Отсутствующие технические основы для умных зданий

С инженерной точки зрения мы можем легко сделать здания умнее, поскольку у нас уже есть необходимые процессоры и программное обеспечение. Инженеры могут разместить крошечный процессор за 3 доллара в каждом месте и объединить их в сеть. Эти места включают выключатели, розетки, двигатели, которые закрывают окна термоизоляционными крышками, и насосы, перекачивающие воду из резервуаров для хранения тепла на радиаторные клапаны.

Затем есть крупная бытовая техника, термостаты, датчики температуры, датчики присутствия и пожарные извещатели. Эти устройства могут управлять системой кондиционирования воздуха, поступающей в каждую комнату, перемещать воздух из одной комнаты в другую с помощью центральной системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также нагревать или охлаждать резервуар с водой для хранения тепла с помощью солнечной энергии для использования, когда солнце не светит. Кроме того, они могут перемещать подземную воду с температурой 60 ° F в тепловые насосы, управлять моторизованными тепловыми оконными крышками, встроенными в стену, которые выдвигаются по мере необходимости, и регулировать освещенность каждой лампочки.

Так в чем проблема?

Этого не происходит по нескольким причинам:

• У нас нет общепринятой стандартной системы связи в зданиях, которая могла бы подключать процессоры с надежностью ≥99,999% и по низкой цене. «Пять девяток» означает, что система выходит из строя в среднем ≤10 минут в год.
• У нас нет общепринятой стандартной операционной системы (ОС), которая работает на всех устройствах в здании. У нас есть Windows для компьютеров, iOS на iPhone и Android на других смартфонах. Это позволяет этим вычислительным устройствам координировать свои действия и подключаться к различным программным пакетам. Однако у нас нет общепринятой ОС для устройств умного здания, что затрудняет интеграцию нескольких умных устройств в здание по принципу plug-and-play.

Как обеспечить надежность

Когда включается физический настенный выключатель света, связь между выключателем и потолочной лампой работает ≥99,999% времени. Это тонкий момент, которому мало внимания, но он важен. Жильцы и строители не приемлют меньшей надежности от общей инфраструктуры здания.

Стоит отметить, что беспроводная связь и связь по линиям электропередач значительно менее надежны:частота отказов составляет от 1% до 10%. Это связано с мертвой зоной, переполненным спектром, низким отношением сигнал / шум, слишком маленькими антеннами и заблокированными сигналами. Связь по линии электропередачи включает размещение сигнала данных на проводе питания, но сигнал должен быть направлен в блок предохранителей, а затем выведен наружу; это смешивается с сильными динамическими падениями напряжения на кабеле питания, что приводит к частым ошибкам.

Здесь, если инженеры хотят использовать недорогие микроконтроллеры для подключения здания к сети, им нужен провод, поддерживающий шину CAN, сетевая система, используемая автомобилями для соединения датчиков и исполнительных механизмов. Он защитит провод данных от повреждения в случае его случайного подключения к проводу питания.

Существует тип топологии проводки, называемый «деревом», что означает, что один кабель подключается к нескольким устройствам и имеет ответвления. Потребуется система проводов данных, которая поддерживает это, поскольку силовые кабели и геометрия здания настроены как ветви в дереве. Он отличается от Ethernet, в котором между двумя устройствами используется один провод, и от гирляндной цепи, в которой несколько устройств проходят по одному проводу без ответвлений.

Легкие и тяжелые приложения

В умном здании потребителей можно разделить на две категории:легкие и тяжелые. Легкая категория потребляет менее 20 Вт, тогда как тяжелые пользователи потребляют больше. Категория освещения включает светодиодные лампы, выключатели света, термостаты, датчики температуры, датчики присутствия, пожарные извещатели, двигатели для оконных тепловых покрытий, двигатели для штор и жалюзи, двигатели для заслонок в воздуховодах / вентиляционных отверстиях и радиаторные клапаны. Категория Heavy включает 110/220 В _AC электрические розетки, HVAC, крупная бытовая техника и вентиляторы.

Например, светодиодная лампа мощностью 10 Вт потребляет 0,1 А при 110 В _AC . , а это 1/200 ^th предохранителя на 20 А. Большинство устройств в здании относятся к категории легких. Чтобы сэкономить деньги, инженеры могут подключать осветительные устройства с более низким напряжением питания и менее громоздким силовым кабелем. Например, свет может пропускать 48 В _DC включите провод 18-AWG, в то время как тяжелые приложения могут использовать традиционные 110/220 В _AC питание по проводу 14-AWG.

48 В _DC питание включает более дешевую электронику и защиту проводов данных. Кроме того, 48 В _DC влечет за собой строительные нормы с меньшим количеством ограничений по проводке. Итак, если большинство устройств питаются от менее дорогостоящего 48 В постоянного тока _DC , инженеры потенциально могут перенаправить сэкономленные деньги на подключение сетевых интеллектуальных устройств в любом месте.

Сеть автоматизации подключается из центра по всему зданию. Источник:Манхэттен 2

Общее программное обеспечение на всех устройствах

Если инженерам нужны интеллектуальные устройства с низкой стоимостью и высокой надежностью, есть только один способ сделать это:установить одно и то же программное обеспечение на все устройства. Это также единственный способ заставить мир согласиться сделать его бесплатным и открытым, что означает, что каждый может использовать и изменять бесплатно. Еще одно требование:качество. Система не будет хорошо воспринята, если она содержит ошибки и плохо документирована.

Существуют существующие сетевые протоколы, которые определяют, как взаимодействуют устройства, но они не включают программное обеспечение, которое упрощает создание полноценной интеллектуальной системы. Итак, студенты инженерных специальностей работают над бесплатной и открытой операционной системой для смарт-устройств в Университете Массачусетса в Амхерсте и других школах под названием BuildingBus.

Любое устройство может отправить сообщение на любое другое устройство; может читать или записывать любой порт на любом другом устройстве; может получать библиотеку, содержащую информацию о других устройствах; может контролировать датчики с любого другого устройства в псевдореальном времени; и может отправить команду на любое другое устройство. Поскольку каждое устройство знает, какое программное обеспечение работает на каждом другом устройстве, оно может легко координировать действия, обеспечивая при этом отказоустойчивость, высокую надежность и автоматическую настройку.

Одна и та же операционная система на всех устройствах и надежная система связи могут сделать здания более интеллектуальными и энергоэффективными при низких затратах. Над этим уже работают исследователи. Однако неясно, какая из различных инициатив даст лучшее решение, и в ближайшие годы мы, вероятно, увидим несколько решений, которые сделают здания умнее.

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EDN .