ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Трубчевский политехнический техникум»

Умный дом

ОУДП.03 Информатика

Трубчевск, 2016 - 2017 уч.год

Глава I. Теоретический аспект исследования...................................................6

1.1. Умный дом как домашняя автоматизация 6

1.2. Умный дом как автоматизация здания 6

1.3. История возникновения 7

1.4. Конструкция системы «Умный дом» 8

1.4.1. Системы безопасности 9

1.4.2. Управление освещением 11

1.4.3. Управление климатом 12

1.4.4. Система управления 15

1.4.5. Система отопления, вентиляции и кондиционирования 16

1.4.6. Система освещения 16

1.4.7. Система электропитания здания 17

1.4.8. Система безопасности и мониторинга 17

1.5. Японский «Умный дом» 18

1.5.1. Развитие «умных» домов в Японии 19

1.6. Перспективы «Умных» домов в России 21

1.7. Стоимостные характеристики «умного» дома………………………….24

Заключение 27

Список используемой литературы 29

Введение

Интернет стал одним из важнейших изобретений за всю историю человечества. Многие люди мечтают подключить к интернету все электронные предметы. Активно идут обсуждения проектов «умных домов», общего информационного пространства и других вариантов объединения разрозненных электронных компонентов в единую систему.

На сегодняшний день в интернете можно найти большое количество статей, в которых говорится о том, как создать систему управления: светом, розетками, чайником, холодильником и т.д. Однако все эти статьи описывают разные варианты подключения, что не приемлемо в единой системе.

Меня заинтересовала эта тема. Я решил больше узнать о системе умный и интеллектуальный дом. Ещё Н. Винер в 1940 году сказал «Не за горами день, когда окружающие нас вещи научатся думать и станут много более полезны обществу», и вот этот день настал.

Современный человек предъявляет очень высокие требования к комфортности среды обитания:

1. Эстетические (дизайн и стиль интерьера, ландшафта, красота и функциональность окружающих предметов);

2. Климатические (тепло, холод, чистый воздух);

3. Общебытовые (вода, газ, электричество, радио, телевидение, интернет, телефонная связь, наличие кухонных машин и систем гигиены саун и ванн);

4. Требования к безопасности и контролю за ней (безопасность жилища, хозяев дома и их близких);

5. Требования к надежности сложных систем (компьютеры, домашние кинотеатры, посудомоечные, стиральные машины, СВЧ - печи и др.)

В результате инженерное оснащение квартир и коттеджей неуклонно усложняется, и растет количество устройств, участвующих в формировании этой среды. Возлагать на хозяина жилья управление всеми системами становится неудобно, невыгодно и небезопасно. Комплексная система управления жилищем «умный дом » берет на себя всю рутинную работу по решению этой запутанной задачи, оставляя человеку только принятие главных, «базовых» решений.

Актуальность темы исследования обусловлена высоким потенциалом развития систем «умного дома » и отсутствием единых стандартов устройств, включенных в эти системы.

В чем актуальность «умного дома»? Достаточно взглянуть на преимущества комплекса:

автоматизация большинства процессов в смарт - хаусе;

контроль над состоянием электроприборов, освещения, системы водоснабжения;

предотвращение несанкционированного проникновения в смарт - хаус;

Как предупредить аварийную ситуацию?

При установке охраны при утечке воды в квартире, автоматически перекрывается водоснабжение. Дома предусмотрены автоматизированные системы пожарной сигнализации и противопожарного водопровода.

В чём преимущество умного дома и его востребованность?

Умный дом - это не только набор современных технических решений (датчиков, счетчиков и видеокамер), которые помогают вам экономить энергию, обеспечивают безопасность и связь! Для нас понятие Умного дома намного шире - это дом, где все продумано и организовано по уму. Для того, чтобы зелёный двор был свободен от машин, а ваш авто находился под круглосуточным контролем, мы строим бесплатную многоярусную парковку. На 1-ом этаже дома есть детский сад, где малыши могут играть под контролем воспитателей, а Вы в любой момент сможете узнать, где они, и увидеть, чем дети занимаются. С помощью встроенного в каждой квартире монитора, вы всегда будете в курсе расходов ТСЖ, работы оперативных служб. А если сочтете необходимым, сможете переизбрать все руководство!

Опции "Умного Дома"

Встроенный терминал в каждой квартире

Зеленый двор без машин

Воспитатель вечерних прогулок

Прачечная в каждом доме

Контроль за деятельностью ТСЖ не выходя из дома

Вызов экстренных служб

Бесплатное место на паркинге

Глава 5. Исследования (эксперимент):

Для представления проекта я сделал макет своего умного дома и собрал конструктор, где показал световое, водяное, звуковое и сенсорное управление в доме, без использования выключателей и кнопок.

1. В доме установил освещение, управляемое звуком. Кнопку-включатель заменил пьезоизлучателем (звукоизлучателем пьезоэлектрическим, работает как микрофон). Теперь для управления светом можно использовать звук. Я хлопаю в ладоши или что-нибудь произношу - лампа загорится.

2. Лампой можно управлять светом. Для этого я подсоединил к клеммам фоторезистор. Когда лампа погаснет, ею можно будет управлять с помощью света. При попадании света на фоторезистор лампа загорается. При затенении фоторезистора лампа гаснет.

3. Если в доме утечка воды и полы мокрые, можно подать сигнал тревоги. Кнопка заменяется сенсорной пластиной. При попадании на пластину капель воды зазвучит музыка и загорится лампа.

4. Установил приемник, управляемый касанием. Динамик не будет издавать звук до тех пор, пока не дотронусь пальцами одной руки одновременно до точек А и В. Человеческое тело имеет не очень большое сопротивление и еще обладает свойствами электрического конденсатора. Конденсатор не пропускает постоянный ток, но легко пропускает переменный. Как раз переменный сигнал и проходит через человеческое тело.

Полученные результаты и их оценка :

Умный дом – это современный дом, в котором все инженерные коммуникации объединены в общую систему , работа всего оборудования автоматизирована и подчиняется командам из единого центра управления.

Проект выявил, что сенсорные сети подходят для решения задач сбора, обработки и передачи информации с высокими требованиями по автономности, надежности сети.

Кроме того были выявлены основные преимущества беспроводных сенсорных сетей:

1. Оперативность и экономичность

2. Отсутствие необходимости в техобслуживании

3. Длительная автономная работа

4. Отказоустойчивость и надежность в жестких условиях эксплуатации

5. Широкая область применений

Кроме того, системы, построенные на основе таких сетей, обладают следующими достоинствами:

1. Возможность расположения в труднодоступных местах, где сложно и дорого тянуть обыкновенные проводные решения;

2. Оперативность и удобство обслуживания системы;

3. Надежность сети в целом - в случае выхода из строя одного из них, информация передается через соседние элементы;

4. Возможность добавления или исключения любого количества устройств из сети;

5. Высокий уровень проникновения сквозь препятствия (стены, потолки) и стойкость к электромагнитным помехам

6. Длительное время работы без замены элементов питания.

Умный дом – востребованная действительность жизни современного человека. Преимущества системы «умный дом» проявляются в четырех значимых понятиях, это: комфорт жизненного пространства, безопасность дома и его обитателей, экономия ресурсов и расходов на содержание дома и статус владельца недвижимости с интеллектуальными системами. Современный дом пронизан различными инженерными коммуникациями и наполнен большим разнообразием техники, которая делает нашу жизнь комфортнее и лучше, с одной стороны, и сложнее и запутаннее, с другой стороны.

Зачастую, не хватает времени или технических навыков, чтобы разобраться в бесчисленном множестве устройств, пультов, интерфейсов и, тем более, проводов. Не нанимать же менеджера по управлению домашней техникой... И как было бы прекрасно, вернувшись, домой почувствовать, что свою мыслительную деятельность можно приостановить – здесь думает «умный дом». И все автоматизированное братство машин и механизмов призвано не усложнять жизнь, а позаботиться, расслабить, создать комфортную атмосферу для Хозяев дома. Это возможно, если Ваш дом – «умный дом».

Система «умный дом» может объединять комплекс оборудования абсолютно всех подсистем инженерии: электроосвещение, энергоснабжение развлечения, телекоммуникации, климат, безопасность. По желанию, можно включить в систему «умный дом» только выборочные подсистемы. В любом случае, интеграция всех инженерных систем дома, либо части подсистем жизнеобеспечения обеспечит Вам наслаждение от комфортной домашней жизни. Отдельного внимания заслуживают принципы управления системой «умный дом»: управление всеми подсистемами «умного дома» можно осуществить из любого помещения дома с удобной панели или пульта управления. Можно забыть про множество «лентяек» от каждого элемента домашней техники, теперь все рычаги управления – в одном инструменте, количество таких инструментов варьируется лишь по количеству мест, из которых Вы захотите управлять инженерными системами Вашего дома.

Управление всеми подсистемами «умного дома» упорядочивается в «сценарии» и «режимы», в которых запрограммированы Ваши привычные действия или индивидуальные пожелания работы домашней техники. Можно забыть про необходимость активизации каждой отдельной единицы оборудования, теперь нужно активизировать желаемый «сценарий» и все необходимое оборудовании начнет работать самостоятельно и согласованно, или автоматически отключится, например, при активизации сценария «Ушел из дома».

Управление всеми подсистемами «умного дома» можно совершать удаленно, из Интернета, с мобильного телефона. Можно забыть про необходимость личного присутствия дома, чтобы наполнить ванну водой, сварить кофе, выключить забытый утюг или впустить неожиданно приехавших родственников, теперь можно набрать код доступа в систему «умный дом» и сделать все это, находясь в любой точке города или земного шара.

Эксперименты позволяют сделать вывод, что система умный и интеллектуальный дом дает возможность управлять всеми видами электропроводки: освещение, отопление, кондиционирование, сигнализация, электрические сети и прочее оборудование, имеющееся в доме. Эта система относится к новым современным технологиям, отличающимся своими эффективными и экономичными качествами.

Глава 6. Исследование (анкета)

Была разработана анкета, на которую ответили учащиеся лицея № 94 в количестве 30 человек.

Хотели бы вы жить в Умном доме или обычном?

В Умном доме – 21 человек

В обычном – 6 человек

Не знают – 3 человека

Среди детей школьников многие дети хотели бы жить в Умном доме. Многие дети были во дворе умного дома. Им понравилась детская площадка, дорожки, по которым можно ездить на велосипедах и футбольная площадка.

Заключение.

Главной цель проекта было показать, как с помощью автоматизации дома создать максимальный комфорт и энергосбережение.

Главный принцип концепции «Умный дом» – объединение всех подсистем дома в единый слаженно работающий организм. Владелец такой системы получает удобное и наглядное управление, четкое взаимодействие всех инженерных систем, автоматическую адаптацию под хозяина, интеллектуальные режимы взаимодействия подсистем.

Кроме удобства это увеличивает безопасность, где вы не будете переживать об оставленных включенных электроприборах. Что может быть проще как воспользоваться программой управления Умным Домом, и узнать даже на расстоянии работают ли приборы, техника, проверить их состояние, ну и конечно выключить, которые вам не нужны, или вы забыли сделать это перед своим уходом. Для управления можно воспользоваться удаленным компьютером, например, с вашего рабочего места, ну а если нет такой возможности, то достаточно иметь мобильный телефон, чтобы осуществить управление Умным Домом с Андроида.

Пусть в каждом доме царит: тепло, доброта, понимание, уют, забота, уважение.

Интернет-ресурсы

1. ru.wikipedia.org/wiki/Умный_дом

2. http://geektimes.ru/hub/home_automation

3. www.facebook.com/INTERSTANDARD/posts

4. http://elmaks.ru/page

5. http://www.i-home.ru/site.xp

6. http://bibliofond.ru/

7. http://www.topclimat.ru/news/field/180.html

8. http://www.razumdom.ru/

9. http://www.rlocman.ru

10. Марк Э. С. Практические советы и решения по созданию ―Умного дома. НТ Пресс, 2007 г.

11. http://domsmart.ru/umnyj_dom/

12. В. Харке. Умный дом. Объединение в сеть бытовой техники и системы коммуникаций в жилищном строительстве. Техносфера, 2006 г.

13. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производства. Направления развития, объемы рынка // Датчики и системы.-2000.-№1.-С. 28-30.

14. Тимошенков С.П., Светлов-Прокопьев Е.П., Графутин В.И., Калугин В.В., Бойко А.Н. Разработка и изготовление структур КНИ для производства интегральных схем и микроэлектромеханических систем // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения (INTERMATIC-2004)». Москва. Часть 1. – С. 52-55.

Следует заметить, что мы применяем более широкий термин – «умный дом» (управляемый, интеллектуальный дом) – вместо распространенного в западных статьях термина «цифровой дом» (digital home). Это объясняется тем, что цифровой дом подразумевает контроль лишь над техникой, управляемой командами в цифровых кодах, тогда как умный дом контролирует все (и не только цифровые) технические устройства и системы жизнеобеспечения. Конечно, уже сейчас возникают трудности в контроле всех цифровых устройств, представленных в наших домах - стоит лишь вспомнить, сколько пультов дистанционного управления находится в обычной квартире – для телевизора, DVD-проигрывателя, музыкального центра, домашнего кинотеатра и так далее. Но решение данной проблемы, которое предлагают цифровые дома, - это лишь вершина айсберга.

Гораздо более важную роль в современном жилище начинают играть те устройства и системы, которые зачастую и не привлекают нашего внимания. Сюда, во-первых, следует отнести всю бытовую технику: холодильники, печи, чайники, стиральные машины и другие устройства. Также многие дома обладают установками климат-контроля и различными кондиционерами. Далее, немаловажны системы управления электричеством и водопроводом, а также противопожарная сигнализация. Наконец, в последнее время существенную роль играют системы охранной сигнализации и контроля доступа. Утомляет одно лишь перечисление всего этого многообразия… А как же будет утомлять и отнимать время настройка и управление всеми этими техническими благами цивилизации! Таким образом, необходимость в едином центре управления становится просто очевидной (рис. 1).

Рис. 1. Универсальный пульт дистанционного управления Philips iPronto SBC RU1000. Возможности: управление приборами более чем 500 марок, обучение командам от других пультов, запись макрокоманд, беспроводное соединение с компьютером для обновления ПО и загрузки ТВ-программ. (по материалам сайта http://digital-guide.ru)

Какие же функции должен выполнять умный дом? Во-первых, наше жилище – это место отдыха или, другими словами, место развлечения. Именно для этого мы приобретаем плееры, домашние кинотеатры, аудиосистемы, компьютеры и другие устройства. Более того, все чаще возникает ситуация, когда в каждой комнате стоит несколько медиа устройств – персонально под вкус и интересы каждого проживающего. Как в таком случае организовать передачу информации между комнатами? Какие преимущества и недостатки будут у того или иного способа передачи данных? Как обеспечить баланс между ценой устройств и скоростью передачи? Все эти традиционные «вопросы покупателей» можно отнести к первой функции умного дома – интеграции всех систем и устройств в единое целое.

Второй довольно очевидной функцией цифрового дома является создание оптимальной «среды обитания» для жильцов. Сюда входит множество вопросов, начиная от экономичного управления освещением и температурой в доме до таких рутинных вещей, как проверка наличия (и даже состояния!) продуктов в холодильнике. Иначе говоря, дом должен переложить на свои «цифровые плечи» все те повседневные задачи, которые обычно решает сам человек.

Наконец, вспомним известную поговорку, которая гласит: «мой дом – моя крепость». Нетрудно заключить, что к двум перечисленным выше задачам цифрового дома (развлечение и отдых) следует еще добавить и третью, причем довольно важную – безопасность и защиту жильцов. Сюда же, как ни странно, относится и защита самого цифрового дома от внешних посягательств.

Итак, основной идеей цифрового дома является создание максимально комфортного места проживания для человека. Перечислим еще раз, что для этого необходимо. Конечно же, в первую очередь, весь дом, заполненный до предела электроникой и техникой, должен управляться легко, причем не только изнутри, но и дистанционно. Соответственно, для этого должно быть организовано «общение» всех устройств в доме между собой, а значит, встает вопрос о способах передачи информации в цифровом доме. Далее, часть устройств будет обеспечивать создание в доме подходящего климата (в широком смысле этого слова) – следовательно, нужно решить вопрос домашней автоматизации. И, наконец, весь этот информационно-технический шедевр под названием цифровой дом должен защищать и жильцов, и самого себя, а значит, необходимо решить задачу обеспечения безопасности.

Рис. 2. Плазменная панель при входе в цифровой дом с системой домашнего управления «Клеопатра». Она может приветствовать каждого жильца по имени и сообщать обо всех событиях, которые происходили в его отсутствии (посетители, телефонные звонки, электронная почта и т.д.). Также на экране показывается и другая информация – кто находится в доме, что происходит в помещениях, прогноз погоды и тому подобное (по материалам сайта http://electronichouse.com)

Умный офис.

Следует сказать, что современное жилье все чаще начинает выступать и как место работы человека (например, это актуально для представителей творческих профессий). Кроме этого, концепция цифрового дома может быть с успехом применена не только для жилых домов, но и для офисных помещений (в этом случаем можно говорить об «умном офисе»). В таком случае, вся функциональность умного дома помогает сделать сам труд человека эффективнее, освобождая его от мелких рутинных забот.

Первое, что предлагает умный дом для работающего человека – это покрытие всей площади дома компьютерной и телефонной беспроводной сетью. Не обязательно сидеть в одном и том же кабинете весь рабочий день: если на улице хорошая погода, то можно выйти на лужайку перед домом, взяв с собой ноутбук. При этом вы останетесь на связи и можете продолжать заниматься своими делами без ущерба для производительности.

Применение концепции умных домов для больших офисных помещений решает еще и задачу контроля доступа персонала. Используя уже установленную охранную сигнализацию, можно ограничить определенным людям права доступа к конкретным помещениям. Например, система не будет пускать программистов в банковское хранилище, равно как и финансовых менеджеров – в серверную комнату. Для этих целей может использоваться как опознавание внешности человека, сканирование отпечатков пальцев, так и специальные идентификационные карты, ключи. Основной плюс в таком подходе – это простота интеграции систем контроля доступа в единую информационную сеть умного офиса.

В крупных компаниях часть технического персонала должна работать ночью; но и тогда системы интеллектуального офиса могут оптимизировать энергопотребление помещения. Например, правильно настроенный центральный компьютер заранее разблокирует сигнализацию, впустив технического работника внутрь. Затем он включит свет и выставит комфортную температуру, причем сделает это не во всем здании, а только в тех комнатах и коридорах, которые нужны персоналу в данное время. Все эти, казалось бы, незначительные функциональности сэкономят не только личное время работников, но и заметно сократят расходы на отопление и энергопотребление всего офисного здания.

Немаловажным остаются вопросы безопасности. Умный офис предоставляет не только защиту от физического проникновения злоумышленников, но и обеспечивает информационную безопасность. Это позволяет сохранить интеллектуальную собственность компании, что немаловажно в условиях сегодняшнего рынка. Управляемые умным офисом системы обеспечивают также экологическую безопасность, выполняя постоянный контроль условий труда – освещенности, температуры и состава воздуха. Таким образом, в умном офисе приятнее не только жить, но и работать.

Посмотрим теперь, что предлагают современные технологические компании по каждому из этих направлений. Другими словами, давайте совершим обзорную экскурсию по сегодняшнему рынку высоких технологий.

Технические решения для умного дома.

Интеграция домашних систем: контроль изнутри и снаружи.

Как уже было отмечено в начале этой статьи, в любом современном доме существует огромное количество разнообразных устройств. Их можно объединить в отдельные группы, например, по их назначению: бытовая техника, медиа-аппаратура, установки климат-контроля, охранные системы и тому подобное. Но в настоящее время взаимные связи между данными группами практически отсутствуют, все эти комплексы работают разрозненно, и это есть их большой недостаток. Система кондиционирования и отопления не учитывает пожарную безопасность квартиры, или, работая за компьютером, вы не имеете возможности дистанционно включить чайник или кофеварку. Поэтому одна из ключевых идей умного дома – это интеграция всей техники в единую сеть, обеспечение взаимодействия между отдельными устройствами. Нужно научить технику «разговаривать» друг с другом, заставить ее выполнять команды, полученные от некоего командного центра.

Приведем простой пример, демонстрирующий возможности взаимодействия разных устройств. Вы возвращаетесь с прогулки, и в кармане у вас лежит плеер с включенной любимой музыкой. Разблокируете сигнализацию, заходите внутрь. Система, проанализировав ситуацию, ищет эту песню в своем архиве, и начинает проигрывать мелодию уже на акустической системе дома, а плеер выключает. Такая функциональность заложена в плеерах Zune от Microsoft и Apple iPod, а соответствующее программное обеспечение интегрировано в новых операционных системах Microsoft Windows Vista и некоторых версиях Linux. Также есть решения, не требующие наличия персонального компьютера. Например, это продукция компании SpeakerCraft, позволяющая объединять в одну сеть до 6 плееров iPod и воспроизводить музыкальные файлы с любого из них на внешних динамиках.

Дальше вы подходите к компьютеру, чтобы проверить электронную почту. Одновременно с компьютера вы включаете чайник, и к тому моменту, как письма прочитаны, уже можно идти на кухню и сразу пить чай. Заодно вы, не отходя от компьютера, можете подстроить систему кондиционирования, выставив более комфортную температуру. А теперь посчитайте, сколько действий за вас выполнил умный дом, и сколько это сэкономило вашего времени. И если управление бытовой техники с рабочего стола компьютера пока что не получило широкого распространения, то некоторые модели кондиционеров таких торговых марок, как LG и Samsung уже предусматривают регулировку не с пульта дистанционного управления, а с любого компьютера, оснащенного стандартным инфракрасным портом.

Еще один важный аспект – это возможность делать комплекс систем не изолированным, а доступным извне, по обычным каналам связи, к примеру, через телефонные линии или канал кабельного Интернета. Это позволяет еще больше расширить функциональность умного дома. Например, находясь на работе, вы можете посмотреть изображение с видеокамер, установленных в доме, и проверить, все ли нормально. Еще в пути с вашего сотового телефона можно включить свет и кондиционер, чтобы по приезду домой вас встретили тепло и уют. Например, японский оператор сотовой связи NTT DoCoMo уже запустил новую услугу – дистанционное управление домашней аппаратурой с мобильного телефона. С помощью можно просматривать состояние домашних приборов и, при необходимости, выключать их (рис. 3).

Рис. 3. Система удаленного управления устройствами цифрового дома Remocon Saucer (слева) и схема ее работы (справа). Для передачи команд к Remocon Saucer должен быть подключен второй телефон. (по материалам сайта http://phoneyworld.com)

Некоторые производители пошли еще дальше. Компания LG выпустила холодильник и микроволновую печь, подключаемые к сети Интернет. В результате у их владельцев появилась возможность еще с работы узнать список продуктов, хранящихся в холодильнике, и сформировать список для похода в магазин. Можно и просто запрограммировать холодильник так, чтобы он сам отслеживал количество продуктов и при необходимости делал заказ в онлайн-магазинах. А микроволновая печь может поискать по кулинарным сайтам и предложить хозяевам оригинальный рецепт и тут же приготовить блюдо.

Как вы уже догадались, все эти удивительные возможности появились не за счет приобретения каких-то новых, дорогих устройств. Просто обычные, привычные вещи стали «общаться» между собой, согласовывать выполняемые действия. Согласитесь, описанные примеры могут сильно облегчить жизнь хозяевам, поэтому идея умных домов получает все большее распространение.

Передача данных: кофеварка на связи!

Одним из ключевых моментов в концепции умного дома является связь любого устройства со всеми остальными. Логичный вопрос – а как организовать эту связь? Вряд ли бы вам понравится, если по всей квартире будут висеть пучки проводов, соединяющих, в том числе, кофеварку с телевизором. Для решения этой проблемы существует три основных метода: использование беспроводных сетей WiFi, передача информации по силовым линиям и использование различных радио сетей.

Стандарт беспроводной связи WiFi завоевывает рынок благодаря своей удобности, высокой скорости передачи и широким возможностям. Установив так называемый hot spot – точку доступа, вы можете спокойно ходить по квартире со своим ноутбуком, который при этом будет оставаться подключенным к Интернету. В последнее время устройствами доступа к сетям WiFi оснащают не только десктоп-компьютеры и ноутбуки, но также карманные компьютеры (КПК), и даже телевизоры и системы домашнего кинотеатра.

Одно из основных достоинств WiFi – это возможность легко связать достаточно «умные» устройства: компьютер, телевизор, аудиосистему. Они смогут передавать разные данные со скоростью, достаточной для воспроизведения аудио и видео среднего качества. Кроме того, беспроводная сеть, построенная на технологии WiFi, легко настраивается и перестраивается; поэтому при покупке еще одного ноутбука или телевизора вам не придется тратить время на то, чтобы заставить все это работать. Развитием WiFi и его применением в умных домах занимаются такие гиганты, как Microsoft и Intel; последняя, вдобавок, разрабатывает усовершенствованную версию – технологию WiMax.

Недостаток технологии WiFi – нецелесообразность ее использования для связи относительно «глупых» устройств. Никому и в голову не придет встраивать карточку доступа WiFi в кофеварку – дорого, и абсолютно бессмысленно. Для устройств такого типа найдено другое решение – использование линий электропитания, которые уже проложены в доме.

Действительно, основная часть приборов и бытовая техника уже подключены к электрической сети. Почему бы не использовать ее провода еще и для передачи информации? Принцип работы такой технологии основан на том, что подача энергии осуществляется на низкой частоте (50 Гц); информацию и команды управления можно передавать по этим же проводам на высоких частотах (например, 100 МГц). При этом система энергопитания и информационная сеть не будут мешать друг другу. Существуют устройства, позволяющие строить даже компьютерные сети «через розетку», то есть использующие силовые линии питания для передачи данных. Это, например, продукция российской компании ЗАО «Электро-ком», которая обеспечивает ширину канала в 20 Мбит/с, что гораздо лучше соединения через модем. Компания Marantz представила свою разработку в другом направлении – систему DAvED (Digital Audio via Electrical Distribution, цифровое аудио через электрические сети), позволяющую передавать аудио сигнал от различных источников до динамиков, . В комплект поставки входит аудио приемник, набор удаленных колонок и модуль управления системой; базовая комплектация предлагается покупателям за $1300 (рис. 4).

Рис. 4. Инструкция по использованию аудиосистемы DAvED с сайта http://www.audioholics.com:
- подключите ресивер ZR6001 (слева) к источнику звука
- подключите ZR6001 к розетке в стене
- подключите в другой комнате к розетке блок-клиент ZC4001 (справа)
- выпейте чашечку кофе в другой комнате, наслаждаясь любимой музыкой (опционально)

Но если передача данных на большой скорости еще сопряжена с некоторыми техническими трудностями, то передача коротких команд типа «Чайник, включись» или «Кондиционер, установи температуру 22 градуса» оказывается очень просто реализуемой. Таким образом, данная технология – именно то, что нужно для эффективного управления несложной бытовой техникой. При этом дополнительным оборудованием является лишь небольшая коробочка, воткнутая в розетку и соединенная с компьютером.

Последняя группа устройств, для которой не подходят две вышеописанные технологии – это различные медиа устройства, такие как: фотоаппараты, плееры, видеокамеры и т.д. Идея, положенная в основу работы данной группы устройств – это создание универсального интерфейса, то есть некоего «языка», на котором все эти устройства буду работать. В настоящее время одним из самых популярных проводных интерфейсов, применяемых в такой технике, является USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина). Поэтому родилась идея разработать аналогичный, но беспроводной USB интерфейс. Этой задачей с весны 2006 года занимается корпорация Intel; в сентябре на Форуме Разработчиков Intel было объявлено о первых экземплярах устройств, поддерживающий данный формат. На данный момент возможно построение сети размером до 128 устройств со скоростью передачи до 400 Мбит/с. В настоящее время, пока новый формат не получил широкого распространения, связь между устройствами поддерживается по достаточно популярной технологии Bluetooth. Таким образом, все такие медиа устройства могут успешно интегрироваться в комплекс систем умного дома. И это, несомненно, создаст дополнительные удобства для его хозяев.

Необходимо отметить, что остается один тип соединения, который необходимо выполнить проводным способом. Это канал связи между медиа системами (компьютер, музыкальный центр, телевизор), где требуется передавать данные с еще большей скоростью и без помех. На данный момент, связь по ВЧ-кабелям остается самой лучшей с точки зрения качества передаваемого звука и видеоизображения. В будущем такой кабель повсеместно будет оптоволоконным.

Таким образом, мы получаем полную взаимосвязь всех устройств в доме по разным технологиям, в зависимости от предъявленных требований. Если нужна высокая скорость и поток сложных данных – применяем WiFi; если нужна связь с минимальной системой команд, скорость не критична – применяем связь «через розетку»; если же необходимо обеспечить канал передачи между медиа устройствами – используем беспроводной USB интерфейс.

Безопасность жильцов.

Пожалуй, стоит отдельно осветить вопрос о концепции интегрирования систем безопасности в структуру умного дома. Охранная сигнализация, бесспорно, является одной из самых важных компонент, и ее правильное взаимодействие с остальной системой управляемого дома – залог его безопасности и безопасности его жильцов.

Первая из проблем, с которой сталкиваются разработчики – это безопасность канала передачи данных. Согласитесь, одно дело, когда злоумышленнику удалось перехватить список продуктов, которые заказал ваш холодильник или название песни, которую воспроизводит аудиосистема, и совсем другое дело – перехват кодов активации охранной системы, идентификационных ключей и прочей секретной информации. Безопасность каналов передачи мы еще обсудим несколько позднее, но уже сейчас можно с уверенностью сделать утверждение, что включение охранной сигнализации в общую систему умного дома следует проводить с гораздо большей тщательностью, чем, например, домашней медиа системы.

Рис. 5. Российская разработка – видеосервер «Трал». В руках такого невзрачного блока находится вся система видеонаблюдения цифрового дома. Позволяет записывать до 4 каналов видео и 2 каналов звука с видеокамер в цифровом виде на встроенный винчестер. Доступ к видеосерверу может осуществляться через локальную сеть, WiFi или сотовый телефон. (по материалам сайта http://www.tral.ru)

Другой важный момент – это необходимость обрабатывать большие потоки информации. Например, хороший охранный комплекс включает в себя камеры наружного наблюдения, датчики целостности периметра (срабатывающие на открывание окон, дверей), детекторы движения, систему контроля энергопотребления. Иногда сюда же встраивают системы противопожарной безопасности. Реализация такого комплекса требует очень мощного, а поэтому, дорогостоящего центрального обрабатывающего модуля.

Долгое время такие сигнализации считались профессиональными, и были недоступны обычному человеку из-за их сложности и высокой стоимости. Причина крылась в простом факте – центральный модуль такой сигнализации стоил как хороший профессиональный компьютер, так как ему приходилось обрабатывать большое число датчиков, в том числе и несколько потоков видеоизображения. Но с появлением концепции умных домов ситуация резко улучшается: теперь роль этого центрального модуля выполняет обычный персональный компьютер хозяина дома. При этом не только уменьшается стоимость комплекта, но и возрастает функциональность такой системы.

Современное программное обеспечение позволяет производить, например, распознавание образов, что позволит избежать ложных срабатываний от движения домашних животных по квартире. Кроме этого, используя сетевое соединение, владелец может полностью контролировать состояние своего дома с любого компьютера или даже с сотового телефона.

Благодаря появлению таких систем улучшаются и технологии замков. Вместо привычных механических ключей появляются устройства, открывающие замок по биометрическим данным человекам – отпечаткам пальцев, узорам сетчатки глаза. Такой вид контроля доступа решили использовать и сотрудники компании Tychi Systems, разработавшие необычный дверной замок (рис. 6). Новинка не позволит открыть дверь чужакам – в круглую дверную ручку нового замка BioKnob вмонтировано устройство сканирования отпечатков пальцев. Сам замок при этом отличают весьма небольшие размеры, так что его монтаж не вызовет трудностей. Память у BioKnob весьма ёмкая – в ней могут содержаться до ста образцов отпечатков пальцев людей, которым разрешено открывать дверь; всем остальным этого сделать не удастся. Еще интереснее то, что BioKnob автоматически ведет регистрацию, которая может содержать до одной тысячи записей о попытках (как успешных, так и неудачных) открыть дверь. Аналогичная разработка есть и у российской компании «Смартлок». Ими разработан комплекс «Мцыри», позволяющий подключить к системе идентификации множество разнообразных электромеханических замков, защелок, «замков-невидимок».

Рис. 6. Биометрический замок BioKnob. С таким замком нет необходимости искать в сумочке ключи и задавать вопрос «Во сколько ты вернулся сегодня ночью?». (по материалам сайта http://bobvila.com)

Таким образом, интегрирование систем безопасности в структуру управляемого дома оказывается не только выгодным, но и гораздо более функциональным. Поэтому большинство решений, предлагаемых компаниями, которые занимаются умными домами, уже имеют встроенный модуль охранной сигнализации.

Безопасность умного дома.

У большинства крупных систем, состоящих из некоторого числа взаимосвязанных модулей, важным критерием является их устойчивость к ошибкам и к атакам злоумышленников извне. Особое внимание мы обратим на вопрос защиты от постороннего вмешательства. Как мы помним, у интеллектуального дома предусмотрено управление им по сети. А что будет, если некий злоумышленник получит доступ к модулю управления дома? Тогда у него будет возможность не только ограбить квартиру, перенастроив систему безопасности, но и, скажем, постоянно следить за его хозяином, использую систему видео наблюдения этой системы. Кроме того, у него появляется доступ к компьютеру, на котором может храниться весьма важная и конфиденциальная информация. Поэтому совершенно очевидно, что любой канал управления каким-либо модулем должен быть зашифрован.

Существует два основных подхода к построению структуры умного дома – соответственно, с различными способами защиты.

Первый подход – построение распределенной сети. В таком методе нет единого управляющего центра, а есть ряд блоков, которые контролируют отдельные системы, и именно эти блоки соединены между собой. Например, в продаже имеются блоки управления освещением дома, климат-контроля, охранной сигнализации и так далее. Таким образом, останется только связать эти блоки между собой и с компьютером; при этом у них всех будет одинаковый приоритет в этой информационной сети.

Преимущество такого подхода очевидно – выход любого из блоков не повлечет прекращения нормального функционирования остальных. То есть, если у вас вдруг перестал работать свет, на работе системы кондиционирования это никак не скажется.

Но при реализации такой концепции разработчики сталкиваются с двумя основными проблемами. Во-первых, если какой-то из модулей «сошел с ума», то есть начинает вести себя несоответствующим образом (причиной может быть как внутренняя неисправность, так и целенаправленное выведение его из строя злоумышленником), то оставшиеся управляющие блоки должны не только определить это некорректное поведение, но и отключиться от неисправного. Реализовать же такую систему на одноранговой сети (когда все устройства равноправны) – достаточно нетривиальная задача. Во-вторых, каждый из этих блоков должен иметь доступ во внешнюю сеть (для реализации всей заявленной функциональности по дистанционному управлению домом), а значит, каждый из них придется оборудовать шифрования, что не только трудно, но и дорого.

Второй подход отличается от первого тем, что все управляющие блоки соединены не напрямую друг с другом, а через компьютер. Соответственно, этот центральный компьютер обладает максимальным приоритетом; все остальные блоки только выполняют его команды и отдают ему данные, собранные от периферийных устройств и датчиков.

Очевидно, что проблема с распознаванием и отключением вышедших из строя модулей управления в такой топологии сети разрешается намного проще. Кроме того, только этот центральный компьютер имеет доступ во внешнюю сеть, и хозяин будет управлять любым модулем (освещение, сигнализация и т.п.) не напрямую, а посредством передачи команды именно через этот главный компьютер. Понятно, что при таком подходе систему шифрования нужно встраивать только в этот контрольный центр, а это намного проще и дешевле по сравнению с первым подходом.

Ключевой недостаток такой схемы – потеря управляемости в случае выхода из строя этого центра. В таком случае мы лишаемся контроля над всеми системами дома, что дает злоумышленнику простор для действий. Однако современный уровень развития технологий обеспечивает настолько надежную технику, что отказ из-за неисправности практически невозможен, его вероятность крайне низка. Одновременно с этим, существует немало криптографических алгоритмов, которые делают ваш умный дом невзламываемым за разумный промежуток времени (например, злоумышленнику придется потратить несколько тысяч лет на взлом секретного ключа).

Однако эти подходы можно совместить, устранив при этом их недостатки. На Форуме Разработчиков Intel была оглашена следующая модель управляемого дома, обеспечивающая максимальную надежность. Есть два компьютера, главный и резервный; выход во внешнюю сеть имеет только главный, задача резервного – только следить за состоянием этого центрального компьютера. Все другие контрольные модули подключены к ним обоим и обязаны выполнять команды любого из них. В нормальном режиме резервный центр не отдает никаких указаний. Но если на главный компьютер совершена атака, или он вышел из строя, то его роль берет на себя резервный. При этом теряется возможность выхода во внешнюю сеть, но все системы дома остаются активными и работоспособными. Для передачи же какого-либо экстренного сигнала используются резервные каналы – сотовый эфир, телефонная линия.

Итак, существующие методы обеспечивают достаточную защиту умного дома. Поэтому люди могут спокойно использовать все удобства и преимущества новых технологий, не беспокоясь за сохранность своего имущества.

Экология умных домов.

Микроклимат в доме.

В России до сих пор умные дома ассоциируются в первую очередь с комфортом. Вспомните хотя бы ту зарисовку, которая была приведена в начале статьи: вы возвращаетесь вечером домой, в прихожей автоматически включается свет, начинает играть та музыка, которая была у вас на плеере, горячую воду в ванную вы набрали уже по дороге, и она ждет вас…

Впрочем, это лишь одна сторона вопроса. В действительности, умный дом предлагаем намного больше, чем просто комфорт. Во-первых, он позволяет существенно экономить ресурсы, а вместе с тем и деньги в собственном кармане. А во-вторых, создаваемый им микроклимат обеспечивает поддержание здоровья жильцов на требуемом уровне. Другими словами, управляемый дом делает наше жилье заметно более экологичным. Поэтому давайте рассмотрим этот аспект подробнее…

Как выглядит климат-контроль в квартирах старого типа? Батарея центрального отопления и форточка, открываемая и закрываемая по мере необходимости. Не очень удобно, если не сказать хуже – совершенно неудобно и крайне расточительно. В прямом смысле выбрасывание денег на ветер… Есть, конечно, более современный вариант – использование кондиционера, однако и здесь присутствует недостаток: в помещение не поступает свежий воздух. А ведь от состояния воздуха очень сильно зависит наше здоровье. Здесь важен и состав воздуха (например, пластмассы и синтетические материалы могут выделять различные вредные газы), и содержание в нем различных частиц (той же пыли, которая может попадать с улицы и накапливаться в мебели), и температура, и влажность. Причем последние два параметра еще должны меняться в зависимости от того, какая погода и время суток на улице. И такая, на первый взгляд, непростая задача в действительности может быть легко решена средствами умного дома.

Рассмотрим для начала нагревание воздуха в помещениях (весьма актуальный вопрос для нашей страны). Для этой цели используют радиаторы и систему «теплый пол». Причем, как правило, контроль над теплым полом не нужно заводить на управляющий компьютер умного дома. Первая причина этого заключается в том, что теплый пол преимущественно создает лишь комфорт для ног, и поэтому установка его температуры производится только один раз. Вторая же причина кроется в большой тепловой инерции теплого пола. В результате, пытаясь поддержать быстро меняющуюся температуру воздуха в комнате, он будет либо слишком нагреваться, либо, наоборот, сильно остывать. Гораздо удобнее использовать для этого обычные радиаторы, установленные под окнами.

Возможна и обратная ситуация – когда температуру в помещении нужно понижать. Привычным способом является использование кондиционера (разумеется, уже интегрированного в систему умного дома). Необычной же альтернативой кондиционерам в последнее время становится идея панельного охлаждения потолков. Общий принцип здесь тот же, что и у подогреваемых водой полов, только змеевики разводятся на потолке, и вода в них используется с температурой около +15°С. Все это не шумит, не дует и не сильно обременяет карман счетами за электроэнергию.

Наконец, воздух в помещениях должен постоянно обновляться – для того, чтобы в них поддерживался нормальный газовый состав, а также удалялись различные вредные вещества (особенную опасность здесь представляют испарения пластмасс, упомянутые ранее). Разумеется, поступающий воздух нужно очищать, нагревать или охлаждать, а также увлажнять или осушать в зависимости от ситуации вне дома. Видно, что здесь никак не обойтись без использования систем нагрева или охлаждения воздуха, описанных выше. Другими словами, мы приходим к идее единой комплексной системы, которая контролирует все параметры воздуха в доме: проветривает, обогревает, охлаждает и очищает – словом, делает все для нашего комфорта.

Однако еще одним достоинством такой автоматизированной системы является то, что она еще позволяет и заметно сократить расходы на энергопотребление (рис. 7), о чем пойдет речь в следующем разделе.

Рис. 7. Диаграмма энергозатрат для жилых помещений. Налицо – возможность огромной экономии на отоплении жилья. (по материалам http://dancor.sumy.ua)

Экономия средств в умном доме.

Многие знают недостатки современных городских систем отопления – холодно осенью, когда отопление еще не включено, и жарко весной, когда оно, наоборот, еще не выключено. В то же время, умный дом отслеживает всю ситуацию (температуру, влажность, газовый состав и т.д.), что называется, «в режиме реальном времени», и потому действует наиболее оптимальным (а значит, и самым экономным!) образом.

Управляемый дом позволяет делать и такие вещи, которые без привлечения «умной» автоматики вряд ли были бы возможны. Например, хозяева дома могут запрограммировать систему на то, что они собираются проснуться, скажем, в 8 утра. Тогда большую часть ночи дом будет находиться в состоянии экономичного потребления электричества: минимально необходимая работа системы кондиционирования, отключенная система подачи воды, выключенный практически везде свет. Но в 7.30 утра самостоятельно включается нагрев воды, насосы, и, таким образом, система кондиционирования поднимет температуру до комфортного уровня. В 8 утра хозяева проснутся в теплом и светлом доме, и им не придется тратить ни минуты на какие-то бытовые вещи. При этом экономия электроэнергии не приведет ни к каким-либо неудобствам и ограничениям.

Конечно, как следует из рис. 7, в первую очередь экономия средств должна идти за счет снижения расходов на отопление. Однако есть и другие пути, где умный дом может оказать посильную помощь. Например, это системы динамического освещения в коридорах, на лестницах и подсобных помещениях, которые включают свет только тогда, когда в них есть человек.

Электромагнитная безопасность.

Как вы уже догадались, функциональность управляемых домов может существенно упростить жизнь их хозяевам. Осталось прояснить только один вопрос – а насколько безопасны умные дома для физического здоровья человека? Казалось бы, в доме находятся устройства, каждое из которых общается с другими, распространяя в пространстве электромагнитные волны. Однако нет повода для беспокойства – умный дом оказывается безопаснее обычного.

Рассмотрим сначала устройства, связанные друг с другом через силовые линии. Как мы уже упоминали, информация по таким линиям передается высокочастотным сигналом, на который не влияет низкочастотный ток питания. Но, во-первых, сама амплитуда этого сигнала очень мала (например, в вышеупомянутой системе DAvED используется сигнал напряжением 3-5 В, что практически незаметно в сравнении со стандартным 220В напряжением питания). А раз амплитуда сигнала мала, то и создаваемое им поле тоже не велико. Во-вторых, эти управляющие сигналы не передаются постоянно. Например, сигнал, посылаемый чайнику для его включения, займет доли секунды, а затем в линии вновь не будет дополнительных токов, и значит, не будет никаких электромагнитных полей. Таким образом, связь устройств с использованием силовых линий практически не вносит изменений в существующую электромагнитную обстановку умного дома.

Есть еще устройства, которые используют для передачи данных между собой радиосвязь. Однако при их разработке инженеры старались экономить энергопотребление такого устройства; достигается это за счет импульсного режима работы передатчика. Другими словами, они не передают информацию постоянно; они ее накапливают, а потом отправляют в эфир. При этом радиопередатчик работает не постоянно, а редкими импульсами, поэтому создаваемое им электромагнитное поле кратковременно. Вдобавок, современные приемники настолько чувствительны, что для связи устройств используются электромагнитные поля малой интенсивности. Например, спецификация WiFi предписывает использование полей напряженностью примерно в 10 раз меньше порога влияния биологических реакций человека. Другими словами, на человека эти поля никак не влияют; более того, он просто не в состоянии их почувствовать.

Наконец, аудио и видеотехника умных домов связаны через дорогие коаксиальные экранированные провода. Их разработчики делают все возможное, чтобы свести к минимуму влияние внешних наводок на передаваемый сигнал, что позволяет передавать высококачественное видео изображение и звук. Но при этом достигается и положительный обратный эффект – такие провода сами практически не излучают электромагнитные волны. Влиянием таких соединений на экологию дома просто можно пренебречь.

В итоге мы получили, что все удобства умного дома никак не влияют на здоровье его хозяев. Электромагнитные поля в таком доме не сильнее, чем в обычном. Более того, за счет разнообразных систем управления и контроля силовых агрегатов (системы отопления, водоснабжения, электропитания) можно существенно снизить интенсивность электромагнитного излучения. Таким образом, управляемый дом с точки зрения экологии является более безопасным, чем традиционный.

Заключение.

Умные дома – это больше, чем просто очередная техническая новинка. Умные дома – это первейшая необходимость для современного человека. Ведь в помещениях мы проводим существенную часть своей жизни, а потому они должны максимально способствовать поддержанию нашего здоровья. Сюда, в частности, следует отнести сохранение психологического здоровья: в нынешний цифровой век каждый ощущает на себе давление потока информации, что может привести к дискомфорту, стрессам и даже заболеваниям. Обработать такой поток, выделить только самое нужное и интересное для человека – вот задача информационных систем умного дома.

С другой стороны, умный дом сохраняет и физическое здоровье. Этому способствуют различные системы климат-контроля, которые незаметно, но безоговорочно создают в помещениях оптимальную «среду обитания». Те минуты жизни человека, которые они сохраняют день за днем, затем превращаются в дополнительные годы нашей жизни.

Наконец, в современной рыночной экономике существенную роль начинает играть и экономия средств, которую предлагает умный дом. Но эта медаль и имеет обратную, еще более существенную сторону – сохранение природных ресурсов. Ведь то, что было сэкономлено благодаря системам умного дома, оказалось сохраненным в природе, будь то энергоресурсы, минеральные ресурсы, растительное сырье или что-то еще. И такое сохранение природных богатств – возможно, одна из главных функций умного дома. Человечество неразрывно связано с природой, оно является ее частью, а потому сохраненная сегодня природа порадует завтра нас самих. А также наших детей и внуков.

Стремление человека усовершенствовать свой быт способствует постоянному поиску новых технологий, позволяющих освободить время и силы для семьи, отдыха и творчества.

Одна из новейших концепций это создание умного (интеллектуального) дома, который будет заботиться о своих жильцах, взяв на себя все бытовые проблемы.

Для многих умный дом ассоциируется с умными машинами, которые готовят вам пищу, чистят одежду, убирают по дому, сидят с вашими детьми. Но это не совсем так. Очень характерен пример из фильма Чарли Чаплина "Новые времена", когда главный герой попадает в "умный" дом, где его окружают всевозможные машины, которые его одевают, кормят, бреют и т.д. Небольшое несогласование в действиях автоматов приводит к полному кавардаку. Это конечно пародия, но очень близкая к действительности. Даже если в вашем доме есть несколько умных вещей, например, холодильник с возможностью дистанционного управления или робот-пылесос, который сам чисти квартиру, ваш дом все равно нельзя назвать интеллектуальным. "Интеллектуальный"он же умный дом должен быть не просто помещением, заполненным набором умных приспособлений, а пространством, где эти приборы объединяются в единую сеть с одним общим управлением. Важной чертой интеллектуального жилища является его комплексность - все, что в нем находится, должно взаимодействовать друг с другом.

Описание дома

Но вернемся к нашему дому. Теперь, когда стандарт передачи данных внутри дома понятен, становиться очевидным как будет осуществляться само управление домом. Для этого можно использовать: беспроводной дистанционный пульт в виде ЖК панели с сенсорным экраном.

беспроводную гарнитуру с возможностью передачи голоса. Далее речь распознается на сервере и трансформируется в команды управления.

беспроводные датчики-микрофоны для передачи голосовых команд.

Начнем по порядку.

Вход

Для того чтобы попасть в дом, ключи уже не нужны. Устройство идентификации (визуальное, звуковое или сканер отпечатков пальцев) опознает вас и впустит в дом, если у вас имеется разрешение на свободный доступ в помещение. Если это не жилец дома, а какой-то другой посетитель, то информация о госте (изображение, личные данные и т.д.) передается вам, в не зависимости находитесь ли вы дома или в где-то еще. И вы уже сами решаете, впускать посетителя или нет. После этого сервер умного дома выполняет для каждого посетителя заранее приготовленную программу. Например, наполняет ванну, включает телевизор, устанавливает нужную в комнате температуру или готовит ужин. В базе дома хранятся привычки и пожелания всех жильцов и посетителей. Информация также передается домашнему роботу, который приветствует вас на входе.

Охранные системы и системы безопасности

"Мой дом - моя крепость". Эта древняя мудрость успешно реализована в умном доме. На всех окнах, дверях, крыше и по периметру здания установлены датчики системы безопасности. Если вдруг обнаруживается что-то необычное, сигнал тревоги немедленно посылается владельцу на пульт управления или мобильный телефон, в случае необходимости сигнал дублируется в местное отделение милиции или охранную службу.

Прихожая

Как только вы открываете входную дверь, включается верхний свет. Причем режим освещения зависит от уровня освещения на улице. Центральный компьютер создаст плавный световой переход, чтобы света было достаточно, и вы не ослепли при переходе из темноты в сильно освещенное помещение.

Регулировка света во всем доме осуществляется по двум схемам: автоматически, благодаря датчикам движения, по которым отслеживается ваше перемещение, и в соответствующих местах загорается или гаснет свет, или принудительно, по вашей голосовой команде.

Гостиная

Сразу после прихожей располагается гостиная, которая должна быть комфортной. Это место, где можно расслабиться и наслаждаться музыкой, видеоизображением или компьютерными играми.

Для создания уюта в помещении предусмотрено автоматическое управление шторами: по какой-то заранее заданному алгоритму (программе) или в зависимости от времени суток. Разумеется, имеется и дистанционное голосовое управление. При просмотре фильмов, или если вы захотите вздремнуть, шторы автоматически затемняют помещение до оптимального уровня освещенности.

Центр управления

В каком-то отдельном закрытом помещении может находиться спутниковый приемник, многоканальные аудиопроигрыватели для различных типов носителей, видеопроигрыватели, акустические усилители и тому подобное. Все это достаточно разместить в одном помещении, а в других будут располагаться только акустические колонки и телевизионные панели (ЖК или плазменные). Таким образом, все источники звука и видео будут находиться в подсобном помещении, а оконечные устройства там, где они вам нужны.

Этот центр дает пользователям возможность получать доступ к приложениям и цифровой информации посредством беспроводной связи с экранов компьютеров или других устройств, расположенных в доме.

Коммуникационные возможности

Для связи с внешним миром используются как вполне привычные кабельные технологии (оптоволокно), так и беспроводные стандарты передачи данных (IEEE 802.11). Дом оборудован выходом в сень Интернет, многоканальной цифровой телефонной линией, имеет возможность приема кабельного и спутникового телевидения, а также принимает радио.

Ванная

Забота о здоровье жильцов одна из основных задач умного дома. Датчики, следящие за состоянием вашего здоровья, располагаются в спальне и в ванной. Сенсор, встроенный в зеркало над раковиной, анализирует состояние вашей кожи и подбирает нужный тип и температуру воды для умывания.

Туалет, оснащенный подогревом и автоматическим смывателем, автоматически производит экспресс анализ вашей мочи, передает данные на центральный компьютер, который уже и определяет необходимо вам лечение и если возникнет необходимость свяжет вас с лечащим врачом.

Климат контроль

Система кондиционирования управляет климатом в каждой комнате в соответствии с пожеланиями жильцов. Система регулирует влажность, температуру, скорость потока воздуха, количество пыли в помещении, анализирует состав воздуха и добавляет в него или удаляет нужные элементы. Нагревательные и охлаждающие элементы могут быть вмонтированы в пол, стены ил потолок. Для работы климат системы могут использоваться вторичные энергоресурсы.

Климат система берет на себя не только поддержание определенных климатических условий внутри дома, но и очистку водопроводной воды, фильтруя и придавая ей ту температуру, которая и должна быть по существующим стандартам.

Датчики, размещенные на крыше вашего дома, следят за состоянием погоды, и сообщают вам эти данные вместе с прогнозом погоды, полученным из сети Интернет.

Уборка в доме

Уборкой в доме также занимается центральный компьютер, который сам определяет (с помощью специальных датчиков) степень загрязненности помещений и воздуха. Если помещение нуждается в чистке, то привлекается бригада роботов-уборщиков. Можно запрограммировать дом, чтобы он проводил уборку только в ваше отсутствие.

Электроэнергия

В качестве электроэнергии может использоваться как обычная электросеть, так и специальные управляемые солнечные батареи или другие альтернативные источники энергии. Система управления отображает, какие источники энергии работают в данный момент, какое количество энергии сгенерировано.

В случае перебоев с подачей электроэнергии система автоматически использует сгенерированные запасы или переключается на другие источники электроэнергии.

Система также регулирует уровень напряжения в электросети дома, успешно справляясь со скачками напряжения.

Кухня

Все приборы на кухне должны быть дистанционно управляемые: это и чайник, который включается компьютером, как только вы проснулись, чтобы к вашему приходу на кухню у вас уже был готовый чай, и кухонный комбайн, который пока вы принимаете душ, готовит вам легкий завтрак и многое другое.

Расположенная на передней панели холодильника ЖК панель сообщит вам количество оставшихся продуктов. В вашем доме никогда не кончаются продукты. Когда продукты подходят к концу ваш дом автоматически делает заказ новых продуктов в магазине с помощью электронной почты. Вы также можете проверить содержимое холодильника, находясь на работе. Для чего можно воспользоваться мобильным телефоном или выходом в сеть.

Спальня

Спальня это помещение, в котором мы проводим треть своей жизни.

Тут уровень автоматизация просто поразительный. Это и убаюкивающая вас кровать, которая также может разбудить вас утром с помощью корректных толчком или просто скинуть на пол. Шторы, которые открываются в заданное вами время, позволят вам проснуться от естественного солнечного освещения.

Вся техника в вашем доме способна изучать привычки каждого члена семьи и адаптироваться к ним.

Что дает умный дом?

Выводы

Прогресс современных технологий поистине впечатляет. Умный дом это уже не далекое завтра, а самое что ни на есть близкое сегодня. Большинство крупных компаний за последнее десятилетие проводило проекты строительства интеллектуальных домов. Однако для того, чтобы умный дом все же ре стал реальностью в первую очередь надо перестроить собственное сознание. Хорошо известен эффект сложного программного обеспечения, когда обычный пользователь, работающий на компьютере использует от силы 10% потенциала программного обеспечения.

У человека должен сложиться некий стереотип мышления, что все бытовые приборы могут работать как единое целое. Для этого необходима повсеместная пропаганда и серьезная разъяснительная работа. А когда сознание пользователя перестроиться, умный дом будет у каждого.

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Центр образования № 000

УМНЫЙ ДОМ

Выполнили ученики 9 «А» класса

Сидоренко Антон,

Коляченко Максим,

Своротнева Наталья,

Калинин Максим,

Чесноков Дмитрий.

Научный рукаводитель:

Введение

1. Историческое развитее умного дома

2. Создание коммуникационных систем

3. Интегрированная система управления информационной, вычислительной и

коммуникационной инфраструктурой

4. Удаленное управление интеллектуальным домом

5. Энергосбережение

6. Системы автоматического управления освещением

7. Климат – контроль

8. Комфорт и свобода в помещении.

Приложения

Введение

Умный Дом

Любое здание состоит из подсистем, которые отвечают за определенные задачи, возникающие в процессе эксплуатирования данного здания. Чем больше подсистем и функций, которые они выполняют, тем сложнее ими управлять. Для решения данной проблемы была изобретена концепция «умного дома».

Умный дом (англ. Smart House) - жилoй дoм сoвременного типа, oрганизованный для комфoртного прoживания людей при пoмощи сoвременных высoкотехнологичных устрoйств. Понятие «умный дом» появилось в 1970г и формулировалось так: «Здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства». Под «умным домом» подразумевается система, которая обязана распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и определенным образом на них реагировать. В «умном доме» все подсистемы объединены в единый управляемый комплекс. «Умный дом» - наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством.

Концепция «умного дома» включает в себя следующие положения:

Интегрированная система управления зданием – системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания.

Устранение всего обслуживающего персонала здания и передача функций контроля подсистемам интегрированной системы управления зданием.

Реализация механизма мгновенного отключения и передачи при необходимости управления человеку любой подсистемой интеллектуального здания.

Обеспечение корректной работы отдельных подсистем в случае отказа общей управляющей системы или других частей системы.

Минимизация стоимости обслуживания.

Наличие в здании проложенной коммуникационной среды.

Одним прикосновением можно превратить пустующий дом в уютное гостеприимное жилище: включится освещение, установится желаемый микроклимат, закроются жалюзи, наполнится ванна... Вы устали и хотите отдохнуть у экрана телевизора или "домашнего кинотеатра"? Дотроньтесь клавиши панели или пульта Д/У - и опустятся шторы, свет плавно погаснет, выдвинется экран и включится проектор.

Используя специальные светорегуляторы можно изменять яркость, на которую будет загораться лампа при включении, но и период, за который будет достигнута эта яркость.

Система постоянно, измеряя температуру в каждой комнате, поддерживает ее на заданном уровне, управляя непосредственно клапанами радиаторов или заслонками кондиционера, а также, при необходимости, автоматически включает или выключает вентиляцию .

Каждый день «умный дом» экономит денежные средства благодаря различным режимам работы: комфортный режим, ночной режим, режим "никого нет в доме". Смена режимов происходит по расписанию или по команде.

Умный дом отчитывается обо всех событиях, которые происходили в нем во время отсутствия хозяев: кто и когда приходил, сколько времени находился в доме, какие подозрительные личности долго находились возле него. Их лица и действия зафиксированы в его памяти. Об проникновении непрошенных гостей, дом сообщит хозяину и вызовет охрану.

Вам надо быть в курсе того, что происходит у вас дома и управлять им на большом расстоянии? Это можно сделать без проблем с помощью современных средств коммуникации.

Установив на домашнем компьютере программу визуализации , вы сможете легко управлять умным домом через интернет, например: впустить нежданных гостей или выключить/включить свет.

Телефон обеспечит возможность управления умным домом тогда, когда у вас нет доступа в интернет, для этого достаточно набрать свой домашний номер. Управление через телефон происходит по средствам тонального набора.

«Не за горами день, когда окружающие нас вещи научатся думать и станут много более полезны обществу». Н. Винер. 1940 г.

Умный Дом - это умная система управления, которая обеспечивает сoгласованную рабoту всех инженерных сетей дoма. Такая система правильно распределяет ресурсы, чем снижает затраты, и oбеспечивает понятный интерфейс контроля и управления.

Пока в России, подобные комплексные инженерные системы разрабатывают на профессиональном уровне совсем не много организаций.

При проектировании всех инженерных коммуникаций, объединяют в единый комплекс: водоснабжение , канализацию, микроклимат, энергоснабжение , безопасность, связь, управление светом, мультимедиа и другие системы, обеспечивая реальную и ощутимую домашнюю автоматизацию. Обычно в проект умного дома включается около сорока отдельных систем, для каждой из которых приходится производить сложные технические расчеты.

В наше время умный дом имеет, на первый взгляд, фантастические функции. В нем всё на столько автоматизировано, что даже бытовая техника в нём большинство задач выполняет самостоятельно. Он облегчает жизнь человека и делает ее комфортной и мобильной, избавленной от суеты и домашних забот.

У каждого «умного» дома есть системы автоматизации здания. Это такой комплекс программного обеспечения для управления оборудованием, с помощью которого производится мониторинг и администрирование. Автоматизация здания нужна для эффективного и безопасного обслуживания всей техники жилого помещения. Существует системы которые срабатывают при возникновении заданных программой условий. Автоматизация здания становится возможной благодаря современным устройствам, станциям и модулям управления, которые могут контролировать работу всего оборудования. В автоматизации зданий важным является то, что есть возможность одновременного и точного учета всех важнейших факторов.

Историческое развитее умного дома

Дадим определение умному дому. Определение, сформулированное в Вашингтоне в 70-х годах: «Здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства…», совершенно ничего не объясняет. И в самом деле, многое из того, что представлено на рынке, и продается под названием «умного дома» автоматикой, и системами управления не является. Часто мы сталкиваемся с очень дорогими (это не значит, что они хорошие) «умными домами», которые делаются на потеху богатой и не очень образованной публике. Работоспособность и надежность этих конструкций не выдерживают никакой критики. Другая крайность - пластмассовые «китайские» коробочки с дешевеньким процессором для выполнения какой-то одной задачи.

Поэтому вначале дадим определение, что понимаем под названием «Дом разумный». Это система автоматики, которая обеспечивает комфортные условия существования в доме, вне зависимости от внешних факторов.

Поскольку мы живем во времена, когда экология (особенно в крупных городах) никуда не годится, а аварии государственных коммуникаций становятся нормой, а иногда, вообще не обеспечивают нормального снабжения, тема «дома разумного» становится очень актуальной. И удивительно, что многие системы жизненно-необходимые человеку вообще не выпускаются. На самом деле, ситуация с автоматикой не случайна, а имеет логическое объяснение. Как исторически жил человек? В разных климатических поясах нашей планеты жизнь складывалась по-разному. В полярных областях и тропической зоне условия существования различны. Но все же, в жилище присутствует некоторая общность - обособление человека от внешних воздействий какими-нибудь стенами и крышей. Не зря же так часто говорят про «крышу над головой». Такое жилище, как правило, комплектовалась «очагом» для приготовления пищи и обогрева. Вот так человечество живет практически до сих пор. Сантехника и водопровод , имеющиеся в античности, были прекрасно забыты. Возрождение гигиены произошло только в конце 19-го века. Автоматика же, пригодная для быта появилась с первыми микропроцессорами только в конце 70-х годов ХХ-го века. А современная автоматика - дитя ХХI-го. И наше жилище обрастало теми приспособлениями, которые были в ходу и могли «приспособиться» для бытовых нужд.

Мы, сегодня, пользуемся фантастическими технологиями в области связи и вычислительной техники, но продолжаем относиться к нашему жилью по-старинке. Богатые продолжают нанимать прислугу, а бедным, вообще не до этого. А как же средний класс? Ну, как-то что-то приспосабливает под свои нужды. Но все не так плохо.

Сейчас начинают появляться концепции и технологии, которые уже можно называть «дом разумный». Электроника заметно дешевеет, и мы можем выпускать, действительно, автоматику для дома. То, что стоило двадцать лет назад десятки тысяч долларов, сегодня укладывается в сотню. Тут можно говорить о прогрессе. И можно говорить об автономных коммуникациях для индивидуального дома. Сегодня такой подход к строительству более грамотный, более дешевый и более быстрый. Сейчас строят быстрее, чем согласовывают.

Только без автоматики эти задачи выполнить невозможно. Вы же не будете держать при каждом доме обслуживающую бригаду? Да этого и не надо, все решает современная электроника. Естественно, автоматика должна присутствовать и в жилище. Первопричина - экономия используемых ресурсов (электричество, тепло, вода и т. д.). Возьмите хотя бы теплые полы. В доме общая нагрузка при включении теплых полов может достигать двадцати киловатт, т. е. 20 кВтхЧ в час. В сутки - 480, т. е. где-то 2500 рублей! При таком подходе автоматику можно окупить за месяц! Второе - это комфорт, удобство управления, интуитивно-понятный интерфейс. Комфорт - это когда всегда комфортно! Возьмем вентиляцию.

Нормальная система приточно-вытяжной вентиляции с обогревом, увлажнением, кондиционированием и фильтрацией, - где она? То, что предлагается за большие деньги (начиная с миллиона рублей), сделанное на западе, у нас работает плохо! Вспомните нынешнее лето. Так можно говорить о каждом аспекте жилища очень долго и подробно.

Создание коммуникационных систем

В разработке автоматизированных решениях для жилых объектов, основной задачей специалистов являются создание инженерных сетей и их управлениея.

Инженерные коммуникации внедряются поэтапно: сначала создаются система отопления, система кондиционирования и вентиляции, затем - «умный» свет и мультимедийные технологии. Координация работы производится благодаря сенсорным панелям, через Интернет или сотовый телефон, а также с помощью одно-, двух - или многокнопочных выключателей.

В комплекс по проектированию загородных дом ов, оснащенных «умными функциями», входит:

· разработка проекта системы управления освещением,

· создание концепции мультимедийных систем (домашние кинотеатры, музыкальные центры),

· установка климатического контроля,

· управление вентиляцией, кондиционированием, отоплением и водоснабжением,

· установка системы силовой электрики,

· интеграция системы канализации,

· установка системы безопасности, диспетчеризации,

· подключение любых систем по желанию заказчика (система ландшафтного полива, система антиобледенения кровли , ступенек, дорожек и водостоков и д. т.).

Интегрированная система управления информационной, вычислительной и коммуникационной инфраструктурой

Основываясь на предоставляемых нижележащими уровнями сервисами, создается уровень, в котором все аспекты управления инфраструктурой здания сводятся в единую систему, выполняющую многообразные функции, в число которых входят:

·пожарная сигнализация;

·управление параметрами среды;

·контроль доступа в здание;

·сигнализация взлома;

·управление лифтами;

·телевизионное слежение;

·регистрация времени пребывания;

·управление освещением;

·контроль использования электрической энергии;

·отопление, вентиляция, поддержание микроклимата;

Кроме выполнения целевых функций на инфомационно-вычислительную систему возлагаются функции управления информационной инфраструктурой:

Контроль доступа к информации и управление безопасностью;

Управление рабочей нагрузкой;

Контроль производительности;

Управление событиями;

Автоматизированное управление хранением данных;

Управление проблемами;

Управление транспортом данных;

Управление Web-серверами;

Управление сетью;

Последняя функция - управление сетью - включает в себя автоматическое распознавание объектов управления и топологии сети, повышение уровня контроля сетевого оборудования, наличие средств разработки для управления нестандартным сетевым оборудованием, интеграция с уже существующими в здании системами управления сетью и наличие средств ведения политики управления сетью.

Удаленное управление интеллектуальным домом

Человек может управлять интеллектуальным домом или зданием с помощью некоторых средств управления, размещенных в самом здании или его окрестностях, но включенных в ту же коммуникационную среду, что и все остальные компоненты системы. Но существует множество случаев, когда бывает необходимо или желательно удаленное управление подсистемами интеллектуального дома.

Интеллектуальный дом предоставляет возможность создания в рамках интегрированной системы управления подсистемы удаленного управления, то есть управления на расстоянии.

Эта подсистема позволяет получать информацию о событиях и состоянии некоторых параметров и удаленно посылать команды управления всей системе или ее отдельным компонентам. Относительно глубины реализации такой возможности в интеллектуальном доме можно выделить следующие формы:

Автономный саморегулируемый и управляемый объект, включающий в себя всевозможную автоматику, но не имеющий сообщения с «себе подобных». Это наиболее примитивная модель искусственного интеллекта, на которую делается упор в средствах массовой информации . Где «интеллектуальный дом» представляется чудом техники, доставляющим массу удобств и удовольствий богатому лентяю, которому лень встать с дивана, чтобы щелкнуть выключателем.

При подключении интеллектуального дома к сети, связывающей отдельные объекты в единое целое, что позволит осуществлять мониторинг систем жизнеобеспечения, энергосбережения ресурсов, безопасности и т. д. Решение любых вопросов, связанных с упомянутыми системами, а также доставка различных услуг по сети станет гораздо проще и эффективнее.

Высшая форма интеллектуального жилища: обмен информацией как внутри дома, так и вне его происходит с помощью стандартных цифровых протоколов. Все компоненты системы интегрированы в единое коммуникационное пространство.

Например благодаря модулю, на протоколе Х10, можно управлять системами электроснабжения, освещения, видеокамерами , пожарно-охранной сигнализацией. Если заменить обыкновенный выключатель на “умный”, то можно управлять освещением одновременно в разных помещениях. Еще если воткнуть в розетку приемник радиосигнал, то можно будет регулировать освещение с помощью пульта дистанционного управления.

X10 разработали почти 25 лет назад. В наше время X10 используется в управление бытовыми приборами.

Нужно потратить немало средств, чтобы обустроить квартиру или дом “умными” технологиями. Стоимость зависит от уровня “новороченности” системы.

Энергосбережение

Обычно, хозяева “умных домов”, в нашей стране, стараются обеспечить себе полный комфорт и защиту. Но на Западе, главная цель владельцев “умных домов” является сбережение энергии. Для примера, возьмем 282 этажный дом. Примененные в нем технологии, направленные на энергосбережение, по данным специалистов, должны понизить энергопотребление на 35%. В подвале “умного дома расположена система очистки сточных вод , для смыва в туалетах и для орошения парков, и садов. В квартирах находятся программируемые термостаты, они позволяют менять параметры микроклимата, и энергоэффективной бытовой техникой.

На крыше основного строения размещены сады. Такая “зеленая крыша” снижает нагрузку на систему кондиционирования воздуха в доме летом.

Все системы домашней автоматизации можно условно разделить на открытые и закрытые.

Разрабатывая дизайн интерьера дома, дизайнеры думают не только о мебели или бытовой технике. Любое, даже самое замечательное, оформление нуждается в правильной "подаче", и в решении этого вопроса огромную роль играет освещение. Естественный свет играет очень важную роль, но в наше время этого мало. Сейчас актуальны точечные светильники, позволяющие осветить комнату так, как этого требует происходящее в ней, а управление системой светильников можно доверить интеллектуальной системе.

Осуществить автоматическое управление светом можно двумя способами. В первом из них каждая комната оборудуется отдельным пультом. Несколько кнопок на нем отвечают за отдельные осветительные приборы. Пользуясь пультом, можно управлять светом, не вставая с кресла или дивана. Второй способ-полная автоматизация освещения с использованием особых датчиков. Как только человек входит в комнату, свет в ней включается, а выключается через некоторое время после ухода.

Системы автоматического управления освещением

В систему «Умный дом» входит полная автоматизация освещения с использованием специального оборудования. Эта система очень удобна для дома, например, когда человек входит в помещение свет включается, а когда человек уходит то свет отключается автоматически либо по какой-то специальной звуковой команде, например, хлопок руками или щелчок пальцев.

Также освещение можно будет настраивать при помощи пульта, через компьютер или даже через сотовый телефон. Ещё можно отметить один плюс – автоматический таймер света, это позволит ночью не включать самостоятельно свет – он будет отключаться сам, это очень удобно ведь не придётся вставать ночью и искать тумблер включения света.

Такие системы делают жизнь гораздо комфортнее, как в малых жилых помещениях, так и в больших особняках.

Естественно затраты на такое оборудование окупится слихвой.

Как показывают расчёты, автоматические системы управления светом дают довольно большую экономию электроэнергии. Такие системы дополняют интерьер и дизайн дома.

Климат – контроль

Как вы знаете, такие системы присутствуют на сегодняшний день в автомобилях. Например, если за окном машины жара и солнце включается вентилятор , а если же холод и дождь включается обогрев. В некоторых автомобилях климат контроль для водителя и для пассажиров разделен, ведь для комфортного вождения пассажиров важен комфорт водителя.

Но представьте себе что такая система могла бы сделать в доме. Приходя ночью после дождя в дом, вам не надо будет включать домашнее отопление, ведь с такой системой как «умный дом» это можно будет сделать через телефон стоя в лифте, и уже доме наслаждаться теплом и уютом. Исследования показали, что 1 градус тепла может сэкономить 5% энергоресурсов. Представляете сколько это может сэкономить?

Так что же подразумевают под климат-контролем?

Климат-контроль – автоматическая система для изменения температуры или влажности в пределах заданных параметров. В эту систему входят различные обогреватели, вентиляторы, тёплые полы, двойные рамы, кондиционеры и т. д.

В этой системе очень важна слаженность и чёткость, так как нагреватель не должен греть когда работает вентилятор или же пол нагревать когда кондиционер включён на холод. Также, ПО для регулирования и задавания параметров этой системы, можно будет установить на любой электронный гаджет.

Комфорт и свобода в помещении.

Задумайтесь на одну минуту, сколько раз вы нажимаете на кнопки приходя домой. Вы смотрите телевизор, звоните по телефону, играете или работаете на компьютере или же в игровую приставку. А теперь представьте себе, что половина из перечисленного находится у вас на вашем сенсорном смартфоне. Приходя домой, вы нажимаете на нём пару кнопок, и дверь в дом плавно открывается, свет тихо включается, телевизор горит на любимом канале, микроволновка греет еду, поставленную туда заранее, и компьютер попискивает привычным звуком.

И ведь эта мечта осуществима уже сегодня! Такие системы существуют уже в США, Японии, Китае, Англии, Франции, Германии и даже кое-где в России, многочисленные фирмы предлагают свои системы «умного дома», сотни квалифицированных рабочих готовы установить и настроить вам эти системы. Представьте, насколько изменится ваша жизнь после покупки «умного дома».

Приложения.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

4. Информация сайта

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

6. Ю. Королев «УМНЫЙ ДОМ: приятная неизбежность»

7.

8. Новичихин В. Пояснительная записка к УИР.

Предварительный просмотр:

Фестиваль творческих открытий и инициатив «Леонардо»

Научно-исследовательская работа

« Проект «Умный дом» в среде Arduino »

Подготовил:

Ливенский Вадим Николаевич,

обучающийся 6 класса

Руководитель работы:

Мельникова Татьяна Александровна,

учитель информатики

МОУ «Мантуровская СОШ»

Курск, 2017

Введение

С каждым годом тема «Умный дом» завоевывает все большую и большую популярность и, как в свое время автомобиль, интеллектуальное жилище становится не роскошью, а необходимостью. Из прежних игрушек умная автоматика перерастает в неотъемлемую часть современного дома. И с каждым годом система управления становится все сложнее и сложнее. Эта тема заинтриговала нас своей способностью делать пребывание в собственном жилище наиболее комфортным и безопасным.

Главной целью в нашей научной работе на тему «Умный дом» является исследование и рассмотрение возможности современной интеллектуальной системы управления зданием в доступной и понятной для школьников форме.

Гипотеза: Если изучить возможности системы «Умный дом», то можно реализовать их в среде Arduino на основе программного кода.

Цель: Ознакомиться с возможностями системы "Умный дом" и реализовать применение элементов системы в среде Arduino.

Задачи исследования:

• собрать необходимую информацию, посвященную комплексной системе управления "Умный дом";
• создать свой аналог элементов управления системы в среде Arduino.

Объект исследования: беспроводная связь (среда Arduino) на основе программного кода .

Предмет исследования:

• процесс управления двигателем;
• процесс управления климатом и отоплением и другими устройствами, которые можно подключить к общей системе.

Методы исследования: сбор материала по теме, его анализ и обработка.

1. Понятие умный дом

Заглянем в прошлое. В давние времена жильём для человека были места созданные природой. У древних людей были дома, в пещерах. Дома даже есть на деревьях, из камней. Есть дома на севере. Это – ЧУМЫ, из кожи оленей. Существуют дома в скалах. Это очень необычно и интересно. Потом с развитием методов обработки материала, когда люди научились делать топоры и пилы - дома стали строить из дерева. Дома стали деревянные. А ведь в сказках тоже мы наблюдаем различные дома. Знаменитая избушка на курьих ножках. Замки королей и царевичей. Чем больше люди придумывали материалы и способы их строительства, тем больше рождались новые дома. Кирпичные, многоквартирные. Сейчас у людей много накоплено знаний, и они стремятся к чему-то новому. Из простых домов люди стали делать умные дома.

Умный дом (англ. intelligent building) - жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт (в том числе безопасность), и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопи-тельными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и прочим.

По оценкам аналитиков рынок умного дома активно развивается. К 2020 году общий объем мирового рынка достигнет $51.77 млрд. В период с 2013 по 2020 года среднегодовые темпы роста рынка будут на уровне 17.74% . Основными игроки в этой отрасли за рубежом - Siemens AG (Германия), Schneider Electric SA (Франция),TELETASK (Бельгия), ABB Ltd. (Швейцария), компания Ingersoll-Rand PLC (Ирландия), Tyco International Ltd. (Швейцария), Emerson Electric Co. (США), Legrand С.А. (Франция), Crestron Electronics, Inc. (США) , Lutron Electronics, Inc. (США), Control4 Corporation (США), и др.

Объемы российского рынка значительно скромнее. В 2012 году объем рынка у нас в стране превысил 56 млн. евро или 2,3 млрд. рублей. В 2013 году по предварительным оценкам рынок вырос на 30% - до 65 млн. евро или почти 3 млрд. рублей. К 2017 году его общий объем может достигнуть 176 млн. евро или 7,9 млрд. рублей .

Концепция «умного дома», родившаяся в семидесятых годах прошлого века, была ориентирована, прежде всего, на экономию электроэнергии. В основе концепции лежало размещение в жилом доме различных датчиков, определявших, находится ли кто-нибудь в помещении, что позволяло включать и выключать свет в зависимости от наличия людей в комнате. По мере развития высоких технологий, концепция стала обрастать дополнительными возможностями.

Сегодня система «умный дом» осуществляет управление освещением , отоплением и вентиляцией, охраной и видеонаблюдением, аудио- и видеоаппаратурой, бытовой техникой, климатом в зимнем саду, поливом газона и очисткой бассейна, открытием форточек и ворот, перекрытием газа и воды в случаях аварии и т.д. Участие людей при этом сводится к минимуму.

Интеллектуальный дом хорош тем, что предлагает разумный подход к использованию энергоресурсов. Для оптимизации расходов на освещение в подсобных помещениях дома возможна установка датчиков движения, которые автоматически включают свет только в присутствии человека. Или, например, система отопления следит за тем, чтобы в ночные часы и во время отсутствия хозяев температура в доме понижалась. А система вентиляции будет включаться только периодически, с заданными временными интервалами. При этом надо помнить о том, что кроме существенной экономии денег бережное использование энергии привносит существенный вклад в решение проблем экологии. Система "умный дом" может оказать неоценимую услугу и спасти от солидных трат в случае протечек воды, утечки газа или возгорания, благодаря установленным датчикам утечки воды, датчикам затопления, детектору дыма. Ведь случайная авария может стать причиной испорченного имущества и загубленного ремонта. Интеллектуальные системы учета и контроля энергоресурсов смогут не только перекрыть воду или газ, но и вовремя сообщить о случившемся хозяину. И, конечно же, не будем забывать об охранной сигнализации, которая в случае нарушения общественного порядка позволяет передать вызов в отделение милиции.

Микроклимат «умного дома» с высокой точностью отслеживает параметры воздуха в помещениях и корректирует ее в соответствии с программой или согласно командам пользователя. Централизованное управление кондиционерами, системой отопления гарантирует комфортные условия для проживания в любое время года. Система включает принудительную вентиляцию или открывает окна для проветривания помещений.

В общих чертах, система состоит из следующих элементов:

• Специальный контроллер или компьютер (управляет всей системой)
• Множество датчиков (передают информацию контроллеру)
• Исполнительные устройства (по команде контроллера управляют различными объектами, например гаражными воротами)
• Источники питания (обеспечивают бесперебойное электроснабжение для всех элементов системы)
• Линии связи (соединяют между собой все вышеперечисленные устройства)

Система работает следующим образом. К контроллеру подключено множество датчиков и исполнительных устройств. В качестве линий связи могут быть использованы: отдельно проложенные провода, существующая электропроводка или радиоканал. Пользователь настраивает алгоритм работы контроллера под свои требования. Сотни раз в секунду контроллер опрашивает датчики, следящие за состоянием всех систем «умного дома». После опроса этих датчиков система анализирует ситуацию и в зависимости от установок, заданных ей пользователем, принимает то или иное решение. Исполнительные модули и системы получают команды и включают-выключают соответствующие устройства: освещение, систему охраны, кондиционирование воздуха, отопление, подачу воды и т.д.

Кроме автоматического режима система управляется и автономно, например, с помощью «умного» обучаемого пульта. Универсальным пультом дистанционного управления можно управлять не только телевизором и домашним кинотеатром. С его помощью легко активировать любую функцию «умного дома»: задать различные сценарии освещения , открыть и закрыть ворота, поставить дом на охрану и т.д.

Больше всего впечатляет то, что управлять системой можно,– через интернет (используя электронную почту) или мобильную связь (используя SMS-сообщения). Сидя на работе, например, можно дать команду подготовиться к вашему возвращению домой - включить систему "климат-контроля" , подогреть пол, разогреть сауну и т.п.

Важно отметить, что все инженерные подсистемы «умного дома» должны иметь возможность работать в автономном режиме. В случае, если какая-то из подсистем вышла из строя, то и вся система не сможет исправить проблему, поскольку «умный дом» является надстройкой над остальными инженерными системами.

Самые "умные" здания мира

Первым «интеллектуальным» зданием в мире стал «дом трона» японского профессора Кена Сакамуры в Токио, построенный в конце 1980-х годов. Датчики погоды открывали окна, когда дул свежий бриз, и включали кондиционер, когда становилось жарко; если радио играло слишком громко, окна автоматически закрывались, чтобы не потревожить соседей; если звонил телефон, компьютер снижал звук аудиосистемы, и так далее.

Самым известным и дорогим на сегодня ($100 млн.) стал дом, построенный в США для человека по имени Билл Гейтс, знаменитого создателя корпорации Microsoft. Это многоэтажная вилла, оснащенная самым "продвинутым" оборудованием. В здании осуществляется компьютерный контроль и управление всем инженерным оборудованием, поддерживается оптимальный микроклимат в каждом помещении. При входе в жилище каждый посетитель получает специальный электронный значок, который обеспечивает подключение ко всем информационным службам дома. В дальнейшем этот значок сообщает датчикам, где находится гость, для того, чтобы дом смог выполнить все его пожелания. В темное время суток каждого сопровождает движущаяся световая волна, при этом, чем дальше светильник находится от человека, тем меньше его яркость.

Все стены оборудованы встроенными телевизионными экранами. С помощью того же универсального пульта управления на экраны выводятся любые изображения из огромного архива картин, видеозаписей, фильмов и телепрограмм. Системы автоматического управления климатом , освещением , телефонами и множеством других электронных устройств доведены до логического совершенства, но при этом человек не становится «рабом» электронного «мозга» своего дома, поскольку в любой момент может вернуться к традиционному «ручному» управлению - рядом с электронными панелями мирно уживаются и «старомодные» выключатели.

2. Выполнение эксперимента.

В разработке проекта «Умный дом» использовалась Arduino 1.8.1

Программа Arduino - марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники , ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE ) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат , продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

Программы Arduino можно использовать для выполнения базовых команд, таких как создание вспышек LED-устройств, или комплексных функций, таких как передача данных по Интернету. Для определенных приложений доступны различные схемы Arduino.

Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. В концепцию Arduino не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно.

Язык программирования

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC ).

Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

• setup() : функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.
• loop() : функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Описание системы

Для электронной схемы «Умный дом» использовались следующие элементы:

Актуальность проекта

Уже давно никого не удивишь различными рассказами об интеллектуальном доме. Система «умный дом» популярна во всем мире и с каждым годом поклонников этой системы становится все больше. Понятие «умный дом» появилось в 70-х годах прошлого века. В США были разработаны технологии, которые позволяли управлять бытовыми приборами, используя провода бытовой электросети. После этого системы автоматизации были усовершенствованы, а также различные электронные компании создавали новые решения. На сегодняшний день есть большое количество разных технологий при осуществлении автоматизации зданий, благодаря которым можно установить интеллектуальную систему в любое помещение. Что же представляют собой современные системы «умный дом»? Насколько они доступны для простого обывателя? «Умный дом» - это система управления здания, которая объединяет в себе все оборудование, которое решает задачи по обеспечению безопасности, связи, развлечений, а также жизнеобеспечения. Система включает в себя различные датчики, благодаря которым поступает информация, а также из исполнительных устройств, которые приводят систему в действие. Самое главное достоинство интеллектуальных зданий – высокий уровень комфорта, который они обеспечивают жильцам. Например, управление освещением дома и придомовой территории позволяет с легкостью создавать различные световые сцены и комбинации освещения загородного участка или фасада здания в зависимости от пожелания клиента и времени суток, лишь одним нажатием кнопки на панели управления освещением. Система под названием «климат – контроль» позволяет одновременно в разных комнатах создавать условия различных климатических зон, делая атмосферу дома не только разнообразной, но и самое главное – комфортной.

Цель проекта

Ознакомиться с возможностями системы "Умный дом"

Задачи проекта

Собрать необходимую информацию по сайтам Интернета, посвященную комплексной системе управления "Умный дом".

• Проанализировать потребности в управлении вашим домом с помощью различных датчиков.

• Создать список (перечень) ваших проблем.

• Найти технологии, подходящие для вашего дома.

• Определить, какими средствами для их реализации располагает ваша семья.

Исследование

Я ознакомился с соответствующими сайтами Интернета, из которых подробнее узнал о том, что же входит в понятие "умный дом". Поскольку это очень интересный для меня вопрос, то я попросил родителей помочь мне разобраться в данном вопросе. Оказалось, что это система автоматизации домов, офисов, квартир, включающая в себя следующие компоненты:

управление светом

• установка различных датчиков присутствия, движения, освещенности и др.

• управление жалюзи и рольставнями

• управление вентиляцией и кондиционированием

• управление климатом и отоплением

• системы multiroom (распределение аудио-, видеосигналов различных источников в разные помещения)

• управление охранной и пожарной системами дома (в том числе с оповещением о происходящем по любому каналу связи)

• управление другими устройствами, которые можно подключить к общей системе

• возможность централизованного управления "Умным домом" через компьютер, Интернет, посредством пульта, мобильного телефона.

Система "Умный дом" проектируется и собирается индивидуально для каждого потребителя. Это делают профессионалы. Самостоятельно такую систему в доме сделать практически невозможно. Некоторые из перечисленных выше систем можно не устанавливать или, наоборот, добавить новые.

Выбор конкретных систем

Для уменьшения стоимости системы "Умный дом" можно устанавливать отдельные элементы. Необязательно объединять все в единое целое. Так, оборудовав в доме такие составляющие системы, как управление освещением, охранная и пожарная сигнализация, датчики от протечки воды и утечки газа, можно получить экономию электроэнергии и обеспечить защиту материальной собственности от действий злоумышленников, техногенных факторов, от влияния человеческого фактора. Управление всем этим может осуществляться с помощью пульта.

Все мы стремимся к комфорту и безопасности в нашем доме, к удобному и быстрому управлению современным оборудованием. Система "Умный дом" создается, чтобы автоматизировать управление техникой, сделать нашу жизнь более комфортной. Со временем все больше семей будут заказывать установку такой системы в своем доме.

Автоматизированное управление светом

Квартира или дом не может обойтись без системы электроснабжения. Грамотный проект, расчет нагрузок и подбор кабеля - основа этой системы. В каждом помещении имеется несколько групп освещения, приходится ставить огромную "гребенку" выключателей или использовать систему управления освещением, которая позволяет управлять сценариями от нескольких элегантных переключателей, не отличающихся по внешнему виду от обычных двух/трех клавишных. Если Вы уходите из дома достаточно нажать клавишу "все ушли", свет будет везде выключен. Система управления светом может быть элементом проекта умного дома или является самостоятельной.

Системы связи и информации

Эта сфера деятельности – инновационные технологии. Поэтому предлагаются передовые решения, которые не устареют через год: - современные марки кабеля с повышенной проводимостью; - WiFi-дублирование; - точки вывода около оборудования, которому нужен или может понадобиться выход в интернет (телевизор, Blu-ray проигрыватель, медиасервер, АV ресивер, игровая приставка, сетевое хранилище данных, точка доступа, блоки управления и мониторинга различных систем).

Комплексная система безопасности

Охрана личного пространства от незаконных посягательств, защита от пожара, затопления, протечки газа - важнейшие аспекты в создании психологического комфорта. Интуитивно понятное, русифицированное меню панели управления с планами помещений и этажей. SMS-уведомления на мобильный телефон не только при срабатывании сигнала тревоги, но и при каждой постановке на охрану или снятии. Комплексная система безопасности может быть самостоятельной системой защиты от несанкционированного вторжения и от огня, а также быть элементом проекта умного дома.

Система интегрированного управления

Система предоставляет пользователю максимальный комфорт в управлении жилым пространством вокруг него. Автоматизирует рутинные функции контролирования инженерных систем и систем безопасности. Упрощает управление всеми домашними системами путём вызова сложных последовательностей действий, простым нажатием одной кнопки, предусматривает выполнение настоящих пользовательских сценариев. Проще говоря, проект умного дома систематизирует работу невидимых помощников. Система предлагает пользователю максимальный комфорт в управлении пространством вокруг него.

Внутренний двор

Когда составляется проект «Умный дом», то создается план освещения внутренней территории двора. Управление может производиться сразу тремя способами, а именно: с помощью датчиков, по графику или посредством выключателей. Есть необходимость добавить возможность управления от сигнализации. «Умный» дом имеет возможность указать на группы освещения и время их использования. Например, до 23:00, в случае обнаружения движения, система может задействовать основное освещение на полную яркость. Тогда как после указанного времени интенсивность может быть снижена на 50%. Если хозяин прибыл после 24:00, то во дворе могут загораться только лишь дорожки.

Вход в дом

Составляя проект "Умный дом", можно учесть наличие контроллера. Он необходим для обработки информации, поступающей с экрана домофона. С человеком можно будет переговорить по любому телефону, так как каждый аппарат подключен к микро-МТС. Если дома никого нет, то изображение гостя будет немедленно отправлено на электронную почту, после чего хозяин сможет решить, пустить ли посетителя внутрь или оставить его без внимания. Отключение сигнализации будет происходить методом набора секретного кода по телефону.

Прихожая

Нельзя не обратить внимание на систему освещения в прихожей. Свет в этой части дома ночью включается автоматически. Технология избавляет хозяин от необходимости задействовать разного рода кнопки. В продаже можно найти всевозможные устройства автоматизации, они позволят проанализировать, из какой комнаты и в каком часу человек вышел в прихожую. При этом свет включается на необходимый уровень яркости. Плавное включение не приводит к частому перегоранию ламп, продлевая срок их службы. Подобные системы наиболее часто устанавливаются в проходных зонах или помещениях, которые используются достаточно редко. Проект «Умный дом» предусматривает в прихожей наличие полезного приспособления, который отвечает за выключение всего освещения постройки методом нажатии всего лишь одной кнопки. После того как она будет задействована, не придется производить обход всей территории для проверки света. Помимо прочего, нажатие данной кнопки способно вызвать выключение некоторых розеток, к которым наиболее часто подключаются пожароопасные устройства по типу утюгов.

Гостиная

Проект «Умный дом» гарантирует комфортное нахождение в самом главном помещении дома. Речь идет о гостиной, в которой должно быть много света. Здесь достаточно часто устанавливается домашний кинотеатр. Здесь наиболее часто устанавливают до 10 видов освещения. Рядом с выключателями света целесообразно расположить кнопки управления, которые отвечают за определенную световую сцену. Если семейство решило посмотреть кино, то для этого необходимо будет усесться на диван и нажать всего лишь одну кнопку. Шторы при этом закрываются, определенные группы света приглушаются, а остальные и вовсе выводятся из действия. Первые две минуты подсветка работает на 50%, тогда как по истечении этого времени она гаснет полностью. Управление обеспечивается с помощью пульта дистанционного управления.

Спальня

Это помещение должно быть одним из самых уютных. Однако и здесь имеет место быть автоматизация. Иногда хозяин ложится в кровать для того, чтобы почитать книгу, но через некоторое время понимает, что есть необходимость выключить свет, а также приглушить его в других помещениях. С системой «Умный дом» можно будет забыть об этом, так как в спальне наиболее часто располагается кнопка, которая выводит из действия все остальное освещение в доме. Для этого можно использовать радиовыключатель. С помощью данного выключателя можно управлять шторами и освещением самого помещения. В спальне целесообразно установить еще одну систему автоматизации, которая будет отвечать за температуру. Во время сна рекомендуют поддерживать ее уровень в пределах от 14 до 18 градусов. Утром вылезать из-под одеяла при прохладном внутреннем климате совсем не хочется. Система «Умный дом» способна решить данную проблему. После отбоя столбик термометра постепенно достигает необходимой отметки, а ближе к пробуждению поднимается до комфортной во время дневного бодрствования. Летом за это будет отвечать кондиционер, тогда как в зимнее время - электромагнитный клапан. Он корректирует поток теплоносителя в отопительной системе. Спальня наиболее часто снабжается специальной сенсорной панелью, отвечающей за освещение. Ее можно использовать еще и в качестве будильника. На панели время подъема может быть установлено, например, на 8:30. В 8:15 в спальне может загораться основное освещение с интенсивностью в 30% от обычного уровня яркости. В 8:30 освещение достигает стопроцентной яркости, в то же время могут автоматически открываться шторы.

Ванная комната

Необходимо позаботиться и технологичной ванной. С помощью данной системы будет удобно управлять теплыми полами. "Умный" дом без посторонней помощи самостоятельно будет выключать и включать систему. Ее можно настроить на суточную автоматическую регулировку. Включить такие полы можно будет даже по телефону, сидя в офисе, или по дороге домой из машины. Особенно удобно, если управление полами будет производиться вместе с будильником. Например, отключение может быть произведено в 23:00, а включение - за час до пробуждения.

Вывод

Исследовав все способы и варианты я пришел к выводу, что системы «Умный дом» это очень перспективное направление в развитии технического оснащения наших современных домов. Из-за большой загруженности человеку иногда не хватает времени и сил на выполнение тех или иных действий и здесь на помощь могут прийти достижения современных инженеров и облегчить жизнь, а также сэкономить бюджет.

ПРОЕКТ ПО ТЕМЕ

«УМНЫЙ ДОМ»

по предмету «Технология»

Выполнил ученик

7 «Д»класса

Прокофьев Александр