Inteligentny budynek – technologie od podszewki. Część 1

Korzyści płynących z zastosowania systemów inteligentnych jest bardzo wiele. Ze względu na to, co wnoszą do naszego domu, można wyróżnić cztery zasadnicze zmiany:

• zwiększenie komfortu,
• zwiększenie bezpieczeństwa,
• zmniejszenie kosztów utrzymania,
• zmiana domu na bardziej przyjazny dla środowiska.

Od strony technicznej najprościej rzecz ujmując jest to zbiór czujników sterujących urządzeniami wykonawczymi. W niektórych systemach odbywa się to za pośrednictwem jednostki centralnej. Gdy mówimy o bardziej zaawansowanych funkcjach, np. monitorowaniu obecności użytkowników, musimy dodatkowo zastosować odpowiedni algorytm, realizowany za pośrednictwem układów logicznych i czasowych.

System taki mógłby już aspirować do miana inteligentnego. Jednak w większości instalacji prostszego typu, inteligencji jest mniej więcej tyle, co w dobrej klasy pralce automatycznej. Trudno nazywać kilka zaprogramowanych funkcji inteligencją, szczególnie że w istocie nie udało się jeszcze stworzyć sztucznej inteligencji. Nazwa ta jednak znacznie lepiej działa na wyobraźnię klienta niż np. automatyka domowa.

KRYTERIA PODZIAŁU SYSTEMÓW ZARZĄDZANIA BUDYNKIEM

Obecne na rynku rozwiązania można podzielić według różnych kryteriów, jednak na potrzeby niniejszego artykułu najlepszy okazał się podział ze względu na funkcjonalność. Wyróżniono trzy grupy rozwiązań:

• systemy nadające się do najprostszych zastosowań (np. sterowania oświetleniem i ogrzewaniem),
• systemy dające możliwość tworzenia zależności logicznych, wizualizacji itp.,
• kompleksowe systemy z możliwością integracji innych komponentów, np. audio/wideo czy urządzeń AGD.

SYSTEMY DO PROSTYCH ZASTOSOWAŃ

Pierwsza grupa rozwiązań obejmuje systemy przeznaczone do najpopularniejszych zastosowań. Zazwyczaj nie zawierają one specjalizowanych przycisków, paneli i czujników, lecz ograniczają się do modułów umożliwiających podłączenie standardowych elementów tego typu. Możliwości takich systemów pozwalają na sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem i roletami oraz na realizację prostych funkcji automatyki. Produkty tej grupy są przeznaczone do domów jednorodzinnych i małych obiektów użytkowych, takich jak pensjonaty, motele czy biura.

Ze względu na prostotę konfiguracji są one przeznaczone w szczególności dla tych, którzy chcą mieć możliwość instalowania automatyki bez konieczności programowania jej na komputerze. Właśnie takim systemem, który został zaprojektowany z myślą o prostej konfiguracji i instalacji, jest Luxor firmy Theben.

Tabela 1. Wybór systemu optymalnego do zastosowania

Oprócz standardowych modułów sterujących oświetleniem (włącznie ze ściemnianiem i załączaniem czasowym) zawiera on moduł zegarowy, stację pogodową i czujnik natężenia światła. Umożliwia również skonfigurowanie takich funkcji, jak symulacja obecności, centralne załączanie/wyłączanie i sterowanie roletami.

Sterowanie za pomocą czujników ruchu/obecności jest możliwe pod warunkiem, że działają one jako łącznik. W każdym module podstawowym Luxor 400 dostępne jest jedno wejście reagujące na sygnał napięciowy z zakresu 8...48V, umożliwiające podłączenie sygnału otwierającego drzwi z domofonu.

Pozostałe wejścia są przystosowane do napięcia sieciowego 230V_AC. Stacja pogodowa i czujnik oświetlenia mogą być tak skonfigurowane, aby po przekroczeniu określonej siły wiatru lub natężenia światła, włączały lub wyłączały konkretne urządzenie. Przykładowo przy zbyt silnym wietrze markizy będą automatycznie zwinięte, a po zmierzchu światło w ogrodzie zapali się.

Dzięki modułowi zegarowemu można także automatycznie wyłączyć światło o zadanej godzinie. Wszystkie moduły tego systemu są przystosowane do instalacji na szynie DIN, przez co konieczne jest prowadzenie przewodów od czujników i przycisków do jednego centralnego miejsca, a stamtąd z powrotem do odbiorników. Moduły komunikują się między sobą za pomocą dwużyłowego przewodu podłączanego do zacisków COM.

Nieco większymi możliwościami cechuje się system Hometronic firmy Honeywell. Jest to system bezprzewodowy, co znacznie upraszcza instalację. Składa się z jednostki centralnej Hometronic Manager, czujników i urządzeń wykonawczych. Jednostka centralna pozwala na tworzenie programów czasowych, okolicznościowych i symulację obecności.

Rys. 1. Oprogramowanie E TS3 – przykładowy projekt

Umożliwia też zmianę nastaw temperatury, odczyt wartości z czujników i centralne sterowanie wszystkimi odbiornikami. Systemem można sterować także za pomocą pilota. Dostępne są w nim regulatory strefowe i moduły w pomieszczeniach służące do sterowania głowicami grzejnikowymi i siłownikami termicznymi. Możliwe jest również sterowanie napędami rolet, a także – dzięki napędowi pasowemu – podnoszenie i opuszczanie pasowych żaluzji rolkowych.

Dość ciekawym modułem jest zestyk magnetyczny działający jako zabezpieczenie przed działaniem żaluzji w przypadku np. otwartych drzwi na taras lub balkon. System Hometronic umożliwia ponadto bezprzewodowe sterowanie dowolnym urządzeniem dzięki modułowi przełączającemu wtykanemu bezpośrednio do gniazdka elektrycznego. Jeden moduł Hometronic Manager może sterować 32 odbiornikami elektrycznymi i 16 strefami grzewczymi korzystającymi z grzejników i/lub ogrzewania podłogowego. Maksymalna odległość pomiędzy centralą i pozostałymi modułami nie może być większa niż 25–30 m.

SYSTEMY Z MOŻLIWOŚCIĄ STEROWANIA WARUNKOWEGO

Do kolejnej grupy systemów automatyki domowej zalicza się systemy dające możliwość zaawansowanego sterowania warunkowego oraz komunikacji za pomocą sieci GSM lub Internetu. Ich programowanie odbywa się za pomocą komputera osobistego i specjalnego oprogramowania wspomagającego projektowanie i konfigurację, a czasami umożliwiającego także wizualizację pracy systemu.

Często występującym składnikiem tej klasy systemów jest dotykowy panel sterujący zapewniający dostęp do większości funkcji i parametrów konfiguracyjnych. Szeroka gama dostępnych czujników również zwiększa funkcjonalność tego typu rozwiązań. Dzięki segmentowej strukturze systemy tej kategorii mogą być stosowane w rozległych instalacjach, np. w biurowcach lub centrach handlowych.

TABELA 2. Porównanie parametrów omawianych systemów

1 – regulator temperatury 2 – regulacja włącz/wyłącz 3 – LCN ma panele przycisków pojemnościowych oraz jest kompatybilny z przyciskami KNX/EIB 4 – za pośrednictwem dodatkowej żyły D 5 – za pomocą zewnętrznego urządzenia firmy Domiq możliwa jest integracja z Satelem oraz sterowanie przez iPod Touch i iPhone 6 – P – reakcja na przekroczenie progu, Z – reakcja na zdarzenie zarejestrowane przez sensor, L – reakcja na spełnienie warunku logicznego 7 – możliwość podłączenia konwencjonalnych czujników binarnych/ analogowych 8 – oprogramowanie do: S – sterowania, K – konfiguracji, W – wizualizacji

Oprócz oszczędności związanych ze zmniejszeniem zużycia energii, instalacje tego typu znacznie podnoszą standard życia i komfort pracy. Dość charakterystycznym systemem, który należałoby zaliczyć do omawianej kategorii, jest LCN (Local Control Network). Obejmuje on 7 rodzajów uniwersalnych modułów logicznych, mogących pełnić rolę zarówno tzw. aktorów, czyli odbiorników sterujących, jak i sensorów.

Różnią się głównie liczbą wejść/wyjść i sposobem montażu (w puszce instalacyjnej lub na szynie DIN). Każdy moduł ma możliwość sterowania zarówno czasowego, jak i warunkowego, dzięki czemu nie ma potrzeby dokupywania zegarów czy bramek logicznych. Dzięki specjalnej karcie transpondera możliwe jest automatyczne otwieranie drzwi osobom uprawnionym do wejścia do danego pomieszczenia, natomiast moduł GSM umożliwia sterowanie i kontrolę systemu za pomocą wiadomości SMS.

Do modułów systemu LCN można podłączyć standardowe łączniki i czujniki, zarówno te zwracające wartość w postaci analogowej, jak i dwustanowe. Za pomocą odpowiednich adapterów można podłączyć do nich także przyciski zgodne ze standardem KNX/EIB. Dane w tym systemie są przesyłane za pomocą dodatkowej żyły przewodu sieciowego oraz żyły zerowej, tak więc konieczne jest wykonanie całej instalacji elektrycznej za pomocą przewodu minimum czterożyłowego.

Elementy składowe różnych systemów inteligentnych budynków Centrala HCM200 firmy Honeywell Uniwersalny moduł czujników do montażu podtynkowego w systemie LCN Odbiorniki sterujące Xcomfort LCN-KT8 – tablica sterownicza z 8 przyciskami i 8 diodami LED Czujnik wiatru Luxor 413 Przycisk poczwórny z regulatorem temperatury firmy Berker Pokojowy regulator temperatury firmy Gira Moduł Xcomfort Room-Manager

W sieci LCN można utworzyć maksymalnie 120 segmentów po 250 modułów każdy. Topologia sieci w ramach jednego segmentu jest dowolna, ale pomiędzy segmentami konieczne jest poprowadzenie magistrali liniowej. W celu połączenia znacznie oddalonych od siebie segmentów możliwe jest wykorzystanie światłowodów. Odległość między kolejnymi sprzęgami do światłowodów może wynosić nawet do 2km.

Ponadto można połączyć szeregowo do 5 z nich, co umożliwia tworzenie bardzo rozległych instalacji. Przykładem może być np. ogród zoologiczny w niemieckim mieście Halle, gdzie zastosowany został właśnie system LCN. Do oprogramowania potrzebny jest komputer klasy PC z zainstalowanym oprogramowaniem systemowym LCN oraz układ sprzęgający komputer z siecią LCN (moduł LCN-PK).

Warto jeszcze wspomnieć, że firma DOMIQ stworzyła dla LCN specjalny moduł, który umożliwia m.in. sterowanie przez iPod Touch, iPhone oraz monitoring z kamer IP. Kolejnym przykładem bezprzewodowego systemu tej klasy jest Xcomfort firmy Moeller. Zapewnia on funkcjonalność podobną do LCN, jednak ze względu na ograniczony zasięg fal radiowych nadaje się raczej do mniejszych instalacji.

Może pracować jako system rozproszony lub scentralizowany. W pierwszym przypadku możliwości systemu ograniczają się do sterowania aktorami podłączonymi do odbiorników, przez naklejane na ścianę bezprzewodowe przyciski. W wersji centralnej konieczne jest zastosowanie jednego z modułów centralnych: Room-Manager lub Home-Manager.

Pozwalają one na tworzenie zależności czasowych, warunków logicznych, zaprogramowanie scen świetlnych oraz symulację obecności. Dzięki bezprzewodowym modułom wejść binarnych i analogowych możliwe jest także zastosowanie tradycyjnych łączników i czujników. Dostępny jest też moduł GSM.

Ze względu na tłumienie sygnału radiowego przez ściany i inne przeszkody znajdujące się w budynkach, odległość pomiędzy modułami nie powinna przekraczać 30...50m, a w wolnej przestrzeni 100...150m. Dzięki zastosowaniu routingu, tzn. przesyłania sygnału z nadajnika do odbiornika za pośrednictwem innych modułów, nie ma konieczności zachowywania tej odległości względem jednostki centralnej, a jedynie względem najbliższego modułu, gdyż każdy odbiornik sterujący oprócz swoich funkcji pełni także rolę routera.

W przypadku gdy zaistnieje potrzeba przesłania sygnału na większą odległość, np. do altanki w ogrodzie, możliwe jest zastosowanie modułu routera. Podobnie jak w LCN programowanie systemu odbywa się za pośrednictwem komputera i modułu sprzęgającego PC z siecią Xcomfort.

SYSTEMY KOMPLEKSOWE

Ostatnią wyróżnioną przez nas grupą są systemy oferujące możliwość integracji z urządzeniami audio-video, monitoringiem i sprzętem AGD. Możliwości tych systemów mogą być wykorzystane na przykład w salach konferencyjnych i wykładowych, halach widowiskowych, ale także w apartamentach i domach jednorodzinnych należących do osób ceniących sobie luksus i wygodę.

Ogólnie nadają się do zastosowań wszędzie tam, gdzie oprócz standardowych korzyści płynących z „inteligentnej” instalacji konieczne jest też proste i wygodne sterowanie urządzeniami multimedialnymi. Udostępniają bogatą ofertę przycisków i paneli dotykowych. Systemy te oczywiście nadają się także do prostszych zastosowań i umożliwiają późniejszą modernizację.

Jednym z bardziej znanych systemów tego typu jest KNX/EIB. Nie jest to system w sensie opisywanych powyżej rozwiązań, a raczej europejski standard, na podstawie którego zgodne z nim elementy produkuje obecnie ponad 200 producentów zrzeszonych w organizacji KNX/EIBA. Dzięki temu oferuje on niewątpliwie najbogatszą ofertę modułów o bardzo szerokim zakresie funkcjonalności.

Podstawowa wersja modułów tego systemu komunikuje się za pomocą jednej pary skrętki ekranowanej. Moduły zasilane są bezpośrednio z magistrali napięciem 24V_DC. Podstawową częścią sieci jest linia, do której można podłączyć do 256 elementów magistralowych. Za pomocą sprzęgieł liniowych można połączyć ze sobą do 15 linii w jeden obszar, który z kolei można połączyć z innymi obszarami w jedną linię obszarową (maksymalnie 15 obszarów), co ostatecznie daje możliwość przyłączenia do sieci ponad 60 tys. elementów.

Ze względu na wydajność zasilacza odległość do najdalszych modułów (licząc wzdłuż przewodu) nie powinna przekraczać 350m. W razie konieczności możliwe jest podłączenie większej lizby zasilaczy, jednak nie częściej niż co 200m. KNX/EIB jest systemem zdecentralizowanym.

W celu realizacji niektórych funkcji logicznych czy czasowych może okazać się konieczne zakupienie specjalizowanych modułów, takich jak bramki logiczne, zegary lub moduły funkcyjne. Dostępne są także bramki GSM, Bluetooth oraz serwery internetowe do zdalnego sterowania i monitorowania. Możliwe jest monitorowanie zużycia energii w czasie rzeczywistym.

Tym, co zapieczętowało zaliczenie KNX/EIB do grupy systemów kompleksowych, jest możliwość integracji zarówno ze sprzętem audio-wideo, jak i z nowoczesnymi urządzeniami AGD współpracującymi z tą magistralą. Sterowanie multimediami umożliwia przesłanie obrazu i dźwięku z odtwarzacza do dowolnego odbiornika podłączonego do sieci.

Sterowanie sprzętem AGD pozwala na przykład na zmianę temperatury w lodówkach z kilkoma strefami chłodzenia. Programowanie odbywa się podobnie, jak w przypadku systemów grupy drugiej: za pomocą komputera i specjalnego oprogramowania oraz modułu sprzęgającego. Możliwa jest także wizualizacja działania systemu na ekranie komputera.

Innym systemem tej klasy jest scentralizowany system Teletask. Jego najważniejszym elementem jest jednostka centralna dostępna w 2 odmianach stosowanych w zależności od wielkości instalacji. Obie umożliwiają programowanie funkcji czasowych, warunków logicznych i scen świetlnych. Rolę magistrali w tym systemie pełnią 2 pary skrętki ekranowanej: jedna zasilająca i jedna komunikacyjna.

Maksymalna długość magistrali wynosi 1000 metrów, jednak bez zastosowania dodatkowego zasilacza tylko 500 metrów. Jest to więc system przeznaczony do średniej wielkości instalacji. Za pomocą specjalnych modułów możliwa jest kontrola dostępu (czytnik kart i czujnik zbliżeniowy). Systemem Teletask można także sterować za pomocą telefonu, iPhone'a, iPoda czy palmtopa.

Dostępne w ofercie tego systemu panele dotykowe oprócz standardowego sterowania i wizualizacji mogą mieć wbudowany tuner TV i radiowy oraz mogą pełnić rolę wideodomofonów. Teletask oferuje bardzo duże możliwości integracji z systemami zewnętrznymi, np. z systemem alarmowym Galaxy lub systememami sterowania audio-wideo np. Bose Lifestyle.

INNE KRYTERIA

Innym kryterium podziału systemów automatyki domowej może być dostępność wszystkich elementów potrzebnych do wykonania instalacji. Chodzi o to, czy w swej ofercie dany system ma oprócz elektroniki także łączniki, przyciski, panele sterujące i dotykowe, czujniki i urządzenia wykonawcze (elektrozawory, termozawory, napędy żaluzji i rolet). Pod tym względem można wyróżnić dwie grupy: systemy nie zawierające tego typu modułów w swej ofercie, jak np. Luxor oraz systemy kompleksowe, jak np. KNX/EIB.

Istnieje jeszcze co najmniej kilkanaście innych systemów automatyki domowej. W tabeli umieszczono dla porównania kilka z nich – są to Dupline (przewodowy system o funkcjonalności zbliżonej do Xcomfort), radiowy Teleco, wykorzystujący instalację elektryczną Sienna oraz IDRA, która według producenta ma być tanią konkurencją dla KNX/EIB.

Robert Klonek,
Paweł Jendrusiewicz