Умный дом своими руками
Умный дом своими руками
Каждый маркетинговый слоган можно легко перефразировать простым и понятным каждому человеку языком. Термин «умный дом» (Digital Home), впервые стал известен широкой публике в конце двадцатого века, тогда это была скорее концепция, нежели продуманная коммерческая идея. Суть прожекта предложенного в 1970 году не поменялась и сегодня. Умный дом – это, в первую очередь комплексная система автоматизации жилого здания.
Все в одних руках
Задачи, которые выполняет умная автоматика, могут быть различны, расставить в них приоритеты должен сам хозяин здания. Для оценки всего функционального потенциала, полезно будет привести примерный список систем жилого комплекса, которые интегрироваться в единое звено:
- горячее и холодное водоснабжение;
- газораспределение;
- поддержание комфортного климата внутри помещений;
- контроль и управление доступом (включая оснащение электроприводами всех дверных и оконных конструкций);
- противопожарная автоматика;
- видеонаблюдение, внутреннее и внешнее;
- противоаварийный мониторинг (отслеживает утечки газа, воды, деформацию несущих стен здания и прочее);
- обеспечение бесперебойного энергоснабжения (автоматическое включение резерва и аварийные источники питания);
- информационный комплекс (сотовая связь, внутренние и внешние компьютерные сети);
- централизованное управление всей бытовой техникой дома;
- телесигнализация или GSM-мониторинг;
- удаленное управление или телемеханика.
Это лишь примерный перечень. Разрабатывая проект своего умного дома, каждый собственник может включить туда любую дополнительную опцию по своему выбору, автоматизировать то, что хочет он сам.
Довериться профессионалам или «кустарный» промысел?
Частные дома, при всей однотипности коттеджной застройки, не похожи друг на друга. Финансовые возможности и жизненные ориентиры их владельцев, также не идентичны. Поэтому и пути реализации одной и то же идеи могут быть различны.
Современные коммерческие структуры предлагают широкий спектр готовых решений по построению полностью или выборочно автоматизированного жилого дома. Однако эти проекты помимо своего основного преимущества — высокой надежности, имеют и ряд существенных недостатков: высокую цену, ограниченные возможности модулей управления, закрытость всей структуры от изменения пользователем и не высокую гибкость настройки под конкретные условия.
Создавая рукотворную систему автоматики, ценители творческого процесса и любители не тривиальных задач получат недорогой, многофункциональный, абсолютно управляемый, гибкий и открытый проект, который всегда можно улучшить или доработать. Дорогу осилит идущий, а эта статья немного облегчит Ваш путь.
Серверный модуль
Даже неопытный пользователь без труда догадается, что ядром каждого автоматизированного комплекса является персональный компьютер, функционирующий совместно с программируемыми логическими контроллерами. При использовании только набора ПЛК лэптоп поможет отобразить служебные параметры системы и комфортно запрограммировать сами контроллеры. Для начала рассмотрим требования к ПК, входящему в состав умного дома.
Технически, для реализации задуманного, будет достаточно компьютера скромной конфигурации. Например, одноядерный Pentium частотой порядка полутора гигагерц, четвертью гигабайта оперативной памяти и жестким диском на 40 Гб обеспечит необходимый минимум производительности. Однако для комфортной работы создаваемого сервера, лучше выбрать более многозадачный ПК, с большим объемом жесткого диска.
Особое внимание следует уделить, качеству блока питания. Это наиболее уязвимое место лэптопов. Рекомендуется использовать корпус с двумя источниками питания, синхронизированными и объединенными по выходным сетям. Другим «слабым» звеном домашним ПК является вращающиеся элементы системы охлаждения, которые по возможности нужно исключить из конфигурации. В случае установки штатной видеокарты и жесткого диска со стандартной скоростью 7200 об/мин в корпусе остается всего один компонент, требующий активного отвода тепла – центральный процессор. Но и эту проблему можно легко обойти, например, установив материнскую плату на базе Intel Atom Duo Core с пассивной системой охлаждения.
По возможности выбранный компьютер должен обладать большим количеством интерфейсных входов и выходов (USB, LAN и подобные им) Такое многообразие портов и разъемов значительно облегчит в дальнейшем подключение к серверу внешних устройств и созданию на его базе многоуровневых схем информационного обмена.
Логический контроллер
Выбор программируемого логического контроллера (или нескольких подобных устройств) не столь однозначен. Номенклатура промышленных ПЛК представленных на рынке поражает своим разнообразием. Окончательно сформировать требования к необходимым контроллерам возможно только после составления четкого технического задания. Попробуем систематизировать процедуру выбора и выделить ключевые параметры ПЛК.
Технические критерии оценки:
- количество аналоговых каналов ввода/вывода;
- число дискретных входов/выходов;
- быстродействие;
- уровни напряжений платы ввода/вывода.
Эксплуатационные критерии оценки:
- потребляемая мощность по цепи питания;
- рабочий температурный диапазон;
- требования к качеству питающей сети.
Потребительские критерии оценки:
- удобство и функциональность;
- надежность;
- стоимость;
- гарантийные обязательства производителя.
Количество необходимых модулей ввода/вывода как дискретных, так и аналоговых зависит от числа сигналов контроля и управляющих параметров. В любом случае, полезно будет приобрести ПЛК с резервированием. То есть, чтобы контроллер имел несколько больше каналов ввода/вывода, чем требует составленное техническое задание.
Количества операций выполняемых ПЛК во временную единицу никогда не бывает много. И все же следует помнить, что быстродействующие промышленные контроллеры стоят очень дорого. Поэтому здесь, более чем применим закон «золотой середины».
Уровни напряжений используемых для передачи аналоговых и дискретных величин, как правило, стандартизированы. Однако некоторые датчики имеют отличающиеся от типовых параметры выходных цепей. Если в проектируемой автоматизированной системе используются такие устройства, то необходимо выбрать ПЛК с модулями регулируемого уровня напряжения.
В большинстве случаев контроллеры устанавливаются в отапливаемых помещениях и оснащены независимым источником питания. Однако есть ситуации, при которых технически оправданно работа ПЛК в отрицательном диапазоне температур и при плохом качестве входного напряжения. Поэтому при прочих равных характеристиках предпочтение следует отдать контроллеру, исправно функционирующему в жестких условиях. Мощность, потребляемая ПЛК из питающей сети обычно не велика. Хорошим показателем считается величина в полтора ватта. Именно на это значение и следует ориентироваться при выборе контроллера.
Для любого потребителя на первое место выходит надежность устанавливаемого оборудования. Конечно, в рекламном проспекте только очень уверенный в своих изделиях производитель честно укажет показатели MTBF (Mean Time Between Failure, среднее время наработки на отказ) и MTTR (Mean Time To Repair, среднее время ремонта). Поэтому перед покупкой ПЛК настоятельно рекомендуется почитать отзывы о качестве его работы в интернете или проконсультироваться со специалистом.
Не всякий пользователь обладает соответствующей квалификацией, чтобы без труда работать, например, с шестнадцатеричным кодом. При этом наличие удобного интерфейса программирования, встроенного или устанавливаемого на компьютер, необходимого для полноценной наладки контроллера, становится обязательным требованием.
Производители обеспечивают гарантийное и послегарантийное обслуживание ПЛК в разном объеме и на существенно отличающихся условиях. Более длительный сервисный срок всегда предпочтительнее, главное, чтобы такой широкий жест изготовителя не сильно сказался на цене устройства. Ведь именно финансовый фактор в большинстве случае оказывается решающим.
Связи бывают разными
Ядро вселенной выбрано, а приблизительный список «солнечных систем», которые должны стать ее неотъемлемой частью приведен еще во втором разделе. Осталось решить, как будет соединена каждая функциональная часть с центральным сервером всего комплекса. В бытовых условиях наиболее популярными платформами связи являются:
- LANDrive (и ее современный аналог LANDrive2) – это наиболее доступная платформа формирующая общие шины данных для распределенных систем управления. На физическом уровне LANDrive представлена стандартом RS-485, на программном протоколом Modbus/RTU. Большая часть современных бытовых приборов поддерживают работу с этой платформой. Её использование станет наилучшим техническим решением для построения сети умного дома, единственным недостатком которого является высокая стоимость необходимого оборудования.
- Х10 – специальный протокол передачи данных для электрических устройств. Связь формируется по средствам самой электропроводки, реже в радиочастотном диапазоне. Положительный момент использования подобного протокола только один – не требуется прокладывать дополнительные линии связи к каждому элементу электрической сети. Негативных моментов гораздо больше: периодические ложные срабатывания, слабая помехозащищенность, плохая совместимость компонентов от разных производителей.
- Z-Wave – созданный специально для систем домашней автоматизации протокол передачи данных. Связь между бытовыми электронными устройствами осуществляется при помощи встраиваемых в них радиочастотных модулей. Основным плюсом этой системы является низкая стоимость ее модулей и оптимизация самого протокола для передачи большого количества простых команд. Из минусов особо выделяются: небольшое расстояние беспроводной передачи и слабая защищенность сети от доступа извне.
- 1-Wire – информационная шина двух направлений, характеризующаяся малой скоростью передачи данных. Применяется для соединения в единую сеть простых измерительных устройств (датчиков). Основным достоинством является простота монтажа (для подключения любого устройства необходимо только два провода: информационный и заземляющий) и большая длина отходящих линий (до 300 метров).
Выбор сетевой платформы, обуславливается в первую очередь набором физических устройств (контроллеров, датчиков, приборов, адресуемых ключей), которые необходимо интегрировать в систему умного дома и располагаемой суммой финансовых средств.
Это только начало…
После формирования технического задания, определения и приобретения основных компонентов системы, можно закупать сопутствующие материалы (кабели, провода, разъемы, крепеж и прочие «расходники») и переходить непосредственно к монтажу. Хороший аккумуляторный шуруповерт и качественный перфоратор верой и правдой послужат в этом нелегком деле. Проводить монтажные работы, желательно до начала внутренней чистовой отделки помещений. Как показывает накопленный опыт корректно проложить сети и установить весь набор устройств с первой попытки невозможно, поэтому сверлить и пересверливать нужно будет не один раз.
Когда все компоненты физически соединены между собой и запитаны от электрической сети, наступает долгожданный этап программной наладки. На приобретенный сервер, устанавливается выбранная операционная система (существенной разницы Windows или Unix платформа нет) и весь необходимый «софт». Далее анализируется качество связи с каждым элементом, настраиваются все ПЛК, датчики и адресуемые ключи, калибруются аналоговые каналы, проверяются дискретные сигналы. На завершающей фазе формируется общий алгоритм управления каждой системой умного дома, и проводятся комплексные испытания.
Все эти действия только начало большого пути. Созданный своими руками умный дом будет постоянно дорабатываться и совершенствоваться. Рачительный хозяин изыщет дополнительные способы для полной автоматизации своего жилища, повышающие энергоэффективность здания и улучшающие микроклимат в нём.
Онлайн-видео о том, как сделать умный дом своими руками