Любимый дом «умнеет» на глазах

Многие из нас любят своё жилище несмотря на то, насколько неказистым оно бы ни представлялось постороннему взгляду. Любовь к собственному дому – нечто большее, чем банальная забота о личном комфорте. Здесь проявляется и отношение человека к порядку, и эстетические вкусы, и – естественно – технические знания. Однако любовь наша часто оказывается невзаимной: вместо «благодарности» за наши усилия мы в основном получаем грустные известия о выходе из строя очередного домашнего прибора или что хуже – о необходимости ремонта, никак не входившего в планы на ближайший отпуск. Самое неприятное, что эти новости обладают неприятной особенностью заставать нас врасплох, так как различные процессы, которые к ним приводят, скрыты от наших глаз в глубине «организма» нашего дома.

Такая картина наблюдается из-за того, что дом – не живое существо, способное вовремя сообщить о своих тревогах и проблемах. Казалось бы, самое время смириться с этой аксиомой и жить дальше, но оказывается, в наши дни существует масса возможностей заставить собственное жилище «поумнеть»! Живым существом оно от этого, конечно, не станет, однако у любящего хозяина появится реальный шанс ощутить если не взаимность, то качественно новый уровень общения с ним.

История вопроса

Понятие «умного дома», как и многие другие, вероятно, имеет свои корни в каких-то допотопных фантастических романах. В реальную практику оно начало входить ближе к середине 1990-х годов, когда появилось сразу несколько стандартов на инженерные информационные шины для зданий. Однако на поверку на тот момент большинство коммерчески доступных систем представляли собой всего лишь усовершенствованные цифровые централизованные либо децентрализованные системы управления.

В начале нашего десятилетия мир потрясла информация о появлении холодильника, способного самостоятельно заказывать еду из ближайшего магазина. Казалось, сомения в том, что считать «умом» дома, отпали навсегда. И хотя указанное чудо света сгинуло быстрее, чем информация о нём достигла постсоветских просторов, любое упоминание «умного дома» часто вызывает у наших соотечественников ностальгию по никогда не виденному ими пресловутому холодильнику.

Однозначная трактовка, что именно можно считать «умным домом», вероятно, отсутствует и на сегодняшний день. С точки зрения автора этих строк, наличие в системе усовершенствованных средств ручного управления (например, ИК-пультов дистанционного управления) и даже простых автоматов (например, датчиков движения) ещё не позволяет считать её «умным домом». «Ум», или «мозги» системы должны заключаться в её способности самостоятельного принятия некоторых решений, или следования в определённых пределах за обычным ходом мысли хозяина дома.

Приведём небольшой пример. Любая стандартная система управления позволяет установить датчик присутствия человека, например, в прихожей. Однако его функциональность, как правило, сводится к простому управлению одной или несколькими нагрузками (например, светильниками), иногда с программируемой задержкой. Эту же функцию мог бы в принципе выполнять «отдельно стоящий» датчик присутствия, подключённый к нагрузкам соответствующим образом. Включение его в систему, таким образом, даёт нам только гибкость переназначения управляемых им объектов, так как это не требует перепрокладки проводов каждый раз.

Теперь рассмотрим пример поведения «умного дома», в который будет включён тот же самый датчик в прихожей. Его реакция будет различна в зависимости от обстоятельств, предшествовавших и сопровождавших появление сигнала «человек в помещении». Например, если перед этим поступил сигнал о снятии дома с охраны, система гостеприимно включит свет в прихожей и одновременно начнёт подогрев любимого чайника хозяина на кухне. Если перед появлением сигнала «человек в прихожей» присутствовал сигнал «человек в коридоре» (хозяин идёт из комнаты, например, в ванную), то свет в прихожей автоматически не включится, так как в этом нет необходимости (для короткого прохода в ванную достаточно и света, который падает из коридора). Если же хозяин собирается задержаться в прихожей, он сам включит свет нажатием кнопки выключателя или пульта ДУ. Если сигнал «человек в прихожей» поступил в момент, когда дом находится на охране, система может предпринять целый ряд действий, например заблокировать все электрозамки на дверях и начать экстренный вызов хозяина по телефонной, мобильной линиям и по интернету.

Как мы видим, настоящая система типа «умный дом» обнаруживает явные признаки интеллекта, обладая способностью выстраивать логические взаимосвязи и анализировать несложные ситуации. Тип, состав и количество отдельных компонентов, входящих в систему, в данном случае отходит на второй план: как говорится, главное – умение пользоваться имеющимися ресурсами. И так как полностью отдавать на откуп технике безопасность жилища – некоторая утопия, то обязательным представляется сохранить возможность вмешательства владельца в работу системы в любой момент.

Разумеется, данная ниша на рынке готовых изделий также присутствует; но каждому радиолюбителю известно, как трудно (а иногда и вовсе невозможно) добиться от сконструированного чужой головой устройства выполнения тех функций, которые нужны конкретному хозяину. К тому же стоимость даже весьма примитивных готовых цифровых систем управления вполне сопоставима если не с ценами на городские квартиры, то уж точно с прайс-листом на очень неплохие автомобили. При этом стоимость системы на порядки превосходит себестоимость «железа», из которого она состоит: помимо затрат на сборку и неизбежных накруток посредников, львиную долю данной «дельты» составляет как раз оплата за «мозги», потраченные разработчиками. И которые не всегда оказываются полезны. Поэтому в данном случае существует прямая целесообразность собственной разработки, к которой и хотелось бы приступить.

«Экскурс в архитектуру»

Рис. 1. Типовые элементы «умного дома»В первую очередь необходимо определиться с примерной «архитектурной концепцией» системы. Так как одно из преимуществ «умного дома» заключается в его гибкости, на данном этапе имеет смысл ограничиться выбором неких стандартов, позволяющих безболезненно менять конфигурацию системы в дальнейшем. Типовая система управления содержит следующие элементы (рис. 1):

  • управляющее (командное) устройство – любой узел, способный выдавать команды на исполнительные устройства;
  • исполнительное устройство – узел, непосредственно осуществляющий включение, выключение или изменение каких-либо свойств управляемой аппаратуры;
  • устройство индикации (интерфейс пользователя) – присутствующее исключительно для придания системе элемента наглядности;
  • информационная шина – «пространство общения» всех компонентов системы.

Современные технологии предоставляют множество возможностей для реализации каждого из показанных на рис. 1 компонентов. Кроме этого, реальные устройства могут совмещать в себе сразу несколько системных функций: например, управляющее устройство, выполненное в виде традиционного выключателя, может также содержать в себе исполнительное реле и индикатор состояния.

Рисунок 1 подсказывает нам, что на предварительном этапе проектирования системы достаточно определиться с единственным стандартом – на информационную шину и формат (но не содержание) её команд. Если в дальнейшем каждый из компонентов системы будет корректно обрабатывать собственный набор команд, оформленных в стандартном формате, и игнорировать незнакомые команды, будет обеспечена расширяемость системы. Все вновь создаваемые компоненты системы, таким образом, должны будут иметь стандартизованный шинный интерфейс, а какие-либо дополнительные ограничения на их «начинку» (тип процессора, структура его команд и т.п.) отсутствуют.

Здесь хотелось бы сделать небольшой обзор существующих аппаратных реализаций информационных шин.

1. Выделенная информационная шина может быть реализована, например, на базе спецификации стандарта RS-485 или аналогичной. Может быть совмещена с шиной питания низковольтной части компонентов системы. Оптимальный вариант для системы управления вновь строящихся (капитально ремонтируемых) зданий и помещений.

  • Достоинства: простая реализация интерфейса, высокая электробезопасность, качественное питание низковольтной части оборудования, помехозащищённость сигнала, устойчивость при пропадании сетевого напряжения (при наличии резервного питания шины).
  • Недостатки: необходимость прокладки шины к каждому из компонентов системы, уязвимость к короткому замыканию информационных проводников.

2. Информационная шина на радиоканале реализует дуплексную и полудуплексную передачу цифровой информации при помощи стандартных модулей приёмопередатчиков, например, диапазона 433 МГц. Наилучший вариант для объектов с часто меняющимся составом и расположением управляемого оборудования.

  • Достоинства: высокая гибкость системы и мобильность её компонентов.
  • Недостатки: необходимость индивидуального электропитания каждого компонента системы, обязательное наличие антенн, уязвимость к эфирному вторжению извне и к помехам радиодиапазона, высокая стоимость RF-модулей.

3. Информационная шина с использованием существующей сетевой электропроводки работает на принципе разделения силовых и сигнальных токов (последние находятся в ВЧ диапазоне от 20 кГц). Наилучшим образом подходит для быстрой интеграции в существующую традиционную электросеть.

  • Достоинства: отсутствуют ограничения на место расположения компонентов системы (в пределах существующей электросети), питание и обмен данными через одно и то же соединение, возможность встраивания компонентов системы прямо в стандартное электрооборудование.
  • Недостатки: возможная уязвимость к нештатным выбросам сетевого напряжения (что особенно актуально в постсоветских сетях), широкополосные помехи радиоприёму в доме, помехи коммунальным PLS-системам сбора данных и PLS-интернету, уязвимость системы к короткому замыканию сетевых проводов.

4. Стандартизованная информационная шина на базе Ethernet оптимизирована для систем управления, использующих всю гамму возможностей, предоставляемых современными персональными компьютерами. Вероятно, такие системы подходят для очень крупных объектов производственно-коммерческого назначения.

  • Достоинства: практически неограниченные возможности создания пользовательского интерфейса средствами ПК, высокая вычислительная мощность и многопотоковость, неограниченный объём регистрируемых данных, совместимость с любыми устройствами и интерфейсами, поддерживаемыми ПК (аудио, видео, SCSI, SATA, USB и др.)
  • Недостатки: высокая стоимость интерфейсной части (для компонентов, отдельных от ПК), сложность (или дороговизна) программирования и отладки, необходимость прокладки дополнительных проводов, уязвимость к компьютерным вирусам и сетевым атакам.

Не будем здесь претендовать на полноту и объективность сделанного обзора, тем более что недостатки той или иной шины могут оказаться даже достоинствами при наличии на объекте или у проектировщика определенных условий. В заключение данной части хотелось бы также обратить внимание на две возможные концепции построения системы:

  • централизованная: в этом случае сбором и обработкой информации, принятием решений и выдачей управляющих команд занимается только один узел, называемый центральным блоком, «мозгом системы» и т.п.;
  • децентрализованная (распределённая): предполагает функциональное равноправие компонентов, возможно в рамках некого набора приоритетов.

Наиболее привлекательным с точки зрения гибкости, функциональности и устойчивости к проблемам информационной шины, безусловно, является второй вариант. Однако при его реализации разработчику придётся неизбежно столкнуться с проблемами «конфликта интересов» (в том числе коллизий на шине) равноправных компонентов, а также с программированием децентрализованной операционной системы. Централизованная система реализуется существенно проще: в дежурном режиме все её компоненты, кроме центрального блока (мастера), находятся в режиме приёма информации. Мастер поочерёдно обращается к каждому из периферийных блоков и «выслушивает» их, а также раздаёт им команды. Таким образом, в каждый момент времени передавать на шину может только один из блоков системы. Реализация этого режима упрощается благодаря наличию в современных микроконтроллерах специальных аппаратных средств (известных как MPCM – Multi Processor Communication Mode).

Функциональная структура «умного дома»

Рис. 2. Структура разрабатываемого варианта системы «умный дом»Перед тем, как приступить к постановке окончательной задачи, необходимо также определиться с функциями, которые желательно возложить на систему управления, а также с распределением этих функций между её подсистемами. На рис. 2 показан пример структурной схемы «умного дома» применительно к проекту, задуманному автором данной статьи. Полноценный вариант такой системы, в соответствии с сегодняшними представлениями, должен включать:

Центр управления – модуль, выполняющий функции описанного выше центрального блока или мастера. С некоторой натяжкой его можно сравнить с виртуальной «телефонной станцией», соединяющей центральный блок с любыми другими по запросу. Логическим дополнением к этому модулю служит пульт центрального управления, с которого можно осуществить ручное управление и мониторинг практически любых компонентов «умного дома».

Домашний робот представляет собой собственно блок принятия решений. В него заносятся логические взаимосвязи между компонентами системы, а также сценарии автоматического и «макросы» ручного управления. В состав робота входят системные часы, по которым синхронизируются все происходящие события.

Исполнительные устройства не нуждаются в особых комментариях, заметим только, что их реализация может широко варьироваться в зависимости от объекта управления. Например, это может быть простое реле, тиристорный светорегулятор для ламп накаливания или ИК-передатчик для управления бытовой техникой. Каждое исполнительное устройство может также снабжаться локальным интерфейсом ручного управления, который будет действовать даже в случае отказа централизованного «мозга» системы.

Командные устройства представляют собой упомянутые выше локальные интерфейсы, выполненные в виде отдельных устройств и подключаемые к шине в произвольных местах. В отличие от простого локального интерфейса, каждому командному устройству может быть поставлено в соответствие любое исполнительное устройство. Разновидностью командных устройств являются различные датчики (кроме метеодатчиков), срабатывание которых должно сопровождаться некими событиями в системе, например пиродатчики присутствия.

Охранная подсистема осуществляет функции охранной, пожарной, аварийной сигнализации и системы контроля доступа. Её интеграция в «умный дом» по сравнению с автономным исполнением даёт преимущества совместного использования датчиков (например, тех же пиросенсоров – для одновременного управления освещением и контроля несанкционированного проникновения в помещение), а также единого доступа к мониторингу и журналам событий всех узлов.

Подсистема видеонаблюдения, традиционно являющаяся составной частью охранной системы, вынесена в отдельный блок в силу конструктивных причин. В рамках создаваемого «умного дома» не планируется оцифровывать аналоговый видеосигнал с камер наблюдения, следовательно для его передачи не используется общая информационная шина. Тем не менее, через неё управляются все узлы управления переключением камер и прочих устройств, благодаря чему достигается интеграция с остальным «умным домом». Важным компонентом данной подсистемы является OSD-модуль (модуль видеотекста), позволяющий выводить информационные сообщения «умного дома» поверх или вместо видеосигнала с камер наблюдения. Подсистема видеонаблюдения включает в себя также ТВ-модулятор видеосигнала для его подачи в местную антенную сеть. Это позволяет просматривать картинку с любой камеры наблюдения на любом телевизоре в доме.

Средства удалённого управления и мониторинга включают в себя целый ряд блоков и интерфейсов. В первую очередь это возможность подключения к домашнему роботу локального ПК (по интерфейсу RS-232 или USB). Компьютер позволяет реализовать разнообразные варианты удалённого доступа к системе, от специальной консоли (работающей как локально, так и через LAN) до веб-интерфейса и Skype-интерфейса, в том числе позволяющего работать с видеонаблюдением. В случае использования последнего интерфейса цифрового соединения компьютера с домашним роботом не потребуется – выполняются только подключения аналоговых цепей. Для передачи удалённых команд в систему в этом случае служит DTMF-модуль, преобразующий тональные коды в команды, «понятные» информационной шине. Этот же модуль используется и интерфейсом телефонной линии, с помощью которого также можно удалённо управлять системой. Помимо этого, данный интерфейс также ведёт регистрацию всех телефонных соединений, сохраняя информацию в общем журнале системных событий. Наконец, в составе «умного дома» предусмотрен уже ставший традиционным GSM-модуль (модуль подключения мобильного телефона), в первую очередь актуальный для работы с охранной системой, но с возможностью использования вместо предыдущих интерфейсов в случае их отказа.

Сделаем ещё несколько небольших пояснений к рис. 2. Все показанные на этой схеме элементы (кроме ПК, который должен находиться в пределах длины стандартного RS-232/USB кабеля от блока домашнего робота) связаны с помощью информационной шины, к которой подключаются параллельно в произвольном месте дома. Следовательно, стрелки на схеме показывают не столько физические, сколько логические взаимосвязи модулей, с учётом направления передачи информации.

Любой из показанных на схеме блоков (кроме центра управления) может отсутствовать без нарушения работоспособности системы. При этом только нарушится часть функциональности (например, отсутствие DTMF-модуля исключит возможность телефонного доступа к управлению). Эта особенность придаёт системе устойчивость к «фатальным» отказам отдельных блоков, а также позволяет строить «умный дом» постепенно, наращивая конфигурацию по одному блоку.

Аппаратная часть

Приведённые выше рассуждения в целом носят теоретический характер. По мере разработки технического задания на реальную систему «умный дом» её структура должна принимать всё более осязаемые очертания. Поэтому в заключение данной статьи коротко остановимся на вопросах выбора элементной базы блоков и модулей, показанных на рис. 2 и описанных выше.

Центр управления

  • МК: ATMega8515

Домашний робот

  • МК: ATMega162V
  • Часы: PCF8583 (Philips)
  • Память журнала: 24C512 (с возможностью наращивания)
  • Интерфейс с компьютером: MAX232 (Maxim-Dallas)
  • Питание: основное + резервное (литиевая батарейка CR2032)

Метеостанция

  • МК: ATMega8535
  • Датчики температуры: DS1820 (Maxim-Dallas)
  • Датчик влажности: HIH4000-02 (Honeywell)
  • Датчик давления: 24PCDFA6A-01 (Honeywell)
  • Датчик освещённости: LRL8101 (Philips)

Исполнительное устройство (стандартный вариант)

  • МК: ATMega8515 (до 10 каналов)/ATTiny2313 (до 5 каналов)
  • Исполнительное реле: RT424012/RT424A12 (Tyco)

Командные устройства

  • МК: ATTiny2313/ATTiny13
  • ИК-датчик: MCS9010 (Philips)
  • Пиродатчик присутствия: LX-20B (Yusing), доработанный для питания от «умного дома»

Охранная подсистема

  • МК: ATMega8515L
  • Питание: основное + резервное (литиевая батарейка CR2032)
  • Интерфейс постановки/снятия с охраны: Em-Marine (бесконтактные карты)
  • Дополнительный интерфейс «ключа»: iButton
  • Альтернативный интерфейс доступа: кодовый с клавиатуры
  • Датчик протечки воды: Neptun или самодельный
  • Датчик задымления: Patrull (IKEA), доработанный для сопряжения с «умным домом»

Подсистема видеонаблюдения

  • МК: ATTiny2313
  • Цветные видеокамеры: CS-300A (Orient)
  • Черно-белые видеокамеры: CS-200 Pinhole (Orient)
  • Мобильные видеокамеры (временно устанавливаемые в любой точке дома): CS-203 wireless (Orient)
  • Видеокоммутатор: CD22100 (Harris)
  • ТВ-модулятор: готовый от видеомагнитофона с аналоговой установкой канала вещания

OSD-модуль

  • МК: ATTiny2313
  • OSD-чип: LC74781 (Sanyo)

DTMF модуль

  • МК: ATTiny2313
  • Коммутатор: CD22100 (Harris)
  • DTMF-декодер: ЭКР1008ВЖ18 (Интеграл)

Интерфейс телефонной линии

  • МК: ATMega8535 (декодер АОН и CLIP)

На следующем этапе проектирования внушительное на первый взгляд количество микроконтроллеров подлежит оптимизации. Дело в том, что один МК может взять на себя обслуживание сразу нескольких функциональных модулей. Например, домашний робот может быть объединен с центром управления, а исполнительные устройства могут также обслуживать сигналы местных датчиков. После завершения компоновки физических блоков можно будет приступать к проектированию их принципиальных схем и к поэтапному воплощению «умного дома» в металле.

Данный материал опубликован в журнале «Радиолюбитель» (г. Минск) №11, 2008 г., с. 54.