Управление системой «Интеллектуальный дом» через Интернет. Аппаратно-программные решения внутренней сети.

Управление системой «Интеллектуальный дом» через Интернет. Аппаратно-программные решения внутренней сети.

Работа студента группы К9-292 Попова И.А.

Московский Государственный Инженерно-Физический Институт

(Государственный Университет)

Факультет кибернетики. Кафедра 29 “Управляющие интеллектуальные системы”

Москва 2001

Введение

В учебно-исследовательской работе на тему «Управление системой «Интеллектуальный дом» через Интернет» ставится целью рассмотреть возможности построения современной интеллектуальной системы управления зданием с удаленным управлением через Интернет. Пояснительная записка состоит из трех разделов. В первом разделе рассматривается концепция и определение интеллектуального здания, его составные части и выполняемые функции. Во втором разделе рассматривается интегрированная система управления зданием, как один из вариантов реализации концепции интеллектуального здания. В третьем разделе приведено описание частей созданного в рамках данной работы макета интегрированной системы управления интеллектуальным зданием.

Раздел 1. Интеллектуальное здание

1.1 Концепция " интеллектуального здания"

Почему появилась необходимость в интеллектуальном здании

Любое здание – будь-то 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 обслуживающего персонала, ремонт и обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации больших административных и производственных комплексов.

Современное здание такого типа — это город в миниатюре. Фактически в нем действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или администратор, которые используют и 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 их 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, землятресение и другие стихийные бедствия, террористические атаки. Здесь нужно принимать экстраординарные меры в считанные доли секунды. Реакция и корректность действий людей в критической ситуации может оказаться недостаточной.

Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в прошлом проектировались как автономные. Такие системы, создававшиеся отдельно для каждой функции и объединенные для произвольной части здания. В зданиях устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, какие 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 слагаются из затрат на эксплуатацию каждой автономной системы в отдельности, 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 эксплуатацией каждой автономной системы.

Основные положения концепции интеллектуального здания

В настоящее время для комплексного решения вышеперечисленных проблем используется подход, называемый «Интеллектуальное здание» (ИЗ). «Интеллектуальное здание» — не очень точный перевод английского термина " intelligent building". Под интеллектом в этом подходе понимается умение распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать (естественно, степень этого умения может быть различной, в том числе очень высокой). Вместе с тем, в соответствии с буквальным переводом с английского, ИЗ можно интерпретировать как " разумно построенное" [3]. Это означает, что 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 управление зданием - системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других.

- Устранение всего обслуживающего персонала здания и передача функций контроля и принятия 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 внештатных 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.

Возможности интеллектуального здания

Интеллектуальное здание имеет массу преимуществ перед неинтеллектуальным. Интегрированная система управления зданием позволяется владельцам здания создавать сколь угодно сложные и интеллектуальные процедуры функционирования этого здания, т.к. все исполнительные системы этого здания могут работать согласованно и совместно. Отсюда следует реализация множества ресурсосберегающих процедур, процедур контроля доступа и обеспечения безопасности здания, учета и контроля практически всех параметров систем здания и оперативное реагирование на их критическое изменение, причем реакция является комплексной и мгновенной, удаленного контроля и управления зданием, т.к. все информационные и управляющие каналы связи в такой системе являются цифровыми. Далее по ходу изложения будут приведены конкретные примеры использования новых возможностей интеллектуального здания.

Кроме предоставления новых возможностей проектировщикам и владельцам интеллектуального здания, оно также является для них экономически выгодным.

Экономические аспекты

Во всех странах с развитыми рыночными экономиками прозрачны и доходы, и расходы налогоплательщиков, а последними являются фактически все граждане. Четкий контроль за доходами и расходами позволяет эффективно работать таким институтам, как ипотечное кредитование (выдача кредитов под постройку и приобретение жилья). Это приводит к тому, что покупку жилья в кредит может позволить себе большинство работоспособного населения. Каждый, взявший кредит на покупку жилья станет «жить взаймы»: львиная доля его дохода будет утекать на погашение кредита. Без страхования рисков в таком случае не возможны правовые взаимоотношения в данных экономических процессах. [6]

Поэтому во многих странах уже существует практика обязательного страхования жилья. Естественно, что страховые компании заинтересованы в качестве и надежности страхуемого жилья. Но поскольку возникновения страховых случаев не избежать, то страховые компания стремятся затем взыскать деньги с настоящих виновников, например, — строительных компаний.

«Интеллектуальное здание» в состоянии предоставить экспертам тот «черный ящик», по содержимому которого будут делаться заключения. Поэтому развитие и внедрение ИЗ в странах с развитыми рыночными экономиками сейчас идет стремительныи темпами. Даже в России современные и дорогие офисные и жилые здания уже проектируются с учетом требований концепции ИЗ, для последующего их внедрения. [6]

Кроме того сами будущие владельцы таких зданий заинтересованы в их интеллектуальности, потому что оно несомненно приносит значительную экономию средств своему владельцу за счет точного учета и контроля над всеми системами здания, а также интеллектуального и рационального использования таких ресурсов, как электричество, вода, тепло. [6]

Отличия дома от здания

Частный жилой дом или жилище отличаются от административного комплекса или цеха производственного предприятия. Можно выделить несколько аспектов использования и конструкции жилого дома, которые существенно отличаются от аналогичных в зданиях. Вот самые важные:

- в жилом доме его владелец не может и не хочет постоянно или перидически администрировать и управлять подсистемами здания. Значит интегрированная система управления таким домом должна быть построена таким образом, чтобы требовать минимального обслуживания или быть полностью автоматической.

- подключение новых приборов и устройств к такой системе должно быть максимально облегчено, т.е. сведено практически к простому подсоединению к свободному разъему в сети или даже простому включению прибора. А он сам уже должен при поддержке системы управления подключиться к ней, настроить свои параметры в соответствии с требованиями системы и предложить свои сервисы другим компонентам системы. При этом система должна предоставить пользователю по его требованию очень подробный интерфейс настройки всех ее компонент и алгоритмов функционирования.

- здесь появляется много новых аспектов, которые нужно автоматизировать - это избавление человека от повседневной работы, как то: уборка помещения, приготовление пищи, стирка одежды и т.д. Причем они в отличие от других областей очень плохо поддаются автоматизации и система должна обладать очень высоким интеллектом, чтобы приемлемым образом справляться с этими задачами.

- в функциях дома должно быть четко разграничено, что он может делать, а чего делать не должен ни в коем случае. Важно, чтобы человек знал об этом разграничении и был уверен, что дом никогда эту черту не переступит.

Состояние проблемы

На данный момент уже существуют сложившиеся решения создания интеллектуальных офисов или производственных цехов. Проблемами автоматизации управления инфраструктурой зданий начали заниматься еще более 30 лет назад. Поэтому к натоящему моменту времени существует множество стандартов и готовых решений для этого класса зданий. Но для категории частных домов, котеджей или квартир пока не существует комплексных стандартизованных решений. Хотя для жилых многоэтажек как целого в принципе приминимы системы автоматизации офисных и административных зданий.

Как было сказано выше основой реализации концепции ИЗ является создание интегрированных систем управления. В этой работе также будет создан макет интегрированной системы управления. Далее она будет рассмотрена более подробно.

Примеры алгоритмов, реализуемых в интегрированной системе

Пример 1.

Вечером сотрудники покидают здание. Кто-то еще может зачем-то вернуться, кто-то засиживается допоздна, но рано или поздно из здания уходят все. Охранная система определяет, что в какой-то момент времени все сотрудники, работающие в некоторой зоне (этаж, секция, крыло этажа), разошлись по домам. Реакцией на это может стать обесточивание системы освещения этажа, а также выключение настольных компьютеров по сети, если кто-то забыл, уходя, выключить свой ПК (подобная функция реализована во многих современных сетевых адаптерах). Экономия электроэнергии в этом случае очевидна. Если добавить частичное отключение системы отопления (в зимнее время) или ее перевод на пониженные мощности в ночное время, то материальные выгоды, приносимые ИЗ, окажутся вполне ощутимы. [3]

Пример 2.

Определение наличия сотрудника в здании может также принести пользу с точки зрения защиты информации. Если сотрудник покинул здание, то его учетная запись в информационной системе блокируется, и никто, даже зная пароль, не сможет войти в сеть под его именем. Более того, при наличии информации о том, с какой рабочей станции злоумышленник пытался войти в сеть, и о том, кто именно находился в тот момент в помещении, уполномоченные лица могут принять соответствующие меры. [3]

Но это примеры для использование интергированных систем в интеллектуальных зданиях, а для интеллектуального дома можно привести следующий пример:

К примеру хозяева дома могут смотреть программу приготовления того или иного блюда на экране телевизионной приставки, а затем послать рецепт холодильнику, который, в свою очередь, передаст список ингредиентов в интерактивный продовольственный магазин.

Уровень кабельных сетей

Современные здания требуют применения эффективных коммуникационных инфраструктур, поддерживающих работу различных сервисных систем на основе передачи информации в электронном виде. Такую инфраструктуру можно рассматривать как совокупность телекоммуникационных помещений, кабельных трасс, элементов системы заземления, кабелей и терминационного оборудования, обеспечивающих базовую поддержку распределения всей информации в здании

Стандарты кабельных сетей

В основе концепции ИЗ лежат стандарты TIA/EIA 568 и 569 для кабельных систем и технологических трасс офисных зданий [5]. Каждым стандартом рассматриваются конкретные, требующие к себе внимания вопросы, а все вместе они дополняют друг друга в деле создания оптимальной кабельной инфраструктуры. Стандарт на телекоммуникационную систему офисных зданий ANSI/TIA/EIA568A определяет в деталях структуру модели, а TIA/EIA569 дополняет его рекомендациями относительно прокладки кабельных трасс. Эти два стандарта в сочетании с TIA/EIA607 на систему заземления и TIA/EIA 606 на документацию и администрирование, а также с национальными и местными электрическими кодексами образуют базис для планирования инфраструктуры офисного здания. [5]

Что такое fieldbus?

До начала 1980-х наиболее распространенным средством связи между системами управления, полевым оборудованием и контрольно-измерительными устройствами был аналоговый сигнал. Однако, в 1983 ведущие производители начали выпускать " интеллектуальные" полевые приборы с встроенными запатентованными протоколами цифровой связи, которые позволяют осуществлять функции двусторонней связи между приборами и системами управления, дистанционной конфигурации и более точного, воспроизводимого управления. Это заставило Международную электротехническую комиссию (IEC) в Европе разработать стандартный цифровой протокол, который должен был иметь ряд преимуществ по эффективности и экономии, включая следующее [4]:

- соединение приборов по многоточечной схеме, которая дала бы возможность подключать несколько приборов к одной полевой шине вместо того, чтобы прокладывать отдельные витые пары для каждого индивидуального прибора;

- возможность совместного функционирования различных приборов. Это означает, что пользователи могут сочетать в одной системе разные приборы от самых разных производителей, при этом все приборы будут
функционировать правильно и взаимодействовать друг с другом и системой управления;

- равноправная связь между интеллектуальными приборами, подключенными к шине (не требуется вмешательство системы управления в обмен данными), что позволяет распределить задачи управления на уровне полевого
оборудования;

- расширенные возможности передачи данных по сравнению с аналоговой связью. Эти данные затем могут быть использованы в оперативном режиме в самых различных приложениях;

Сети, соответствующие данному стандарту могут быть эффективно использованы для построения интегрированной системы управления, потому что они обеспечивают ряд условий функционирования устройств в такой системе:

- небольшой объем передаваемых данных

- необходимость синхронизации всех устройств во время функционирования

- необходимость взаимодействия между несколькими устройствами напрямую

Для окончательной стандартизации была создана организация Fieldbus Foundation которая разработала стандарт FOUNDATION fieldbus – стандарт на построение сети контроля и управления различными устройствами. Он объединяет в себе все основные качества сетей подобного типа, поэтому мы его рассмотрим подробнее.

Архитектура системы

Контроллеры, верхнего уровня, так называемые сетевые контроллеры подключаются к существующей локальной сети здания и обеспечивают связь с контроллерами нижнего уровня - исполнительными контроллерами [2]. Датчики температуры, влажности и т.п., подключаются к исполнительным контроллерам. К ним же подключается и " оконечное" оборудование - силовые реле моторов и лампы освещения, приводов вентиляционных заслонок, замки дверей и сигнальные лампочки [2].

Условия создания системы

Так как этой работе ставилось целью рассмотреть вопросы удаленного управления системой интеллектуального дома, то для практического исследования теоритеческих выводов необходима реализация принципов ИЗ в некотором макете интегрированной системы управления. В силу непреодолимых ограничений условий реализации системы, а именно, отсутсвии необходимых средств для реализации уровня структурированных кабельные сетей и уровня системы управления технологической инфрастуктурой здания, то они моделируются с помощью имеющихся в наличие вычислительных и коммуникационных средств. Это персональные компьютеры, локальная сеть стандарта Ethernet на базе стека протоколов TCP/IP и самостоятельно спроектированное устройство, подключающееся к последовательному интерфейсу COM персонального компьютера и выполняющее роль модели датчика и исполнительного устройства. Также не ставится целью достичь соответствия значений различных технических параметров реализованного макета реально существующим стандартам и системам.

Архитектура системы

Физически реализация системы представляет собой макет, состоящий из нескольких компьютеров, объединенных локальной сетью Ethernet, к которым, с помощью последовательного интерфейса, присоединяются спроектированные устройства. Для того, чтобы создать устройства, выполняющие различные функции в интегрированной системе, их алгоритмы работы имитируются на программном уровне. Аппараттурно все устройства идентичны и предоставляют одинаковые функции. На нижеприведеной схеме системы (Рис.1) изображена структура подключения и взаимодействия частей системы.

Рис. 1

Макет состоит из модулей, которые имитируют работу устройств, подключенных к интегрированной системе. Каждый модуль состоит из компьютера и подключенного к нему через интерфейс RS-232 модуля. Коммуникационная среда интегрированной системы также имитируется на этих компьютерах.

Заключение

Целью этой этой работы ставилось рассмотрение возможности построения современной интеллектуальной системы управления зданием с удаленным управлением через Интернет. При изучении концепции интеллектуальной системы управления зданием были сформулированы основные требования и характеристики ее реализации. Среди существующих в мире на сегодняшний день реализаций наиболее полно удовлетворют требованиям концепции интеллектуального дома интегрированные системы управления зданием. В рамках своих стандартов они обеспечивают выполнение всех требований ИЗ, обладая при этом несомненными достоинствами:

- длительная и глубокая проработка таких систем множеством разработчиков;

- наличие открытых стандартов, поддерживаемых широким кругом разработчиков;

- экономические выгоды как для создателей систем, так и для их пользователей;

Поэтому данная реализация была выбрана в качестве объекта для создания макета. Макет был создан с применением имеющихся в наличии технических средств. Тестирование и проверка работоспособности макета показала корректную работу модулей и выполнение заложенных в макет функций по удаленному уравлению ИЗ.

Список литературы

1. И.Федоров, «Сколько этажей у интеллектуального здания? » - " Бизнес: Организация, Стратегия, Системы", №10 1999 г.

2. В. Архипов «Системы для «интеллектуального» здания» - " СтройМаркет", № 45 1999 г.

3. А. Авдуевский «Крыша для интеллекта» - «Журнал сетевых решений LAN», №12 1998 г.

4. Информация сайта http: //www.fieldbus.narod.ru/

5. И.Г. Смирнов «Должны ли кабельные системы быть структурированными? » - " Вестник связи", №8, 1998 г.

6. Ю. Королев «УМНЫЙ ДОМ: приятная неизбежность» http: //www.sf.perm.ru/kd_dop_house.html

7. Новичихин В. Пояснительная записка к УИР.