Główne korzyści, jakie przynosi automatyka budynkowa, to przede wszystkim większy komfort osób, które w takim budynku codziennie przebywają lub nim zarządzają. Ponadto pozwala poczynić znaczne oszczędności finansowe, dzięki np. optymalizacji zużycia prądu, wyłączaniu zbędnych odbiorników oraz regulacji ogrzewania dostosowującego temperaturę do bieżących potrzeb, co prowadzi do niższych kosztów eksploatacji.
Teoria ta brzmi bardzo zachęcająco, ale trzeba przyznać, że opisane powyżej korzyści i realizowane funkcje nie są żadną nowością. Funkcjonalność automatyki budynkowej została wypracowana wiele lat temu i cały czas jest aktualna. Zmienia się tylko rozłożenie akcentów. Dawniej wynoszony na piedestał był głównie komfort, w ramach którego pojawiało się sterowanie roletami w oknach i wyłączanie oświetlenia w nieużytkowanych pomieszczeniach. Potem doszły zagadnienia związane z komunikacją, integracją komponentów automatyki w system połączony siecią komputerową i integracja z oprogramowaniem zapewniającym dostęp z dowolnego miejsca za pomocą urządzeń mobilnych i Internetu. Gdzieś po drodze pojawiło się bezpieczeństwo (kontrola dostępu, monitoring, alarmy).
Dzisiaj nacisk kładzie się na funkcjonalność oprogramowania, w tym tworzenie scenariuszy sterowania pod kątem minimalizacji zużycia energii elektrycznej i innych mediów. Powodem jest oczywiście gwałtowny wzrost cen, który skierował uwagę firm i zarządców budynków na to, aby w jakiś sposób ograniczyć koszty. Komfort zdecydowanie ustąpił miejsca ekonomii i paradoksalnie jest to dobra wiadomość dla rynku, gdyż nic tak dobrze nie przemawia do wyobraźni jak mniejszy rachunek. Poprawę komfortu trudno także opisać w czytelny sposób za pomocą wskaźników. Zdefiniowanie poprawy komfortu w odniesieniu do wydatku nie jest czytelne, natomiast to, co jest napisane w polu "do zapłaty", na pewno tak. Tym samym automatyka budynkowa staje się dzisiaj, używając modnego słowa, tarczą ochronną.
Z tarczą czy na tarczy?
Wystarczy wpisać hasło "automatyka budynkowa" w pole wyszukiwarki internetowej, aby przekonać się, że cokolwiek byśmy chcieli od automatyki budynkowej, nie będzie łatwo. Pojęcie to jest jak guma, odmieniane na wszelkie możliwe sposoby i przypisywane do wszystkiego, co się da, bez względu na sens techniczny, kompetencje firm i ofertę, przez co potencjalny klient, który mierzy się z rachunkiem do zapłacenia i chciałby, aby kolejny był mniejszy, ma niestety pod górkę. Orientacja się w tym, co jest warte uwagi, a co nie, co ma sens, a co jest po prostu gadżetem, nie jest prosta nawet dla ludzi obytych z techniką. W tym momencie jedynym scenariuszem jest skorzystanie z wyspecjalizowanej firmy integratorskiej, która zaprojektuje i zbuduje taką instalację. Ma to sens, o ile integrator będzie rzetelny, inaczej inwestor skończy na tarczy.
W temacie automatyki budynkowej problemem jest, że teoretycznie można prawie wszystko, w praktyce implementacja niesie ze sobą wiele problemów i ograniczeń, dlatego istotne jest chłodne wyważenie swoich potrzeb i możliwości. Podobnie jest z produktami wchodzącymi w skład instalacji. Założenie, że wszystko do siebie pasuje, daje się programować i ustawiać w żądanych zakresach, jest niestety złudne.
Trudno też ocenić jakość produktu, gdyż z jednej strony jest ona definiowana przez cechy fizyczne rozwiązania, np. elementy elektroniczne, montaż, zabezpieczenia, ale także jakość oprogramowania firmware. Nawet najlepsza platforma sprzętowa może się wieszać, reagować z opóźnieniem, mieć problem z komunikacją, stabilnością działania w długim terminie lub też bezpieczeństwem. Ocena rozwiązania jest więc wielowymiarowa i wymaga też doświadczenia z wcześniejszych realizacji.
Wybrnięcie z tej pełnej pułapek inwestycji może być trojakie. Pierwsze to jak wspomniano skorzystanie z usług firmy integratorskiej, która wsłucha się w potrzeby klienta, przygotuje projekt, a potem po zatwierdzeniu go zrealizuje. Inne podejście może polegać na oparciu się na jakimś spójnym systemie oferowanym przez dużego producenta. Wówczas szansa na niekompatybilność jest mniejsza, łatwiej o wsparcie techniczne, gdyż dotyczyć ono będzie wyłącznie produktów jednego wytwórcy. Trzecia opcja to własny projekt, co wymaga wiedzy, wysiłku i akceptacji dla zmian i nietrafionych pomysłów.
Wsparcie techniczne zawsze jest potrzebne
Skomplikowanie materii technicznej związanej z automatyką budynkową eksponuje rolę wsparcia technicznego producenta. Wiadomo, że teoretycznie wszystko powinno działać, współpracować, ale praktyka wskazuje, że mimo to problemy się pojawiają. Wówczas wsparcie producenta staje się cenną wartością dodaną do produktu. W naturalny sposób lokalny wytwórca ma w tym zakresie przewagę, gdyż nie tylko jest w stanie kompetentnie i szybko zareagować, ale również w ramach odpowiedzialności za rynek i produkt może pomóc bardziej, niż tylko świadcząc konsultację, np. modyfikując oprogramowanie, badając zachowanie urządzenia podczas pracy w skrajnych warunkach lub testując jego współdziałanie z innym (nietypowym) produktem.
Wsparcie techniczne oferowane przez producentów i integratorów systemów ma w obszarze automatyki budynkowej i przy dużych projektach znaczenie pierwszorzędne i jest ważnym czynnikiem przewagi nad firmami z Dalekiego Wschodu oraz rozwiązaniami (płytkami) DIY (open source i zrób-to-sam).
Zwiększająca się rola oprogramowania
Oprogramowanie systemów automatyki budynkowej pełni ogromnie ważną rolę w definiowaniu ich możliwości i funkcjonalności. Można pokusić się o stwierdzenie, że jest ono dzisiaj bardziej istotną częścią systemu automatyki niż warstwa hardware, gdyż decyduje o wartości dodanej tj. korzyści z posiadania.
Wiele rozwiązań sprzętowych czujników, przekaźników, siłowników i układów pomiarowych wchodzących w skład instalacji opiera się na relatywnie prostej realizacji układowej. nierzadko bazującej na jednym chipie SoC, mikrokontrolerze z dodatkami itp. Funkcjonalność elementu, komunikację (protokół i bezpieczeństwo) definiuje oprogramowanie firmware. Podobnie jest w warstwie wyższej instalacji, a więc w obszarze kontrolera zarządzającego pracą budynku – BMS (Building Management System), który monitoruje parametry pracy poszczególnych urządzeń, informuje o problemach i awariach. System taki udostępnia zazwyczaj interfejs graficzny, który w czytelny sposób pozwala na podgląd parametrów pracy oraz zmianę wartości nastawionych. Możliwości takiego rozwiązania też w znacznej części określa software.
Kolejne istotne części to dostęp zdalny z poziomu aplikacji na smartfonie lub z użyciem strony web urządzenia, a więc responsywny interfejs webowy, aplikacja na Androida i iOS. Pozwala to na kontrolowanie instalacji z dowolnego miejsca i na pewno ułatwia znacząco korzystanie i ustawianie dzięki możliwości zapamiętywania konfiguracji, ale nie wyczerpuje potrzeb klientów. W kolejnym kroku niezbędne jest więc zapisywanie danych o stanie obiektu w bazie danych (najlepiej umieszczonej w chmurze obliczeniowej). Ułatwia to wizualizację (np. zużycia energii, alarmów, powiadomień), przeglądanie aktywności różnych procesów, takich jak ogrzewanie wody za pomocą energii słonecznej oraz oczywiście oszczędności.
Inne funkcje na tym poziomie to tworzenie raportów i wykresów, dostęp do danych historycznych pozwalający na porównywanie odczytów bieżących z poprzednimi, oczywiście z poziomem szczegółowości dopasowanym do kategorii użytkowników. Oprogramowanie analityczne nie jest potrzebne cały czas, stąd funkcje mogą być oddzielone od systemu. Analityka może być na żądanie, kupowana jako usługa itd.
Oddzielenie bazy danych z zapisem chwilowego stanu obiektu oraz funkcji analityczno-raportujących ułatwia wykonywanie kopii zapasowych, aktualizowanie i rozbudowę funkcjonalności takiego oprogramowania oraz możliwość użycia narzędzi od innego producenta/dostawcy itd. Jest to cenna możliwość, gdyż zapewnia większą elastyczność.
Analityka danych, a więc analiza chwilowego stanu obiektu po to, aby tworzyć i dopasowywać scenariusze użycia poszczególnych urządzeń a następnie planować ich użycie/dezaktywację, jest zapewne najtrudniejszym zadaniem, które stoi przed inwestorem. Wykresy zużycia energii, plany zajętości pomieszczeń i inne informacje o stanie obiektu trzeba powiązać z taryfami za prąd, a dalej opracować schematy regulacji, co nie jest proste.
Niemniej jest to idealne zadanie dla systemów uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji (AI). Pojawienie się oprogramowania tego typu przeznaczonego do systemów automatyki budynkowej jest tylko kwestią czasu.
Podstawowe elementy sprzętowe automatyki domowej
Typowy system automatyki domowej składa się z kilku grup różnych typów elementów. W zależności od rozmiaru i stopnia zaawansowania systemu dana grupa może być reprezentowana przez jeden lub więcej modułów. Sterownik systemu (BMS) – jest zazwyczaj centralnym elementem, który zarządza pracą wszystkich komponentów i realizuje komunikację z użytkownikiem, np. przez panel dotykowy. Do niego przewodowo lub bezprzewodowo dołączone są czujniki oraz urządzenia wejściowe. Na podstawie wskazań czujników oraz otrzymanych danych wejściowych system zarządza pracą elementów wykonawczych, takich jak np. ogrzewanie czy oświetlenie. Kolejny element to magazyn danych, np. historii wskazań czujników czy zapisu z kamer. W tym wykorzystuje się głównie rozwiązania serwerowe (np. NAS). Do tego wszystkiego niezbędne jest zasilanie z reguły z instalacji elektrycznej ze wsparciem akumulatorowym. Czujniki mogą być zasilane z lokalnej baterii lub przez sieć komputerową w ramach SPE lub PoE.
Kablem i bezprzewodowo
Bezprzewodowość jest kluczowym czynnikiem przewagi rynkowej produktów do automatyki budynkowej, bo ułatwia instalację i obniża koszty. Często nie da się wykonać okablowania w sposób nieuciążliwy w obiekcie. Nawet jeśli rozwiązania przewodowe bazują na pojedynczej skrętce przewodów wykorzystywanych do zasilania i komunikacji, dla wielu potencjalnych użytkowników jest to nie do przyjęcia z powodu estetyki. To z reguły jest domena dużych budynków użyteczności publicznej, biur i innych miejsc, gdzie instalację przewodów można przewidzieć na etapie budowy lub tam, gdzie są wydzielone kanały techniczne na instalacje. Często łączy się komunikację przewodową i bezprzewodową w ramach jednej instalacji.
Popularne rozwiązania bezprzewodowe to ZigBee i Z-Wave, doskonale znane od lat, pod kątem właśnie takich zastosowań opracowane i wreszcie zdobywające rynek. Rosnąca popularność rozwiązań IoT promuje też w omawianym obszarze Bluetooth LE, bo interfejs ten jest sprzętowo zaszyty w większości platform sprzętowych do takich zastosowań i dostaje się go praktycznie gratis.
Komponenty systemowe niczym klocki
Podstawą systemu automatyki budynkowej i domowej są czujniki oraz elementy wykonawcze. W tej pierwszej grupie mieszczą się sensory temperatury i wilgotności (do sterowania HVAC), detektory gazów oraz dymu (do systemu ppoż, wentylacji mechanicznej), oświetlenia (do sterowania lampami). Uzupełniają je czujniki otwarcia okien/ drzwi, wstrząsów, będące elementem systemu alarmowego. Są też czujniki poboru mocy, czyli watomierze dostarczające informacji na temat zużycia energii.
Typowe elementy wykonawcze obejmują przekaźniki załączające zasilanie w różnej formie: dopasowanej do oświetlenia LED, z gniazdem pozwalającym na włożenie wtyczki sieciowej lub do instalacji w szafie rozdzielczej na szynie DIN.
Poza komponentami z tego zakresu podstawowego w instalacjach automatyki pojawiają się kamery monitoringu będące elementem systemu monitoringu i ochrony obiektu oraz jako elementy czujnikowe (alarmowe), gdyż większość nowoczesnych kamer ma rozbudowaną funkcjonalność związaną z analizą obrazu i wykrywaniem osób. Liczba czujników i ich typów stosowanych w układach automatyki stale się zwiększa, przyspieszenie rozwoju przyniosą technologie AL/ML.
Wystarczy przejrzeć dowolną ofertę, aby uzmysłowić sobie, że katalog dostępnych komponentów jest bardzo szeroki, co ma niestety zalety i wady.
Detekcja obecności, a nie ruchu
Ważną funkcją systemu automatyki jest ustalenie, czy w pomieszczeniu ktoś jest. Dla oświetlenia, systemu alarmowego, ogrzewania i klimatyzacji informacja o przebywającej osobie jest kluczowa z punktu widzenia poprawności regulacji, stąd czujnik obecności można uznać za komponent kluczowy w omawianym obszarze. Ustalenie obecności człowieka nie jest wcale proste i przez lata odbywało się za pomocą detektorów ruchu w postaci czujek pasywnej podczerwieni, wspomaganych informacjami nt. otwieranych drzwi, z systemów kontroli dostępu z użyciem kart RFID, barier optycznych i podobnych. Dokonując fuzji danych z takich sensorów, można było wypracować stan obiektu (zajętość), ale faktem jest, że działanie czujek PIR jest nie w tym zadaniu najefektywniejsze, bo co do zasady wykrywają one ruch. Nieruchomo siedząca osoba dla takiego detektora przestaje istnieć i może się okazać, że aby światło nie zgasło w pokoju, trzeba co jakiś czas machać rękami.
Problem z detekcją obecności próbuje się rozwiązywać za pomocą kamer i analizy obrazu. Jest to skuteczne, ale kosztowne i na dodatek zawsze może się zdarzyć, że ich pole widzenia nie obejmie każdego zakamarka. Rozwiązaniem przynoszącym nową jakość i podejście będą wchodzące właśnie na rynek radary mikrofalowe. Są to czujniki dopplerowskie działające na częstotliwości rzędu 24–60 GHz, a więc przy długości fali nawet tylko 5 mm. W tym zakresie radar jest w stanie wykrywać mimowolne (niedostrzegalne okiem) drżenie ciała lub oddychanie i pozwala na zbudowanie czujnika obecności obejmującego całe pomieszczenie, w tym na wykrywanie obecności człowieka znajdującego się za przeszkodą (np. meblem) dzięki odbiciu fal od ścian.
Czasy dostaw dalej dokuczają w branży
Główne problemy rynku komponentów automatyki budynkowej są pochodną aktualnej sytuacji w kraju. Długie czasy dostaw przeszkadzają w realizacji zamówień i ograniczają swobodę pracy inwestorów i integratorów do tego, co da się kupić w rozsądnym czasie, a niekoniecznie do tego, co byłoby optymalne w danych warunkach. Infl acja i rosnące ceny wszystkiego hamują rozmach inwestycji, zmuszają do dzielenia projektów na etapy lub sprawiają, że automatyka realizuje tylko podstawowe funkcje oszczędnościowe.
Specjaliści sygnalizowali w naszych ankietach, że pozytywne aspekty to rosnąca świadomość klientów oraz wiele ciekawych produktów z dużym potencjałem, pozwalających na rozbudowę funkcjonalności systemów.
Domowa automatyka
Mówiąc o komponentach automatyki budynkowej i domowej, nie sposób pominąć konstrukcji hobbystycznych i półprofesjonalnych, bazujących na gotowych platformach z mikrokontrolerami (DIY, Do It Yourself). Popularność takich rozwiązań jest największa w systemach o niewielkiej skali działania, stąd raczej ograniczonych do domu niż budynku i zastosowań amatorskich, a nie profesjonalnych. Siłą napędową jest tutaj darmowe oprogramowanie open source o relatywnie dużych możliwościach i uniwersalności. Dzięki temu nakład pracy i potrzebne umiejętności nie muszą być duże. W ramach systemów open source są też dostępne darmowe aplikacje i duże systemy kontrolne pełniące funkcję BMS. Przykładem może być Domoticz, który uruchamia się na różnych systemach operacyjnych, w tym serwerach NAS wykorzystywanych do obsługi kamer monitoringu oraz Pi Home Assistant dla komputera Raspberry Pi.
Open source czy system własnościowy?
Rozwiązania dostępne na rynku automatyki budynkowej nie są dla wielu osób zrozumiałe w sensie możliwości, konfiguracji, zdolności do współpracy w ramach systemu oraz możliwości użycia produktów od innych producentów. Kryteria doboru też nie są proste. Jest wiele możliwości i dróg budowy systemu, także własnego z użyciem komputerów i oprogramowania open source i setek różnych modułów, znajdujących się w handlu.
Wielu producentów tworzy własne systemy, hermetyczne, a więc z założenia zamknięte. Jest to po części efekt braku wiodącego standardu, który mógłby scalić produkty pod wspólnym parasolem, a po części kwestia podejścia do biznesu, w którym standard dla wielu firm oznacza "moje rozwiązanie". Kompatybilność jest pojęciem mało znanym w branży, przez co potencjalny inwestor lub użytkownik tak naprawdę nie wybiera produktu, ale decyduje się na wizję inteligentnego domu danego producenta. Ma to swoje dobre i złe strony, np. takie że produkty wchodzące w skład całości zostały przetestowane pod kątem bezproblemowej współpracy, są obsługiwane przez spójne oprogramowanie itp. Minusem jest to, że potrzeby użytkownika muszą być zaspokojone w ramach dostępnego asortymentu, tak samo możliwości rozbudowy.
Z reguły systemy takie są tworzone jako instalacje długo działające, zatem pozycja danego producenta na rynku w perspektywie kilku lat oraz stopień zaangażowania też mają znaczenie.
Rozwój i przyszłość
Podstawowymi wymogami stawianymi obecnie systemom automatyki budynkowej są skalowalność i kompleksowość. Zastosowany system powinien obejmować wszystkie występujące w budynku podsystemy monitorujące i nadzorujące prace poszczególnych elementów. Chodzi zarówno o rozwiązania obejmujące systemy przeciwpożarowe, kontroli dostępu, klimatyzacji, telewizji dozorowej i sieci komputerowej. Alians możliwości nowoczesnej automatyki z IT daje możliwości stworzenia zaawansowanej struktury o dużej autonomii.
Obserwując rynek, można stwierdzić, że systemy automatyki budynkowej rozwijane są i będą głównie w kierunku możliwości integracji niezależnych systemów, takich jak systemy sygnalizacji pożaru, dźwiękowego systemu ostrzegania, itp. Ważnym elementem jest również możliwość wykorzystywania przez systemy automatyki budynkowej wspólnej platformy okablowania strukturalnego i komunikacji poprzez Ethernet, w tym perspektywiczny jednoparowy SPE.
Potrzeba chwili związana z drożejącą energią powoduje, że coraz większe znaczenie ma oprogramowanie wysokiego poziomu, a więc to realizujące funkcje analityki danych oraz optymalizujące koszty. Do niedawna użytkownicy zadowalali się tym, że mogli zdalnie wyłączyć odbiornik, taki jak na przykład drukarka lub oświetlenie w korytarzu. Dzisiaj chcą mniej więcej tego samego, tylko w odwróconej kolejności – a więc włączyć oświetlenie tylko wówczas, gdy ktoś będzie go potrzebował. Ta zmiana akcentów może wydawać się drobna, niemniej definiuje na nowo systemy automatyki.
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród krajowych dostawców komponentów automatyki domowej/budynkowej.
