Принято считать, что концепция «Умного дома» (от английского smart house) берет свое начало в середине прошлого века, но из-за высокой стоимости реализации подобные проекты не получили широкого распространения. Ситуация в корне изменилась с развитием электроники и в настоящее время такие системы хоть все еще не внедряются повсеместно, но уже и не воспринимаются как диковинка. Предлагаем рассмотреть, что представляет собой «Умный дом», его круг задач, а также возможность самостоятельной реализации такого проекта.
Что такое система «Умный дом»?
Под данным термином подразумевается программно-аппаратный комплекс, позволяющий автоматизировать и упростить управление различными системами, а также другим оборудованием дома или квартиры.
В качестве примера приведем функции, которые могут быть возложены на «Smart house» (далее SH):
Управление системой освещения, например:
- включать свет по сигналу датчика движения;
- имитация присутствия хозяев (периодически зажигается свет в разных комнатах);
- изменение различных вариантов подсветки интерьера;
- дистанционное управление светом при помощи планшета или смартфона и т.д.
Вариант функционального набора охранной системы:
- получение SMS сообщений в случае включения, отключения и срабатывания системы;
- отправка MMS сообщений с видеокамер при поступлении сигналов от датчиков движения;
- возможность просмотра видеозаписи через Интернет и т.д.
Система климат-контроля:
- поддержка температуры на заданном уровне, с возможностью его установки дистанционно (например, при помощи смартфона);
- установка режима максимальной экономии при отсутствии хозяев и т.д.
Это далеко не полный функциональный набор, он может быть расширен в зависимости от пожеланий и финансовых возможностей. Благодаря развитию беспроводных технологий масштабируемость системы не требует капитального ремонта.
Какие минусы имеет “Умный Дом”:
- Любая электроника не застрахована от сбоев или зависаний. Нужно быть готовым к тому, что в любой момент понадобится перенастройка отдельных электронных систем и компонентов вручную;
- Дороговизна. На рынке России и СНГ производители продают системы по минимальной цене от 2000 долларов до 5000, в зависимости от «начинки» и пожеланий заказчика.
Как сделать дом «Умным»?
В идеале реализация подобных решений должна вестись на этапе строительства, но такой вариант ввиду разных причин не популярен среди застройщиков. В результате остается два способа автоматизации:
- Обратиться в профильную компанию, где на основе ТЗ заказчика будет составлен проект с его последующей реализацией. Минимальная стоимость такого решения варьируется, как уже было сказано выше, в пределах $2000-$5000, максимальная зависит от функционального набора и используемого оборудования.
- Самостоятельно разработать и внедрить систему «Умный дом».
В первом случае заказчик получает готовое решение, под ключ. Во втором, стоимость реализации можно существенно сократить, если не на порядок, то в несколько раз, особенно если использовать для этой цели платформу Ардуино (о ней мы расскажем немного ниже). Необходимо предупредить, для реализации проекта потребуются навыки программирования, но разработчики постарались максимально упростить эту задачу.
Кратко о платформе
Основа платформы это плата с микроконтроллером (далее МК) и электронным обвесом к нему. К контролеру выпускается множество различных датчиков и плат расширения с теми или иными функциями.
Обозначение:
- Порт для перепрошивки (стандартный USB).
- Кнопка аппаратного сброса.
- Сигнал опорного напряжения.
- Контакты для цифровых сигналов.
- Сигнал ТХ.
- Сигнал РХ.
- Порт для подключения внешнего программатора.
- Контакты для аналоговых сигналов.
- Подключение внешнего питания.
- +5 В.
- +3,3 В.
- Сигнал сброса.
- Разъем для источника питания.
- Микроконтроллер.
Особенность платформы заключается в том, что процесс программирования МК максимально упрощен. Прошивка при помощи встроенной программы-загрузчика через имеющийся на плате порт USB. На случай случайного «затирания» этой программы предусмотрена возможность перепрошивки стандартными программаторами.
Для программирования используется бесплатная оболочка (Arduino IDE), совместимая с наиболее распространенными операционными системами (Windows, Linux, Mac OS). В эту оболочку входит текстовый редактор для написания программ, компилятор и библиотеки. В качестве базового языка программирования используется упрощенный вариант С++. Более полную информацию о программировании МК можно получить на сайте разработчика и тематических форумах. В этих же источниках можно узнать все о визуализации управления системой.
Оболочка для программирования Ардуино
Ориентировочная стоимость оригинального базового модуля $30 – $50 (в зависимости от модификации), китайских аналогов – $10-$16.
Примеры плат расширения и датчиков
Приведем краткое описание шилдов, которые могут понадобиться при разработке собственного проекта SH.
Модуль для подключения к локальной сети или интернет по стандартному протоколу TCP/IP. В качестве основного элемента используется контроллер ENC28J60. Данное устройство позволяет организовать визуализированное управление системой с веб-сайта.
Подключение сетевого модуля к Ардуино
Модуль GPRS/GSM SIM900 позволяет осуществлять управление системой при помощи обмена данными через сеть любого мобильного оператора. Для подключения к сети используется стандартная SIM карта. Имеется возможность отправки SMS и ММС сообщений, в библиотеке модуля реализована поддержка других функций.
Реле электромеханического действия на 10 А 250 В, может использоваться для управления освещением или другой соответствующей нагрузкой. При подключении питания включается светодиод красного цвета, если реле срабатывает, то дополнительно загорается зеленый индикатор. Сигнал можно подавать от любого цифрового выхода МК.
К сожалению, при максимальной нагрузке или близкой к ней у электромеханических реле, через несколько недель работы могут начать залипать контакты, поэтому для управления работой электрокотлов системы отопления они не подходят. Но не стоит расстраиваться, для платформы Ардуино можно найти модули на все случаи жизни, в данной ситуации решить проблему можно при помощи твердотельного реле, например SSR-25DA.
Обозначения:
- GND на базовой плате.
- К цифровому выходу, например, D
- Питание от сети 220 В.
- Подключение нагрузки.
Обратим внимание, что данный модуль реализован на симисторе, а для его стабильной работы требуется отвод тепла, поэтому рекомендуем вместе с модулем приобрести и штатный радиатор.
Датчики
Теперь рассмотрим несколько типов датчиков, которые также могут быть полезны для проекта, начнем с ИК устройства HC-SR501, фиксирующего движения.
Обозначения:
- Питание от источника в диапазоне 5-12 В (можно подключить к +5 В на плате контроллера).
- Сигнал, исходящий от датчика (подключается к любому цифровому входу МК)
- GND соединяется с соответствующим контактом базовой платы.
- Время задержки (удержание логической единицы на выходе) – от 5 до 300 сек.
- Чувствительность датчика (можно установить от 3 до 7 метров).
- Переключатель в режим «Н» (при серии срабатываний устанавливается логическая единица).
- Установка режима «L» (при активации посылается одиночный импульс).
Не менее полезным будет цифровой температурный датчик DS18B20 (изготавливается в герметичном и обычном исполнении). Их особенность заключается в том, что устройства не требуют калибровки и каждое из них имеет собственный уникальный идентификатор. То есть, датчик передает данные температуры и свой уникальный номер. Благодаря этому на один шлейф можно установить несколько датчиков и программно обрабатывать поступающую информацию. Ограничение длины сигнальных проводов – 50 метров.
Завершая тему датчиков, приведем модуль для измерения влажности, он может быть использован в качестве сигнализатора протечки воды или для организации полива комнатных или тепличных растений.
Обозначения:
- Цифровой выход, подключается к любому соответствующему разъему на базовой плате МК. Сигнализирует о влажности, соответствующей порогу срабатывания.
- Аналоговый выход, информирует о текущей влажности.
- Питание +5 В.
- Управление порогом чувствительности.
Мы привели только три типовых датчика совместимых с платформой, на самом деле их значительно больше. Ознакомиться с разнообразием данной продукции можно на сайтах производителей.
Закончив с обзором оборудования, перейдем к проектированию системы управления и автоматизации, начать необходимо с постановки задачи.
Определение начальных условий
В первую очередь необходимо определиться с постановкой задачи, то есть, с функциональностью системы. Допустим, у нас имеется однокомнатная квартира, которую можно условно разделить на следующие зоны:
- Тамбур.
- Прихожая.
- Туалет, совмещенный с ванной комнатой.
- Кухня.
- Жилая комната.
Задача: автоматизировать управление освещением, бойлером и системой вентиляции.
Поставим задачи для каждой из зон.
Тамбур
В данном случае можно автоматически включать свет при приближении к входной двери. То есть, потребуется датчик движения. При этом необходимо учитывать уровень освещенности, соответственно, автоматика должна срабатывать только в темное время суток. Для этого понадобиться датчик GY302 или аналогичный (в обзоре мы не приводили его, но найти описание не составит проблем). Включение и выключение лампочки (через заданное в программе время) можно доверить твердотельному маломощному реле, например G3MB-202P, рассчитанному на ток нагрузки 2 А.
Прихожая
Управление освещением в данной зоне можно организовать по тому же принципу, что и в тамбуре. Можно добавить включение света при открытии входной двери. В качестве датчика подойдет типовой дверной геркон.
Туалет и ванная комната
Включение бойлера можно связать с наличием в квартире хозяев. Если никого нет, автоматика принудительно отключает нагреватель воды при помощи модуля SSR-25DA. Отслеживать температуру нагрева нет смысла, поскольку данные устройства самостоятельно отключаются при достижении заданного порога. Свет и вытяжка должны включаться автоматически при входе человека в эту зону, и отключаться через определенное время, если не обнаруживается движение.
Автоматизация кухни
Управление освещением данной зоны можно оставить ручным, но дублировать его автоматикой, отключающей свет, если движение не обнаруживается длительное время. При работе электро или газовой плиты должна включаться вытяжка и отключаться через некоторое время после приготовления пищи. Управлять работой вытяжки можно при помощи термодатчика, фиксирующего повышение температуры при включении плиты.
Жилая комната
В данном помещении управлять освещением лучше вручную, но можно реализовать возможность автоматического отключения света при достаточном уровне освещенности.
Приведенный пример довольно условный, поскольку алгоритм работы Умного дома каждый разрабатывает в зависимости от личных предпочтений.
Особенности терморегуляции
В заключение дадим несколько рекомендаций по управлению отоплением. Следует учитывать большую инерционность данной системы. Велика вероятность того, что управление посредством простого включения и отключения отопления, в соответствии с заданным температурным диапазоном, могут создать довольно дискомфортные условия. В данном случае следует использовать алгоритм PID-регуляции, в сети доступна библиотека с его реализацией для Ардуино.
Не вдаваясь в подробности можно описать работу данного алгоритма следующим образом:
- Производится анализ между необходимой и текущей температурой в помещении, и по результату устанавливается определенная мощность отопительной системы.
- Производится учет постоянных теплопотерь. Они могут зависеть от уличной температуры или других факторов. Поэтому при достижении заданной температуры, отопление не отключается полностью, а снижается до уровня необходимого для компенсации теплопотери.
- Последний фактор, влияющий на работу алгоритма, учитывает инерционность системы отопления, что не допускает выход температуры за установленный диапазон.
Говорят, что каждый дом похож на своего хозяина: в квартире пожилой дамы каждое кресло дышит уютом, представительский особняк успешного бизнесмена демонстрирует респектабельность и уверенность в себе, а арт-студия молодого художника полностью отражает его творческий полёт мысли.
При этом у каждого хорошего хозяина руки не работают отдельно от головы: глаза видят, уши слышат, мозг принимает решения и отдаёт команды телу. Именно так достигается наилучший результат работы: объединение всех систем организма в одно целое приводит к оптимальному функционированию.
Так же и в Умном доме - все системы в нём работают слаженно, согласованно и взаимосвязано . В таком доме не перегорит проводка, оттого что на неё попала вода из разлившейся ванны. Не лопнут трубы из-за постоянных перепадов температуры. Не промёрзнут комнаты из-за внезапных перебоев с электричеством.
Согласовать подобным образом системы жизнеобеспечения, установить контроль над домом, осуществлять наблюдение за ним по сети интернет или через удалённое видеонаблюдение, запрограммировать взаимодействие различных систем дома и их поведение в зависимости от времени суток, погоды или, скажем, настроения хозяина, в наши дни совершенно не составляет труда.
Интеллектуальная система «Умный дом» - это высокотехнологичная система, позволяющая объединить все коммуникации в одну и поставить её под управление искусственного интеллекта, программируемого и настраиваемого под все потребности и пожелания хозяина.
Отопление , освещение , водопровод, сигнализация в квартире - всё это можно подчинить централизованному контролю с помощью установки системы «Умный дом».
Хотите, чтобы по вечерам в гостиной зажигался верхний свет, а днём горела только настольная лампа в кабинете? Предпочитаете зимой греть ноги в кресле на кухне, а по осени не желаете мёрзнуть в спальне? Хотите иметь возможность включить через интернет обогреватель на даче, чтобы помещение прогрелось к Вашему приезду?
Или, скажем, хотите, чтобы Вас оповещали с помощью SMS о внезапных отключениях электричества или сработавшей сигнализации? В наше время для этого не требуется нанимать целый дорогостоящий штат прислуги и охраны - всё это сделает «Умный дом».
При этом не стоит думать, что такая система не доступна для человека, который не располагает загородной виллой, а просто хочет иметь уверенность в безопасности своей квартиры, когда она остаётся без присмотра хозяина: базовый функционал системы «Умный дом» по стоимости сопоставима с монтажом обычного домофона.
Кроме того, уже установленную систему можно развивать в дальнейшем, добавляя новые коммуникации или расширяя взаимодействия уже подключенных. Начните с недорогого готового решения Умного дома , а затем дополняйте его теми компонентами, которые покажутся вам наиболее полезными.
Что включает такая система?
Умный дом - единая система управления в доме, офисе, квартире или здании, включающая в себя датчики, управляющие элементы и исполнительные устройства. Управляющие элементы принимают сигналы с датчиков и контролируют работу исполнительных устройств, действуя согласно заданным алгоритмам и объединяя следующие системы:
- Отопление дома (посредством радиаторов или теплых полов),
- Охранная и пожарная сигнализация ,
- Контроль аварийных ситуаций : утечки воды, газа, аварии в электросети,
- Видеонаблюдение (локальное и удаленное),
- Управление внутренним и уличным освещением ,
- Распределение видео и аудиопотоков и по помещениям (мультирум),
- Управление обогревом ливневой канализации, ступеней лестниц и дорожек,
- Контроль над энергопотреблением, ограничение пиковых нагрузок и распределение нагрузок по фазам питающей сети,
- : аккумуляторными ИБП и дизель-генераторами,
- Управления канализационных насосных станций и системам автополива зеленых территорий,
- Управление воротами и шлагбаумами,
Пользователи сайт хорошо знают, что от надёжной и бесперебойной работы всех инженерных систем жилого дома во многом зависит комфортность проживания за городом. Взять на себя управление коттеджем, избавив его владельца от решения рутинных вопросов может система «Умный дом». В нашей статье мы собрали ответы экспертов на самые распространённые вопросы о ней.
Из нашей статьи вы узнаете:
- Что такое «Умный дом»;
- Какую систему можно считать «Умным домом»;
- Какие возможности она предоставляет своему владельцу;
- На какой технологии она основана;
- Какие требования предъявляются к электросетям для ее установки. Как осуществляется управление освещением;
- Как обеспечивается надёжность и безопасность работы;
- Какая выгода ее от использования.
Автоматизация управления
Чтобы понять, что такое «Умный дом» и как это работает, можно прочитать описание этого понятия в Википедии, а лучше разобраться в предназначении данной технологии вместе с нашими экспертами.
Вот какое определение дает руководитель компании «Умная дача» Илья Ковальчук :
– «Умный дом» – это система, построенная на базе высокотехнологичного оборудования. Основное ее предназначение – автоматизация операций по управлению различными инженерными системами в коттедже.
Она обеспечивает комфорт, безопасность, ресурсосбережение и может «взять» на себя рутинные операции, освободив от этих действий хозяев коттеджа.
А вот какое определение дает директор по развитию компании Luxury Systems Екатерина Королёва :
– «Умный дом» это система централизованного управления электроприборами и инженерным оборудованием. А режимы работы одних узлов, так или иначе, зависят от работы других.
Таким образом, технология "Умный дом" предусматривает комплексный подход.
Вот определение руководителя отдела систем электроснабжения компании GWD Engineering Илья Марков:
– Под этим термином обычно понимают интеграцию систем, оборудования и узлов в единую интеллектуальную систему управления коттеджем.
А именно:
- управления и связи;
- отопления, вентиляции и кондиционирования;
- освещения;
- электропитания здания;
- безопасности и мониторинга.
Контроль над работой всех систем может осуществляться дистанционно – при помощи мобильного телефона, планшета или через Интернет.
Генеральный директор компании Alef Elektro (г. Москва) Андрей Назаренко :
– Лучше всего это иллюстрируется следующим примером: с помощью мобильного телефона или планшета вы можете:
- включить вечернюю световую сцену в жилой комнате;
- поставить на таймере закрытие форточки через определённый промежуток времени, чтобы не замёрзнуть под утро;
- переключить каналы ТВ или выбрать фильм с сервера;
- проверить состояние всех систем безопасности.
То же самое можно сделать посредством специального пульта управления – кнопочного или сенсорного.
Илья Марков:
– Можно сказать, что «Умный дом» базируется на трёх основных принципах:
- обеспечение комфорта;
- обеспечение безопасности;
- обеспечение энергоэффективности.
Екатерина Королёва :
– Существует две разновидности систем:
- Проводные.
- Беспроводные.
В жилом доме стоит защита от протечки воды и датчик задымления, который посылает СМС. Это две разные системы, и каждая из них отвечает за свой узкий круг обязанностей.
Екатерина Королёва :
– Назвать это «Умным домом» нельзя, так как управлять этими датчиками с единого окна интерфейса системы невозможно. У каждого из этих устройств – собственные параметры и настройки, и работают они независимо друг от друга. А«Умный дом» обеспечивает полную координацию и управление всего инженерного и электрического оборудования.
Технологией управляет интеллектуальная программа, причём её работа адаптируется под конкретный коттедж и предпочтения владельца. Для наглядности вся доступная информация о её работе отображается на сенсорном дисплее, расположенном на стене. Благодаря интуитивно понятному интерфейсу, названиям команд и поясняющим изображениям, управление системой «Умный дом» напоминает работу на электронном планшете.
Минимальный набор оборудования
По мнению Ильи Ковальчука, минимальный набор оборудования, в первую очередь, должен обеспечить безопасность, возможность удалённого мониторинга коттеджа при помощи видеонаблюдения или датчиков сигнализации и движения, а также возможность управления отоплением. Таким образом, технология убережёт от краж и нештатных ситуаций.
Андрей Назаренко :
– Если система может самостоятельно изменить свой статус, то её можно считать умной.
Главным назначением технологии является повышение уровня комфорта проживания. Сюда входит и удобство управления: освещённостью помещения, минимизация пультов управления техникой, оптимальная работа всех инженерных систем коттеджа в целях экономии энергии.
Тёплые полы, которые отключаются на целый день, когда вы уходите на работу, и включаются за час до вашего возвращения, тем самым экономя энергию, можно назвать «умными» тёплыми полами.
Екатерина Королёва :
– Есть пакет минимальных функций, при котором система имеет право называться «Умным домом». В него входят две или более функции, которыми можно управлять с одного интерфейса:
- контроль протечки воды;
- охранно-пожарная сигнализация;
- контроль утечки газа;
- управление светом;
- управление климатом;
- голосовое оповещение.
Илья Ковальчук :
– «Умным домом» называют и простейшие системы мониторинга и управления: GSM-розетки, системы оповещения о внештатных ситуациях. По моему мнению, так можно называть любую схему управления или мониторинга, построенную на основе высокотехнологичного оборудования, которая приносит реальную пользу своему владельцу.
Современные технологии и материалы предоставляют возможность постепенного наращивания функционала, что позволяет начать с малого, а впоследствии создать сложную и многофункциональную систему автоматизации.
Илья Ковальчук :
– Одну управляемую розетку (в которую включён обогревательный прибор) «Умным домом» можно назвать с большой натяжкой, но кому-то она сможет реально облегчить жизнь, сэкономить расходы на электричество, помочь сделать свою жизнь более комфортной даже в квартире. В перспективе она может стать частью более сложной схемы.
Подобная гибкая настраиваемость позволяет воплощать в жизнь любые решения.
Екатерина Королёва :
– Возможности безграничны. Функционал может ограничить только фантазия. Проще говоря, все приборы, которые имеют кнопку «вкл.» или «выкл.» – можно автоматизировать.
Как это работает
Илья Ковальчук :
– В коттедже есть Интернет, установлен контроллер «Умного дома» и несколько датчиков температуры и движения. Даже такая минимальная система оповещает пользователя о вторжении в его жилье, направляя ему на телефон сигнал: СМС-уведомление. Также в систему входит контроль за температурой и влажностью в доме.
Далее, добавив розеточные модули (умные розетки или установив реле), появляется возможность автоматически – по графику или каким-то событиям, контролировать электрооборудование, управлять степенью освещения. В зависимости от температуры в помещении – включать и выключать отдельные отопительные приборы, кондиционеры, поддерживая комфортную атмосферу. Причём, при наличии многотарифного счётчика, а также в отсутствие хозяев таким образом можно сэкономить на электричестве.
Илья Ковальчук
:
– Собираясь на дачу, можно заранее, через телефон, Интернет и т.д. установить комфортную температуру. Для безопасности, в любой момент к системе можно добавить противопожарные датчики, датчики протечки воды, утечки газа.
Впоследствии, по срабатыванию таких датчиков, можно организовать перекрытие воды и газа.
Расширять систему можно практически бесконечно.
При помощи «Умного дома» можно:
- открывать въездные ворота, рольставни, жалюзи;
- управлять светом;
Свет может зажигаться, реагируя на приближение людей, и отключаться при их удалении.
- управлять отопительными котлами и тёплыми полами, поддерживая оптимальную температуру;
- следить через камеры видеонаблюдения за коттеджем и территорией;
Картинка может в режиме реального времени передаваться на экран телефона, планшета или ноутбука.
- заменить все пульты дистанционного управления телевизоров и мультимедийных устройств;
- имитировать присутствие людей;
За счёт включения и отключения света, подъёма и опускания рольставней создаётся видимость жизнедеятельности, что может отпугнуть воров в случае долгого отсутствия хозяев.
- автоматизировать полив.
Всем этим можно управлять удалённо, с любых устройств, и получать любые уведомления о работе систем.
Особенности монтажа
Илья Ковальчук :
– Существует множество систем и протоколов, предназначенных для реализации «Умных домов». По сути, можно использовать любой протокол, предназначенный для автоматизации. От промышленного протокола RS-485 до обычного Wi- Fi.
В данный момент наиболее востребованы протоколы управления, предназначенные именно для домашней автоматизации и, по большей части, беспроводные, то есть не требующие прокладки большого количества проводов, глобальных изменений в электропроводке и т.п.
Базой для «Умного дома» может стать и обычный персональный компьютер, а многие контроллеры представляют собой устройства с операционными системами семейства Linux.
Андрей Назаренко :
– Оптимальный вариант построения «Умного дома» – когда все устройства обмениваются между собой данными по кабелю, используя протокол KNX.
KNX – это единый унифицированный международный стандарт обмена данных, предназначенный для автоматизированных систем управления.
Многие застройщики заранее закладывают кабель в стены. В будущем это обеспечивает возможность монтажа оборудования без дорогостоящих переделок уже готового интерьера.
Екатерина Королёва :
– Основное требование к оборудованию – это его надёжность. Также оборудование должно быть гибким для программирования, функциональным и иметь приемлемую стоимость.
Если вы планируете использовать у себя в коттедже систему «Умный дом», то о ней необходимо задуматься ещё при проектировании всех инженерных систем.
Процесс установки системы разбивается на следующие этапы:
- На этапе черновых работ производится закладка всех коммуникаций, в т.ч. – и проводов.
- На этапе завершения чистовых работ устанавливается все необходимое оборудование, датчики, шкафы автоматики, производиться их настройка и программирование системы.
- Далее идут пусконаладочные работы и сдача системы в эксплуатацию.
Оснастить системой «Умный дом» можно любое жилище используя оборудование, которое работает по радиоканалу. Но такое оборудование не даёт 100 % гарантии исполнения команды. А если хозяин захочет автоматизировать объект уже после ремонта, то можно все коммуникации спрятать в фальшпотолок или в пол.
Т.к. «Умный дом» зависит от электричества, особое внимание следует уделить монтажу электросети.
Илья Ковальчук :
– Все оборудование, необходимое для создания «Умных домов» предназначено для стандартных сетей в 220 В. Благодаря беспроводному оборудованию, «умным» можно сделать уже любой существующий коттедж, особо не переделывая его проводку, без ремонта и изменений в дизайне помещений и т.д.
Любое жилье начинается с безопасности, поэтому «умной» должна быть и его электрика. Важно всё – правильный расчёт сечения проводов, наличие УЗО или дифференциальных автоматов, заземления.
Илья Ковальчук :
– Учитывая, что «умная розетка» стоит не намного дороже обычной современной розетки, включая стоимость её установки, то, создавая «Умный дом» с нуля и заранее составив проект, стоимость автоматизации можно уменьшить, а экономия на электроэнергии быстро окупит это удорожание.
Разбираемя, не придется ли из-за энергопотребления системы «Умный дом» получать бешеные суммы счетов за электричество в конце месяца.
Илья Ковальчук :
– Одним из основных предназначений системы «Умный дом» является экономия энергоресурсов. Управляющее оборудование, датчики, исполнительные устройства – слаботочные и потребляют минимум электроэнергии.
В плане энергопотребления расходы – ничтожны, а экономия может быть многократной. Грамотно проведённая и надёжная электрика – это уже элемент «Умного дома». Системы «Умный дом» могут работать стабильнее многих других домовых электроприборов.
Любой из загородных жителей сталкивался с ситуацией отключения света, и не понятно, что делать в этом случае.
Екатерина Королёва :
– В случаях отключения света, система автоматически переходит в режим аварийной работы. Записываются показания со всех датчиков, и, когда электроэнергия будет подана в 100% объёме, всё возвращается в состояние «как до отключения».
Представим, что в коттедже отключили свет. В этом случае система «Умный дом» голосом оповестит вас о том, что произошло отключение. Если же дома никого нет, то система отправит СМС и сама позвонит пользователю на мобильный телефон. На аккумуляторах бесперебойного питания система продолжит работать и поддерживать основных потребителей электроэнергии: холодильник, систему отопления, аварийное освещение, системы безопасности. В случае продолжительного отсутствия электричества система автоматически запускает генератор.
Илья Ковальчук :
– Чтобы обеспечить работоспособность всех элиментов: интернета, видеонаблюдение, датчики и исполнительные устройства, достаточно хорошего компьютерного источника бесперебойного питания.
Т.к. все оборудование «Умного дома» относится к виду слаботочного, то мониторинг и обратная связь с ним в этом случае сохранится. Хозяин коттеджа узнает об отключении электроэнергии, неработающем отоплении, других внештатных и чрезвычайных ситуациях и т.п.
Учитывая особенности нашего энергоснабжения, желательно поставить стабилизаторы напряжения. Это необходимо для нормальной работы обычных электроприборов.
Системы энергоснабжения могут включать в себя бесперебойное электроснабжение на случаи отключения электроэнергии. Это могут быть как генераторы, с автозапуском и без, интегрированные в общую схему электрики или просто позволяющие эксплуатировать минимальное количество электроприборов. Также это могут быть более сложные и дорогие системы бесперебойного электроснабжения на базе инвертеров и аккумуляторов.
Такие системы обеспечивают все здание электроэнергией до суток и более.
От скачков напряжения, импульсных помех электроприборы и другое оборудование могут защитить дифференциальные автоматы, сетевые фильтры, устройства защитного отключения.
Илья Ковальчук :
– Для повышения автономии жилья можно разделить потребителей электроэнергии на две группы – важные (котельное оборудование, холодильник, сигнализация и т.п.) и второстепенные. В случае отключения электричества автоматика сама отключит часть менее значимых электроприборов, питая от генератора только самое важное электрооборудование.
Считаем выгоду
Каждый владелец загородного жилья хочет, чтобы все вложения в жилье отрабатывались на все 100 %. И для того, чтобы понять, как работает система «Умный дом» и как это может сэкономить средства, необходим комплексный подход.
Илья Ковальчук :
– Если в системы «Умного дома» включить управление отоплением, то окупиться система может за один отопительный сезон.
Окупаемость других систем – охраны, противопожарных датчиков, системы контроля протечек воды, утечки газа, заморозки труб – в таких случаях также очевидна.
Екатерина Королёва :
– Система окупит себя полностью в ту же минуту, когда предотвратит ЧС, пожар, затопление, утечку газа, проникновение посторонних на объект и т.д.
Также с помощью автоматики можно осуществлять удалённое наблюдение за жилищем находясь в отпуске, с возможностью управления приборами, светом, климатом с любого мобильного устройства или ПК.
Подведя итог статьи, можно сказать, что, используя "Умный дом » вы постоянно держите руку на пульсе работы вашего коттеджа.
Принято считать, что концепция «Умного дома» (от английского smart house) берет свое начало в середине прошлого века, но из-за высокой стоимости реализации подобные проекты не получили широкого распространения. Ситуация в корне изменилась с развитием электроники и в настоящее время такие системы хоть все еще не внедряются повсеместно, но уже и не воспринимаются как диковинка. Предлагаем рассмотреть, что представляет собой «Умный дом», его круг задач, а также возможность самостоятельной реализации такого проекта.
Что такое система «Умный дом»?
Под данным термином подразумевается программно-аппаратный комплекс, позволяющий автоматизировать и упростить управление различными системами, а также другим оборудованием дома или квартиры.
В качестве примера приведем функции, которые могут быть возложены на «Smart house» (далее SH):
Управление системой освещения, например:
- включать свет по сигналу датчика движения;
- имитация присутствия хозяев (периодически зажигается свет в разных комнатах);
- изменение различных вариантов подсветки интерьера;
- дистанционное управление светом при помощи планшета или смартфона и т.д.
Вариант функционального набора охранной системы:
- получение SMS сообщений в случае включения, отключения и срабатывания системы;
- отправка MMS сообщений с видеокамер при поступлении сигналов от датчиков движения;
- возможность просмотра видеозаписи через Интернет и т.д.
Система климат-контроля:
- поддержка температуры на заданном уровне, с возможностью его установки дистанционно (например, при помощи смартфона);
- установка режима максимальной экономии при отсутствии хозяев и т.д.
Это далеко не полный функциональный набор, он может быть расширен в зависимости от пожеланий и финансовых возможностей. Благодаря развитию беспроводных технологий масштабируемость системы не требует капитального ремонта.
Какие минусы имеет “Умный Дом”:
- Любая электроника не застрахована от сбоев или зависаний. Нужно быть готовым к тому, что в любой момент понадобится перенастройка отдельных электронных систем и компонентов вручную;
- Дороговизна. На рынке России и СНГ производители продают системы по минимальной цене от 2000 долларов до 5000, в зависимости от «начинки» и пожеланий заказчика.
Как сделать дом «Умным»?
В идеале реализация подобных решений должна вестись на этапе строительства, но такой вариант ввиду разных причин не популярен среди застройщиков. В результате остается два способа автоматизации:
- Обратиться в профильную компанию, где на основе ТЗ заказчика будет составлен проект с его последующей реализацией. Минимальная стоимость такого решения варьируется, как уже было сказано выше, в пределах $2000-$5000, максимальная зависит от функционального набора и используемого оборудования.
- Самостоятельно разработать и внедрить систему «Умный дом».
В первом случае заказчик получает готовое решение, под ключ. Во втором, стоимость реализации можно существенно сократить, если не на порядок, то в несколько раз, особенно если использовать для этой цели платформу Ардуино (о ней мы расскажем немного ниже). Необходимо предупредить, для реализации проекта потребуются навыки программирования, но разработчики постарались максимально упростить эту задачу.
Кратко о платформе
Основа платформы это плата с микроконтроллером (далее МК) и электронным обвесом к нему. К контролеру выпускается множество различных датчиков и плат расширения с теми или иными функциями.
Обозначение:
- Порт для перепрошивки (стандартный USB).
- Кнопка аппаратного сброса.
- Сигнал опорного напряжения.
- Контакты для цифровых сигналов.
- Сигнал ТХ.
- Сигнал РХ.
- Порт для подключения внешнего программатора.
- Контакты для аналоговых сигналов.
- Подключение внешнего питания.
- +5 В.
- +3,3 В.
- Сигнал сброса.
- Разъем для источника питания.
- Микроконтроллер.
Особенность платформы заключается в том, что процесс программирования МК максимально упрощен. Прошивка при помощи встроенной программы-загрузчика через имеющийся на плате порт USB. На случай случайного «затирания» этой программы предусмотрена возможность перепрошивки стандартными программаторами.
Для программирования используется бесплатная оболочка (Arduino IDE), совместимая с наиболее распространенными операционными системами (Windows, Linux, Mac OS). В эту оболочку входит текстовый редактор для написания программ, компилятор и библиотеки. В качестве базового языка программирования используется упрощенный вариант С++. Более полную информацию о программировании МК можно получить на сайте разработчика и тематических форумах. В этих же источниках можно узнать все о визуализации управления системой.
Оболочка для программирования Ардуино
Ориентировочная стоимость оригинального базового модуля $30 – $50 (в зависимости от модификации), китайских аналогов – $10-$16.
Примеры плат расширения и датчиков
Приведем краткое описание шилдов, которые могут понадобиться при разработке собственного проекта SH.
Модуль для подключения к локальной сети или интернет по стандартному протоколу TCP/IP. В качестве основного элемента используется контроллер ENC28J60. Данное устройство позволяет организовать визуализированное управление системой с веб-сайта.
Подключение сетевого модуля к Ардуино
Модуль GPRS/GSM SIM900 позволяет осуществлять управление системой при помощи обмена данными через сеть любого мобильного оператора. Для подключения к сети используется стандартная SIM карта. Имеется возможность отправки SMS и ММС сообщений, в библиотеке модуля реализована поддержка других функций.
Реле электромеханического действия на 10 А 250 В, может использоваться для управления освещением или другой соответствующей нагрузкой. При подключении питания включается светодиод красного цвета, если реле срабатывает, то дополнительно загорается зеленый индикатор. Сигнал можно подавать от любого цифрового выхода МК.
К сожалению, при максимальной нагрузке или близкой к ней у электромеханических реле, через несколько недель работы могут начать залипать контакты, поэтому для управления работой электрокотлов системы отопления они не подходят. Но не стоит расстраиваться, для платформы Ардуино можно найти модули на все случаи жизни, в данной ситуации решить проблему можно при помощи твердотельного реле, например SSR-25DA.
Обозначения:
- GND на базовой плате.
- К цифровому выходу, например, D
- Питание от сети 220 В.
- Подключение нагрузки.
Обратим внимание, что данный модуль реализован на симисторе, а для его стабильной работы требуется отвод тепла, поэтому рекомендуем вместе с модулем приобрести и штатный радиатор.
Датчики
Теперь рассмотрим несколько типов датчиков, которые также могут быть полезны для проекта, начнем с ИК устройства HC-SR501, фиксирующего движения.
Обозначения:
- Питание от источника в диапазоне 5-12 В (можно подключить к +5 В на плате контроллера).
- Сигнал, исходящий от датчика (подключается к любому цифровому входу МК)
- GND соединяется с соответствующим контактом базовой платы.
- Время задержки (удержание логической единицы на выходе) – от 5 до 300 сек.
- Чувствительность датчика (можно установить от 3 до 7 метров).
- Переключатель в режим «Н» (при серии срабатываний устанавливается логическая единица).
- Установка режима «L» (при активации посылается одиночный импульс).
Не менее полезным будет цифровой температурный датчик DS18B20 (изготавливается в герметичном и обычном исполнении). Их особенность заключается в том, что устройства не требуют калибровки и каждое из них имеет собственный уникальный идентификатор. То есть, датчик передает данные температуры и свой уникальный номер. Благодаря этому на один шлейф можно установить несколько датчиков и программно обрабатывать поступающую информацию. Ограничение длины сигнальных проводов – 50 метров.
Завершая тему датчиков, приведем модуль для измерения влажности, он может быть использован в качестве сигнализатора протечки воды или для организации полива комнатных или тепличных растений.
Обозначения:
- Цифровой выход, подключается к любому соответствующему разъему на базовой плате МК. Сигнализирует о влажности, соответствующей порогу срабатывания.
- Аналоговый выход, информирует о текущей влажности.
- Питание +5 В.
- Управление порогом чувствительности.
Мы привели только три типовых датчика совместимых с платформой, на самом деле их значительно больше. Ознакомиться с разнообразием данной продукции можно на сайтах производителей.
Закончив с обзором оборудования, перейдем к проектированию системы управления и автоматизации, начать необходимо с постановки задачи.
Определение начальных условий
В первую очередь необходимо определиться с постановкой задачи, то есть, с функциональностью системы. Допустим, у нас имеется однокомнатная квартира, которую можно условно разделить на следующие зоны:
- Тамбур.
- Прихожая.
- Туалет, совмещенный с ванной комнатой.
- Кухня.
- Жилая комната.
Задача: автоматизировать управление освещением, бойлером и системой вентиляции.
Поставим задачи для каждой из зон.
Тамбур
В данном случае можно автоматически включать свет при приближении к входной двери. То есть, потребуется датчик движения. При этом необходимо учитывать уровень освещенности, соответственно, автоматика должна срабатывать только в темное время суток. Для этого понадобиться датчик GY302 или аналогичный (в обзоре мы не приводили его, но найти описание не составит проблем). Включение и выключение лампочки (через заданное в программе время) можно доверить твердотельному маломощному реле, например G3MB-202P, рассчитанному на ток нагрузки 2 А.
Прихожая
Управление освещением в данной зоне можно организовать по тому же принципу, что и в тамбуре. Можно добавить включение света при открытии входной двери. В качестве датчика подойдет типовой дверной геркон.
Туалет и ванная комната
Включение бойлера можно связать с наличием в квартире хозяев. Если никого нет, автоматика принудительно отключает нагреватель воды при помощи модуля SSR-25DA. Отслеживать температуру нагрева нет смысла, поскольку данные устройства самостоятельно отключаются при достижении заданного порога. Свет и вытяжка должны включаться автоматически при входе человека в эту зону, и отключаться через определенное время, если не обнаруживается движение.
Автоматизация кухни
Управление освещением данной зоны можно оставить ручным, но дублировать его автоматикой, отключающей свет, если движение не обнаруживается длительное время. При работе электро или газовой плиты должна включаться вытяжка и отключаться через некоторое время после приготовления пищи. Управлять работой вытяжки можно при помощи термодатчика, фиксирующего повышение температуры при включении плиты.
Жилая комната
В данном помещении управлять освещением лучше вручную, но можно реализовать возможность автоматического отключения света при достаточном уровне освещенности.
Приведенный пример довольно условный, поскольку алгоритм работы Умного дома каждый разрабатывает в зависимости от личных предпочтений.
Особенности терморегуляции
В заключение дадим несколько рекомендаций по управлению отоплением. Следует учитывать большую инерционность данной системы. Велика вероятность того, что управление посредством простого включения и отключения отопления, в соответствии с заданным температурным диапазоном, могут создать довольно дискомфортные условия. В данном случае следует использовать алгоритм PID-регуляции, в сети доступна библиотека с его реализацией для Ардуино.
Не вдаваясь в подробности можно описать работу данного алгоритма следующим образом:
- Производится анализ между необходимой и текущей температурой в помещении, и по результату устанавливается определенная мощность отопительной системы.
- Производится учет постоянных теплопотерь. Они могут зависеть от уличной температуры или других факторов. Поэтому при достижении заданной температуры, отопление не отключается полностью, а снижается до уровня необходимого для компенсации теплопотери.
- Последний фактор, влияющий на работу алгоритма, учитывает инерционность системы отопления, что не допускает выход температуры за установленный диапазон.
Представьте такую картину: вы приходите к себе домой, а на кухне вас уже ждет теплый ужин, уютно горит в гостиной свет, белье постирано и поглажено, полы пропылесосены и вымыты, цветы политы, а домашние животные накормлены. И вы не приложили к этому никаких усилий. Представили?
Именно так работает «умный дом ». Это система управления домашними инженерными сетями, которая берет на себя все повседневные заботы и рутину. Для многих людей технологии «Smart Home » до сих пор остаются чем-то фантастическим и немыслимым. Но специалисты уверены, что через 20-30 лет все загородные коттеджи и городские квартиры станут «умными».
Smart Home и Smart House: в чем разница
Для начала определимся с терминами. Сегодня нередко путают два разных понятия: «умный дом » (Smart Home) и «умное здание» (Smart House). А это, хоть и близко по смыслу, но не вполне одно и тоже.
- Умный дом (Smart Home) – автоматизированный комплекс электроники, который осуществляет рутинные домашние дела. Например, он может приготовить кофе, разогреть ужин, включить кондиционер, открыть дверь, чтобы выпустить домашнее животное и пр. Smart Home создается в одном, отдельно взятом домохозяйстве и служит интересам конкретного пользователя/семьи. Добавим, что в нашей стране к понятию «умный дом» также относится и «мультирум» (тогда как на Западе это два разных термина). Если говорить просто, то система мультирум – это централизованное управление всеми мультимедийными устройствами вашей квартиры: телевизором, компьютером, ноутбуком, акустической системой.
- Умное здание (Smart House) – это распространенная в США технология, позволяющая автоматизировать управление большим многоквартирным жилкомплексом. Smart House контролирует работу центрального водо-, газо-, электроснабжения, отепления и безопасности. В России такие технологии все еще в диковинку, но со временем, можно не сомневаться, «умные здания» появятся во всех крупных и малых городах нашей страны.
Итак, мы разобрались, что такое Smart Home и почему его не надо путать со Smart House. Теперь перейдем к вопросу: как же работает «умный дом»?
Как действует система «умный дом»
Принцип работы Smart Home построен почти как в фантастических фильмах. Вы даете команду («включить обогреватель!») – система ее выполняет (обогреватель включен). Как именно все это происходит? В зависимости от модификации Smart Home есть два основных варианта:
- В первом случае необходимо «живое» участие человека. Вы должны лично попросить систему выполнить то или иное действие, используя для этого голос, смартфон или пульт Д/У (как вам удобнее). Пользовательская команда поступает на центральный процессор, который поручает ее реализацию конкретному устройству.
- Во втором случае непосредственное участие человека не требуется. В дело вступают разнообразные датчики и часы. Например, компьютер принимает решение включить или выключить кондиционер, ориентируясь на показания датчиков температуры. А при срабатывании датчика движения в квартире (в ваше остуствиие), центральный процессор включает сигнализацию. И так далее. В определенный момент времени, в соответствии с настройками пользователя, система разогревает чайник и готовит кофе; переключает телевизор на ваш любимый сериал; осуществляет полив цветов. Это перечисление можно продолжать очень долго.
Таким образом, система Smart Home включает в себя три основных элемента:
- датчики, воспринимающие сигналы и информацию из окружающей среды;
- центральный процессор (хаб), обрабатывающий эти сигналы и принимающий решения;
- устройства-исполнители (актуаторы), которые получают указания от хаба и непосредственно выполняют задачи по дому.
Современные системы «умного дома» допускают наличие самых разных актуаторов. Это могут быть умные розетки , системы видеонаблюдения , управляемые термостаты, системы климат контроля, умные дверные замки , системы сигнализации , робот-пылесос и пр. Подробнее о всем разнообразии приборов Smart Home мы расскажем ниже.
Связь: проводная или беспроводная
Все элементы системы могут быть соединены между собой посредством проводной, либо беспроводной связи. Применение проводов может показаться архаичным, зато это обеспечивает высокий уровень надежности. Поэтому кабельное соединение используют даже самые передовые флагманы индустрии, такие как AMX и Evika.
С другой стороны, беспроводная связь по Bluetooth и Wi-Fi – гораздо современнее, удобнее и дает больше возможностей. Включая, увеличенную дальность управления актуаторами. Некоторые производители Smart Home предлагают комбинированные решения, сочетающие как проводную, так и беспроводную связь.