Inteligetní systém pro laboratoř

Inteligetní systém pro laboratoř Petr Zenzinger, student 2.st 3.r magisterského studia, zpracováno na UAMT FEKT, školitel: Ing. Václav Jirsík , CSc.

The intelligent system designed for laboratories This thesis deals with the intelligent automatic systems designed for laboratory controlling. The systems enable decentrelised intelligent heating control, airconditioning, lighting, and biometrical system identification.

1 Úvod Myšlenka automatizovat provozně technické funkce v budovách není nová. Systémy pro řízení budov přicházely postupně souběžně s rozvojem procesní automatizace v průmyslu. Mluvíme-li o automatizovaném systému, máme namysli systém, který samočinně vyhodnocuje okamžitý stav snímaných fyzikálních veličin. Při změně nad stanovenou mez zpravidla provádí regulační zásah, který je řízen decentralizovanou inteligenci jednotlivých ovládacích prvků ve vztahu k přecházejícím hodnotám v systému a také k před-programovaní a nebo podá zprávu o překročení provozních parametrů po sběrnici. Informace může sloužit nadřazeným monitorovacím a havarijním systémům pro vyhodnocení stavu a situace. Smyslem této práce je analyzovat obsáhlý komplex problémů, souvisejících s tématem ovládání „inteligentní“ laboratoře a podrobněji rozebrat možnosti vlastnosti a realizace jednotlivých podsystémů. Laboratorní systém, co se týče např. realizace elektroinstalace, vytápění, klimatizace, zabezpečení, je koncepčně podobný systémům založených na normě EIB (European Installation Bus). Norma EIB je určena pro realizaci domovních systémů. Požadavky na systém inteligentní laboratoře se od požadavků na domovní systém liší a po analýze komerčního systému Intabus [1], postaveném na normě EIB jsem zjistil nedostatky, které se snažím odstranit v mé práci. Vzhledem k požadavkům na inteligentní laboratoř je předpokládá používání biometrických technologii a prvků, které budou usnadňovat práci se systémem a splňovat uživatelský komfort realizované technologie. Mezi tyto systémy budou zejména patřit hlasové analyzátory a snímače, které jsou popsány podrobněji v kap. 2. V následující kapitole jsou rozebrány možnosti autorizace osoby a bezpečnostní opatření při vstupu do laboratoře, požadavky na systém v laboratoři a osobu nacházející se uvnitř laboratoře a výhody vyplývající z navržené koncepce.

2 Inteligence v systému Celý laboratorní systém je řízen decentralizovanou inteligenci [15], která je schopna realizovat funkce, které jsou dále podrobněji popsány. Systém je pak následně propojen přes brány (gateway) do vyšších síti což může být např. Internet, Intranet, JTS (jednotná telefonní síť), GSM sítě, celo-budovní systémy protipožární ochrany a zabezpečení. Celý systém pracuje nezávisle na nadřazených systémech, ovšem nadřazené systémy v případě poruchy mohou ovlivňovat částečně některé havarijní funkce.

2.1 Vstupní identifikace Při vstupu do laboratoře je zapotřebí se podrobit vstupní autorizační kontrole, která zároveň slouží jako evidence docházky. Podle příslušného vybavení a ceny laboratoře lze kombinovat vstupní bezpečnostní opatření, tak aby se zabránilo přístupu neautorizovaným osobám. Předpokládá se použití biometrických technologii a systémů [12], které jsou prostředkem k dosažení rychlé a uživatelsky příjemné autentifikace s vysokým stupněm přesnosti a bezpečnosti. Obor je známý už asi 30 let a v poslední době dochází k jeho největšímu rozmachu. Proto jsem vybral tento způsob vstupní identifikace pro inteligentní laboratoř. Všechny technologie využívající biometrie, ač se mohou zdát technicky naprosto odlišné, jsou založeny prakticky na tomtéž principu. Určitý charakteristický znak (např. otisk prstu) každého jedince (uživatele), který bude mít přístup do chráněného systému, je nejprve sejmut, zaznamenán a příslušná data jsou uložena do databáze uživatelů. Při každém vstupu do systému je pak prováděna autentifikace, což v podstatě představuje porovnávání databázových a sejmutých(identifikovaných) biometrických znaků. 2.1.1 Snímače otisků prstů Snímání otisků prstů [9] je prakticky nejoblíbenější způsob ověření přístupových práv uživatele, ovšem zatížen hygienickými požadavky. Většina těchto technologií spočívá v použití optického skeneru (snímače). Tato technologie je finančně náročnější nežli např. pyrometrický snímač. Existují však i další možnosti. Systémy využívající ultrazvuk či speciální čip. Celý princip biometrického identifikačního snímače je že sejme jedinečný otisk lidského prstu a porovná s databázovým vzorem, vše závisí na použitém algoritmu [10] zpracování nascanovaného otisku.

Obr. 1: Teplotní snímač otisku prstu – čipové provedení

2.1.2 Verifikace duhovky Scanování duhovky má velkou výhodu vůči otisku prstu: Kromě jedinečnosti zůstává u každého člověka po celý jeho život (téměř) stejná, zatímco otisk prstu lze nějakým zraněním poškodit. Nicméně samotné sejmutí obrazu duhovky je, jak si jistě dokážete představit, mnohem méně "uživatelsky" příjemné, avšak na druhou stranu 100% hygienické. Celý systém pracuje porovnávací metodou obdobnou jako u otisků prstů.

Obr. 2: Scanování duhovky a obraz duhovky na scaneru

2.1.3 Bezdotykové čipové karty Patří mezi tzv. Rádio-frekvenční identifikace (RFID) [7]. Metoda čtení karet nebo přívěsků, která nevyžaduje žádný fyzický kontakt mezi kartou a čtecím zařízením. Bezkontaktní čtečka vysílá nepřetržitě 125 kHz elektromagnetické pole pomocí interní antény. Toto pole se nazývá “budicí signál”. Pokud přiblížíte kartu ke čtečce, anténa uvnitř karty zachytí budicí signál ze čtečky, který vygeneruje v anténě malý proud. Tento proud napájí integrovaný obvod v kartě, ve kterém je uloženo unikátní identifikační číslo. Anténa karty toto identifikační číslo vyšle pomocí 62,5 kHz elektromagnetického pole, polovina hodnoty budicího signálu. Tento 62,5 kHz signál působí jako analogový RF nosný kmitočet pro digitální identifikační číslo a nazývá se „přijímací signál“, protože ho přijímá anténa čtečky. Ze čtečky přechází signál do RF přijímače v řídící jednotce, který ho po prověření chyb a konverzi na digitální signál dekóduje. Přijímač dále posílá digitální signál s identifikačním číslem do mikroprocesoru řídící jednotky kde provede rozhodnutí o přístupu. Čím větší je anténa v kartě, tím větší je čtecí dosah.

Obr. 3: Princip rádio-freqvenční identifikace Celý systém RFID je zde uveden, protože VUT postupně přechází v roce 2001/2002 na tyto čipové karty. Pokud má student tuhle kartu má u sebe a používá ji např. k placení jídla, mohl by ji použít i pro dodatečnou kontrolu vstupu. Karta se nemusí ani vytahovat ve dveřích by byl umístěn snímač a automaticky by verifikoval v přítomnosti karty zda-li se přihlásil a prošel tentýž student, což umožňuje vytvořit zpětnou kontrolu. 2.1.4 Hlasová verifikace Verifikace lidského hlasu [11], je definováno jako elektronická metoda positivní identifikace osoby pomocí rozšířené analýzy digitálního "otisku hlasu". Tvar hlasivek, ústní dutiny, jazyka a zubů způsobují, že rezonance vokálního traktu je u různých osob dostatečně odlišná. Jednou z nejúspěšnějších technik pro ověřování hlasu je porovnávání vzorků pomocí analýzy signálů řeči [16]. Dynamické, stejně jako okamžité spektrální znaky zřejmě hrají významnou roli ve vnímání řeči. Některé ověřovací technologie zakládají své autentizační rozhodnutí na analýze vět. Věta má více akustické informace než jednoduché slovo, více informace umožňuje vyšší kvalitu srovnávacího procesu pro absolutní shodu. Slova bývají krátká a neobsahují dostatečnou akustickou informaci, která by spolehlivě odlišila mluvčího. Věty zná pouze autentický mluvčí a mohou jimi být i množiny slov, které je mluvčí schopen vyslovit opakovaně test za testem. Uživatelé si často vytvářejí svoje vlastní tajné autentizační věty a bezpečnost systému je částečně rozšířena, protože neoprávnění uživatelé neví, kterou větu použít, natož jakým hlasem ji vyslovit. Testy ukazují, že "hacker", který nezná příslušnou autentizační větu autorizovaného uživatele je odmítnut systémem ve více jak 99% případů. Významnost ověřování hlasu mezi biometrickými technikami spočívá v její sociální přijatelnosti. Dalšími vlastnostmi jsou rychlost, jednoduchost na použití a nízká cena. Charakteristickým příznakem současných systémů pro verifikaci hlasu je, že verifikace může být za určitých okolností (nastydnutí, šum okolí, atd.) mnohem komplikovanější než u jiných biometrických identifikací, což vede k názoru, že verifikace hlasu je v některých případech pro uživatele méně příjemná. Avšak vzhledem k tomuto názoru je verifikace pomocí hlasu jednou z nejjednodušeji realizovatelnou variantou biometrické vstupní autorizace, rozhodl jsem se k implementaci těchto čidel a analyzátorů do systému laboratoře.

2.2 Realizace vstupní identifikace Na vstupu do laboratoře bude umístěno biometrické čidlo, pravděpodobně to bude založeno na rozpoznávání otisků prstů nebo verifikaci duhovky s možností kombinace s rádio-frekvenční identifikací (RFID). Lze s použít i hlasovým vstupním ověřovacím systémem. Tyto způsoby identifikace jsem vybral, protože patří mezi levnější a rozšířenější [8] kde u laboratoře nebude potřeba dosahování vysokého stupně bezpečnosti, který by byl důvodem k použití méně uživatelsky příjemných, ale vysoce spolehlivých a bezpečných metod [6], jako jsou např. scanování sítnice. Pozitivní vstupní identifikaci na vstupu lze využít pro automatického přihlášení na pracovní stanici do Intranetu, povolení a zpřístupnění specifického softwarového a hardwarového vybavení laboratoře a naopak v době výuky, pokud není potřeba je odpojen přístup k ostatním aplikacím nepotřebných pro výuku. Dále je možno monitorování času stráveného každým studentem v laboratoři a povolení přístupu např. jen v době výuky a v době volného využití laboratoře. Při vstupu se automaticky (pokud to zařízení podporuje) provede auto-diagnostika pracoviště a zjištěné nefunkční přístroje a PC jsou hlášeny správci systému a zaznamenány. V případě že zvolená výuka probíhá jen na PC (např. programování a simulace), je možnost tzv. “vzdálené docházky”. Tato umožňuje zapsat studentovu docházku do výuky a povolit virtuální konzolu zpřístupněnou přes Internet/Intranet a vzdálenou konzultaci pokud je požadavek od studenta. Samozřejmostí je propojení měřících přístrojů na systémovou sběrnici (popř. gateway připojená k Ethernetu), pro potřeby časově náročného a dálkového měření, automatizace a hromadnému sběru měřených dat.

2.3 Hlasové komunikátory Inteligentní laboratoř, která je vybavena hlasovými komunikátory zvyšuje komfort ovládání celého systému a umožňuje uživateli řešit operativně a efektivněji více problémů a zadaných úloh v kratším čase. Hlasové služby lze v laboratoři využít ve vícero provedení. 2.3.1 Pomocné komunikátory pro interní ovládání laboratoře Komunikátoru umístěné a připojené přímo na sběrnici budou realizovat jednoduché funkce např. typu rozsvítit/zhasnout, větrání, uzavření vchodu (odmítnutí autorizace). 2.3.2 PC pomocné komunikátory Komunikátory umístěny u PC velice dobře pomáhají v organizaci práce, protože umožňují zrychlené hledání programů, nezbytných pro řešení zadané úlohy, popř. mohou tvořit vstupní část pro řešení a nebo měření v Inteligentní laboratoři. 2.3.3 Telefonní služba Umožňuje ovládat a nastavovat parametry provozu po standardní pevné telefonní lince (JTS) a komunikovat s hlasovým syntetyzátorem, který bude mít integrován modul pro rozpoznávání řeči.

2.4 Inteligentní ochranná opatření v laboratoři Zařízení a lidi pracující v laboratoři je potřeba chránit před možným poškozením, zraněním a škodám na majetku. 2.4.1 Protipožární systém ochrany V laboratoři bude instalován zároveň protipožární systém skládající se z kouřových čidel a detekčních snímačů nebezpečných a výbušných plynů. Teplotní čidla měřící teplotu v místnosti, lze s úspěchem využít i v systému protipožární ochrany. Celý protipožární systém bude napojen pres ústřednu do JTS sítě a přes Ethernet do Internetu, pro možnosti signalizace a přivolání pomoci profesionálních hasičů a informaci správci laboratoře. V rámci analýzy havárie je možno integrovat do systému tzv. černou skřínku, která bude sloužit pro pozdější určení způsobu a důvodu vzniku havárie, popř. poškození HW laboratoře v důsledku neoprávněné manipulace. 2.4.2 Inteligentní ochrana přítomných osob Hlasové čidlo, umožňující komunikaci se zařízeními, může mít i bezpečností funkci, automatického vypínání silových obvodu v cele laboratoři při rozpoznaném nadměrném zvýšení a překročení prahové hodnoty hluku a nebo při rozpoznaném „odpínacím“ příkazu. Princip vychází z předpokladu, že v přídě nebezpečí na životě či majetku pokud jsou v laboratoři přítomny osoby, vytvářejí nadměrný křik a hluk, který indikován čidlem jako poplach a to má za následek preventivní odpojení silových rozvodů a popř. dalších před-programovaných funkcí a reakcí. Systém je ve fázi návrhu. 2.4.3 Ochrana objektu proti vloupání Použití závisí na hodnotě vybavení a ceně laboratoře. Lze instalovat tříštivé senzory na okenních sklech s kombinací senzorů indikující otevření okna pro systém vytápění je zabezpečen vstup skrze okenní část. Dveřní systém je zabezpečen autorizací na vstupu, popř. doplněn kamerovým vnějším systém pro dodatečnou identifikaci potencionálního útočníka. Zároveň může být instalován vnitřní kamerový systém, který může sloužit také k detekci přítomných osob a jejich počtu. V případě, že laboratoř je prázdná je automaticky přepnut režim náhodného nočního zapínaní osvětlení, který je dodatečným bezpečnostním faktorem. Jestliže je některým ze systémů zaregistrován neautorizovaný vstup, je informován správce laboratoře a popř. provedeno kárné opatření. Samozřejmosti je integrace varovné identifikace na mobilní sítě pomocí SMS, popř. přivolání policie.

2.5 Inteligentní řízení vytápění a klimatizace Systém pro vytápění a klimatizaci je energeticky nejnáročnějším systémem. Čím dokonaleji bude provedena regulace a optimalizace, tím bude provoz laboratoře rentabilní a investice do inteligentní řídícího systém se bude vracet. Systém vytápění a klimatizace je napojen na hodiny reálného času a podle statického naprogramování je zvolen jeden z režimů (synchronizace je možná dle DCF77 a nebo z Internetu). • Normální denní režim (probíhající výuka)

• • •

Denní režim bez přítomnosti osob Noční režim nebo víkendový režim bez přítomnosti osob v laboratoři Havarijní stavy

Všechny tyto režimy jsou individuální a lze je před-programovat. Implementovány jsou funkce proti zamrznutí a dále automatické vypnutí topeného tělesa v případě otevření okna nad ním, nebo spuštěné klimatizace a korekce aktuální nastavené teploty manuálně +- 5 C a korekce teploty pro probíhají experimenty. Dále je přítomna funkce automatického vyvětrávání podle přítomných osob a probíhajících experimentech, zabudován učící se mechanizmus pro korekci statického nastavení teploty a začátku a konce vytápění a je i implementována FYZZY logika. Systém je možno naplnit statickými daty o začátcích a konci výuky v laboratoři a např. při změně rozvrhu se systém sám přeprogramuje v kroku 2 týdnů na nový režim vytápění. Vše je samozřejmě s ohledem k aktuální venkovní teplotě a ročnímu období. Systém pro vytápění a klimatizaci je korigován osvětovými čidly pro optimální regulaci teploty je počítáno i s ovládáním venkovních žaluzií a jejich natáčení např. na povětrnostních podmínkách a slunečních podmínkách. Nepřítomnost osob v laboratoři je indikována pohybovým čidlem a nebo ochranným kamerovým systémem.

2.6 Inteligentní řízení osvětlení Osvětlení hraje v laboratoři klíčovou roli. Při špatném osvětlení může docházet k častější únavě a nebo dlouhodobému poškození zraku. Systém použitý v laboratoři je programově přestavitelný obsluhou laboratoře. Můžete on-line definovat funkcí jednotlivých vypínačů (přepínačů) určených k ovládání osvětlení a nebo vybavení laboratoře, což umožňuje flexibilita systému. Výhodou je přizpůsobení provozu laboratoře a možnost upravení pozic jednotlivých pracovišť dodatečně po finální instalaci celého systému. Centrální vypínač (ovládání) osvětlení bude mít tyto funkce: • Klasické vypnutí/zapnutí stropních osvětlovacích svítidla • Stmívání po krocích ovládané z vypínače • Dálkové ovládaní všech funkcí přes infra-ovládaní • Přeprogramované funkce osvětlení (při projekci, standart, ..ap.) • Řízení intenzity 2.6.1 Řízení intenzity osvětlení stropním snímačem Přirozené sluneční osvětlení lze korigovat umělým zářivkovým osvětlením. U stropu je umístěno několik jasových čidel meřících intenzitu v části místnosti. Každé z čidel umožňuje korigovaní okolních zářivek.

Obr. 4: Stropní jasová čidla, princip korekce osvětlení Tohle řešení je zbytečně nákladné a proto se použije pravděpodobně model s okenním snímačem intenzity osvitu. 2.6.2 Řízení intenzity osvětlení okenním snímačem Poblíž oken jsou umístěny snímače venkovního osvětlení a matematickým přepočtem podle míry osvitu snímače se dodatečně do-světluje místnost umělým osvětlením. Celá funkce bude integrována ve snímacím prvku.

3 Monitorovaní a vizualizace Systém monitorování a vizualizace je nezbytně nutný pro správných chod laboratoře a efektivnímu využití používaných prostředků. Celá laboratoř je autonomní systém s možnosti korekce nastavených statických parametrů např. žádané hodnoty teploty. Celý systém je centrálně možno monitorovat aplikací běžící na kterémkoliv PC v laboratoři při správném přihlášení jako správce a samozřejmě také dálkově přes bránu do internetu. Systém v laboratoři je od začátku navržen jako otevřený s možností změny konfigurace přímo za chodu, pokud např. chcete změnit způsob ovládaní osvětlení, prostě přeprogramujete ve vizualizačním prostředí funkci daného spínače. Systém havarijních ochran je také možno vzdáleně spravovat s možnosti vyřazení některého ze senzorů, který hlásí špatná data celému systému a způsobuje chyby. Celý systém lze převézt z decentralizovaného řízení (standart) na manuální (vizualizační manipulace).

3.1 Monitorování přítomnosti Uvnitř laboratoře bude umístěno pohybové čidlo, které automaticky rozpoznává přítomnost osob v laboratoři, popř. lze modifikovat variantu, kdy umístíme do místnosti kameru, která monitoruje prostor laboratoře a dává tak zpětnou kontrolu dveřnímu snímači, kolik osob prošlo do laboratoře. Při použití kamery lze při vzdálené výuce poskytnou cvičícímu on-ĺine náhled do místnosti. Zároveň je prováděno monitorování u vstupu laboratoře pro pozdější možnost odhalit potenciálního útočníka na vstupní zřízení. Při vstupu se uchová fotka dané osoby a tím je možná zpětná kontrola autorizovaného vstupu.

3.2 Monitorování poškození Vybavení laboratoře které je připojené na použitou sběrnicí přes komunikační moduly je možno monitorovat a provádět auto-diagnostiku, pokud to zařízení podporují a v případě závažnějšího poškození je zapsána osoba, která jej naposledy obsluhovala a odpadá tak nutnost manuální kontroly přistrojů od každého studenta po vstupu do laboratoře. Tento monitoring lze také využít při dohledání viníka v případě vážnějšího poškození PC a nebo porušení vnitřních nařízení v laboratoři. K celému systému bude připojena obdoba ”černé skřínky”, která brání manipulaci s daty. Bude zaznamenáván podle potřeby provoz laboratoře ap. S tím, že délka záznamu bude cca měsíc, což by mělo pro vstupní identifikace stačit a přibližně rok pro hodnoty vytápění a klimatizace. Celý systém může být implementován do samostatně běžícího PC s možností čtení pouze. Data budou cyklicky přepisovaná v uvedených intervalech.

3.3 Adaptace na výuku Systém laboratoře je spojen pomocí intranetové sítě do internetu a tím pádem lze využívat možnosti vzdálené správy a konfigurace počítačů (ovládání jejich klávesnice a myši), což dne umožňují programy jako jsou VNC [17]. Díky funkci Wake-up-OnLan (WOL), je možné počítače vzdáleně přes Internet spustit a např. před-programovat jim měřeni dálkově. • Pomocí systémů VNC lze také z laboratoře požádat o pomoc specialistu připojeného kdekoliv v Internetu. Po ověření mu bude k dispozici měřící PC a může probíhat konzultace. • Měřící přístroje jsou připojeny na moduly a ty jsou následně propojený na použitou interní. Předpokládá se, že systém bude mít možnost simulovat propojení přes sběrnici HPIB a ostatní kompatibilní standarty.

3.4 Vizualizační módy Vizualizaci, která bude instalována v laboratoři lze používat ve třech provozních módech: • Viewer mód - je první mód, který umožňuje sledování aktuálních hodnot teploty, osvětlení, autorizovaných osob v laboratoři a ostatních veličin, které jsou dostupné pomocí čidel umístěných v laboratoři a nebo mimo ni. K tomuto módu má přístup kdokoliv, kdo má možnost autorizovat se do

•

•

laboratoře, protože vizualizaci tohoto typu lze pustit jen na PC v laboratoři a nebo běží na displeji u vchodu. Server mód – je servisní monitorovací režim pro údržbu a nastavování topení, osvětlení a ostatních veličin při provozu laboratoře. Tento mód mohou spustit administrátoři laboratoře, kteří mají právo zasahovat do provozně technických parametrů laboratoře. Vizualizace je dostupná po autorizaci i přes datové sítě. Popř. je možno integrovat zadávání příkazů pomocí GSM telefonu, při posílání varovných hlášení. Admin mód – neboli programovací mód laboratoře. Umožňuje přeprogramovat funkci jednotlivých senzorů a aktorů umístěných v laboratoři. Tento mód je dostupný pouze správci laboratoře a je ho možno spustit jen z PC uvnitř laboratoře kvůli bezpečnosti.

3.5 Řešení poruch a havarijních stavů Celý systém, jelikož je založen na elektro-mechanické bázi, musí počítat s výpadkem a následným havarijní stavem buďto v elektrickém systému a nebo mechanickém. Za havárii lze považovat stav ve kterém systém není schopen splnit požadavky aktorů a dochází tak k chybám v celém systému. Pořadí priorit řešení havarijních stavů bude rozděleno do několika kategorii, podle stupně závažnosti. • Topení, havarijní stav – dochází k chybám mechanického systému a systém sám není schopen opravit daný problém. Je zapotřebí zavolat obsluhu. Mezi problémy tohoto typu lze zařadit poruchy na ventilech v topné soustavě, poruchy na větracích servech určených pro pravidelné větrání v laboratoři. V systémů by bylo vhodné zařadit náhradní regulátor teploty (pouze proti zamrznutí a přehřátí) v případě výpadku hlavního systému. • Autorizace, havarijní stav – v případě, že kamera, nebo identifikace pomocí RFID, zaznamená více osob nežli se autorizovalo při vstupu a nebo je rozpoznán útok na vstupní identifikátor, je spuštěn tento alarm. • Osvětlení, havarijní stav – v případě, že některé s jasových čidel je poškozeno a vykazuje špatné údaje, které negativně ovlivňuje chod laboratoře, je zapotřebí v systémů zavést podprahovou rutinu na vyřazení spatně fungujících čidel. (může se týkat i čidel teploty ap.).

4 Návrh interní sítě pro laboratoř Systém inteligentní laboratoře je postaven na sběrnicovém ovládání a regulaci osvětlení, vytápění, klimatizace, apod. Díky tomu je zde možnost získávání přehledu a energeticko-provozní situaci v budově se zaznamenáváním historického vývoje hodnot do paměti PC, TV obrazový výstup, nebo výstup zprostředkovaný pomocí datových sítí např. Internet, Intranet, ISDN, JTS, GSM a následně korigovat a provádět energetická opatření na snížení celkových nákladů na provoz. Koncepce laboratoře, na kterou jsou kladeny podmínky na bezpečnost a spolehlivost, bude splňovat tyto provozní podmínky: • Snadné projektování a instalace • Dodatečné požadavky na změny a rozšiřování musí být jednoduše realizovatelné • Nestejné délky větví a odchylky ve výstavbě nesmí vyvolat provozní těžkosti • Systém bude decentralizovaný (bez řídícího PC) a odpovídat platným normám • Síťová struktura vedení bez zakončovacího členu viz. topologie • Připojení až 126 větví • Maximálně 256 účastníků na větev • Přenosová rychlost 9600 bit/s a symetrický přenos dat • Délka větve max. 500m • Sběrnicové vedení – stíněný kroucený dvoj - vodič • Přenos v základním pásmu bez modulace s přístup ke sběrnici CSMA/CD • Integrován systém pro přenos řeči po samostatném páru vodičů

4.1 Princip činnosti Princip činnosti inteligentního systému je od běžné elektroinstalace poněkud odlišný. Zatím co u klasického řešení u klasické elektroinstalace slouží k přenosu informace (zapnutí – vypnutí apod.) silové vedení u našeho systému je informační složka od silového napájení oddělena a je přenášena po samostatném dvojvodičovém vedení (datová sběrnice) v zakódovaném stavu [1]. Zadávaní informací do systému zprostředkovávají tlačítka nebo automatické snímače fyzikálních veličin (senzory), spínání popř. spojitou regulaci na výstupu zajišťují akční členy (aktory). Po datové sběrnici se přenášejí v specificky zakódovaném telegramy, které slouží ke komunikaci mezi jednotlivými senzory a aktory. Jsou identifikováni jedinečnou adresou v celém systému. Přísná regulace přístupu ke sběrnici zabraňuje kolizím jednotlivých telegramů.

Obr. 5: Schéma sběrnice systému inteligentní laboratoře Stejnosměrné napájení jednotlivých senzorů obstarávají druhé dva kroucené vodiče, tažené paralelně s datovou sběrnicí. Aktory jsou napájené jak stejnosměrným napětím, tak silovým rozvodem (230V/50Hz), pro jejich správnou funkci. Celý systém je řešen modulárně s použitím některých univerzálních komunikačních modulů, což usnadňuje montáž a složitou výrobu specifických členů.

Obr. 6: Propojení modulů Každý účastník je tvořen účastnickým vazebním členem a uživatelským modulem. Tyto části navzájem propojuje uživatelské rozhraní, kterým je deseti-pólový konektor. Koncový uživatelský modul (např. vypínač) se rozlišuje podle analogového vstupu u komunikačního modulu, který je součástí deseti-pólového konektoru. Vstup má rozsah 05V odstupňovaný po 0,2V, což umožňuje rozlišit až 24 typů zařízení.(0 = nepřipojeno koncové zařízení, nebo chyba). Uživatelský modul (např. tlačítko) převádí fyzikální veličinu (síla tisknoucí na ovládací plošku) na elektrické signály vhodné k dalšímu zpracování. Následně účastnický vazební člen z těchto informací vytvoří datový telegram a vyšle jej po sběrnici. Tento člen je v podstatě nositelem inteligence komponentů sběrnice a musí jej mít každý přistroj

aktivně působící na sběrnici. Softwarově lze přiřadit přednost telegramům jako jsou poplachová hlášení apod. V aktivním stavu jsou všechny přístroje permanentně na příjmu. Účastnický vazební člen je složen z přenosového modulu a mikroprocesorové jednotky. Přenosový modul spojuje CPU jednotku z datovou sběrnicí a obsahuje navíc • • • • •

Ochranu proti přepólování Stabilizátor 24V (nap. napětí sběrnice) na 5V pro CPU Kontrolu správného napájecího napětí (při poklesu sběrnicového napájení pod 18V automaticky odpojí modul) Kontrolu provozní teploty –5C - +45C (mimo rozsah dojde k odpojení) Indukční vazební člen před vstupu mikroprocesoru na připojené sběrnici

Obr. 7: Model účastnického vazebního člen

4.2 Topologie systému Z hlediska struktury jsou účastníci rozděleni do linií a oddílů. Na jedné linii může být maximálně 64 účastníků a každá linie má svůj vlastní stejnosměrný napájecí zdroj. Liniový vazební člen (LK) zabezpečuje galvanické oddělení a propojení na hlavní linii, kde může být připojeno 64 senzorů nebo aktorů včetně LK členu. Dvanáct linií tvoří oddíl, které jsou propojeny pomocí oddílových vazebních členů (BK) do páteřní sítě, na kterou lze umístit maximálně 64 přístrojů. Tato páteřní sběrnice může být propojena pomocí brány na jiné systémy s možností výměny informací [1].

Obr. 8: Topologické znázornění sítě

4.3 Adresace v systému Každé koncové zařízení připojené do systému má svou fyzickou adresu ve tvaru xx.yy.zz (xx-oddíl, yy-linie, zz-přístroj) např. 2.3.12. Daná adresa smí být použita v systému pouze jednou. Fyzická adresa se přiřazuje před-programováním a to tímto způsobem, že na každém účastnickém vazebním členu, jenž spojuje se sběrnicí je adresační tlačítko. To se jedním stiskem zmáčkne a po sběrnici se z připojeného programovacího PC vyšle adresa. Dané zařízení si ji nastaví a tak se pokračuje dál, dokud všechna zařízení nemají nastaveny fyzické adresy. Fyzické adresy jsou v celém systému jedinečné. Fyzická adresa se používá pouze při projektování daného systému. Po dokončení a nahrání aplikace s požadovanými funkcemi, aplikace nepoužívá pro adresaci fyzické adresy, ale skupinové, což je vlastně adresa, která vnikne spřažením např. osvětlovacích prvků pod jednu adresu 2.x.x. Systém adresace byl převzat ze systému firmy Siemens Instabus [1],[14], který zde reprezentuje normu EIB [13]. Přístup účastníků ke sběrnici je u systému typu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance). Každý z připojených účastníků má stejná práva a neexistuje tedy žádná nadřazená řídící jednotka (master), která by určovala pořadí přístupu ke sběrnici. Jestliže začne několik účastníků vysílat telegramy ve stejném okamžiku (Multiple Acces with collision Avoidance), dostane přednost ten z nich, který má vyšší prioritu nebo nižší fyzickou adresu.

4.4 Montážní zóny Umístění přístrojů musí splňovat požadavky na funkčnost, bezpečnost, estetičnost, snadné propojení a přístupnost a také odpovídat platným normám ČSN. Na dalším obrázku jsou informačně zakresleny elektroinstalační zóny v prostorách s pracovními plochami přiléhající ke stěnám, pro pokládání kabelového rozvodu.

Obr. 9: Instalační zóny v místnostech

5 ZÁVĚR První část práce byla postavena na teoretických poznatcích o systémech s inteligentní elektroinstalaci, které byly dále rozvíjeny a adaptovány na požadavky inteligentní laboratoře pro výuku. Parametry a možnosti elektroinstalační sběrnice byly dále rozvíjeny a koncipovány tak, aby došlo k jejich efektivnímu využití v rámci laboratoře a i mimo ni při sdílení dat. Systém ovládání průmyslových části laboratoře bude úzce spjat s datovými sítěmi a díky tomu může docházek k výměně informací (stav celého sytému, alarmy, zabezpečení a provozní data, měřící data) přes brány, které budou zajišťovat přístupy do vyšších datových sítí. Celý systém bude koncipován jako poloautomatický, s učícím se mechanismem na vytápěcím systému, který bude schopen se adaptovat na změny ve statickém naprogramování. U ostatních popsaných systémů nebude potřeba této adaptibility a pokud jednou v budoucnu ano, systém je řešen modulárním způsobem, což umožní rychlé změny konfigurace a přeprogramování. Celý systém laboratoře je možno přepnout v případě poruchy a havárii z decentralizované inteligence na ovládání z PC, odkud je možno provádět monitoring a nebo změnu konfigurace popř. přeprogramování HW – vlastností a funkcí jednotlivých zařízení.

Pro vstupní identifikace byla zvolena kombinace biometrického čidla snímače otisků prstů s kombinaci s hlasovým analyzátorem. Snímač otisků prstů lze nahradit libovolným biometrickým senzorem adekvátním pro danou bezpečnost laboratoře. Hlasový analyzátor je použit v systému pro více funkcí. Jednou z nich je i příkazový analyzátor umístěný v laboratoři, který dává povely k vykonání rozpoznaných příkazů a může mít i bezpečnostní funkce. Tyto moduly analyzátorů mají implementovány interní segmentační jednotky k filtrování běžného hovoru a v kombinací s připojenou pamětí a analyzátorem segmentovaných slov jsou schopny rozlišit příkaz pro ovládání od standardní promluvy vyskytující se v laboratoři. Celý systém je ve fázi návrhu a realizace nebyla zatím uskutečněna. Předpokládá se vyvinutí systému o těchto parametrech, popř. modifikovaný o další potřebné funkce v rámci laboratoře na UAMT.

Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]

K. Toman, J. Kunc: „ Systémová technika budov - Elektroinstalace podle standartu EIB“, FCC public spol s r.o., Praha 1995 Z. Kotek, Vl. Mařík a kol. - Metody rozpoznávání a jejich aplikace, ACADEMIA Praha 1993 J. Psutka: „ Komunikace s počítačem mluvenou řečí“, ACADEMIA Praha 1995 Jan J. : Číslicová filtrace, analýza a restaurace signálů. Kiramo, Brno 1997. http://www.biometrics.org/ http://www.fi.muni.cz/~smrz/bakalari/rsedlac/shrnuti.htm http://www.integratrade.cz/ http://www.cw.cz/cw.nsf/page/40A69E4122443DA6C12568CC003EC425 http://www.zld.cz/biometrika_snimace.html http://www.zld.cz/biometrika_algoritmy.html http://www.zld.cz/biometrika_principy.html http://www.ha.cz/a_spionaz/Biometrika/ http://pes.internet.cz/bydleni/clanky/6943_5_0_0.html http://www.cd-amper.cz/firmy/s/siemens/at_et/instabus.htm http://lucifer.fav.zcu.cz/uir/skripta/coje.html http://www.stud.fee.vutbr.cz/~xpicha01/RP1.htm http://www.uk.research.att.com/vnc/