2012/39 – 18. 6. 2012
Širší aspekty možností bezdrátových inteligentních budov Vladimír Levek Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email:
[email protected]
Abstrakt Článek pojednává o možnostech využití systému inteligentních budov, jeho výhodách a způsobech řízení. V první části článku jsou popsány aspekty řízení systému inteligentních budov. Dále jsou popisovány vstupní a výstupní prvky systému, označené též jako senzory a aktory. V poslední části článku jsou představeny jednotlivé moduly systémů inteligentních budov. V současné době, kdy elektronika a automatizace naprosto ovládá většinu výrobních i administrativních procesů, není použití automatizace v domácnostech ještě zcela běžné. Zatímco většinu výrobních procesů si bez použití automatizace nelze představit, v domovních systémech se většinou využívá tradiční způsob ovládání. Výrobci sice nabízejí určitý sortiment v této oblasti, ale jeho používání dosud nenabývá takového rozmachu, jaký by se ve světě elektroniky očekával. Doposud je většina elektroinstalací pro bytové objekty řešena autonomně bez prvků či náznaků centrálního řízení. Propracované řízení domácích procesů sice jde pomalu do popředí zájmu investorů, ale pořád zaostává za efektnějšími a viditelnějšími prvky moderního stavebnictví [1] [2].
1 Popis možností inteligentních budov V instalacích inteligentních budov se neřeší pouze otázka spínání světel, ale většinou se jedná o mnohem propracovanější systém, který je otevřen každé nové technologii a každému novému trendu. Osvětlení se může řídit nejenom na pokyn z ovládacího tlačítka, ale také pomocí určité logiky reagující například na pohyb osob v objektu, intervaly časového rámce, v návaznosti na poplach zabezpečovacího či požárního systému, atd. Vývoj takto propracovaného systému nelze vytvořit bez týmové spolupráce a přesné analýzy požadavků. Z praxe je známo mnoho systémů, které jsou inteligentní, mají nekonečně mnoho variant využití, jsou otevřené téměř každé technologii, ale jsou zbytečně složité - tedy uživatelsky nepřívětivé. Ovládání provozu automatizace domácnosti musí totiž zvládnout běžný spotřebitel. Shrneme-li běžné požadavky na systémy automatizace budov a nutnost jednoduchého ovládání, musí řešení splňovat tyto zásadní prvky:
musí být stejně jednoduché na ovládání jako běžný systém bez inteligence, musí přinést uživateli mnohem větší komfort než běžný autonomní systém,
musí přinést úsporu kabeláže na elektroinstalaci, musí být provozován ekonomičtěji než běžný autonomní systém, nesmí být o mnoho dražší než běžný autonomní systém.
Požadavek prvního bodu je jasný. Uživatel, pokud si bude přát rozsvítit na chodbě, nemusí nutně znát logiku podnětů spínání, ale pouze potřebuje sepnout svítidlo a to buď za pomoci spínače nebo pohybového snímače, popř. na základě jiné logiky vyplývající z provozu. V okamžiku, kdy inteligentní systém bude chtít usnadnit uživateli již tak snadnou práci, jako je sepnutí vypínače (při použitím vyšší logiky), může dojít k situaci, kdy uživateli nebude rozsvíceno podle jeho původního přání. Druhý bod a jeho požadavky jsou rovněž zřejmé. Systém musí umožňovat komplexní dohled z počítačového centra, přinášející co možná nejvíce informací o stavu systému. Inteligentní budova by měla automaticky řídit ty pochody, na které jsme zvyklí a naopak procesy, které běžně řešíme na základě vlastního rozhodnutí neměnit a nezasahovat do nich. Centrální dohled a kontrola nad všemi procesy - to je nejsilnější zbraň automatizace domácností. Uživateli musí být umožněno z pohodlí vlastního počítače nejenom zjišťovat stav jednotlivých procesů, ale zjišťovat bezporuchovost systému apod. Okamžitý přehled o spotřebě elektřiny, plynu, o době strávené před televizním přijímačem, o době výpadku elektrického proudu, to je to nejlepší, co může inteligentní automatizace nabídnout. Následné přehledné statistické zpracování jednotlivých dat systému může vést uživatele k efektivnějšímu přístupu při rozhodování nad provozem a tím ke zvýšení úspory nákladů na provoz domu. Požadavek třetího bodu není na první pohled zcela zřejmý. V současné době je stále finančně výhodnější propojit spínač s osvětlením pomocí silového měděného kabelu, než použít například datovou sběrnici s mnohem menším průřezem. Trendy vývoje cen nerostných surovin a elektroniky jsou dostatečně výmluvné. Zatímco cena měděného kabelu mírně roste, cena elektroniky klesá. Je to dáno technologickými možnostmi. Vodič pro přenos energie bude vždy potřebovat větší množství nerostných surovin a sebelépe propracovanější technologie to nijak neovlivní. Vzhledem k tomu, že suroviny jsou vyčerpatelné, není předpoklad, že jejich ceny budou klesat. Naopak díky stále se zlepšující technologii v oblasti výroby a vývoje elektroniky není její cena moc odvislá na volbě surovin či na možnostech lidských zdrojů. Díky tomuto faktu cena elektroniky klesá. V současné době jsou pořizovací ná-
39 – 1
2012/39 – 18. 6. 2012 klady čipu s tisíci tranzistory srovnatelné s náklady na pořízení jednoho metru měděného kabelu. Cenový poměr mezi oběma řešeními je zřejmý. Na druhé straně mikrokontrolér a také jiné další elektronické součástky samy o sobě nic neudělají. Ty musí být součástí promyšleného a propracovaného systému tak, aby se projevila výhoda elektronického řešení. Přívody ke všem koncovým prvkům jako jsou svítidla, zásuvky a podobně, budou i nadále realizovány silovým kabelem. Elektronika může nahradit, stejně jako nahrazuje v ostatních odvětvích, pouze řídicí část systému. Tato může v určitých případech tvořit i polovinu nákladů na elektroinstalace. I přes poukázání na skutečnost, že elementární komponenty obou systémů jsou cenově shodné, stále patří systémy inteligentních budov do kategorie nadstandardu. Čtvrtý a pátý bod požadavků na inteligentní automatizaci byl částečně vysvětlen v předchozím odstavci. Cenu systému zde mnohem více určuje ekonomický zájem, než ostatní kritéria. Za lidskou invenci, která je zde zastoupena ve velké míře, se zkrátka více platí, než za suroviny či náklady na výrobu. Každý převratný systém vstupující na trh představoval nadstandard a podle toho se také odvíjela cena. Z toho důvodu je patrné, že až se časem přestane nahlížet na inteligentní dům jako na luxusní a nadstandardní záležitost, bude cena jeho řídicího systému úměrně odpovídat nákladům na výrobu a vývoj, a tím se přenese automatizace domácností do kategorie běžných cenových hladin.
Díky zlepšování technologie výroby polovodičů lze zaznamenat stoupající tendenci při využívání bezdrátových technologií. Jak už bylo řečeno, je to dáno především zlepšováním technologie výroby elektronických součástek a tím i snižováním nákladů výroby bezdrátových komponentů. V poslední době se bezdrátové technologie stále více prosazují v oblasti automatizace, ať už v domácnostech nebo i v průmyslové oblasti. Jedná se zejména o sběr dat, řízení přenosu datových rámců, inteligentní síťování bezdrátových prvků, autorizace a autentizace, atd. Za rozvojem bezdrátových technologií nestojí pouze vývoj nových, lepších a rychlejších bezdrátových modulů, ale také snižování spotřeby elektronických součástek. Bezdrátové technologie jsou téměř nerozlučně spojeny s bateriovým napájením. Současné bezdrátové komunikační prostředky jsou schopny klidového provozu i při odběru řádově jednotky mikroampér, životnost baterie a tím i bezobslužná provozuschopnost může trvat i několik let. Takový bezdrátový systém se může porovnávat s běžnou drátovou technologií a v některých případech může dosáhnout i převahy [3]. Na obrázku 1 je zobrazena topologie systému inteligentní budovy.
ETHERNET ETHERNET
Vzhledem k neustálému rozšiřování možností domácí automatizace a objevováním nových trendů užitých v bytových objektech, je nutné vytvořit systém, který umožní další inteligentní rozšíření jako reakci na vzniklé požadavky. Komunikační systém musí být schopen přijímat další moduly a prvky systému, aniž by byla narušena zpětná kompatibilita. Jednou z možností vyšší univerzálnosti je použití bezdrátové technologie. Bezdrátové komunikační prostředky jsou schopné přenosu datových řetězců, jejichž délka či hodnota může být proměnná. Platforma bezdrátového systému umožňuje komunikaci mezi svými prvky standardním protokolem. Vytvoření či rozšíření systému komunikujícího pomocí bezdrátové platformy spočívá v HW specifikaci vstupních a výstupních členů, stanovením API rozhraní a vytvořením robusního programového vybavení, který dokáže data přenášená systémem zpracovat a vyhodnotit.
Snímač prostředí Řídicí jednotka Ovládání vytápění
spínač Ovládání osvětlení
Dotykový Dotykový panel panel
Ovládání zásuvek
S Přístupové systémy
2 Problematika bezdrátového řešení
Bezpečnostní zařízení
Ovládání ventilace
Obrázek 1 Návrh topologie systému inteligentní budovy
V oblasti výstavby nových objektů sloužících ať pro bytové nebo administrativní či průmyslové účely, nebývá v našem regionu zvykem se příliš spoléhat na bezdrátovou technologii. Ta se využívá v širším měřítku například pro přenosy informací na velké vzdálenosti či pro pokrytí oblasti signálem sloužícím pro multimediální účely – TV, rádia, internet. V oblasti automatizace a řízení některých procesů se tato technologie příliš nepoužívá. Bezdrátové systémy řízení se prozatím nejvíce využívají ve stávajících objektech jako doplněk či rozšíření stávající automatizace. Mnohem příznivější situace v oblasti bezdrátové technologie je ve Spojených státech amerických, kde systémy bezdrátového provozu jsou zejména v bytové výstavbě téměř samozřejmostí.
3 Řízení provozu bezdrátové inteligentní budovy Systém inteligentní budovy, postavený na bezdrátové platformě, je realizován vstupními prvky - senzory, výstupními prvky - aktory a řídicí jednotkou. Vstupní prvky tvoří rozhraní mezi uživatelem a systémem a jsou představovány ovládacími tlačítky, ovládacími panely, pohybovými senzory a snímači prostředí. Aktory, by měly být tvořeny spínači s možností regulace výkonu a s možností měření spotřeby elektrické energie, nebo přepínači. Tyto prvky musí být rovněž přizpůsobeny pro
39 – 2
2012/39 – 18. 6. 2012 ovládání různých úrovní napětí a proudu. Každému prvku v systému by mělo být umožněno autonomní napájení z vlastní baterie nebo z pevného zdroje elektrického proudu.
Akce na vstupu
Řídicí jednotka
4. Potvrzení
RF příjem dat RF vysílání dat
1. Změna na vstupu
Řídicí jednotka
Oblužný program v PC
Výstupní prvek Zpracování Zjištění stavu
RF příjem dat RF vysílání dat
3. Stav výstupu
2. Aktivační příkaz
Výstupní prvky
Přepínače bez regulace
Spínačes regulací
Vstupní prvky
Vstupní prvky
Obrázek 2 Průběh komunikace v systému inteligentní budovy
Snímače stavů
Řídicí jednotka tvoří rozhraní mezi obslužným počítačem a systémem a řídí provoz systému. Ze senzorů jsou do řídicí jednotky odeslána data informující o změně stavu. Řídicí jednotka data zpracuje podle předem naprogramovaného scénáře a vydá povel patřičnému výstupnímu prvku - aktoru. Ten po vytvořené odezvě odešle zpět odpověď řídicí jednotce, ve které informuje o změně stavu. Řídicí jednotka může dále upozornit senzor, že reakce na podnět proběhla v pořádku. Pomocí obslužného počítače by se měl celý systém plnohodnotně ovládat. Všechny komponenty systému inteligentní budovy musí pravidelně odesílat zprávy informující o bezchybné komunikaci. Pokud řídicí jednotka neobdrží v určitém časovém intervalu zprávu, zaregistruje ztrátu komunikace s konkrétním prvkem a informuje uživatele o nastalé situaci. Jestliže komunikační prvky neobdrží v určitém čase zprávu od řídicí jednotky, přecházejí do autonomního režimu. Jelikož absence řídicí jednotky by neměla mít vliv na nečinnost celého systému, musí být umožněn provoz i za autonomních podmínek. V tomto režimu se mění charakter komunikace. V aktorech by měly být uloženy adresy senzorů, na které se má reagovat. Pokud aktor pracuje v nouzovém autonomním režimu, neočekává data z řídicí jednotky, ale data od prvku, jehož adresu má uloženu v paměti. Jestliže vstupní prvky zaregistrují ztrátu komunikace s řídicí jednotkou, nebudou posílat povely na adresu řídicí jednotky, ale pomocí "broadcastu" všem prvkům systému. Tímto způsobem není ohrožen provoz systému při výpadku řídicí jednotky, ale je pouze omezen.
Vstupní prvek
4 Provoz systému Řízení osvětlení
Systém inteligentní budovy vytváří prostředí, ve kterém je umožněno akčním členům, aby reagovaly jednak na podněty ručně zadané uživatelem, tak i na podněty vytvořené logickými, časovými, popř. dalšími návaznostmi. Z tohoto důvodu, ale i z hlediska dalšího rozvoje systému se jeví nejúčinnější systém centralizovaného řízení. Senzory a aktory posílají či získávají co možná nejstručnější povely, které vzniknou v řídicí jednotce na základě propracovaných scénářů jednotlivých modulů.
Spínání zásuvek, žaluzií Systém vytápění, klimatizace, ventilace Řízení procesů
Senzory posílají povely informující o změně stavu řídicí jednotce. Tam jsou data zpracována a řídicí jednotka posílá příkaz konkrétnímu aktoru. Logika spínání, způsob adresace, návaznost na ostatní technologie je dána programovým vybavením řídicí jednotky, která může být kdykoliv rozšířena o nové moduly a tím vytvářet uživatelsky optimální prostředí při vzniku nových požadavků. Obrázek 2. Všechny prvky systému musí v intervalu určité doby (cca 10 minut) zaslat zprávu informující o bezchybné komunikaci. Tato zpráva obsahuje nejenom identifikátor, ale také velikost teploty, napájení, popř. další informaci. V řídicí jednotce běží časovač pro každý prvek zvlášť, který je vždy nulován při příjmu jakékoliv informace od konkrétního prvku. Jestliže tento časovač zaznamená přetečení hraniční hodnoty, řídicí jednotka vyhlásí ztrátu komunikace s prvkem a provede opatření v závislosti na předem naprogramovaném scénáři.
Přístupový autentizační systém
Časové rámce
Stavy modulů
Systém na ochranu majetku a osob
Řídicí jednotka Obrázek 3 Blokové schéma řízení procesů v systému inteligentní budovy
Každý ovládací prvek může být připojen k více modulům systému. Z hlediska možností ovlivňování automatizace domácností můžeme jednotlivé logické členy dělit:
39 – 3
2012/39 – 18. 6. 2012
ovládací prvky (tlačítka, spínače, snímače EZS, požární hlásiče…), stavové prvky (snímače prostředí – teplota, vlhkost, osvětlení …), časové rámce (datum, čas, dny v týdnu, skupiny dní…) logické stavy modulů (systém EZS sepnut, alarm v podsystému, požár, svítidla nuceně vypnuta…).
Podle návazností těchto čtyř zadaných kritérií (viz obrázek 3) se realizuje řízení systému inteligentní budovy. Většina reakcí nemusí být nutně důsledkem syntézy všech těchto podnětů. Veškerá práva, omezení a funkčnosti by měly být volně programovatelné, neměly by v systému překážet, ale vhodně doplňovat základní povely. V modulu řízení osvětlení je bezesporu hlavním ovládacím členem tlačítko. Časové rámce, možnost zablokování, popř. zdvojování příkazů systémem by neměly uživatele omezovat. Naopak, měly by přispět k úsporám energie, zvýšení pohodlí a komfortu uživatele. Centrálně řízený systém přináší větší univerzálnost systému a možnost snadnějšího rozšiřování o nové technologie, popřípadě nové moduly. Rozhodování a tvorba příkazů kterémukoliv aktoru se provádí v centrální řídicí jednotce. Zde jsou uloženy scénáře a profily jednotlivých modulů. Při příjmu určitého podnětu se data zpracují, vyhodnotí a provede se příkaz patřičnému aktoru. Podnět nemusí být nutně pouze uživatelem ručně zadaný, ale může být od časovače, snímačů stavů apod.
5 Senzory Pro zvýšení komfortu řízení systému inteligentní budovy se může využít více vstupních prvků. Podle způsobu ovládání je můžeme dělit:
senzory ovládané uživatelem (tlačítka, spínače, dálkové ovladače, dotykové displeje, klávesnice…),
stavové senzory (teploměry, vlhkoměry, soumrakové snímače, termostaty…).
Každý modul systému by měl být schopný vyhodnocovat případné akce na základě zmíněných vstupních prvků, ale také logické podněty časových profilů a stavů jednotlivých modulů. Logika ovlivňování jednotlivých modulů záleží na pečlivém a promyšleném softwaru, který musí umožňovat přehledný a intuitivní přístup ať uživatele, nebo správce systému inteligentní budovy. Z hlediska nastavení vstupního prvku lze uvažovat o následujících režimech:
bez regulace (stisk tlačítka), regulace intenzity (stisk tlačítka / uvolnění tlačítka), možnost přepínání regulace na základě rozlišení délky stisku (krátký stisk / dlouhý stisk s regulací výkonu).
Vstupní svorky je nutné chránit před připojením vyššího napětí, nebo nežádoucího propojení. Pokud se vstupní svorky chrání optooddělovačem, je sice vyloučeno jakékoliv poškození řídicí části vstupního prvku, nicméně tento způsob ochrany je energeticky náročnější. Optický oddělovač potřebuje pro
sepnutou úroveň určitý příkon, což významně zkracuje životnost baterie. Vstupní svorky je možno rovněž chránit transilem, nebo vhodným zapojením diod. Tento způsob ochrany vyloučí běžné zavlečení nežádoucích napěťových úrovní a navíc nezatěžuje ani v jedné logické úrovni napájecí zdroj. Vzhledem k tomu, že senzory tvoří rozhraní mezi systémem inteligentní budovy a ostatními ovládanými zařízeními, je nutné počítat s ochranou vstupních svorek před zavlečením nežádoucích napěťových úrovní a tím chránit celý systém před možným zničením. 5.1 Možnosti napájení senzorů Bezdrátový systém je většinou spojován s bateriovým provozem. Tento přístup je vcelku logický. Bezdrátový přenos by nepřinesl očekávaný efekt pokud by se uspořilo kabelové vedení sběrnice, ale vyskytnula by se nutnost přivést k oběma rozhraním bezdrátového systému napájecí kabel. Bateriový provoz vstupních prvků s sebou nese požadavky na co nejnižší energetickou náročnost. Vstupní prvek nemá žádnou trvalou indikaci stavu, maximálně diodu LED, která je aktivována při mimořádné situaci (porucha, nízký stav baterie, průběh zasíťování…). Programové vybavení prvku by mělo zohledňovat úsporu napájení tím, že se bude program nacházet většinu času ve stavu spánku. Z toho důvodu může být umožněna komunikace od řídicí jednotky pouze bezprostředně po odvysílání nějakého povelu. Program po odvysílání dat může nějakou dobu zůstávat v čekací smyčce na povel od řídicí jednotky, pokud žádný povel nepřijde, prvek se opět uvede do stavu spánku. Z režimu spánku je vždy probuzen na podnět změny stavu vstupu, nebo na základě vnitřního časovače, který je základem pro zasílání pravidelných stavových informací.
6 Aktory Zařízení a spotřebiče inteligentní budovy provádějící odezvu na pokyny od uživatele anebo pokyny přímo vyplývající z předem vytvořeného scénáře jsou napojeny na systém prostřednictvím výstupních prvků - aktorů. Tyto prvky přijímají povely od řídicí jednotky a na základě získaných parametrů ovládají příslušné spotřebiče. Z hlediska způsobu spínání lze používat aktory bez možnosti regulace a s regulací ovládaného výkonu. Některé prvky umožňují měření spotřeby elektrického proudu a mohly by rovněž realizovat měření teploty, popř. další stavové veličiny. Všechny tyto informace poskytují systému pro další vyhodnocení. Podle povahy spojitě či nespojitě ovládané zátěže můžeme aktory dělit do několika skupin.
Spínače s regulací posouváním fáze spínání triaku, spínače s regulací napětí pro elektronický předřadník, spínače s PWM regulací pro LED svítidla.
Všechny aktory systému mohou pracovat v několika režimech monostabilního stavu nebo jako pouhé bistabilní přepínače. Spolu s povelem k přepnutí je z řídicí jednotky zaslána informace o délce sepnutého stavu, režimu časovače a jednotkách časové informace. Časovač může pracovat ve více režimech:
39 – 4
2012/39 – 18. 6. 2012
přepínání bez časovače, přepínání s časovačem, oddálené přepnutí.
diodou nebo pomocí diferenciálního zesilovače - obrázek 5. Výstup diferenciálního zesilovače může jít například na komparátor mikrokontroléru, kde velmi nízká (téměř nulová) komparační úroveň zajistí synchronizaci fázového napětí při průchodu nulou.
6.1 Možnosti napájení aktorů
U
Z hlediska napájení aktorů připadá do úvahy varianta se síťovým napájením 240 VAC, napájením z externího zdroje 12 VDC a s bateriovým napájením. Tento způsob napájení však bude využíván velmi zřídka, protože se většinou předpokládá na výstupní straně napěťová úroveň, která umožňuje provoz prvku s externím napájením. Navíc jakýkoliv druh spínání je vždy energeticky náročnější, než provoz senzoru. Z toho důvodu budou mít aktory s bateriovým napájením kratší dobu životnosti baterií. Tak jako je v případě napájení senzorů téměř bez výjimky nutné použití baterií, je naopak v případě napájení aktorů bateriemi téměř zbytečné. Pro napájení aktorů lze většinou využít energie získané s ovládaného zdroje. 6.2 Aktory s regulací výkonu podrobněji Spínání je vhodné realizovat triakovým spínačem ovládaným vhodným optooddělovačem. Ten lze řídit přímo z mikrokontroléru bez potřeby dalšího posílení řídicího signálu. Celá ovládaná část je tímto způsobem galvanicky oddělena od řídicí elektroniky bez nebezpečí zavlečení rušivých signálů nebo nebezpečného napětí.
U
H
L
R 2 .3
,
(2)
R 2 .1
kde R2.1=R2.2 a R2.3=R2.4. >UH je napětí na vstupu mikrokontroléru v úrovni H (popř. menší) a UL je fázové napětí. Napájecí napětí může být realizováno ze síťového napájení prostřednictvím miniaturního spínaného zdroje nebo pomocí baterie. V určitých případech se využívá vytvoření zdroje pomocí kapacitního děliče. Ten má však řadu nevýhod. Musí být realizován poměrně velkým kondenzátorem pro malý výstupní proud. Při spínání zátěže vznikají na síti rušivé špičky, které vedou ke zkreslení harmonického průběhu. Vznik sebemenších nespojitostí ve vstupní části napájecího obvodu může vést k poruchám stabilizovaného průběhu výstupní části. Triak jako spínací polovodičový prvek neklade v sepnutém stavu nulový odpor výstupnímu proudu. Z toho důvodu je žádoucí, aby tento spínací prvek byl výhradně používán pro ovládání výkonu cca do 200 W. Většina polovodičových spínacích prvků umožňuje spínání i větších výkonů, ale pouze za přispění aktivního či pasivního chlazení. Při použití chladiče klesá význam miniaturizovaného polovodičového řešení. Při návrhu přepínačů musí být kladen důraz na miniaturizaci a možnost instalace do obyčejných prostor, tedy takové řešení, které nebude okolí zatěžovat tepelnými ztrátami spínače. 6.3 Popis měření efektivního proudu spotřebiče
Obrázek 4 Schéma zapojení triakového spínače
Triakový spínač na obrázku 4 dokáže sepnout fázi pouze v jedné půlperiodě. Po uplynutí půlperiody je triakový spínač vždy ve vypnutém stavu a pro další půlperiodu musí být opět uveden do sepnutého stavu impulsem dodaným většinou z mikrokontroléru. R 1 .2
U
H
U
Pro výpočet efektivního proudu s možností posouvání mezí na půlperiodě síťového kmitočtu lze odvodit následující vztah: T 2
RI
.
(1)
T
IF
Rezistor R1.1 je dán katalogovým zapojením a rezistor R1.2 vypočítáme ze vztahu (1). UH je napětí mikrokontroléru v úrovni H, UF je napětí na LED diodě v sepnutém stavu a IF je optimální proud LED diodou, daný výrobcem.
Obrázek 5 Schéma zapojení časové synchronizace fáze
Pro efektivní řízení spínání pomocí triaku musí být zajištěna synchronizace řídicí části obvodu se síťovým kmitočtem. Tato synchronizace se docílí například obvodem se zenerovou
Ri
( t ) dt
I
2 T
0
2 F
2
T /2
i 0
2
( t ) dt
.
(3)
T /2
I
2 max
sin
2
t dt
0
Z důvodu omezení početních schopností mikrokontroléru, ale také proto, že není nutné prezentovat výsledek s velkou přesností, může být zvolena metoda numerického výpočtu efektivní hodnoty. Z teoretického rozboru situace vyplývá, že existují dva poměrně jednoduché výpočetní postupy, jejichž výstupem je dosažení uspokojivého výsledku efektivního proudu. Jeden způsob předpokládá numerické řešení integrálu půlperiody za pomocí výpočtu obsahu lichoběžníků. Druhý postup spočívá ve výpočtu závislosti efektivního proudu na posunutí meze sepnutí a následnou lineární interpolací vypočteného průběhu. Pro potřeby výpočtu se půlperioda rozdělí na úseky x o délce x = 1 ms. Na obrázku 6 je nakreslen průběh kladné půlperiody síťového kmitočtu. Půlperioda kmitočtu o frekvenci f = 50 Hz má délku T/2 = 10 ms.
39 – 5
2012/39 – 18. 6. 2012 I I max . X ,
(5)
kde hodnota X představuje měrný jednotkový efektivní průběh daný poměrem efektivního proudu a amplitudy I/Imax. Analytickou cestou se vypočítá závislost jednotkového efektivního průběhu na zpoždění sepnutí. Jedná se o výpočet integrace ze vztahu (3). Tentokrát se jedná o integrál určitý a závislost je počítána tak, že se posouvá dolní mez od času tmax = 0 ms, až do času tmin = 6,4 ms. Tato hodnota představuje velmi malou dodávku energie spotřebiči, jejímž dalším snižováním by se nedosáhlo viditelného efektu. Graf závislosti efektivní hodnoty na oddálení sepnutí fáze je vykreslen na obrázku 7. Na tomto obrázku vidíme známou velikost efektivní hodnoty proudu pro sinusový průběh, tedy hodnotu v čase tmax = 0: Obrázek 6 Rozdělení půlperiody na časové úseky
I
Princip výpočtu efektivního proudu spočívá ve změření maximální amplitudy proudu, tedy vzorkování uprostřed půlperiody (tvz = 5 ms). Efektivní proud je roven ploše půlperiody pod průběhem proudu - obrázek 6. Řízením fáze neboli oddálením sepnutí od času t = 0 do t ~ 7 ms, se posouvá dolní mez integrálu zprava. Při znalosti maximální amplitudy a času sepnutí lze vypočítat velikost efektivního proudu spotřebiče. Měření proudu do výkonu cca 200 W je možné provádět měřením úbytku napětí na velmi malém výkonovém odporu vloženém do cesty měřenému spotřebiči. Pokud použijeme dva rezistory R = 0,1 Ω paralelně spojené, pak můžeme použít výkonovou řadu 2 W a s velkou rezervou splníme limit spínaného proudu, protože: P RI
2
.
(4)
I max
I
1
I max
2
0 , 7071 .
(6)
2
S oddalujícím se časem sepnutí samozřejmě klesá velikost jednotkového efektivního průběhu, která by měla v čase tmin = 10 ms hodnotu I/Imax = 0. Analyticky získaný průběh se opět rozdělí na 10 ekvidistantních kroků i. Tyto kroky tvoří krajní hodnoty pro numerický výpočet lineární interpolace daného průběhu. V jednotlivých úsecích nabývá tentokrát lineární průběh odlišných hodnot směrnic a posunů. Směrnice lineárního průběhu: I I max a i i b i ,
(7)
ai se vypočítá diferenciální metodou z krajních hodnot časových kroků - viz tabulka 1, a konstanta lineární funkce bi se stanoví na základě vynulování argumentu lineární funkce.
R = 0,05 Ω a Imax se pohybuje okolo 1 A.
Tabulka 1 Časové konstanty pro půlperiodu f = 50 Hz
Výpočet efektivní složky proudu pomocí lichoběžníků by musel sestávat z více výpočetních úkonů a vzhledem k tomu, že procesor může mít omezený výpočetní výkon, je způsob výpočtu pomocí lineární interpolace efektivnější.
Obrázek 7 Závislost měrné efektivní hodnoty proudu na fázi sepnutí
Nejprve můžeme konstatovat, že efektivní složka průběhu proudu je obecně dána vtahem:
i
interval
ms
I/Imax = P
0
a
b
0,7071
-0,0034
0,7071
1
0,7037
-0,0158
0,7195
2
0,6879
-0,0374
0,7627
3
0,6505
-0,0629
0,8392
4
0,5876
-0,0876
0,9380
5
0,5000
-0,1066
1,0330
6
0,3934
-0,1163
1,0912
7
0,2771
-
-
Z tabulky 1 vyplývá, že mikrokontroléru postačí mít uloženy v paměti hodnoty ze sloupce a (směrnice funkce) a ze sloupce b (konstanty funkce). Pokud procesor změří velikost maximálního proudu, vybere hodnoty z tabulky 1, a na základě znalostí času sepnutí může vše dosadit do vztahu (6). Pro příklad uveďme, že procesor sepne výstup v čase t = 2,752 ms a hodnota amplitudy je Imax = 1 350 mA. Z tabulky zjistíme, že
39 – 6
2012/39 – 18. 6. 2012 se jedná o funkci na řádku 2 (podle času sepnutí – interval od 2 do 3 ms), tedy o výpočet hodnoty: I I max a i i b i 1350
0 , 0374 . 2 , 752 0 , 7627
.
(8)
890 , 7 mA
Problém miniaturizace mírně komplikuje metoda měření proudu do zátěže. Nejlevnějším řešením měření spočívá ve vložení velmi malého odporu do smyčky zátěže. Napětí na tomto odporu je měřeno operačním zesilovačem v diferenciálním zapojení – na obrázku 8. Při maximálním proudu do zátěže I = 1 A, bude maximální napětí na odporu rovné velikosti odporu. Při hodnotě R = 0,5 Ω, bude maximální napětí na svorkách UR = 0,5 V. Maximální ztrátový výkon odporu bude dán opět jeho velikostí, tedy Ptot = 0,5 W. Aby rozkmit měřeného napětí byl co možná nejoptimálnější, je nutné nastavit zpětnovazební síť diferenciálního zesilovače tak, aby velikost U1 = 0,5 V, představovala na výstupu velikost dosahující cca 80 – 90 % napájecího napětí. Rozptyl hodnot odporů je vhodné eliminovat kalibrací každého konkrétního zapojení a lineární kalibrační činitel uložit do energeticky nezávislé paměti mikrokontroléru. Při každém měření se bude naměřená hodnota tímto koeficientem násobit. V závislosti na zvoleném měřícím odporu zapojeném do série se spotřebičem, je třeba zvolit vhodný měřicí obvod a následně vypočítat jeho obvodové veličiny. Vhodný obvod pro měření malého obvodu je uveden na obrázku 8.
Systém inteligentní budovy lze rozdělit na několik modulů. Jejich výčet není konečný a vždy bude rozšiřován o nové subjekty v závislosti na trendech moderní elektroniky. Společná všem modulům je možnost jejich vzájemného provázání a tím možnost zvýšení optimalizace provozu domácí automatizace. Nejčastěji používané moduly jsou popsány v následujících kapitolách. 7.1 Systém řízení osvětlení Modul řízení osvětlení v sobě zahrnuje běžné ovládání svítidel pomocí tlačítek, ale také ovládání pomocí pohybových senzorů, časových a prostorových návazností. Celý systém musí být modulární a plně modifikovatelný. Tento systém je totiž nejčastěji užíván a nesmí přinášet omezení provozu, naopak musí přispět k uživatelskému komfortu. Svítidla jsou ovládána jak regulovaně s možností nastavení intenzity, tak nespojitě s přepínáním stavů. Spotřeba svítidel je monitorována a uživatel má okamžitou informaci o její velikosti. Na základě znalosti spotřeby systému může uživatel provádět úsporná opatření a tím přispět ke snížení nákladů na provoz. Režim spínání je realizován buď s časovým omezením s možností programování doby vypnutí nebo bez časového limitu. Řízení osvětlení s časovou limitací je vhodné instalovat do prostor s přechodným pohybem osob, jako jsou chodby a sociální zařízení. Ovládání svítidel lze realizovat pomocí přepínačů malých výkonů či pomocí spínačů s různým typem regulace. Na obrázku 9 jsou naznačeny logické návaznosti modulu spínání osvětlení v systému inteligentní budovy.
Obrázek 8 Schéma zapojení diferenciálního zesilovače
Jedná se o diferenciální zapojení OZ, které vzhledem ke zvoleným velkým odporům, řádově v kΩ, můžeme považovat za dostatečnou bariéru mezi měřeným a řídicím obvodem [4]. Rezistory na obrázku 8 musí splňovat následující podmínky: U
mereni
Rm I R
R 3 .3 R 3 .1
.
(9)
R 3 .3 R 3 .4 a R 3 .1 R 3 .2
7 Moduly inteligentní budovy Systém inteligentní budovy řeší automatizaci provozu všech běžných procesů užívaných v domácnostech. Nezahrnuje pouze ovládání osvětlení, ale i řízení provozu ostatních technologií, které mohou spolu úzce souviset. Systém inteligentní budovy přináší nejenom komfort ovládání, ale také úsporu energie a hlavně umožňuje okamžitý přehled o provozu svých periferií. Díky těmto klíčovým vlastnostem se očekává masovější nárůst poptávek po těchto systémech.
Obrázek 9 Návaznosti ovládání modulu řízení osvětlení
7.2 Systém ovládání zásuvek Ovládání zásuvek je vhodné například pro hromadné vypínání, ať už za účelem opuštění objektu, či z bezpečnostních důvodů. Ovladače zásuvek mohou být nainstalovány napevno anebo jako přenosné zásuvkové spínače. Tyto moduly samozřejmě pouze přepínají svůj stav a je rovněž umožněna časová limita-
39 – 7
2012/39 – 18. 6. 2012 ce sepnutí. Pro ovládání zásuvek lze využít přepínače s reléovým výstupem. 7.3 Systém ovládání žaluzií Možnost dálkového ovládání zatemnění objektu zvyšuje komfort a uživatelské pohodlí. Systém řízení provozu žaluzií závisí na jejich typu. Vždy musí být umožněno ovládání obousměrného provozu a u vybraných typů i možnost naklápění lamel. U bezpečnostních rolet je možnost ovládání od úplného zatemnění přes mikrospáry až po úplné vytažení rolet. V závislosti na provázání ostatních modulů musí být umožněn automatický provoz ovládání žaluzií nebo rolet. Jedná se o vyhodnocení logických návazností od tepelných hlásičů, zabezpečovací signalizace, soumrakových snímačů nebo na základě časového profilu provozu systému. Pro ovládání žaluzií lze použít dvouvýstupový přepínač, který dokáže ovládat natočení lamel a posléze i stahování či vytahování žaluzií. Na obrázku 10 jsou naznačeny logické návaznosti modulu ovládání žaluzií v systému inteligentní budovy.
přitápění pomocí kotle a krbu na tuhá paliva, ohřev pomocí solárního kolektoru, zásobník TUV, zásobník TV, vytápění bazénu.
Některé z těchto součástí jsou řízeny pomocí vlastních řídicích jednotek, jiné se regulují pomocí ovládání oběhových čerpadel. Všechny potřebné topné větve musí být snímány a jejich teplota vyhodnocena. Jedná se zejména o tyto teplotní snímače:
vnitřní snímač pokojové teploty vnitřní snímač teploty s termostatem venkovní snímač teploty snímače topných větví s externí sondou snímače teploty vody v bazénu s externí sondou snímače teploty solárních panelů s externí sondou snímače teploty externích zdrojů tepla (kotel na tuhá paliva…) s externí sondou
Na základě zjištěné teploty a podle nastaveného teplotního scénáře jsou ovládány potřebné spínače. Tyto spínače zajišťují připojování a odpojování zdrojů vytápění k systému. Jedná se především o výstupní součásti topného systému:
ovládání termohlavic, ovládání elektrických topných těles, ovládání oběhových čerpadel, ovládání klimatizace, ovládání ventilace, ovládání klapek primárního a sekundárního ohřevu.
7.5 Systém ventilace
Obrázek 10 Návaznosti modulu ovládání žaluzií
7.4 Systém vytápění a klimatizace Tento modul je velmi důležitý a může při správném provozu přinést největší úsporu nákladů a také vytvořit velmi příjemné prostředí. Naopak při nesprávném nastavení může být zbytek funkcionalit inteligentní budovy potlačen. Proto zde musí být kladen důraz na možnost velmi přesného nastavení a pečlivé provázanosti zejména se snímači prostředí a časovými profily provozu. Systém musí být centrálně nastaven s možností lokální korekce a možností omezení vlivu jak systému vytápění, tak systému klimatizace. Z důvodu velkého množství systémů vytápění a velkého množství doplňků vytápění, musí být umožněna regulace a řízení jakéhokoliv systému. Vzhledem k nastupujícímu trendu doplňovat systém vytápění o alternativní zdroje ohřevu, předpokládá se rozšíření modulu vytápění inteligentní budovy o další doplňky. V současnosti lze využít těchto součástí:
Systém větrání v objektu může být tvořen centrální jednotkou s možností ovládání jednotlivých větví rozvodu anebo pomocí autonomních ventilačních jednotek. Tomuto systému musí být přizpůsoben modul ventilace. Ovládání některých prvků je provedeno automaticky jako odezva na jiné prvky systému, jako jsou pohybové snímače, snímače prostředí, atp. Odvětrání lze ovládat kopírováním stavů osvětlení vybraných svítidel, v závislosti na časových profilech a jiných podnětech. Samozřejmostí je i lokální ovládání tlačítkovými spínači. V systému ventilace musí být umožněna regulace otáček ventilátorů. Dále musí být možnost nastavení časové limitace provozu. Vzhledem k nutnosti přesné regulace vytápění musí být spolu úzce provázány moduly vytápění a moduly ventilace. Na obrázku 11 jsou naznačeny logické návaznosti modulů vytápění, klimatizace a ventilace v systému inteligentní budovy.
regulace topení a klimatizace v místnosti,
39 – 8
2012/39 – 18. 6. 2012 7.7 Systém pro ochranu majetku a osob V tomto modulu jsou zahrnuty prvky elektrické zabezpečovací a požární signalizace se všemi dostupnými a běžnými funkcemi. Systém dokáže snímat pohyb předmětů a osob v daném prostoru a rovněž dokáže vyhodnocovat změny stavu z hlediska ohrožení požárem, únikem plynu, záplavami a podobně. Na vstupy systému jsou napojeny prostorové PIR snímače, PIR+MW duální snímače, snímače tříštění skla, otřesové detektory, tísňové hlásiče a jiné běžné prvky systému elektrické zabezpečovací signalizace. Systém dokáže rovněž vyhodnotit stav úniku kouře prostřednictvím opticko – kouřových hlásičů, tepelných hlásičů a lineárních optických hlásičů. Jako doplněk mohou být do systému připojeny detektory úniku plynů a záplavové detektory.
Obrázek 11 Návaznosti modulu ovládání topení a klimatizace
7.6 Autentizační a přístupový systém Moduly autentizace naleznou větší uplatnění v mimoobytných prostorách, ale přesto je nutné tyto prostředky zahrnout do okruhu modulů systému inteligentní budovy. Pro vyhodnocení a autentizaci jsou použity biometrické snímače, RFID čtečky, aktivní hardwarové klíče, popřípadě kódové klávesnice apod. Pomocí těchto prvků může systém dle nastaveného profilu autorizovat přístupy jednotlivých uživatelů do částí objektů, nebo pouze vytvořit vazbu pro jiný modul systému. Tento modul může mít na výstupu jakékoliv akční členy, které mohou například otevírat dveřní zámky, nebo ovládat další návazné prvky přístupového systému. Výstupem z tohoto modulu může být také informace nebo povel pro další moduly inteligentní budovy. Na obrázku 12 jsou naznačeny logické návaznosti modulu přístupového systému inteligentní budovy.
Systémy pro elektrické zabezpečení objektu mají svá specifika a nelze je zaměnit s běžným spínacím modulem inteligentního domu jako je například řízení osvětlení. Z hlediska dodržení platné legislativy, ale i z funkčního hlediska je nutné dodržet určité časové posloupnosti akce a reakce. Musí být rovněž dodrženy bezpečnostní požadavky přenosu dat a jejich ochrana před neautorizovaným narušením. Zároveň systém musí splňovat určitou hierarchii úrovní přístupů, kde každá úroveň přístupu je autentizována pro konkrétní skupinu uživatelů. Z toho důvodu je vytvořen modul, který daná kritéria splňuje. Na obrázku 13 jsou naznačeny logické návaznosti modulu zabezpečovací signalizace v systému inteligentní budovy.
Obrázek 13 Návaznosti modulu systému pro ochranu majetku a osob
Vzhledem k podobnosti řízení některých modulů lze tyto moduly sloučit do jednoho širšího celku. Programové vybavení by mělo být sestaveno s přihlédnutím k možnému rozšíření systému o další nové moduly, popřípadě nové funkcionality některých stávajících modulů.
Obrázek 12 Návaznosti modulu přístupového systému
39 – 9
2012/39 – 18. 6. 2012
8 Závěr Popis inteligentního domu byl původně vytvořen pro potřeby projektu VUT v Brně. Popsané možnosti inteligentní budovy slouží jako zadání pro vytvoření komplexního a uceleného systému vytvořeného v bezdrátovém prostředí. Vzhledem ke stále se zvyšující technické vyspělosti a zvyšujícím se nárokům na automatizaci bytového provozu či automatizaci budov je zcela nezbytné, aby každý nově vytvořený systém byl otevřený novým, prozatím neznámým technologiím a byl zcela připravený pro neomezené možnosti integrace. Bezdrátové systémy jsou pro takto otevřené systémy velmi vhodné.
9 Literatura [1] MAGAZÍN: INTELIGENTNÍ DŮM. Co je to inteligentní dům? [online] 2009 [cit. 5. ledna 2011] Dostupný z WWW: http://www.itdum.cz/co-je-inteligentni-dum.html. [2] VALEŠ, Miroslav. Inteligentní dům. 2. vydání. Brno: Vydavatelství ERA, 2006. 123 s. ISBN 80-7366-062-8. [3] MICRORISC s.r.o. IQRF Brochure [online] 2010 [cit. 15. prosince 2010] Dostupný z WWW: http://www.iqrf.org. [4] DOLEČEK, Jaroslav. Moderní učebnice elektroniky 5. díl: Operační zesilovače a komparátory. 1. vydání. Praha: BEN, 2007. 232 s. ISBN 978-80-7300-187-2.
39 – 10
