Projektowanie systemów automatyki domowej

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

Rys. 1. Ogólny schemat 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 (CPU). Sterownik jest zazwyczaj centralnym elementem systemu, 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 - do tego celu często wykorzystuje się obecnie komputery jednopłytkowe, jak np. Raspberry Pi.

Łącze komunikacyjne. Poszczególne elementy systemu muszą zostać w jakiś sposób połączone ze sobą, aby mogły się komunikować. Połączenie takie może zostać zrealizowane jako przewodowe lub bezprzewodowe. Do połączeń przewodowych wykorzystuje się zazwyczaj protokół Ethernet lub PLC (Power Line Communication). Popularne protokoły dla rozwiązań bezprzewodowych to ZigBee, Wi-Fi oraz BLE (Bluetooth Low Energy).

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). Do najczęściej wykorzystywanych typów sensorów należą czujniki temperatury, wilgotności, światła dziennego oraz ruchu.

Na podstawie wskazań czujników oraz otrzymanych danych wejściowych system zarządza pracą elementów wykonawczych, takich jak np. ogrzewanie czy oświetlenie. Nowoczesne moduły interfejsów wykorzystują zazwyczaj dotykowe przyciski pojemnościowe, podczas gdy wcześniejsze rozwiązania oparte były przeważnie o klawisze mechaniczne.

Przechowywanie danych. System potrzebuje dostępu do zasobów pamięci nieulotnej, aby móc przechowywać różnego typu dane, jak np. historię wskazań czujników, preferencje użytkownika czy kod programu. Mikrokontrolery mają zazwyczaj pewną ilość wbudowanej pamięci Flash, najczęściej nie jest ona jednak wystarczająca do zaspokojenia potrzeb systemu.

Wykorzystuje się zatem dodatkowe zewnętrzne zasoby pamięci nieulotnej (EEPROM lub Flash) pod postacią układów scalonych połączonych bezpośrednio z procesorem na jednej płytce drukowanej. W większych systemach wykorzystuje się dedykowane moduły służące do przechowywania dużej ilości danych, oparte na rozwiązaniach serwerowych.

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 prądu zmiennego z domowej 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 posiadają kilka trybów pracy o różnym poziomie konsumpcji energii elektrycznej, jak np. czuwanie, uśpienie, czy wysoka aktywność. Przełączanie pomiędzy tymi trybami może odbywać się automatycznie lub poprzez decyzję użytkownika.

Układ sterowania (CPU)

Rys. 2. Topologia gwiazdy oraz kraty

Wybór układu procesora sterującego pracą całego systemu przesądza o wielu parametrach systemu, może też wyznaczać granice jego możliwości. Na rynku dostępnych jest bardzo dużo typów układów, różniących się pod względem zużycia energii elektrycznej, częstotliwości taktowania, mocy obliczeniowej, liczby wyprowadzeń oraz wyposażenia w układy peryferyjne zapewniające m.in. obsługę interfejsów komunikacyjnych.

W ostatnich latach w dziedzinie mikrokontrolerów dokonuje się ogromny postęp - w rynkowej ofercie znaleźć można obecnie układy wielordzeniowe, wyposażone w dużą ilość pamięci oraz zaawansowane układy peryferyjne. Z tego powodu coraz bardziej zaciera się granica pomiędzy mikrokontrolerami, procesorami i specjalizowanymi układami SoC (System-on-Chip).

W bardziej rozbudowanych systemach automatyki domowej główny procesor może być wspierany przez dodatkowe moduły obliczeniowe. W zależności od przyjętej topologii sieci, komunikacja pomiędzy tymi układami może przebiegać w różny sposób (rys. 2).

W topologii gwiazdy wszystkie moduły połączone są z głównym procesorem, do którego przesyłają informacje otrzymane od innych elementów systemu, np. czujników. Centralny procesor na podstawie analizy otrzymanych danych wypracowuje decyzję o podjęciu określonych akcji i przekazuje ją zwrotnie do modułów obliczeniowych.

Każdy z modułów zarządza określonym zbiorem elementów systemu i przesyła do nich polecenia otrzymane od głównego procesora. Przy topologii gwiazdy uszkodzenie któregoś z modułów obliczeniowych nie wpływa negatywnie na działanie innych modułów, awaria głównego procesora może jednak sparaliżować działanie całego systemu.

W celu zwiększenia niezawodności systemu zaleca się zatem przyjęcie topologii kraty. Przy takim rozwiązaniu rola głównego procesora rozproszona jest pomiędzy kilka układów połączonych ze sobą. W przypadku awarii jednego z nich, jego zadania może przejąć dowolny inny układ, co umożliwia dalszą poprawną pracę systemu.

Czujniki

Rys. 3. Pomiar temperatury za pomocą termistora oraz RTD

Czujniki są oczami i uszami każdego systemu automatyki domowej. Zdobywają informacje na temat stanu otoczenia, np. temperatury, intensywności oświetlenia, wilgotności, ruchu czy jakości powietrza.

Na podstawie ich wskazań układ sterujący zarządza pracą elementów wykonawczych, takich jak oświetlenie, ogrzewanie oraz klimatyzacja. Odpowiednie wykorzystanie i przetwarzanie danych z czujników pozwala m.in. oszczędnie gospodarować energią elektryczną, co przynosi korzyści zarówno dla użytkownika, jak i środowiska naturalnego.

System automatyki domowej może nie tylko dbać o komfort użytkownika, ale również zapewniać bezpieczeństwo. Z pomocą m.in. czujników ruchu jest w stanie wykryć włamanie do budynku oraz zaalarmować o tym mieszkańców i odpowiednie służby. Może ponadto zarządzać budynkiem w przypadku sytuacji awaryjnych, np. włączyć automatyczne systemy gaszące w przypadku wykrycia pożaru.

Wybór odpowiednich czujników zależy od szczegółowych uwarunkowań systemu. Przykładowo, do pomiaru temperatury otoczenia wykorzystać można kilka różnych typów sensorów - układy zintegrowane lub dyskretne elementy pomiarowe, takie jak termistory, termorezystory (RTD), termopary lub diody.

Elementy dyskretne wymagają dodatkowych obwodów przetwarzających sygnał pomiarowy, układy te mogą być jednak umieszczane w pewnej odległości od samego elementu pomiarowego. Podstawowe cechy poszczególnych rodzajów czujników przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Porównanie podstawowych cech różnych typów czujników temperatury

Układy scalone przetwarzające sygnał pomiarowy (oraz czujniki zintegrowane) wyposażone są zazwyczaj w popularne interfejsy cyfrowe, jak UART, I²C lub SPI, ewentualnie komunikują się w formacie analogowym (napięcie wyjściowe proporcjonalne do mierzonej temperatury).

Czujniki PIR (Passive Infra Red) wykorzystywane są do detekcji ruchu, głównie na potrzeby systemów alarmowych. Działają na zasadzie precyzyjnego pomiaru temperatury (promieniowania podczerwonego od ciepłych obiektów), na podstawie którego z pomocą odpowiednich algorytmów są w stanie wykryć obecność w otoczeniu ludzi lub zwierząt.

Oprócz piroelementu (detektora podczerwieni) podstawowym elementem tego typu układów jest wieloelementowa soczewka skupiająca (Fresnela). Dla prawidłowego funkcjonowania czujnika i eliminacji fałszywych alarmów bardzo ważne jest zastosowanie odpowiednich algorytmów przetwarzania sygnału pomiarowego.

Czujniki wilgotności opierają się najczęściej na pomiarze rezystancji lub pojemności. Czujniki pojemnościowe są rozwiązaniem popularniejszym, ponieważ charakteryzują się generalnie lepszą dokładnością. Większość dostępnych na rynku czujników wilgotności dodatkowo mierzy również inne parametry, takie jak temperaturę otoczenia czy ciśnienie atmosferyczne.

W systemach automatyki domowej powszechnie wykorzystuje się również czujniki zbliżeniowe (indukcyjne lub pojemnościowe) oraz detektory oświetlenia. W zależności od indywidualnych uwarunkowań i potrzeb, w skład systemu wchodzić mogą jeszcze inne typy sensorów, realizujące szczególne zadania i monitorujące wybrane wielkości fizyczne.

Interfejs komunikacyjny

Rys. 4. Popularne interfejsy komunikacyjne

Centralny sterownik systemu musi być w stanie komunikować się z rozmieszczonymi w budynku urządzeniami i czujnikami - właśnie z tego powodu system musi zostać wyposażony w określony interfejs komunikacyjny. Wyróżnia się dwa zasadnicze rozwiązania tego zagadnienia: bezprzewodowe oraz przewodowe.

Najbardziej popularne protokoły przewodowe to Ethernet oraz rozwiązania typu PLC. W przypadku PLC jako medium transmisyjne wykorzystuje się domową instalację elektryczną, co upraszcza montaż systemu i znacznie redukuje wymaganą liczbę dodatkowych przewodów. W tego typu rozwiązaniach dane przesyłane są za pomocą modulowanego sygnału o częstotliwości nośnej z zakresu ok. 20-200 kHz.

Elementy systemu wpinane są po prostu w domowe gniazdka elektryczne. Do komunikacji wykorzystuje się zazwyczaj dedykowane układy (modemy) zajmujące się kodowaniem oraz dekodowaniem sygnału.

Efektywnie działające interfejsy PLC powinny wykorzystywać rozpraszanie widma sygnału oraz implementować przynajmniej podstawowe środki ochrony przed interferencjami radiowymi w zaszumionym otoczeniu.

Rys. 5. Główne elementy czujników PIR to detektor podczerwieni oraz soczewka Fresnela

W przypadku korzystania z Ethernetu wybrane (moduły sterujące oraz głównym procesor) lub wszystkie elementy systemy połączone są do sieci lokalnej (LAN). Urządzenia komunikują się za pomocą ramek mających m.in. pola korekcji błędów.

W niektórych rozwiązaniach czujniki i układy wykonawcze połączone są z modułami sterującymi za pomocą innych interfejsów, jak np. UART, I²C lub SPI, zaś dopiero te moduły komunikują się z centralnym procesorem poprzez Ethernet.

Rozwiązania bezprzewodowe stają się coraz bardziej popularne, ponieważ eliminują potrzebę montażu przewodów i związany z tym nakład kosztów oraz czasu pracy. Najczęściej wykorzystywane interfejsy bezprzewodowe to Wi-Fi, Bluetooth Low Energy oraz ZigBee. Największym problemem związanym z komunikacją bezprzewodową jest bezpieczeństwo systemu.

W przypadku rozwiązań przewodowych chcąc złamać zabezpieczenia systemu atakujący musi zdobyć fizyczny dostęp do przewodów (lub ich bezpośredniego otoczenia). W przypadku połączeń bezprzewodowych wystarczy znajdować się w zasięgu transmisji sieci. Niezbędnym elementem interfejsów bezprzewodowych są zatem silne wbudowane zabezpieczenia, m.in. kodowanie transmisji oraz mechanizmy autentykacji.

Przyszłość systemów automatyki domowej

Rys. 6. W rozwiązaniach PLC do komunikacji wykorzystuje się zazwyczaj specjalizowane moduły przeznaczone do montażu w gniazdkach elektrycznych

Nowoczesne systemy automatyki domowej kładą bardzo duży nacisk na energooszczędność oraz bezpieczeństwo. Wraz z rosnącą popularnością tego typu rozwiązań oraz powszechnością technologii IoT coraz większym wyzwaniem staje się dla projektantów zabezpieczenie systemów przed próbami ataku z zewnątrz. Jednocześnie zaś wciąż bardzo ważne jest obniżanie zużycia energii elektrycznej oraz kosztu systemu.

Prognozuje się, że w obszarze bezpieczeństwa coraz większą popularność zdobywać będą rozwiązania biometryczne (skanery odcisków palców oraz tęczówek) oraz metody autoryzacji oparte na dodatkowych urządzeniach (klucze sprzętowe, karty smart).

W dziedzinie energooszczędności dominującym trendem w przyszłości może stać się energy-harvesting, czyli pozyskiwanie energii elektrycznej z otoczenia (energii wolnodostępnej). Do potencjalnie najbardziej atrakcyjnych źródeł tego typu energii zaliczyć można światło słoneczne, wiatr, ciepło ludzkiego ciała, energię drgań czy transmisji radiowej.

Tego typu rozwiązania są (i w najbliższej przyszłości prawdopodobnie również będą) dość drogie, co silnie wpływa na wzrost kosztów całego systemu. Ultraenergooszczędny system przyszłości mógłby łączyć korzystanie z energy-harvestingu oraz odnawialnych źródeł darmowej energii, takich jak kolektory czy panele słoneczne.

Ze względu na koszt takiego rozwiązania projektanci wciąż będą jednak zapewne zmuszeni do szukania kompromisu pomiędzy energooszczędnością a ceną, w zależności od wymagań i możliwości klienta.

Na pierwszy rzut oka implementacja zaawansowanego systemu automatyki domowej wydaje się być skomplikowana oraz dość droga. W dłuższej perspektywie czasowej korzyści płynące z eksploatacji systemu powinny jednak znacznie przewyższyć początkowe koszty.

Dobrze zorganizowany system przyniesie użytkownikowi wydatne oszczędności czasu oraz pieniędzy, wyręczając go w wielu codziennych czynnościach, dbając o bezpieczeństwo w sytuacjach alarmowych oraz optymalizując proces zarządzania budynkiem.

Damian Tomaszewski