуют системы распознавания с помощью ресурсов Internet и автономные системы, использующие собственные базы голосовых данных [5]. Проблемы голосового управления, в основном, заключаются в чувствительности микрофонов. Необходимо нахождение пользователя в непосредственной близости от микрофона. Широкого применения такие системы в настоящий момент не получили. Некоторые разработки управления «Умным домом» имеют дополнительное устройство — голосовой пульт управления [6]. Учитывая психологические особенности пользователей, можно говорить о том, что такие системы управления необходимо разрабатывать с дублирующим более привычным интерфейсом (сенсорный экран, кнопки).
10. Проблемы, связанные сприсутствием животных. При разработке и настройке систем «Умный дом» стоит большая проблема, возникающая в наличии различных животных и птиц в зоне воздействия систем управления. Проблемы возникают на уровне алгоритмов и/или имеют технический характер. Практика показывает, что любое существо обязательно пытается что-нибудь оторвать, погрызть, полизать. При проектировании и монтаже обязательно необходимо прятать всю электропроводку в кабель каналах или под декоративными покрытиями. Помимо возможности причинения вреда жизни и здоровью животному или пользователем, нарушение электропроводки такого незащищенного характера трудно диагностируемо. Основной проблемой наличия животных является ложное срабатывание датчиков. Ложное срабатывание может быть и от пользователя, если датчик предназначен на реагирование на животного. Основными путями борьбы с ложными срабатываниями является совместное применение различных по типу датчиков, применение узконаправленных датчиков, совершенствование алгоритмов обработки событий. В случае присутствия на контролируемой территории птиц, целесообразно применять временные задержки отклика системы. Применение датчиков давления сокращает ложные срабатывания от небольших собак. Для защиты от несанкционированного управления системой «Умный дом» животными и маленькими детьми применяют различные блокировки. Технических решений различных блокировок огромное количество, поэтому они не рассматриваются.
11. Альтернативные источники питания всистеме «Умный дом». Внастоящее время многими инженерами предпринимаются попытки разработать приемлемые системы дополнительных источников энергии. В том числе и в составе систем «Умный дом». К таким системам можно отнести ветряки, тепловые насосы, тепловые и солнечные панели. В средней полосе России сложилась такая ситуация, при которой крайне мало солнечных дней в году, а также сильных стабильных ветров [7]. Это доказано многими исследованиями. Применение ветряков целесообразно в случае использования их в качестве источников электроэнергии для отопительных калориферов. Для калориферов нет жестких требований к качеству электроэнергии. Однако, для выработки существенной мощности, ветряки должны иметь относительно большие габариты. Таким образом, при разработке систем альтернативного источника электроэнергии используя ветряки, необходимо учитывать наличие постоянных относительно сильных ветров. Тепловые насосы, в целом, эффективны, но имеют большой срок окупаемости, сравнимый с ресурсом холодильных установок [8]. Так же применение тепловых насосов подразумевает наличие возобновляемый источник тепловой энергии (водяная скважина, река, теплый грунт и т. д.). Применение солнечных панелей подразумевает наличие в системе альтернативных источников электроэнергии довольно сложной электроники и аккумуляторов. Используя тепловые панели, добиваются сокращение расходов на отопление, но эта система так же сложна в проектировании и обслуживании. Рассматривая альтернативные источники энергии, существующие в настоящее время, пока можно говорить лишь о их частичной замене стандартных источников. Для полноценного снабжения современной среды человека различной энергией целесообразно применять альтернативные источники как дополнительные к основным.

Подводя итоги, можно говорить о наличии большого количества проблем, связанных с проектированием, монтажом и эксплуатации систем «Умный дом». Необходимо всегда помнить о повышении безопасности применяемой системы, о ее устойчивости к внешним воздействиям. При проектировании систем «Умный дом» необходимо четко представлять набор функции, которые должна выполнять система.

1. SmartMe.pro. [Электронный ресурс]. — URL: https://smartme.pro/sistema-umnyj-dom/ (дата обращения: 18.07.2018).
2. Безопасность в умном доме: 5 аспектов | Умный Дом. [Электронный ресурс]. — URL: http://umnydom.com/bezopasnost-v-umnom-dome-5-aspektov/435/ (дата обращения: 18.07.2018).
3. Электробезопасность. Действие электрического тока на организм. Безопасное напряжение переменного и постоянного тока — КиберПедия. [Электронный ресурс]. — URL: https://cyberpedia.su/17x19f73.html (дата обращения: 18.07.2018).
4. Ночник с датчиком движения: виды, принцип работы:: SYL.ru. [Электронный ресурс]. — URL: https://www.syl.ru/article/360759/nochnik-s-datchikom-dvijeniya-vidyi-printsip-rabotyi (дата обращения: 18.07.2018).
5. Все о модуле распознавания голоса EasyVR (ex VRbot) / Деталька / Сообщество EasyElectronics.ru. [Электронный ресурс]. — URL: http://we.easyelectronics.ru/part/vse-o-module-raspoznavaniya-golosa-easyvr-ex-vrbot.html (дата обращения: 18.07.2018).
6. [Электронный ресурс]. — URL: http://we.easyelectronics.ru/part/vse-o-module-raspoznavaniya-golosa-easyvr-ex-vrbot.htm (дата обращения: 18.07.2018).
7. Альтернативная энергия для частного использования в России — уже реальность — Рамблер/новости. [Электронный ресурс]. — URL: https://news.rambler.ru/articles/36155023-alternativnaya-energiya-dlya-chastnika-stala-realnostyu/ (дата обращения: 18.07.2018).
8. 10 мифов о винтовых компрессорах — полезные материалы от компании Fiac. [Электронный ресурс]. — URL: https://www.fiak.ru/articles/10-mifov-o-vintovykh-kompressorakh/ (дата обращения: 18.07.2018).