Automatyka domowa i budynkowa
Główne korzyści, jakie przynosi automatyka budynkowa to przede wszystkim większy komfort osób, który 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.
Teoria ta brzmi bardzo zachęcająco, ale trzeba przyznać, że opisane powyżej korzyści i realizowane funkcje nie są żadną nowością. Opis czym jest automatyka budynkowa został wypracowany wiele lat temu i cały czas jest aktualny. 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.
Kolejnym czynnikiem jest powiązanie automatyki budynkowej z instalacjami PV, magazynami energii, po to, aby lepiej zarządzać przepływami w takt zmiennych cen energii, taryf i warunków w zakresie nasłonecznienia.
Trendy techniczne rynku automatyki budynkowej
W zestawieniu najbardziej istotnych trendów zmieniających rynek automatyki budynkowej dwa kryteria wybijają się wyraźnie ponad resztę: prostota instalacji i zgodność ze standardami oraz możliwość obsługi z użyciem urządzeń mobilnych, czyli w praktyce ze smartfona. Inaczej mówiąc, liczy się funkcjonalność i łatwość użycia z wykorzystaniem aplikacji. Rola smartfonów w systemach automatyki jest duża i z pewnością będzie jeszcze się zwiększać, bo mają one duże możliwości (obliczeniowe, komunikacyjne) i zawsze mamy je przy sobie.
Podstawowe elementy systemu 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 pośrednio lub bezpośrednio zarządza pracą wszystkich podzespołów, obsługuje również komunikację z użytkownikiem. Może być zrealizowany m.in. w postaci systemu wbudowanego opartego na mikroprocesorze lub jako aplikacja uruchomiona na komputerze wyposażonym w system operacyjny.
Łącze komunikacyjne – zapewnia wymianę danych między poszczególnymi elementami systemu. Połączenie takie może zostać zrealizowane jako przewodowe lub bezprzewodowe.
Czujniki oraz urządzenia wejściowe – za pośrednictwem modułów umieszczonych w różnych miejscach budynku system otrzymuje informacje nt. stanu otoczenia (czujniki) oraz polecenia od użytkownika (interfejsy wejściowe). Podstawowe typy obejmują sensory klimatu tj. temperatury, wilgotności, potem wersje alarmowe (obecności i ruchu, wstrząsów, pozycji drzwi i okien) oraz bezpieczeństwa jak detektory gazów. Elementami wejściowymi systemów są też kamery monitoringu, czujniki głosowe, czytniki RFID/ NFC. Na podstawie wskazań czujników oraz otrzymanych danych wejściowych system zarządza pracą elementów wykonawczych, takich jak np. ogrzewanie czy oświetlenie.
Urządzenia wykonawcze – a więc przełączniki i przekaźniki, sterowniki rolet, oświetlenia LED (do załączania, regulacji jasności i barwy światła). Są też zdalnie sterowane gniazdka, siłowniki, zawory do sterowania instalacją podlewania. To również termostaty i regulatory do kontroli klimatu.
Czynniki sprzyjające rozwojowi rynku automatyki budynkowej i domowej
Aktualnie głównym i najważniejszym czynnikiem sprzyjającym rozwojowi rynku komponentów automatyki budynkowej są koszty związane z energią elektryczną i ogrzewaniem. Komfort i wygoda życia spadły na drugą pozycję i tym samym z systemów takich została zdjęta etykieta ekstrawagancji. Za istotne czynniki uznano ponadto coraz większą kompatybilność i interoperacyjność produktów pozwalających na mieszanie w instalacji różnych rozwiązań i marek, a także coraz większy rynek, który zaczyna osiągać potencjał przyspieszający rozwój przez analogię do kuli śnieżnej toczącej się z góry.
Przechowywanie danych – jak np. historii wskazań czujników czy zapisu z kamer wymaga pamięci masowej. Do tego wykorzystuje się głównie rozwiązania serwerowe (np. NAS). Wykorzystanie tego typu układów zwiększa jednak koszt uruchomienia oraz utrzymania systemu, projektanci muszą zatem często szukać kompromisu pomiędzy dostępną pojemnością pamięci a ceną systemu.
Układy zasilania – w systemach automatyki domowej wykorzystuje się różne rodzaje zasilania – od instalacji elektrycznej do zasilania bateryjnego lub akumulatorowego. Niektóre nowoczesne moduły są w stanie częściowo lub całkowicie pozyskiwać energię z otoczenia, wykorzystując np. energię świetlną czy fal radiowych. Podsystemy zasilania większości systemów mają kilka trybów pracy o różnym poziomie zużycia energii elektrycznej, jak np. czuwanie, uśpienie czy wysoka aktywność. Przełączanie pomiędzy tymi trybami może odbywać się automatycznie lub poprzez decyzję użytkownika.
Wiele standardów branżowych
Standardów branżowych, które są wykorzystywane w systemach automatyki budynkowej, jest wiele, a poza nimi spora część rynku obsługiwana jest z użyciem rozwiązań specyficznych dla producenta. Jak można wyczytać z przedstawionych w tym opracowaniu wykresów i z innych publikacji, funkcjonujących rozwiązań jest wiele, przez co kompatybilność produktów jest niewielka lub żadna.
W zakresie rozwiązań przewodowych największą popularność ma KNX (dawniej EIB). Jest to otwarty standard powstały jako połączenie kilku protokołów i koncepcji rozwijających je organizacji: jak EIBA – European Installation Bus Association, European Home Systems Association oraz BatiBUS – BCI, Batibus Club International. KNX jest w stanie obsłużyć instalacje elektryczne, teletechniczne, HVAC, alarmowe, nagłośnienia, monitoring, zabezpieczenia budynków, opomiarowanie i wszystkie inne działające w budynku. Ma zatem duży potencjał i możliwości. Jednocześnie zapewnia energooszczędność, multimedialność i ogromną funkcjonalność. Na jego podstawie powstała europejska norma EN50090, a w kolejności protokół ten stał się standardem międzynarodowym (ISO) w zakresie automatyzacji budynków i urządzeń – ISO/ IEC 14543-3. Europejska organizacja normalizacyj na także uznała KNX za standard dla systemów automatycznego sterowania budynkami, publikując specyfikację KNX jako normy EN 13321-1 i EN 13321-2. Również Chiny uznały standard KNX, publikując w 2007 roku normę GB/Z 20965. Efekt tych działań jest taki, że KNX jest standardem wspieranym przez ponad 400 producentów sprzętu i w zakresie automatyzacji przewodowej dużych budynków może być postrzegany jako numer 1.
KNX jest systemem opartym na konwencji rozproszonej, dzięki czemu nie jest wymagana jednostka centralna. Każdy element magistralny podłączony do instalacji wyposażony jest w procesor i elementy niezbędne do samodzielnej pracy. Dzięki takiemu rozwiązaniu w przypadku awarii system – z wyjątkiem uszkodzonego elementu magistralnego – działa poprawnie, w przeciwieństwie do systemów scentralizowanych, w których podczas awarii cały system przestaje działać. Ale minusem jest to, że komponenty systemowe są bardziej rozbudowane od strony hardware.
Nie wiadomo, czy w przyszłości pozycja KNX się nie zmieni, bo szybko upowszechnia się SPE, czyli Ethernet działający na pojedynczej skrętce przewodów (KNX też jest 2-przewodowy). W zastosowaniach przemysłowych jest to już rozwiązanie popularne i doceniane, jeśli chodzi o możliwość tworzenia instalacji rozporoszonych. Ekspansja SPE w systemach automatyki budynkowej już się zaczyna i być może spowoduje to, że gwiazda KNX nieco przygaśnie, bo rozproszone systemy sterowania w przemyśle i automatyki budynkowej mają bardzo dużo wspólnych cech i transfer technologii jest nieunikniony.
Popularne rozwiązania bezprzewodowe to z kolei ZigBee i Z-Wave, doskonale znane od lat, pod kątem właśnie takich zastosowań opracowane i wreszcie zdobywające rynek. Niemniej 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. W zakresie domu istotny jest jeszcze PLC, czyli komunikacja po przewodach energetycznych.
Rozwiązania półamatorskie i hobbystyczne
Mówiąc o automatyce domowej, nie sposób pominąć konstrukcji hobbystycznych i półprofesjonalnych bazujących na gotowych platformach z mikrokontrolerami, głównie takich, dla których jest tworzone oprogramowanie w Arduino IDE. Popularność takich rozwiązań jest największa w systemach o niewielkiej skali działania, stąd raczej ograniczonych do domu niż budynku.
W oparciu o gotowe moduły nietrudno wykonać czujniki i elementy wykonawcze komunikujące się przez Bluetooth lub Wi- Fi (ESP 32), zasilane z baterii i co najważniejsze, bardzo tanie. Oprogramowanie dla typowych zadań jest praktycznie dostępne gotowe i za darmo, bo są to rozwiązania open source. Dzięki temu nakład pracy i potrzebne umiejętności nie są wcale 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 Synology wykorzystywanych do obsługi kamer monitoringu oraz Pi Home Assistant dla komputera Raspberry Pi.
Zwiększająca się rola oprogramowania
Oprogramowanie systemów automatyki budynkowej pełni ogromnie ważną funkcję 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 staniu 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.
Czego najbardziej brakuje na rynku automatyki budynkowej?
Zestawienie opinii wyrażonych w naszych ankietach jednoznacznie przekonuje, że na rynku automatyki budynkowej najwięcej problemów jest z brakiem wiedzy klientów na temat możliwości/ograniczeń technicznych produktów oraz tego, co można osiągnąć z ich wykorzystaniem. Drugim problemem jest kompatybilność programowa i razem te czynniki mogą być zniechęcające. Systemy automatyki budynkowej trafiają i są wybierane nie tylko przez ludzi ze świata techniki. Często mają duże możliwości w zakresie platformy sprzętowej i systemowej, ale wykorzystanie ogranicza słabe oprogramowanie. Efektem bywa rozczarowanie kupujących.
Rozwój i przyszłość
odstawowymi 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 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 jednoparowy SPE.
Potrzeba chwili związana ze stale 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 jedynie wówczas, gdy ktoś będzie go potrzebował. Ta zmiana akcentów może wydawać się drobna, niemniej definiuje na nowo systemy automatyki.
