Умный дом и автоматизация офиса

Источник: geektimes

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

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

Цифровая экосистема умного здания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Перспективы концепции умного дома

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Умный дом и автоматизация офиса

Цифровая экосистема умного здания

Перспективы концепции умного дома

Интересные ресурсы и ссылки: