При проектировании системы «умный дом» необходимо определить, какие именно инженерные системы здания будут подключены к системе домашней автоматизации с централизованным управлением с учетом возможности подключения других систем в дальнейшем.
Базовый вариант для квартиры может состоять из узлов контроля: протечек и утечек, световых приборов, систем отопления и кондиционирования, систем охраны и пожарной безопасности (сигнализации, автоматической системы противопожарной защиты и дымоудаления). Дополнительные опции, связанные с управлением:
- освещенность: включение, выключение, регулирование светопотока;
- розетки;
- теплый пол;
- шторы;
- датчики движения;
- мультимедиа.
В состав системы «умный дом» для коттеджа с придомовым участком можно еще включить устройства по управлению:
- видеодомофоном;
- системами полива домашних растений и садово–огородных территорий;
- воротами;
- камерами видеонаблюдения;
- регулировкой положения рольставень;
- мультирумом;
- электронными замками;
- системами кормления домашних питомцев.
«Умный дом» следует проектировать исходя из концепции открытой системы. Открытой называется модульная система, которая допускает замену любого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в свободном доступе по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с другими системами (в том числе с пользователем) выполняется без преодоления чрезмерных проблем и трудностей.
Открытость можно рассматривать на разных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспечения системы или ее составных частей. Открытыми, например, могут быть:
- физические интерфейсы, протоколы обмена, методы контроля ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организации сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения аналоговых сигналов;
- пользовательские интерфейсы, языки программирования контроллеров, управляющие команды модулей ввода–вывода, языки управления базами данных, операционные системы, средства связи аппаратуры с программным обеспечением;
- конструкционные элементы (шкафы, стойки, корпуса, разъемы, крепежные элементы);
- системы, включающие в себя перечисленные выше элементы.
Под открытостью системы понимают ее соответствие современным промышленным стандартам, которое обеспечивает возможность интеграции с другими открытыми системами.
Необходимыми условиями открытости являются:
- модульность;
- соответствие стандартам (общепринятым и легкодоступным по цене, компенсирующей только затраты на его разработку, поддержку и распространение);
- наличие в свободном доступе аналогичных систем других производителей (подсистем, модулей, компонентов, элементов) по конкурентоспособным ценам.
На основе показаний датчиков ПЛК в соответствии с заложенными алгоритмами работы (сценариями действий) дают различные инструкции на исполнение устройствам–исполнителям (управление электрическим освещением, естественным освещением (шторы, занавески, рольставни и т. п.), управление доступом (открыть/закрыть дверь, ворота и т. п.), видеокамерами (например, реагирующими на движение), управление термоголовками отопительных приборов, отключение подачи жидкости или газа в случае затопления и утечек, управление поливом и многое другое).
Архитектура системы домашней автоматизации «умный дом» — это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонентов системы, а также модели взаимодействий между компонентами (элементами). Компоненты (элементы) архитектуры находятся во взаимосвязи, образуя единую автоматизированную систему и обеспечивая решение поставленной задачи автоматизации на архитектурном уровне. Правильно спроектированная архитектура допускает множество технических реализаций путем выбора различных компонентов архитектуры и методов взаимодействия между ними.
Компонентами (элементами) архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода–вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, серверов, интерфейсов, протоколов, промышленных (домашних) сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации, мобильных устройств.
Архитектура системы домашней автоматизации «умный дом» создается на основе технического задания, составленного с учетом требований заказчика, условий нормативных и технических документов для отдельных инженерных систем и сетей.
При проектировании архитектуры системы домашней автоматизации «умный дом» должны быть заложены следующие свойства будущей автоматизированной системы:
- слабая связанность элементов архитектуры между собой (т. е. декомпозицию системы на части следует проводить так, чтобы поток информации через связи был минимален и через них не замыкались контуры автоматического регулирования);
- тестируемость (возможность установления факта правильного функционирования);
- эффективная диагностика (возможность нахождения неисправной части системы);
- ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта);
- надежность (наработка на отказ), в том числе путем резервирования;
- простота обслуживания и эксплуатации (минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала);
- безопасность (функциональная, информационная, промышленная, экологическая и техника безопасности);
- защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользователей;
- экономичность (экономическая эффективность в процессе проектирования, создания и функционирования);
- модифицируемость (возможность перенастройки для работы с другими технологическими процессами);
- функциональная расширяемость (возможность ввода в систему дополнительных функциональных возможностей, не предусмотренных в техническом задании);
- наращиваемость (возможность увеличения размера автоматизированной системы при увеличении размера объекта автоматизации);
- открытость (модульность, применение стандартных протоколов и интерфейсов, наличие конкуренции производителей систем, подсистем, модулей, компонентов, элементов и цен);
- возможность переконфигурирования системы для работы с новыми технологическими процессами;
- максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения, достигаемая путем периодического обновления аппаратных и программных компонентов, а также путем выбора долгоживущих промышленных стандартов;
- минимальное время на монтаж и пусконаладку (развертывание) системы.
Архитектура системы и ее подсистем может быть различной в зависимости от решаемой задачи автоматизации. Такими задачами могут быть:
- мониторинг (продолжительные измерение и контроль с архивированием полученной информации);
- автоматическое управление (в системе с обратной связью или без нее);
- диспетчерское управление;
- обеспечение безопасности.
Система «умный дом» должна быть представлена в виде набора слабо связанных частей. Слабая связь между частями системы означает отсутствие между ними обратных связей или малость модуля петлевого усиления при наличии таких связей, а также отсутствие интенсивного обмена информацией.
При большом количестве датчиков и увеличении площади территории, на которой расположена автоматизированная система, и при усложнении алгоритмов управления становится более эффективным применение распределенных систем. Распределенные системы состоят из множества территориально разнесенных контроллеров и модулей ввода–вывода. При таком подходе структура распределенной системы и структура алгоритма ее работы становятся подобны структуре самого объекта автоматизации, а функции сбора, обработки данных, управления и вычисления оказываются распределенными среди множества контроллеров. Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода–вывода и обслуживает определенную часть объекта управления. Распределенная система управления состоит из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.
Максимальные преимущества распределенной системы достигаются, когда контроллеры работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.
Распределенная система имеет следующие характеристики, отличающие ее от сосредоточенной:
- большее быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими процессорами;
- повышенную надежность (отказ одного из контролеров не влияет на работоспособность других);
- большую устойчивость к сбоям;
- более простое наращивание или реконфигурирование системы;
- упрощенную процедуру модернизации;
- большую простоту проектирования, настройки, диагностики и обслуживания благодаря соответствию архитектуры системы архитектуре объекта управления, а также относительной простоте каждого из модулей системы;
- улучшенную помехоустойчивость и точность благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов от датчиков к устройствам ввода.
Распределенная система смягчает также требования к операционным системам реального времени, поскольку задачи распределены между параллельно работающими контроллерами, на каждом из которых установлена отдельная операционная система [из 5 Проектирование системы «умный дом» ГОСТ Р 70442–2023]
