Умное здание — полный контроль за управлением инженерных систем

Сегодня под термином «системы жизнеобеспечения здания» принято понимать совсем другой комплекс инженерных решений, нежели 20-30 лет назад. Систем стало больше, они усложнились, и каждая требует отдельного контроля и управления. Именно поэтому сегодня системы умного здания становятся все более актуальными: простого механического интерфейса управления для всех систем становится просто недостаточно.

АСУЗ — автоматизированная система управления зданием, призвана решить проблему интеграции различных подсистем здания в единый эффективный комплекс. В английском языке система известна как BMS — от Building Management System.

Цели и задачи системы

Термин умное или интеллектуальное здание довольно старый, он возник еще в семидесятые годы прошлого века и означал эффективное использование пространства здания. Его, по мнению разработчиков, должен обеспечивать программно-аппаратный комплекс BMS, который объединяет различные системы разных производителей в одну, часто оснащенную искусственным интеллектом.

Умный дом уменьшает влияние человеческого фактора на ключевые системы, тем самым повышая надежность функционирования всех систем, делает их работу эффективнее за счет интеграции разрозненных данных и повышения удобства доступа к ним. За счет сведения всех процессов к общему знаменателю значительно увеличивается и энергоэффективность здания: компьютеру гораздо проще поддерживать необходимый режим работы таких потребителей энергии как освещение и климатические системы.

Такая система как умное здание идейно схожа с популярной в настоящее время системой умного дома, отличаясь от «домашней» версии более широким охватом инженерных систем. Тем не менее, обе системы направлены на повышение комфорта тех, кому приходится жить или работать в здании. С применением АСУЗ повышается и комфорт работы обслуживающего персонала, поскольку все необходимые данные и средства управления собраны в одном программном комплексе. Также возрастает и оперативность принятия необходимых решений в чрезвычайных ситуациях, поскольку система включает пожарную и охранную сигнализации.

Из чего состоит автоматизированная система управления зданием

Центральным модулем системы интеллектуального здания является компьютер с соответствующим программным обеспечением. Именно он служит центральным интерфейсом для управления всеми инженерными системами, которые имеет в распоряжении интеллектуальное здание. В нее входят следующие системы, управление которыми необходимо в разных ситуациях:

1. Освещение: сюда входят лампы внутри и снаружи здания, управляемые реле и таймеры, датчики интенсивности света, детекторы движения.
2. Вентиляция: поддерживает необходимый баланс температуры и влажности в помещениях, пользуясь данными от соответствующих датчиков. Сюда входит и управление кондиционерами в здании.
3. Безопасность: в эту подсистему входят все устройства, обеспечивающие безопасность здания. Это и электронные замки с карточной или кодовой активацией, видеонаблюдение, пожарная сигнализация. Системы управления зданием в случае внештатной ситуации могут воспроизводить определенные сценарии, например одновременное включение системы пожаротушения и открытия всех дверей для эвакуации персонала.
4. Аварийное питание: аварийные генераторы или источники энергии большой емкости требуют отдельного контроля и оперативного включения в случае аварии, поэтому также контролируются BMS.
5. Климат-контроль в помещениях: поскольку вся система должна обеспечивать комфорт всех людей в здании, она может контролировать температуру в отдельных помещениях, основываясь на данных от датчиков движения, температуры, прогноза погоды и времени. Это позволяет системе умный дом экономить ресурсы, отключая обогрев в помещениях, где никто не находится.
6. Мультимедиа система: она включает систему оповещения и вывода информации, часто к ней подключают проекторы, мониторы и звуковые системы. Также сюда входят коммуникации, ip-телефония и системы для создания видеоконференций.

Эти подсистемы могут интегрироваться в один комплекс или работать относительно независимо (например, охранная система в целях безопасности может быть вынесена в отдельный блок).

Рынок СНГ

Сегодня рынок интеллектуальных решений для зданий в странах СНГ наиболее широко представлен в сегменте офисных зданий. Наибольшее распространение bms как система управления зданием получила в России, там, в частности, растет спрос на умные дома в сфере элитного жилья, для Москвы показатель потенциального спроса в этой области составлял 140 млн долларов.

Выставка Integrated Systems Russia 2016

В мире большую часть рынка систем для интеллектуализации домов занимают европейские страны с показателем около 40%. Еще 20% рынка занимают Япония и другие страны Азии, около четверти принадлежит Северной Америке.

Сегодня решения, применяемые для офисных зданий, все чаще устанавливают в обычных жилых домах: китайские производители смогли существенно уменьшить стоимость подсистем и комплектующих. Прогресс в области мобильный электроники, в частности смартфонов, помог сделать программную оболочку системы управления доступной для большинства пользователей. Теперь сделать дом разумнее стремятся для снижения расходов на коммунальные услуги, которые в последнее время существенно подорожали. Лишь одна экономия на электричестве и отоплении может компенсировать расходы на установку системы умный дом за несколько лет.

Выставка HI-TECH BUILDING

Также многие застройщики переходят к практике создания системы интеллектуального здания в масштабах жилого дома. Интеллектуальная система контролирует все необходимые показатели во всей постройке, а жильцам остается установить личные системы в своих квартирах, интегрировав их в общую сеть. Тем не менее, пока гораздо чаще встречаются полностью индивидуальные системы.

Практическое применение

На этапе проектирования умный дом может обойтись недешево: вплоть до 100 долларов за квадратный метр. Нередко цена системы интеллектуального здания повышает общую цену постройки в два раза, хотя в среднем прирост наблюдается на уровне 30%. Однако экономия на эксплуатационных расходах в системе умный дом может составить до 70%, наиболее актуально это для производственных зданий. Так на заводе АЗЛК реконструировали систему теплоснабжения, используя принципы BMS. Кроме обеспечения экономии энергии, которая идет на обогрев и вентиляцию помещений, а так же улучшения контроля состояния системы, интеграторы добавили в систему библиотеку возможных аварийных ситуаций с инструкциями для обслуживающего персонала, дополнительно интеллектуализировав систему.

Автоматизированные инженерные системы на заводе

Для контроля за микроклиматом на вышеупомянутом объекте использовали математическую модель помещения, которая описывает весь объект как систему уравнений теплового баланса. В ней учтены теплопотери через окна, выделение тепла рабочим оборудованием, изменения в общей температуре при воздухообмене. Для контроля за всеми этими параметрами разработали специальный комплекс программ автоматизации процесса отопления. Так оптимизирующая программа выполняет расчет тепловой энергии, необходимой для поддержания заданного температурного режима в разных помещениях, которая учитывает время, необходимое на смену режимов: в нерабочее время температура снижается, а до наступления рабочего – автоматически повышается.

Программа наблюдения следит за отоплением в течение длительного времени, а программа аварийного оповещения наблюдает за возникновением непредвиденных ситуаций в исполнительных механизмах. Среди прочего программный комплекс возможно доработать, предусмотрев возможность самообучения, что сделает систему гораздо более гибкой. Тем не менее, даже в таком виде реконструкция системы принесла экономию энергии на уровне 20% и окупилась уже через 5,4 месяца.

Интерфейс программы по управлению вентиляцией Building Management System (BMS)

Для парковки применение системы BMS может принести не только экономию энергии на освещении, но и существенное повышение уровня безопасности, поскольку дает возможность организовать не просто видеонаблюдение, но и дать оператору доступ к исполнительным устройствам, например механизму перекрытия физического выхода с территории.

Одна из наиболее подходящих площадок для реализации системы умного дома – гостиница. Там она обеспечит максимальный комфорт для постояльцев и уменьшение расходов на обслуживающий персонал. В этом случае системы управления освещением в номерах могут работать в полуавтоматическом режиме и включать в себя автоматические приводы для открытия штор, а ip-телефония может существенно упростить связь клиентов с обслуживающим персоналом.

Схема организации автоматизации по принципу Building Management System

Для офисов немаловажной составляющей системы является контроль за микроклиматом в помещениях, ведь без этого продуктивность труда будет падать. Продвинутые системы должны следить не только за температурой в помещении и как следствие расходами на обогрев, но и за влажностью, а также содержанием СО2. Ведь при превышении отметки в 800 — 1 000 ppm концентрация углекислого газа начинает отрицательно сказываться на эффективности рабочих процессов, а попытка выровнять баланс за счет открытых окон отрицательно скажется на энергоэффективности здания. А также данная система может помочь в организации видеоконференций, которые в последнее время стали неотъемлемой частью любого офиса.

Как видите, применений систем умного здания на сегодняшний день множество, и во многих сферах они постепенно становятся стандартом де-факто. В будущем они будут применяться все шире, поскольку требования к энергоэффективности зданий неуклонно растут.

Умный дом и автоматизация офиса / Unet corporate blog / Habr

Умный дом (Smart Home), в представлении многих, является единым «организмом» со своими жильцами, обеспечивая их безопасность, комфорт и различные удобства для жизни. При этом отдельные компоненты такого дома «невидимы» для самих пользователей. Примерно, как не замечаешь современную операционную систему смартфона, а вызываешь нужное приложение, так и умный дом должен обеспечить своим хозяевам оптимальные условия для проведения времени в кругу семьи, встреч с друзьями или решения повседневных задач. Такой дом должен создать максимально комфортные условия для отдыха или работы, без отвлечения на бытовые мелочи и, при этом, экономя потребляемые энергоресурсы.

Очевидно, встает вопрос о том, как же построить такой идеальный дом или сделать «интеллектуальной» свою квартиру? На самом деле, ответ не совсем очевиден.

Цифровая экосистема умного здания

Для современного умного здания (Smart Building), например, бизнес-центра или офисного помещения, решение поставленной задачи достаточно прозаично. Проект такого строения уже будет включать в себя все компоненты и системы промышленной автоматизации. Будет учтено наличие централизованного пункта управления всеми компонентами постройки, ее экосистемой и связи с внешними службами. С точки зрения управления и мониторинга, в таком проекте будут применены системы промышленной автоматики, АСУ ТП (SCADA/HMI-системы) и облачные решения (Cloud Computing) крупных вендоров.

Для оборудования цифровой системы здания интеграторы вполне могут внедрить специализированные программные компоненты, которые свяжут воедино структурные составляющие здания. Для решения этих задач могут быть использованы технологии, например, Microsoft Azure IoT Suite. На нижнем уровне в таких промышленных системах автоматики будут работать специализированные исполнительные механизмы и датчики. Эти системы используют стандартизированные промышленные протоколы для связи с контроллерами управления и последующей передачи информации в облако для визуализации происходящих процессов в задании, архивирования истории данных и выполнения алгоритмов, которые задают параметры работы конечных устройств.

В настоящее время существует масса промышленных протоколов связи, например, Modbus, RS-485, Industrial Ethernet, CAN и другие, которые поддерживаются соответствующими контроллерами. При этом, за счет стандартизации «де-факто», в сфере промышленной автоматизации всегда можно найти конвертор интерфейса связи из одной сети в другую. Таким образом, можно объединить всю сеть устройств автоматики на уровне решений, например, Industrial Ethernet. Главное для таких унифицированных систем – это наличие драйвера OPC (Open Platform Communications), который позволит взаимодействовать выбранной SCADA/HMI-системы с установленными промышленными контроллерами.

Умное здание вполне может управляться несколькими SCADA/HMI-системами, причем не связанными друг с другом. Например, системы: центрального кондиционирования, аварийной сигнализации, управления лифтами и многие другие системы вполне могут существовать независимо. При этом, такие решения уровня здания могут использовать и общедоступные Интернет-каналы для доступа к облачным сервисам и уже на их основе превратиться из обычной сети промышленной автоматики в интеллектуальную систему умного здания. Причем множество датчиков и исполнительных устройств, имея дополнительный канал выхода в Интернет, также становятся частью облака. Фактически, это и есть концепция Интернета вещей, когда множество устройств и систем могут взаимодействовать с облаком, устанавливая на его основе связи между собой.

Но кто возьмет ответственность на себя в случае отсутствия доступа к Интернет? На самом деле, промышленные системы автоматики разрабатываются таким образом, что в случае обрыва связи или других поломок всегда должен будет выполнен протокол внештатной ситуации. Например, без связи с «внешним миром», исполнительное устройство должно перейти в заранее предусмотренный и предварительно запрограммированный режим, даже в случае пропадания электричества в системах обеспечения жизнедеятельности людей, всегда должен быть предусмотрен комплекс мер при реакции на такую ситуацию сбоя.

В свою очередь, облачное решение, на примере Microsoft Azure, может представлять из себя целый комплекс, состоящий из компонентов, которые взаимодействуют между собой на основе открытого программного интерфейса API (Application Programming Interface). Так информация с датчиков и систем умного дома может быть направлена в сервис Microsoft Azure IoT Hub. Этот облачный сервис позволяет, как принимать, так и передавать управляющие команды исполнительным устройствам.

В случае периодического отсутствия связи с Интернет, при помощи сервиса Azure IoT Edge, можно перенести часть интеллектуальных свойств облака конечным устройствам, которые смогут выполнять программный код автономно и при возобновлении связи синхронизировать свои данные и алгоритмы работы с облаком.

В самом облаке Microsoft Azure, кроме использования сервисов хранения данных, поток информации с IoT Hub можно обработать при помощи несложных скриптов Azure Stream Analytics, которые пишутся на языке похожем на стандартный язык запросов SQL. При этом, анализ потока данных выполняется фактически в реальном времени. Дело в том, что компания Microsoft обещает очень малую латентность для сервисов Stream Analytics.

Регистрируемые данные можно передать в сервис Event Hubs, который предназначен для работы с телеметрией. Здесь данные будут упорядочены и, например, переданы с использованием протокола Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) другим сервисам обработки данных. Облако Microsoft Azure для систем Интернет-вещей поддерживает стандартные протоколы обмена сообщениями Message Queue Telemetry Transport (MQTT) и программирование своих устройств и задач на универсальных языках: Java, JavaScript, C, C# и Python.

Для визуализации данных можно использовать Microsoft Azure IoT Hub совместно с сервисом бизнес аналитики Power BI. Так же данные, которые поступают в облако, можно обработать при помощи алгоритмов машинного обучения, где от пользователя в среде Microsoft Azure Machine Learning Studio требуется построить алгоритм обработки данных.

Например, в проекте можно использовать технологии искусственных нейронных сетей, регрессионный анализ и другие подобные решения. От разработчика всего лишь требуется разместить нужный блок на схеме. В случае, если что-то не работает, всегда можно заменить ранее выбранный блок на другой. Таким образом, в проект здания внедряется действительно интеллектуальные алгоритмы и компоненты.

Но и это не все возможности Microsoft Azure, если разработанное решение является интересным и тиражируемым, то его можно опубликовать в магазине Azure Marketplace и предоставить другим пользователям этого облака как готовый сервис.

Не только компания Microsoft предоставляет облачные вычисления для технологий Интернета вещей. Так же следует обратить внимание на AWS IoT Platform компании Amazon, когнитивные средства Watson IoT компании IBM и решения других вендоров. Но это уже отдельная история о выборе архитектуры проекта, используемых протоколах и взаимодействии интеллектуальных устройств умного здания.

Надо понимать, что масштаб рассматриваемых решений огромен, впрочем, как и их возможности для всей экосистемы умного здания. Конечно, подобный проект будет значительно дорог, если его рассмотреть применительно к частному дому или квартире. Но для коммерческого здания или отдельной инновационной постройки эти затраты вполне оправданы, тем более, что синергетический эффект от внедрения такой системы превысит вложенные средства. Но что делать обычному человеку, который хочет уже сейчас получить гибкую и интеллектуальную инфраструктуру для своего жилища и своих нужд?

Перспективы концепции умного дома

Сравнив задачи, которые ставятся перед системами умного здания и умного дома, можно прийти к выводу, что для дома решаемые задачи систем все-таки будут сложнее, а функционал – более расширен. Возможно, в этом и кроется то, что до настоящего времени умный дом – это скорее некая недостижимая или, более корректно – сложно реализуемая цель, а мы видим лишь редкие ее проявления. Все причины этого, если разобраться, кроются в задачах и целях такого дома, а также его цене.

По сравнению с коммерческим зданием или помещением, где перед началом эксплуатации можно провести инструктаж по технике безопасности и особенностям автоматизированных и автоматических систем сооружения, то для умного дома это уже сделать будет значительно сложнее. Обычно потребители не любят разбираться с деталями и учатся использовать и применять свою умную электронику интуитивно. С точки зрения потребителей, а так и должно быть, такой подход естественен, но стоит заметить, что только совсем недавно стали появляться системы, которые являются безопасными для окружающих и при этом имеют удобный и интуитивно понятный интерфейс. Тем более, что жителями умного дома, а точнее его комнат, вполне могут стать дети, домашние животные и не о чем не подозревающие гости и так далее.

С другой стороны, следует отметить еще один фактор, мешающий стремительному развитию компонентов умного дома – это относительно высокая цена его составляющих. Например, основой умного дома являются множество различных электрических и электромеханических систем, информационные коммуникации, интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы, а также не следует забывать о вычислительном центре или «кибернетическом мозге» умного дома. Безусловно цена таких компонентов должна быть доступна множеству групп различных потребителей.

Современная электроника стремительно развивается, что приводит в целом к удешевлению умного дома. Буквально за несколько лет сменились, например, поколения лампочек: от обычной лампы накаливания, управляемой диммером, люминесцентных экономок до светодиодных ламп и, наконец, появления умных лампочек. Такая умная лампа, например, Philips Hue, Xiaomi LED Ceiling Light или любая попроще, представляет из себя светодиодную лампу с обычным цоколем или целый осветительный прибор, но при этом в таком устройстве присутствует контроллер, который управляет свечением: яркостью и/или цветовой схемой, в зависимости от модели. Но главное то, что устройство оснащено встроенным контроллером, с которым можно связаться по стандартным коммуникационным каналам: Wi-Fi (802.11), Bluetooth, и управлять лампой со своего смартфона. Но даже тут между смартфоном и лампой может быть необходим посредник или шлюз (Gateway), который, как в лампочках Philips Hue, из внутренней беспроводной сети устройств ZigBee (802.15.4) «пробрасывает» данные к домашнему Wi-Fi-роутеру.

На простейшем примере умных ламп становится понятно, что проектирование умного дома весьма непростая задача. Все упирается в стандарты и совместимость. Если со стандартами более-менее все понятно, ведь они хорошо документируются, то, казалось бы, совместимость устройств по каналам передачи данных можно просто обеспечить за счет шлюза. Он позволяет «пробросить» пакеты данных из одной физической сети в другую, например, из той же сети ZigBee или из популярной специализированной сети передачи управляющих команд Z-Wave, разработанной специально для решения задач умного дома, в домашнюю локальную сеть, например, построенную на базе проводной технологии Ethernet и беспроводного маршрутизатора Wi-Fi. Но при этом основная проблема совместимости, на самом деле, скрывается в содержании самих пакетов данных.

Если физические сети связи хорошо документированы и стандартизированы, то внутренние протоколы тех же смарт-ламп или других устройств де-факто реализуются и документируются внутри компании-производителя или даже обособлены на уровне ее одной линейки устройств. Но не все так плохо для конечного пользователя. В последнее время можно наблюдать замечательную тенденцию открытия внутренних протоколов обмена данными устройств в виде программных API. На основе таких открытых систем уже сейчас можно интегрировать устройства разных поставщиков в единую инфраструктуру умного дома. В конечном счете, для этого всего лишь потребуется загрузить подходящее приложение для вашего смартфона.

Собственно, смартфон становится единым информационно-коммуникационным центром умного дома. Некоторые производители, например, Xiaomi в линейке Redmi, зачастую встраивают в смартфон инфракрасный передатчик. Это позволяет, загрузив специализированную программу, подключиться к старому оборудованию, которое управляется пультом с инфракрасным сигналом. После этого обычный телевизор, музыкальный центр или кондиционер может получать команды от смартфона, главное наличие передатчика в телефоне и поддержки модели оборудования в выбранной программе из Google Play Маркета или аналогичного решения экосистемы Apple.

С другой стороны, смартфон может управлять и взаимодействовать с современными компонентами умного дома, которые адаптированы для работы с Wi-Fi, Bluetooth и, конечно, теми, что имеют прямой выход в Интернет. Смартфон вполне может стать своеобразным датчиком. Например, на основе определения местоположения владельца смартфоном, интеллектуальный термостат Nest может понять находится ли хозяин внутри дома или уже далеко за его пределами и, соответственно, подстраивает под ситуацию оптимальный режим отопления. При этом, смартфон не становится незаменимым при взаимодействии с интеллектуальными системами. Всегда можно подойти к устройству Nest и изменить параметры его работы. Следует отметить, что данные термостаты могут взаимодействовать с совместимыми устройствами других производителей, а это важная особенность при формировании инфраструктуры умного дома.

Так же достаточно целесообразным может стать добавление в инфраструктуру умного дома центральной панели управления Zipato ZipaTile. Такая панель является контроллером умного дома, работая с различными физическими интерфейсами и беспроводными сетями, при этом сама система работает на базе операционной системы Android, фактически предоставляя приложения для управления экосистемой умного дома. При этом, если вам неудобно использовать сенсорную панель в качестве интерфейса умного дома, на сегодняшний день волне можно задействовать голосовое управление систем Google Home, Amazon Alexa или других вендоров.

Современные системы, позиционируемые как системы умного дома – это прежде всего решения в области безопасности: сигнализация проникновения, системы видеонаблюдения, пожарная сигнализация, системы контроля качества воздуха и различные электронные замки. Затем следует отметить системы комфорта и обеспечения экологичности и экономичности дома: возможность использования солнечной энергии, энергии ветра, системы мониторинга потребления энергоресурсов, тепла, воды. Наряду с этим умный дом вряд ли обойдется без систем обеспечения комфорта: домашний кинотеатр, системы управления освещением и умных розеток, которые могут обеспечить режим включения/выключения, например, обычных бытовых приборов и другой поддерживаемой техники. И многие другие. Но все эти системы, если их установить независимо друг от друга, не будут взаимодействовать между собой, поэтому мы не можем назвать такое решение умным домом – это просто системы домашней автоматизации (Home Automation).

Кстати, огромный толчок в развития систем домашней автоматизации дало появления плат типа Arduino. Эти платы предназначены для быстрого прототипирования электронных устройств. Такая плата – это печатная плата определенного форм-фактора с запаянным на ней микроконтроллером, выводы которого подключены к разъемам, куда можно подключать платы расширения, например, контроллеры сетей передачи данных, системы регистрации данных, управляющие элементы и подобные решения. Такие платы или модули в терминологии Arduino – Shields, доступны от различных поставщиков за счет полностью открытой архитектуре проекта. Так же энтузиасты, если не найдут нужный Shield, всегда могут разработать и спаять свое решение.

Огромным преимуществом Arduino стала не только стандартизация форм-фактора устройств, но и появление очень простого языка программирования, похожего на C/C++ и кроссплатформенной среды разработки, созданной на основе проекта Processing. В случае, если производительности Arduino недостаточно, например, для решения задач домашнего медиацентра, создания шлюза, то можно использовать наработки другого открытого проекта, но уже на базе процессора семейства ARM. Это известный проект Raspberry Pi, где уже может работать операционная система на ядре Linux или модифицированная версия Android, а также операционная система Microsoft Windows 10 IoT Core и другие.

На базе Arduino вполне можно построить интеллектуальный датчик или создать интеллектуальное управляющее устройство. Идея таких конструкций в том, что микроконтроллер получает данные от чувствительного элемента датчика или подключается к системам управления, например, реле и подобным. В отличие от простых датчиков и исполнительных устройств, интеллектуальные системы могут выполнять свою программу. Такие интеллектуальные датчики или устройства управления не только должны работать согласно внешних команд, но и выполнять заранее запрограммированный комплекс действий на случай внештатной ситуации обрыва линии связи.

К тому же следует заметить, что при разработке систем домашней автоматизации всегда следует продумывать механизмы поведения подсистем и компонентов при аварийном отключении электропитания. Очевидно, логика работы интеллектуальных систем управления должна предусматривать любые внештатные ситуации. Такие случаи следует предусмотреть в системе заранее и подходить к реализации мер безопасности не с позиции внештатной ситуации, а стандартной работы устройства, гарантирующего определенные меры безопасности и надежности.

Как уже было отмечено, решения DIY или сделай сам, способствуют стремительному развитию систем домашней автоматизации. Не следует забывать, что в отличие от сертифицированных изделий, которые можно применять только в регламентируемых условиях эксплуатации, для разработки прототипов необходимо иметь навыки и знания в области электроники, электрических систем и соблюдать все меры безопасности.

Такие компоненты, как Arduino, поставляются как есть, без обеспечения гарантии и каких-либо рисков для потребителей. Вводя в эксплуатацию собственные разработки на основе таких решений можно негативно повлиять на благосостояние своего жилища, свою жизнь и окружающих, если не предпринять необходимые меры техники безопасности и воспринимать такие системы, именно, как прототипы изделий. Далее следует позаботиться о надежности и безопасности результирующего образца, который может стать коммерческим изделием, на примере множества успешных современных стартапов.

Итак, домашняя автоматизация сейчас, как никогда ранее, находится на пике развития и совершенствования своих потребительских систем, но фактически такие проекты всегда решают задачи на уровне какой-то определенной системы умного дома или его отдельной составляющей. И тут, в отличие от задач умного здания, для умного дома не требуется поддерживать слишком сложные вычисления и алгоритмы, для обеспечения взаимодействия всех составляющих проекта. Можно обойтись ресурсами небольшого домашнего сервера.

Несложно проследить тенденцию в построении централизованных систем умного дома, где каждый интеллектуальный датчик или исполнительный механизм подключается к основному узлу или хабу (Hub). Например, можно выделить популярные открытые проекты: OpenHAB, Domoticz, MajorDoMo и другие, суть которых сводится к тому, что в помещении разворачивается сервер умного дома и на его основе строится взаимодействие компонентов всей экосистемы умного дома. Причем такой хаб может быть сам по себе достаточно интеллектуальным устройством, а в случае недостатка вычислительных ресурсов, всегда можно арендовать сторонние облачные сервисы и службы, например, когнитивные сервисы, машинное обучение и другие.

Если посмотреть на тенденции развития концепции умного здания и совершенствования систем Интернет вещей, то сразу становится очевидным, что сейчас каждый компонент, система, датчик или исполнительное устройство фактически немыслимо без выхода в Интернет. При этом видна четкая тенденция отказа от централизации управления и делегирование решения задач взаимодействия систем умного дома в среде облачных вычислений. Здесь, как раз и кроется синергия составляющих умного дома. Когда, например, по протоколу MQTT все системы будут передавать сообщения, а заинтересованные в определенных данных устройства будут подписываться на нужные им сообщения и на основе этой информации принимать решения, способствующие сбалансированной «жизни» цифрового дома. Таким образом, можно утверждать о трансформации систем домашней автоматизации в умный дом на основе применения технологии Интернет вещей.

Пока такие системы только начинают разрабатываться и совершенствоваться, но можно не сомневаться, что у них очень большой потенциал, в плане облегчения построения умных решений. При этом пользователям системы не потребуется писать множество программ. По принципу загрузки из виртуального магазина программ для смартфона, можно будет «загрузить» и задействовать для своей системы требуемое программное обеспечение, адаптируя его к решению своих задач, получая все преимущества цифровых технологий умного дома.

А пробовали вы использовать системы домашней автоматики? Есть ли у вас свой удачный опыт построения умного дома или вы эксперт по технологиям умного здания? Интересны, а может, наоборот – непонятны какие-либо части этой публикации? Делитесь своими мнениями и размышлениями в комментариях.

---

Интересные ресурсы и ссылки:

1. Architecting IOT for Smart Buildings: Deep dive into Microsoft’s first engagement on energy smart buildings – Channel 9
2. Connecting Buildings to the Cloud for a Greener Planet – Microsoft Customer Stories
3. Microsoft Azure IoT Suite – Microsoft IoT Cloud Solution
4. How the AWS IoT Platform Works – Amazon Web Services
5. Watson Internet of Things – IBM
6. Inside an Apple smart home – TechCrunch
7. Обзор светодиодных Wi-Fi ламп Philips Hue – THG.ru
8. Nest – обучаемый термостат третьего поколения – PCMag Russian Edition
9. Система управления умным домом Zipato ZipaTile – iXBT.com
10. How to build an Arduino powered smart home – CodeProject
11. 11 DIY Projects to Turn Your House Into a Smart Home – Gizmodo
12. Сравнение Google Home и Amazon Alexa – Geektimes
13. 9 Home Automation Open-Source Platforms for Your projects – Random Nerd Tutorials
14. How IoT & smart home automation will change the way we live – Business Insider

Автоматизация зданий, умные здания (smart building), история и перспективы развития в России.

1. Определение

Умное здание (англ. smart building) – это централизованная автоматизированная система контроля и управления за отоплением, вентиляцией, кондиционированием, освещением и другими службами здания. 

2. История создания и развития

Первые исследования в области автоматизации зданий начались еще в 17 веке. Так, голландский учёный Корнелиус Греббель изобрел систему, контролировавшую температуру в помещении. Она основывалась на U-образной колбе со ртутью, измеряющей температуру, и на рычаге, который в зависимости от показателей, оказывал то или иное воздействие на печь, охлаждая или разогревая ее.

Концепция умных зданий (как минимум активные обсуждения этой темы) начала формироваться в 1980-х годах. В 1984 году, например, в New York Times вышла статья, в которой содержалась информация о появлении «нового поколения зданий, которые способны думать самостоятельно и которые можно назвать умными зданиями».

В начале 1980-х развивались несколько технологических трендов. Один из них заключался в том, что телекоммуникационная индустрия в США в тот период переживала либерализацию и на рынке телекома в большом количестве начали появляться новые компании, продукты, сервисы и различные инновации. Вторым важным трендом, который в то время мог казаться несвязанным с интеллектуализацией зданий, было создание индустрии персональных компьютеров. Два этих тренда и сформировали устойчивую связь между недвижимостью и технологиями.

Уже в 1990-х годах здания стали обзаводиться высокотехнологичной инфраструктурой – кабельными и аудиовизуальными системами, системами видеонаблюдения, системами управления доступом, контроллерами автоматизации с централизованным управлением и др.

В 1994 году Construction Specification Institute выпустил документ из 16 разделов с рекомендациями по строительству. Новые технологии в документе упоминались редко. Многие инженеры и специалисты начали пользоваться «Разделом 17» — неформальной спецификацией высокотехнологичных решений для зданий. 

3. Технические характеристики

В умное здание входят:

• Аудиовизуальная система,

• Система управления освещением,

• Система отопления, вентиляции и кондиционирования,

• Система контроля доступа,

• Система видеонаблюдения,

• Системы безопасности.

Основой умного здания является система управления здания (BMS, building management system), позволяющая контролировать и управлять всеми вышеперечисленными системами. BMS состоит из программного обеспечения и аппаратной части. Довольно часто система управления зданием поддерживает различные протоколы и стандарты, как C-Bus, LonWorks, Devicenet и др.

4. Кейсы применения

Умные здания часто выступают в роли одной из составляющих систем умного города. 

5. Полезные ссылки

Источники:

1. http://www.intel.com/content/www/us/en/smart-buildings/overview.html
2. http://www.buildingefficiencyinitiative.org/articles/what-smart-building

Современные дома – Газета Коммерсантъ № 190 (1148) от 06.11.1996

Газета «Коммерсантъ» №190 от 06.11.1996, стр. 18

&nbspСовременные дома

Умные здания появились и в России
       Примерно десять лет назад в Японии и Америке появились так называемые интеллектуальные здания. В них все системы — от безопасности до кондиционирования — управляются единым компьютером. Мода на такие дома докатилась и до России.
       
Офис как машина для работы
       Десятилетие назад в Америке и Японии изменилось само понимание того, что такое современное здание. Это не просто фундамент, стены и набор коммуникаций, а гораздо более сложный организм, живущий по своим законам. Оптимизация работы этого организма и происходит с помощью компьютеризированных систем управления зданием.
       Смысл понятия «интеллектуальное здание» заключается в том, что все системы жизнедеятельности здания объединены в единое целое и управляются компьютером. Система разнообразных датчиков постоянно собирает разнообразную и полную информацию о том, что происходит в доме. Всем зданием может управлять один только человек, сидящий за центральным компьютером и задающий необходимые параметры (температуру в конкретной комнате, освещенность и так далее). Без команд человека компьютер действует согласно заложенным программам. В случае форс-мажорных обстоятельств вроде пожара или проникновения в помещение постороннего лица запускаются специальные подпрограммы.
       Важная черта таких систем в том, что их можно бесконечно совершенствовать, вводя все новые и новые функции. Взять, к примеру, систему безопасности. Она может быть организована десятками различных по сложности способов — от простого реагирования на взлом до организации сложных систем доступа в различные помещения, автоматического внесения в электронную библиотеку фотографий всех посетителей, контроля за передвижением персонала и так далее.
       — Можно назвать несколько важнейших достоинств «умных» зданий, — говорит Олег Мышкин, директор по маркетингу из компании HIB. — Во-первых, значительная экономия электроэнергии и тепла. Первые такие дома появились в Японии, где энергоресурсы очень дороги. В России энергия пока сравнительно дешева, но такая ситуация будет не всегда. Во-вторых, снижаются эксплуатационные издержки, что очень важно, если подходить к зданию с точки зрения бизнеса. И наконец, создание особого микроклимата. В таком здании комфортно работать, сотрудники гораздо меньше болеют.
       Как на практике здание экономит ресурсы, рассказывает архитектор Михаил Мандрыгин: «В одной из гостиниц в Лондоне, которую я проектировал, в каждом из номеров были установлены датчики на движение. И если датчик долгое время не фиксировал присутствия постояльца, то номер переходил на иной режим работы — в зависимости от времени года уменьшалась или увеличивалась температура помещения, выключался свет. Но, как только постоялец вводил ключ в замочную скважину, полностью восстанавливалось состояние помещения на момент его ухода из номера».
       Офисные здания могут экономить энергию по более простой программе. С 9 утра до 18 часов в здании поддерживается режим, комфортный для персонала, а после окончания рабочего дня здание «впадает в спячку»: отключаются системы кондиционирования, понижается температура и так далее.
       Кстати, по словам Михаила Мандрыгина, в последнее время появились новые, самообучающиеся интеллектуальные системы. Они следят за жизнью здания, его ритмом и самостоятельно вносят коррективы в программу. К примеру, установив, что в определенных комнатах постоянно допоздна задерживаются сотрудники, компьютер при переходе на ночной режим оставляет в этих помещениях дневные параметры.
       
Первые умные в Москве
       Первая реакция большинства специалистов на вопрос корреспондента Ъ о наличии интеллектуальных зданий в России была такой: их нет. Однако такие здания все же удалось найти.
       Во-первых, это штаб-квартира «Газпрома». «Комплекс ‘Газпрома’ однозначно можно отнести к интеллектуальным зданиям, — считает Азарий Лапидус, президент компании ‘СУИ-проект’, участвовавшей в этом проекте в качестве заказчика-застройщика. — Все системы жизнедеятельности объединены в единое целое, а на центральную диспетчерскую поступает вся информация о текущем состоянии комплекса. Кстати, в трех корпусах имеются и дублирующие диспетчерские».
       Вообще-то дублирующие элементы не являются признаком интеллектуальности здания, но весьма часто присутствуют в сложных комплексах. В штаб-квартире «Газпрома» два запасных дизельных генератора на случай отключения городской электросети. Впрочем, по части страховки вряд ли кто может сравниться со швейцарцами.
       «Когда я был в Цюрихе, то специально посещал банковские здания с целью знакомства с ними как с недвижимостью, — рассказывает президент компании ‘Крест девелопмент’ Андрей Мануковский. — Так вот, в крупных швейцарских банках чуть ли не на десять этажей вниз уходят технические помещения. Чего там только нет — и аккумуляторные системы, и автономные генераторы, и огромные резервуары с водой. Впрочем, если учесть, что выход компьютеров банка из строя всего на час может принести убытки в десятки миллионов долларов, то меры предосторожности становятся понятными».
       Кроме «Газпрома» интеллектуальными зданиями в Москве можно назвать Japan House на Саввинской набережной и достраивающиеся офисные центры «Усадьба-центр» и

как будут развиваться «умные» здания

Школы без энергии

Zero-energy building — так в США говорят о зданиях, которые производят больше энергии, чем потребляют, а значит, становятся полностью независимыми. Лишнюю энергию такие дома отдают в центральную сеть, за что их владельцы получают деньги. Как и в исследовательском центре в Саудовской Аравии, серия школ K-12 использует солнечные панели.
Индекс потребления энергии таких школ составляет всего лишь треть от этого показателя в обычных школах. K-12 также учит школьников и их родителей принципам сохранения энергии. На протяжении всего периода обучения дети узнают всё больше о возобновляемых источниках энергии и учатся ответственному потреблению ресурсов.

Дома от Amazon

Amazon и крупнейший девелопер в США Lennar представили проект зданий, которые уже на стадии строительства будут оснащаться «умными» технологиями — они будут буквально вшиты в стены. В домах, входящих в проект Amazon Experience, установят голосовой помощник Amazon Alexa, который станет управлять техникой в жилых помещениях и всячески помогать их владельцам.
Система сможет запирать и открывать дверь, диктовать список дел, управлять термостатом, включать музыку или фильмы и многое другое. Для этого Amazon и Lennar обеспечат стопроцентное покрытие Wi-Fi в своих зданиях, а в стандартное оснащение квартир уже будут входить необходимые для общения с Alexa девайсы. При этом на стоимость это не повлияет.

Идеальный мир

Несмотря на эти примеры, до массового строительства «умных» зданий нам пока далеко. Исследовательская группа ARUP представила, как должен выглядеть полностью автономный и действительно технологичный дом. По мнению аналитиков, в подобных домах люди будут жить в 2050 году.
Один из ключевых элементов такого здания — гибкая структура. Исследователи предлагают дом с заменяемыми элементами, которые позволят адаптироваться к внешним условиям на протяжении долгого времени. Кстати, об этом же говорили и архитекторы кампуса в Эр-Рияде: их «сотовая» структура позволяет достроить модули в будущем. Впрочем, в исследовании речь идет именно о полностью заменяемых частях, например, о новых внешних стенах или крыше после износа.

Кроме того, такой дом будущего должен работать только на возобновляемой энергии. Эксперты ARUP считают, что «умное» здание будущего должно не только быть автономным и производить энергию самостоятельно, но и хранить ее, используя в других частях строения. Так, например, предлагается включать в здания городские фермы, которые смогут существовать за счет вырабатываемой энергии. Это не только упростит жизнь обитателям и избавит от походов за продуктами, но, если подобных зданий будет много, решит и более глобальные вопросы, такие как засуха, обработка земли, логистика.

Еще один параметр — реакция на окружающую среду. В 2050 году фотоэлектрические элементы — те, которые используются в солнечных панелях для выработки энергии из солнечного света, — станут доступны в более простых формах, например в краске или подобном легко наносимом покрытии. Это позволит отдельным фасадам здания выполнять разные задачи в зависимости от условий и источника питания. Одна часть сможет отвечать за очищение воздуха при ухудшении экологической ситуации, другая — за вентиляцию или сохранение тепла в зависимости от температуры воздуха, третья — за самоочистку при загрязнении, например, после сильного ветра.

Наконец, «умные» дома будут интегрированы в среду, в которой находятся. Здания, как те, в которых мы сейчас проводим большую часть жизни, просто находятся в городе и никак с ним не взаимодействуют. В будущем «умные» постройки станут частью транспортной инфраструктуры: в них будут пешеходные мосты в другие части города, которые позволят жителям вообще не спускаться на нижний уровень для автомобилей, подземные парковки с туннелями и даже частные станции метро.
Всё сводится к тому, что дома станут меньше зависеть от городской инфраструктуры и в итоге сделают среду жизни человека лучше. Здания смогут позаботиться о себе сами, пока город будет решать, что делать с временем и деньгами, которые раньше уходили на ремонтные работы и поддержку домов.

Интеллектуальное здание — это… Что такое Интеллектуальное здание?

У́мный дом (англ. Smart House) — жилой дом современного типа, организованный для удобства проживания людей при помощи высокотехнологичных устройств. Электронные бытовые приборы в умном доме могут быть объединены в домашнюю — сеть с возможностью выхода в сети общего пользования.

Понятие «умный дом» было сформулировано Институтом интеллектуального здания в Вашингтоне в 1970-х годах: «Здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства…»

Стоит разделять понятия «умный дом» и «системы жизнеобеспечения». Отдельные системы обладают лишь необходимыми интерфейсами управления и контроля. Концепция «Системы интеллектуального управления зданием» предполагает новый подход в организации жизнеобеспечения здания, при котором за счет комплекса программно-аппаратных средств значительно возрастает эффективность функционирования и надежность управления всех систем эксплуатации и исполнительных устройств здания.

Основной особенностью интеллектуального здания является объединение отдельных подсистем различных производителей в единый управляемый комплекс.

Под «умным домом» неверно понимать прямой перевод с английского как «мыслящее здание». Корректный перевод термина intelligent building означает систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Английское слово intelligent, буквально означающее «разумный», «понятливый», в сочетании со словом building использовано в значении «гибкий, приспосабливаемый».

«Умный дом» в первоначальном смысле означает «здание, готовое к изменениям» или «приспосабливаемое (гибкое) здание», инженерные системы которого способны обеспечить адаптацию к возможным изменениям в будущем.

Здание проектируют таким образом, чтобы все системы его управления могли интегрироваться друг с другом с минимальными затратами, а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом. Проект обязательно предполагает возможность наращивать и видоизменять конфигурации инсталлированных систем.

Со временем здания обретут «искусственный интеллект». Тогда с полным основанием можно будет называть их интеллектуальными. Системы смогут отслеживать работу и состояние всей «начинки» здания, включая ограждающие конструкции, и самостоятельно принимать решения в изменяющихся обстоятельствах.

Умный дом в России

В России иностранные решения не прижились в связи с неоправданно высокой стоимостью, и под термином умный дом/офис обычно понимают интеграцию в единую систему управления зданием следующих систем:

• Систему отопления, вентиляции и кондиционирования
• Охранно пожарную сигнализацию, систему контроля доступа в помещения, контроль протечек воды, утечек газа
• Систему видео наблюдения
• Сети связи (в том числе телефон и локальная сеть здания)
• Систему освещения
• Cистему электропитания здания (АВР, промышленные ИБП, дизель-генераторы)
• Механизацию здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней и т. п.)
• Управление с одного места аудио-, видеотехникой, домашним кинотеатром
• Телеметрия — удалённое слежение за системами
• IP-мониторинг объекта — удалённое управление системами по сети

На сегодняшний день технологии позволяют строить домашнюю автоматизацию покомпонентно — выбирать только те функции умного дома, которые действительно нужны. Для частного сектора это особенно важно так как полная интеграция и диспечеризация там как правило не нужна.

15 лет назад домашняя автоматизация была фантастическим явлением, основным назначением которой было стремление владельца к hi-tech, а не создания комфорта в своем доме. Один из самых старых и одиозных проектов — коттедж Билла Гейтса. Этот проект, как и множество литературы по научной фантастике, породил огромное количество мифов о совершенно ненужных и бесконечно дорогих решениях автоматизации.

В 1995 году разработчики технологий Java предрекали одним из основных назначений для этой технологии увеличения интеллекта бытовых приборов: холодильник сам будет заказывать продукты из магазина. Как мы видим промышленного распространения эта идея не получила, хотя технология прижилась в другой области IT.

А вот функция выключить весь свет одной кнопкой, как и возможность включать и выключать его из разных мест, сегодня активно реализуется почти во всех проектах домашней автоматизации.

Умный дом как домашняя автоматизация развивается не только в России. Все технологии и системы, которые используются в России, разработаны и производятся в Европе, США и Китае. Основное различие видится скорее в предназначении и в подходе инсталяторов.

В Европе:

• Предназначение: это прежде всего энергосбережение и только потом комфорт
• Подход: максимальная унификация

В России:

• Предназначение: комфорт и имидж
• Подход: строго индивидуальный

В Европе проекты автоматизации частных домов и квартир готовит сам разработчик и производитель систем, инсталятору же отводится роль фактически обычных, но квалифицированных монтажников, работающих строго по схеме.

В России инсталятор является важнейшей фигурой в создании умного дома. Как правило он работает со многими производителями систем автоматизации, это позволяет ему подбирать систему максимально оптимально для решения поставленных перед автоматизацией задач. После этого он сам занимается проектированием, монтажом, продажей и запуском построенного умного дома.

Поэтому выбор инсталятора в России крайне важен для получения хорошего результата.

В России автоматизацией домов занимаются уже сотни компаний. Основные и наиболее известные обычно бывают представлены на ежегодной выставке в Москве HiTech House.

Технологии

Wikimedia Foundation. 2010.

Умное здание Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Умный дом.

Умное здание — система, которая обеспечивает безопасность, ресурсосбережение и комфорт для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Кроме того, от автоматизации нескольких подсистем обеспечивается синергетический эффект для всего комплекса.

Система подразумевает слаженную работу системы отопления и кондиционирования, а также контроль факторов, влияющих на необходимость включения или отключения указанных систем. Иными словами, в автоматизированном режиме в соответствии с внешними и внутренними условиями задаются и отслеживаются режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и т. и д.

История[ | ]

В 1987 году в СССР был представлен проект радиоэлектронного оснащения жилища «СФИНКС», по своей сути напоминающий идею современного умного дома. Главной изюминкой проекта был главный центральный процессор, состоящий из нескольких блоков, а также пульты управления — «малый» пульт со съемным дисплеем и большой с псевдосенсорными клавишами. Как ручной, так и большой пульт содержат микрофоны управления голосом.

Проект был разработан в ВНИИТЭ и публиковался в нескольких журналах «Техническая эстетика».

В 1995 году разработчики технологий Java предрекали одним из основных назначений для этой технологии увеличения интеллекта бытовых приборов^[1] — например, холодильник сам будет заказывать продукты из магазина. Промышленного распространения эта идея не получила, но такие компании, как Miele и Siemens, уже выпускают бытовую технику с возможностью включения в «умный дом».

Осенью 2012 года компания Panasonic анонсировала полномасштабное производство систем управления энергией SMARTHEMS, предназначенных для «умных домов». Panasonic обещает ввести совместимость с системой HEMS во всю линейку своих бытовых приборов, таких как: кондиционеры, «умная» кухонная техника и системы горячего водоснабжения EcoCute.

Новая система AiSEG позволяет связать все оборудование и домашние устройства в единую сеть, организовав отображение информации о работе солнечных батарей, расходе