Systemy inteligentnego budynku i automatyki domowej

Systemy automatyki domowej zdobywają coraz większą popularność zarówno wśród użytkowników komercyjnych, jak i indywidualnych, stają się również coraz bardziej zaawansowane. Pozwalają m.in. na zdalne zarządzanie budynkiem, znacząco zwiększają jego funkcjonalność. Komfort i wygodna z pewnością zaliczają się do najważniejszych czynników sprzyjających tworzeniu instalacji, zwłaszcza tych w zakresie domu, a więc inwestycji konsumenckich. W skali budynku inwestorzy liczą ponadto na korzyści finansowe związane z oszczędnością energii elektrycznej, ogrzewania, poprawą bezpieczeństwa i podobnymi.

Systemy automatyki domowej są w stanie zarządzać pracą większości urządzeń znajdujących się w budynku oraz jego otoczeniu. Pierwsze tego typu systemy skupiały się na sterowaniu oświetleniem, kontroli temperatury pomieszczeń (sterowanie klimatyzacją i ogrzewaniem) oraz zarządzaniu zasilaniem urządzeń elektrycznych. Nowsze rozwiązania oferują więcej możliwości, cechują się ponadto wysokim poziomem autonomiczności, przez co w mniejszym stopniu wymagają interwencji użytkownika. Ponadto często korzystają z koncepcji IoT (Internet of Things), dzięki czemu mogą być obsługiwane za pomocą dowolnego urządzenia z dostępem do Internetu, jak np. smartfona czy laptopa (bardzo często producenci udostępniają w tym celu aplikacje mobilne).

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.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie komponentów do inteligentnego budynku

 

Niska cena, która z nielicznymi wyjątkami prawie zawsze lokuje się na szczycie zestawień ilustrujących preferencje kupujących, tym razem spadła na pozycję aż szóstą. Jest to zaskakujące, a zapewne powodem jest to, że inteligentny dom to z reguły projekt długoterminowy, zarówno w zakresie planowanej inwestycji, jak i późniejszej eksploatacji. Gdy założymy, że użytkownicy chcą rozciągnąć w czasie jego tworzenie, dodając z czasem kolejne możliwości, to jasne się stanie, że jakość i niezawodność instalacji, zgodność ze standardem staną się najważniejsze. Warto jeszcze zauważyć, jak wysoko oceniono znaczenie wsparcia technicznego dostawcy i marki producenta urządzeń. Jest to sygnał, że takie produkty nie sprzedają się "same".

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 i podobne. 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.

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.

UWOLNIĆ SIĘ OD KABLI

Bezprzewodowość jest kluczowym czynnikiem przewagi rynkowej produktów do inteligentnego domu, bo przymuszenie konsumentów do instalacji urządzeń wymagających okablowania to zadanie niezwykle trudne. Instalacja musi obejmować wiele takich elementów, rozmieszczonych we wszystkich pomieszczeniach i nawet przy dobrej woli ze strony potencjalnego inwestora często nie da się wykonać okablowania w sposób nieuciążliwy. 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.

Problemy te rozwiązuje komunikacja bezprzewodowa, zarówno bazująca na jakimś uznanym standardzie, jak Bluetooth LE lub ZigBee albo bez standardu, w oparciu na protokole producenta lub dostępnym w ramach chipów komunikacyjnych działających w pasmach ISM.

Najnowsze standardy, takie jak Bluetooth w wersji 5, zapewniają na tyle dużą efektywność energetyczną połączenia, że instalowane sensory mogą być z powodzeniem zasilane z baterii jednorazowych, bo starczają one na bardzo długo. Niektórzy producenci proponują nawet niektóre elementy zasilane z energii wolnodostępnej (jako tzw. energy harvesting), z tym że w praktyce dotyczy to przełączników włączających oświetlenie, które czerpią zasilanie z siły przestawiającej klawisz.

Najważniejsze trendy techniczne w komponentach do inteligentnego domu

 

Urządzenia do inteligentnego domu muszą być typu plug-and-play – bez konieczności ich konfigurowania, ustawiania parametrów i innych czynności. Ich obsługa musi być możliwa za pomocą urządzeń mobilnych (smartfony i tablety), za pomocą oprogramowania, które pozwala ukryć złożoność techniczną instalacji i zapewnić łatwość obsługi (np. wykresy, statystyki, dostęp przez sieć). Kolejny ważny czynnik to brak przymusu w zakresie okablowania. Czujniki bezprzewodowe zasilane z baterii niewątpliwie nie sprawiają tylu problemów, co rozwiązania przewodowe.

URZĄDZENIA MOBILNE

Smartfon lub tablet idealnie nadają się do tego, aby pełnić funkcję elementu sterującego i interfejsu użytkownika dla systemów automatyki budynkowej, bo urządzenia te mają doskonałej jakości wyświetlacze, łączność bezprzewodową i każdy je dzisiaj ma przy sobie. Takie są też oczekiwania użytkowników, którzy oczekują, że z dowolnego miejsca będą mogli sprawdzać stany czujników, sterować urządzeniami lub programować działanie. Nie wszyscy producenci zapewniają takie możliwości, ale wyraźnie widać, że taki jest trend na rynku, a firmy, które przygotowały aplikacje dla sprzętu mobilnego, wyraźnie punktują korzyści z nich płynące i traktują jako rynkowy atut.

Funkcjonalność takich aplikacji i rozwiązań sprzętowych, którymi one sterują, potrafi się znacznie różnić. Niestety często możliwości są niewielkie, a same aplikacje ograniczone do jednego typu działań, np. sterowania oświetleniem. Oznacza to, że jeszcze wiele czasu musi upłynąć, aby wykrystalizował się jakiś poważniejszy pomysł.

Kolejnym krokiem rozwoju interfejsu komunikacyjnego są też asystenci głosowi, czyli oprogramowanie pozwalające na sterowanie za pomocą komend głosowych. Ten obszar produktów dość szybko się rozwija i poza zapewnieniem jeszcze większego komfortu, ważnym aspektem jest tutaj pomoc w codziennym życiu osobom niedołężnym i niepełnosprawnym.

Główne czynniki sprzyjające rozwojowi rynku

 

Listę czynników pozytywnie wspierających rozwój rynku produktów do inteligentnego domu otwiera "wygoda i komfort", czyli potrzeba klientów o takim charakterze. Drugi czynnik, oszczędność energii i mediów, ma charakter bardziej utylitarny, ale także zyskuje na znaczeniu przy kolejnych podwyżkach cen prądu. Dwa pozostałe kryteria, a więc zwiększająca się wielkość rynku na takie produkty, wynikają z ogólnie dużego nasycenia naszego otoczenia urządzeniami technicznymi oraz możliwości budowy instalacji w oparciu na połączeniu bezprzewodowym. Instalacja, która wymaga uprzedniego położenia przewodów, kucia ścian i prac budowlanych, nie jest tym, czego oczekują potencjalni inwestorzy instytucjonalni i domowi.

BEZPIECZEŃSTWO

Podobnie jak w przypadku aplikacji IoT, inteligentny budynek również zmaga się z problemem bezpieczeństwa. Gdyby instalacja tworząca te systemy była odcięta od łączności ze światem, pewnie nie byłoby z tym większego problemu, niemniej połączenie z Internetem jednostek zarządzających (BMS, Building Management System) jest ważne dla użytkowników, ponieważ pozwala na dostęp do wielu funkcji przez Internet, w tym z urządzeń mobilnych. Można powiedzieć, że bez dostępu z zewnątrz cała koncepcja straciłaby blask, zatem zapewnienie bezpieczeństwa staje się konieczne. A z tym bywa różnie. Luk w zabezpieczeniach może być wiele: od kiepskich produktów, po niefrasobliwych użytkowników – problemy są praktycznie takie same jak w aplikacjach IoT, bo w dużej mierze oba te obszary tematycznie się przenikają.

Obojętnie, czy problemy z bezpieczeństwem są wyolbrzymione, czy nie, faktem jest, że użytkownicy obawiają się utraty prywatności, tym bardziej że nie mają oni możliwości weryfikacji deklaracji producentów o tym, że produkty są bezpieczne. Technologie komunikacji przewodowej wewnątrz obiektów takie jak KNX są z pewnością w tym zakresie lepsze, ale instalacje kablowe są droższe i trudniejsze w realizacji.

OTWARTY CZY WŁASNOŚCIOWY?

Rozwiązania dostępne na rynku automatyki budynkowej nie są dla wielu osób zrozumiałe w sensie, konfiguracji, współpracy w ramach systemu oraz możliwości użycia produktów od innych producentów. Kryteria doboru też nie są proste. Jest wiele sposobów i dróg budowy systemu, także własnego z użyciem komputerów i oprogramowania open source i setek różnych modułów, które można dzisiaj kupić.

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.

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 EN 50090, a w kolejności protokół ten stał się standardem międzynarodowym (ISO) w zakresie automatyzacji budynków i urządzeń – ISO/IEC 14543-3. Europejska organizacja normalizacyjna 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.

Popularne standardy przewodowe i bezprzewodowe

 

Jeden wspólny dla branży standard wymiany informacji gwarantujący zgodność sprzętową i programową urządzeń do aplikacji budynkowych lub domowych to marzenie wielu specjalistów od lat i niestety cały czas jeszcze odległe. Być może nigdy nie doczekamy się jednego rozwiązania, bo musiałoby ono pogodzić zbyt wiele sprzecznych interesów firm aktywnych w tym obszarze (rozwiązania własnościowe, zamknięte) oraz mieć ponadczasowe funkcjonalności techniczne. Z przedstawionego wyżej wykresu, że za najpopularniejsze uznano ZigBee i Z-Wave (rozwiązania bezprzewodowe) oraz Instabus KNX/EIB (system przewodowy).

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.

Czego najbardziej brakuje na rynku?

 

Zdaniem ankietowanych najbardziej brakuje wiedzy i rozeznania klientów w obszarze zagadnień związanych z instalacjami inteligentnego domu. Nieznajomość produktów, ich funkcjonalności, a jeszcze bardziej chyba tego, jak optymalnie wszystko połączyć i spiąć za pomocą oprogramowania, wydaje się sporą przeszkodą. Brakuje też kompatybilności w obszarze sprzętu i oprogramowania oraz funkcjonalności. Dwa czujniki temperatury posługujące się tym samym interfejsem wcale nie muszą być kompatybilne i wymienne, co niestety wywołuje ostrożność decyzyjną i inercję w wyborach.

KOSZTY

Systemy automatyki budynkowej i domowej są rozwiązaniami kosztownymi, zwłaszcza jeśli mają obejmować wiele zagadnień, cały obiekt i być zbudowane z renomowanych produktów. Wynika to z wielu czynników: cały czas małego efektu skali pozwalającego na produkowanie urządzeń masowo, a więc tanio, dużego rozproszenia rynku na wiele małych firm, braku wspólnego standardu komunikacji, protokołów wymiany danych, który pozwoliłby produkować takie komponenty jako masowy element standardowy. Powodem są także większe koszty promocji i wydatki inżynierskie związane ze stworzeniem komponentów automatyki budynkowej i ich sprzedażą. Na koniec warto zauważyć, że cały czas inteligentne domy i budynki są niszą rynkową i odnieść to do innych produktów, które w takiej fazie rozwoju były drogie, niemniej po przekroczeniu masy krytycznej ceny bardzo się zmniejszyły. Przykładem może być oświetlenie ledowe.

PROBLEM Z KOMPETENCJAMI I WIEDZĄ

Inteligentny budynek to bardzo pojemne hasło, przez co największym problemem wydaje się brak wiedzy użytkowników. Aby na poważnie zająć się automatyką budynkową, konieczna jest orientacja w tym, co jest dostępne, a więc w ofercie, możliwościach i potencjale technicznym, integracji w ramach systemu. Do tego potrzebne jest posiadanie ogólnej koncepcji, co taki system miałby robić, jaką wartość dodaną zapewnić użytkownikowi i z jakimi istniejącymi systemami powinien zostać zintegrowany. Ta druga część nie jest już wcale taka prosta, bowiem wymaga nierzadko interdyscyplinarnego podejścia, szerszych horyzontów technicznych, wykraczających poza wąski wycinek produktów z katalogu automatyki budynkowej.

Produkty takie jak czujniki, siłowniki, przekaźniki są w tym przypadku narzędziami, za pomocą których, niczym z klocków, buduje się większą całość. Takie elementy trzeba umieć rozmieścić, połączyć, zintegrować za pomocą scenariuszy działań w oprogramowaniu, czasem też skonfigurować. Te kompetencje nie są powszechnie dostępne, co niestety tworzy barierę dla rozwoju. Poza wybraniem dostawcy, produktów oraz kupnem oznacza to dużo żmudnej pracy. Im bardziej rozległy i wyrafinowany ma być system automatyki budynkowej, tym oczywiście więcej wysiłku trzeba poświęcić na jego integrację. Nie wszyscy są w stanie ponieść taki wysiłek, tak samo jak nie są w stanie przejść z działań w skali mikro (produktowej) do makro (na poziomie budynku i systemu).

Brak wiedzy przejawia się w tym, że dużo systemów automatyki budynkowej i domowej ma bardzo ograniczony zakres, czyli obejmuje jedynie wycinek dostępnych możliwości, np. tylko sterowanie oświetleniem. Tymczasem im większa integracja, im więcej czujników, tym większą funkcjonalność można uzyskać.

PRZYSZŁOŚĆ TO JESZCZE WIĘKSZA INTEGRACJA

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.

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.