Sposoby przesyłania informacji

Większość systemów stosowanych w automatyce budynkowej wykorzystuje do komunikacji różne rodzaje mediów. W zależności od zaproponowanego rozwiązania, można dokonać podziału na trzy grupy.

Pierwsza z nich to sieci z nowym okablowaniem – działają one na specjalnie zaprojektowanej i położonej sieci kabli. Jest to najlepszy sposób na zapewnienie prawidłowej komunikacji i wysokiej jakości transmisji danych. Sieci bez nowego okablowania wykorzystują istniejącą infrastrukturę. Stosuje się w nich dwie najpopularniejsze metody połączenia ze sobą urządzeń.

Pierwszą z nich jest wykorzystanie domowej skrętki telefonicznej. Wadą tego rozwiązania jest jednak brak dostępu do wielu pomieszczeń. Innym sposobem jest wykorzystanie zewnętrznego i wewnętrznego okablowania energoelektrycznego tzw. PLC (Power Line Communication). Poważnym problemem są w tym przypadku zaburzenia elektromagnetyczne, które mogą znacznie obniżyć jakość sygnału i ograniczać szybkość przesyłania danych.

Trzecią grupę stanowią sieci wykorzystujące komunikację bezprzewodową. Tutaj problem kabli nie istnieje, ale należy pamiętać, że jakość transmisji może być różna. Zakresy częstotliwości wykorzystywane przez urządzenia komunikujące się drogą radiową są stosunkowo ograniczone i dostępne także dla innych urządzeń gospodarstwa domowego np. kuchenek mikrofalowych.

Interesującą technologią umożliwiającą zdalne zarządzanie systemem automatyki budynków jest tzw. tunelowanie danych. W tym przypadku możliwy jest nadzór urządzeń z wykorzystaniem standardowych sieci np. TCP/IP, które są instalowane – szczególnie w dużych obiektach, niezależnie od systemu automatyki budynku. Staje się ona wtedy szkieletem dla sieci budynkowej, ale nie musi dostarczać wszystkich usług sieciowych.

Informacja z jednej podsieci do drugiej przesyłana jest przez tzw. tunel logiczny zrealizowany w postaci jednego pakietu tłumaczonego tylko pomiędzy segmentami przez routery tunelujące, co zostało przedstawione na rys. 3. W ten sposób może być zrealizowane zdalne połączenie z systemem automatyki i zarządzanie nim z wykorzystaniem sieci publicznych, bez potrzeby obecności operatora w budynku.

Klasy urządzeń

W systemie automatyki budynkowej wydzielić można kilka podstawowych klas urządzeń, w zależności od ich przeznaczenia. Każde z nich znajduje się na różnych poziomach w przestawionym wcześniej modelu. Bazując na modelu dwupoziomowym wyróżnić można trzy klasy urządzeń – polowych, łączących oraz klasa urządzeń poziomu zarządzania. Charakterystyczne parametry każdej z nich zostały zamieszczone w tab. 2.

Typowe urządzenia polowe zlokalizowane są na poziomie automatyki (model dwupoziomowy). Odpowiadają one za zbieranie danych, ich przetwarzanie i na tej podstawie sterowanie elementami oddziałującymi bezpośrednio na środowisko. Zwykle były to proste sensory i elementy wykonawcze, jednak obecnie zaczynają być wykorzystywane urządzenia inteligentne.

W celu zwiększanie ich funkcjonalności oraz umożliwienia zaawansowanej konfiguracji stosuje się wbudowane w urządzenia układy z mikrokontrolerami. Integratorzy systemu automatyki budynku mogą więc określić dokładnie zadanie, które będzie realizowane. Układy takie powinny więc charakteryzować się niskim poborem energii oraz systemami chłodzenia pasywnego, tj. bez elementów ruchomych. Zwykle wystarczające są mikrokontrolery 16-bitowe, a nawet 8-bitowe.

Ponadto urządzenia polowe powinny być odporne na trudne warunki pracy, ponieważ narażone są na częste zmiany takich czynników środowiskowych jak temperatura, wilgotność i ciśnienie. Typowym modelem komunikacji w tym przypadku jest peer-to-peer, który jest odporny na błędy, oraz nie wprowadza dużych opóźnień w pętlach regulacji.

Podobnie jak w przypadku urządzeń polowych, bramy i routery zazwyczaj nie wykonują zadań o dużym stopniu złożoności obliczeniowej. Ponieważ jednak znajdują się w topologicznie ważnych miejscach sieci, często dodawane są do nich dodatkowe funkcje, takie jak monitorowanie podsieci i logowanie.

Urządzenia łączące znajdują się w centralnych punktach budynku, zaś ich warunki pracy nie są zazwyczaj trudne. Ze względu na ich istotną rolę w systemie automatyki budynku powinny być odporne na uszkodzenia i bezawaryjne. W przypadku komunikacji routerów i bram z urządzeniami na poziomie zarządzania, stosowany jest model komunikacji klient/serwer, natomiast podczas przesyłania danych pomiędzy urządzeniami w różnych podsieciach stosowany model peer-to-peer.

Ostatnią klasą są urządzenia poziomu zarządzania, które podłączone do sieci szkieletowej. Stosowane są one do nadzorowania oraz konfiguracji znajdujących się w niej urządzeń. Ponadto zbierają i przechowują istotne dane na temat pracy całego systemu, oraz umożliwiają podłączenie do innych sieci. Można wydzielić dwa rodzaje takich urządzeń.

Pierwsze z nich nazywane są stacjonarnymi i są to np. serwery, stacje operatorskie, terminale i komputery osobiste znajdujące się w określonych, niezmiennych punktach w sieci. Oprócz tego wyróżnia się także tzw. urządzenia tymczasowe (temporary devices), które nie mają swojego określonego punktu podłączenia. Podłączane są one do sieci w konkretnym celu i po przeprowadzeniu określonych działań są odłączane. Liczba urządzeń poziomu zarządzania jest zwykle znacznie mniejsza, niż na innych poziomach.

Oznacza to, że koszt tych urządzeń może być większy, szczególnie że ich zadania wymagają większych mocy obliczeniowych - np. przetwarzania i analizy danych na temat pracy sieci. Wymagają one także szybkiego przesyłania dużych ilości danych i nie muszą być odporne na czynniki atmosferyczne. Podczas łączenia się z innymi urządzeniami, w celu konfiguracji lub przeglądu, wykorzystywany jest model komunikacji klient/serwer.

Najważniejsze standardy

W artykule przedstawiono podstawy związane z automatyką budynkową i sieciami wykorzystywanymi w inteligentnych budynkach. Naturalną kontynuację tej tematyki stanowi opis wybranych standardów wykorzystywanych w tego typu systemach. W drugiej części artykułu, która opublikowana zostanie za miesiąc, przestawione zostanie zestawienie informacji dotyczących trzech z nich – KNX/EIB, LonWorks oraz BACnet, które mają status systemów otwartych. Należą one też do najpopularniejszych w Europie. BACnet jest standardem objętym przez międzynarodową normę EN/ISO 16484-5. Systemy KNX EIB oraz LonWorks są standardami objętym normami europejskimi, odpowiednio EN 50090 (KNX) oraz EN 14908 (LonWorks).

Jakub Możaryn