CC BY
62
СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК [681.586:004.4]:699.84 ББК [32.96-044.3:32.973]:38.7
В. Н. Дмитриев, А. А. Сорокин, А. С. Тушнов, В. Ю. Аксёнов
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗДАНИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕТЕВЫХ ДАТЧИКОВЫХ УСТРОЙСТВ
V. N. Dmitriev, A. A. Sorokin, A. S. Tushnov, V. Yu. Aksenov
IMPROVING THE EFFECTIVENESS OF CONTROL OF LIFE SUPPORT SYSTEMS OF BUILDINGS BASED ON SENSOR NETWORKS
Цель исследований - повышение эффективности систем управления жизнеобеспечением зданий за счет использования сетевых датчиковых устройств. Проведен обзор сетей передачи данных, пригодных для расположения датчиковых устройств. Предложены схемы построения датчиков для мониторинга освещенности, влажности, температуры, задымленности в помещении. Данные датчики могут быть использованы для управления системами кондиционирования и безопасности. Предложенные схемы датчиков можно использовать для организации систем мобильного мониторинга. Дополнительным достоинством системы мониторинга на основе локальных сетей является возможность прогнозирования трафиковой нагрузки при помощи известных методов и моделей. Экономическая эффективность внедрения предложенных элементов вычислительной техники в системы управления зданием оправдана отсутствием необходимости строительства отдельной специальной сети. Это возможно за счет того, что разработанные устройства могут быть интегрированы в существующие Ethernet, Wi-Fi, GSM- и UMTS-сети.
Ключевые слова: датчик, управление, система, здание, сеть передачи данных, мобильный мониторинг.
The purpose of this thesis is enhancing the effectiveness of management of building installations using sensor network devices. The paper provides an overview of data networks suitable for the location of sensor devices. Schemes of sensors to monitor light, humidity, temperature, smoke indoors are presented. These sensors can be used to control air conditioning and security systems.
The proposed schemes of sensors can be used for the organization of mobile monitoring systems.
An additional advantage of monitoring the system based on local area networks is the ability to predict traffic load using the known methods and models. Economic efficiency of the proposed elements of computer technology in the building management system is justified by the absence of the need to build a separate ad-hoc network. It is possible due to the fact, that the designed devices can be integrated into existing Ethernet, Wi-Fi, GSM, UMTS networks.
Key words: sensor, management, system, building, data transmission network, mobile monitoring.
Введение
В настоящее время наблюдается интенсивное развитие систем управления зданиями. Во многих источниках данная технология получила название «Smart Home» («Умный дом») [1-5]. Сущность технологии заключается в разработке систем управления, основанных на использовании информационных технологий, которые позволяют решать задачи безопасности, кондицио-
нирования, энергосбережения, изменения режимов работы бытовой или специальной техники. Процесс управления осуществляется либо при помощи специального программного обеспечения, установленного в главном контроллере системы, либо при помощи удаленного доступа с персонального компьютера и мобильного устройства администратора (владельца) здания. Технология «Умный дом» упрощает решение ряда задач как для бытовых, так и для промышленных нужд, более того, внедрение данной технологии обеспечивает значительную экономию электроэнергии, воды и отопления, поэтому многие современные строящиеся жилые, офисные, промышленные здания изначально оснащаются подобными системами. Отметим, что в эксплуатации находится много зданий, которые не оснащались подобной технологией изначально (фактически это большинство зданий, построенных до 2000 г.). С учетом современного государственного курса на повышение энергоэффективности экономики расширение области использования технологии «Умный дом» чрезвычайно важно. Создание отдельной системы управления в уже эксплуатируемом здании - задача трудоемкая, дорогая, требующая согласования с контролирующими органами. Как показывает практика, многие задания оборудованы вычислительными сетями, организованными системами связи стандартов IEEE 802.3 (Ethernet) или IEEE
802.11 (Wi-Fi). Следовательно, необходима проработка способов повышения эффективности систем управления жизнеобеспечением зданий за счет использования вычислительных сетей.
В связи с вышеизложенным целью работы было повышение эффективности систем управления жизнеобеспечением зданий за счет использования сетевых датчиковых устройств.
Как показывает обзор вычислительных сетей стандартов IEEE 802.3 (Ethernet) или IEEE
802.11 (Wi-Fi), они имеют развитую инфраструктуру внутри здания, обладают хорошей масштабируемостью, что позволяет увеличить размерность топологии в случае необходимости, наращивать сеть новыми устройствами [6, 7]. Наличие унифицированных интерфейсов на физическом уровне позволяет использовать широкую номенклатуру оконечных устройств, как непосредственно подключающихся к сети, так и подключающихся при помощи специальных переходников или шлюзов. Унификация протоколов прикладного, представительного, сеансового, транспортного и частично сетевого уровней сетей Ethernet и Wi-Fi с другими сетями, таким как GSM, UMTS, позволяет получать доступ к системам управления зданиями (датчикам) или системам управления сетью с мобильных устройств. Подключение с мобильного устройства может осуществляться как непосредственно к датчику или элементу управления сети, так и при помощи виртуальных частных сетей (VPN, Virtual Private Network) или при помощи облачных технологий [8]. Для непосредственного получения доступа к объектам управления используется специализированное программное обеспечение. Подобное программное обеспечение рассчитано на оборудование конкретного производителя, что не всегда удобно для обычного пользователя. Как показывает обзор рынка систем управления оконечными устройствами, специализированные первичные преобразователи или контроллеры достаточно дороги. При этом на рынке находится большое количество относительно доступных элементов и программных решений, взаимная интеграция которых позволяет создавать необходимые решения для построения систем мониторинга на базе существующей сетевой инфраструктуры здания.
В рамках проводимых исследований рассматривались системы на основе датчиков, описанные в [9, 10], отвечающих за управление освещенностью, температурой, влажностью, идентификацию задымленности внутри здания, измерение напряжения и силы тока в распределительных электрических сетях, создание исполнительных устройств.
Для управления активными нагрузками (лампы, воздухонагреватели, электродвигатели) используются IP-диммеры. В примере, рассматриваемом в [9], IP-диммер управляет пятью активными нагрузками в виде ламп накаливания, в качестве сети передачи данных используется локальная сеть здания. Электрическая часть IP-диммера выполнена на симисторах, управление которыми производится при помощи микроконтроллера. Структурная схема электрической части IP-диммера по управлению активными нагрузками показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема электрической части 1Р-диммера по управлению активными нагрузками
Приведенная схема принимает данные по протоколу ТСР и в зависимости от получаемой информации изменяет углы «отсечки» на симисторах. Симисторы изменяют углы фаз напряжения на активных нагрузках.
Для проведения исследований систем управления целесообразной стала разработка программной модели 1Р-диммера в среде LabView. Индикатор напряжения и окно приема ТСР пакетов показаны на рис. 2 [9].
Рис. 2. Виртуальный IP-диммер по управлению силовой нагрузкой через локальные сети Графический код виртуального IP-диммера показан на рис. 3 [9].
Для управления виртуальным устройством используется специально разработанная программа, основанная на применении функции int WSAStartup (WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData), которая вызывает библиотеку WinSock 2.0 - интерфейс сетевого программирования. В момент старта программы генерируется TCP-сокет, в который уже предварительно записан IP-адрес и порт виртуального устройства. Если на момент запуска программы виртуальное устройство уже работает в сети, программа самостоятельно устанавливает связь с ним. После установки соединения программа готова к передаче управляющих воздействий (команд) активным нагрузкам. Если программа не находит в сети устройства, то выводится сообщение о его недоступности. Интерфейс программы по удаленному управлению нагрузками показан на рис. 4 [9].
43* UDP dimmer.vi Block Diagran^^J
File Edit View Project Operate Tools Window Help
Рис. 3. Схема виртуального 1Р-диммера, реализованного средствами LabView
Sfjf IP Dimmer Control | о»
IP Dimmer Control
[127.0.0.1
0% 24% 88% 45% 100%
Рис. 4. Интерфейс программы управления виртуальным 1Р-диммером
Рабочее окно программы содержит строку для ввода 1Р-адреса диммера и поля с «бегунками», при помощи которых осуществляется регулирование напряжения на активных нагрузках.
Взаимодействие между программой и 1Р-диммерами осуществляется при помощи специальных унифицированных интерфейсов, которые поддерживают протоколы вычислительных и других телекоммуникационных сетей. Более подробно описание работы процесса взаимодействия 1Р-диммера и программы управления приведено в [10].
Управление микроклиматом помещения возможно при помощи термодатчиков и датчиков влажности. 1Р-термодатчик представляет собой устройство с электронным датчиком температуры и интерфейсом либо Ю-45 для подключения к сети ЕШете^ либо с Wi-Fi/eagBee-модулем для подключения к Wi-Fi/ZeagBee-сетям. На рис. 5 показана схема реализации 1Р-термодатчика на базе датчика температуры К1019ЕМ1, ЕШете^модуля - ЕШег10Т и микроконтроллера Atmega8 16Ри. Имеются свой порт и 1Р-адрес, посредством которых управляется устройство (задать температуру срабатывания терморегулятора), и 1Р-адрес удаленного персонального компьютера, на который отсылаются значения температуры датчика [10].
Рис. 5. Схема 1Р-термодатчика
Принцип работы устройства основан на том, что микроконтроллер производит оцифровку значения напряжения на входе АЭС0(23) от термодатчика. Оцифрованное значение передается в регистр UDR иЛЯТ-порта, затем ЕШете^модуль принимает значения из регистра и передает полученную информацию на сервер сбора данных, используя протоколы транспортного уровня вычислительных сетей.
Область применения данного устройства - контроль температуры. На основе результатов обработки данных система управления жизнеобеспечением здания формирует команды на изменение работы режимов кондиционирования помещений.
Схема устройства для сбора информации о состоянии влажности через ІР-сеть показана на рис. 6 [10]. Принцип работы устройства, показанного на рис. 6, аналогичен принципу работы датчика температуры. Полученная информация на сервере сбора данных используется для управления системами кондиционирования воздуха в помещении.
Программирование
ттт^=
LAN 4— Ethernet
C_Out
C_ln
+5V
WP
RX
atmega8
:22p 221 ~r~
(RESET)PC6 PC5 (ADC 5/SC L
(RXD)PDO PC4(ADC4/SDA
(TXD)PD1 PC3(ADC3
(INTO)PD2 PC2(ADC2
(INT1 )PD3 PC1(ADC1
(XCK/T0)PD4 PC0(ADC0
VCC GND
GND AREF
(XTAL1 )PB6 AVCC
(XTAL2)PB7 PB5(SCK
(T1)PD5 pb4(miso;
(AIN0)PD6 PB3(M0Si/0C:
(AIN1 )PD7 PB2(SS/OC1 В
(ICP)PBO PB1(OC1A
DD1 (1)
DD1(2)
I—^
J^IOn
Qz1 - 11.0592 МГц V1 - MiniCap2 DD1 - 7556
Рис. 6. Схема датчика влажности, подключаемого к вычислительной сети
В целях обеспечения пожарной безопасности применяются датчики дыма, которые при использовании специальных контроллеров также подключаются к вычислительной сети предприятия. Схема подобного устройства изображена на рис. 7.
Программирование 't________________
+5 V
+5 v
Ether10-T
LAN 4— Ethernet
C_Out
CJn
+5V
WP
RX
TX
GND
R1
300k
-Qz1
Qz1 - 11.0592 МГц LED1 - AL156A LED2 - AL307B
C1
22p
C2
220
atmegaS
10
11 12 13 : 14
(RESET)PC6 PC5(ADC5/SCL
(RXD)PDO PC4(ADC4/SDA>
(TXD)PD1 PC3(ADC3
(INTO)PD2 PC2(ADC2
(INT1)PD3 PC1 (ADC1
(XCK/T0)PD4 PC0(ADC0
vcc GND
GND AREF
(XTAL1)PB6 AVCC
(XTAL2)PB7 pb5(sck;
(T1)PD5 PB4(MISO)
(AIN0)PD6 pb3(mosi/oc:
(AIN1)PD7 PB2(ss/oci в;
(ICP)PBO PB1(OC1 A
>h
LED1
I C6
1Е02
Рис. 7. Схема датчика задымленности, подключаемого к вычислительной сети
Совместное использование датчиков задымленности, движения и системы видеонаблюдения позволяет реализовывать комплексные системы безопасности, обеспечивающие не только решение вопросов пожарной и электробезопасности, но и контроль доступа в здание посторонних лиц.
Отдельную позицию в системе управления зданиями следует уделить приборам измерения и учета электрической энергии. Схемы 1Р-вольтметров и 1Р-амперметров отличаются от схем датчиков, изображенных на рис. 5-7, принципом работы первичного преобразователя. Так, для оцифровки значений напряжения возможно применение схемы, показанной на рис. 8. Для оцифровки значения напряжения необходимо использовать понижающий трансформатор. Первичная обмотка трансформатора подключается к сети, в которой измеряется напряжение, а вторичная -к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Как показано в [10], по аналогии с рис. 5-7 осуществляется подключение схемы, показанной на рис. 8, - к выходу 23.
Рис. 8. Схема подключения датчика напряжения через трансформатор к микроконтроллеру Схема подключения ІР-амперметра показана на рис. 9.
Рис. 9. Схема подключения датчика тока через трансформатор к микроконтроллеру
Для определения значения электрического тока в проводе на нагрузке используется датчик тока с линейным выходом по напряжению. Датчик представляет собой индукционную катушку, внутрь катушки помещен провод, по которому идет ток, питающий нагрузку.
Применение IP-амперметров и вольтметров позволяет реализовать системы электробезопасности, вести учет потребления электрической энергии, а в случае превышения пороговых значений тока или напряжения производить аварийное отключение нагрузок. Параллельно система может вести статистику расхода электрической энергии с целью принятия мер по ее дальнейшей экономии.
Одним из ключевых достоинств совокупного использования подобных устройств является возможность их оперативного контроля и диагностики средствами мониторинга вычислительных сетей, например средствами протокола SNMP либо при помощи специализированного программного обеспечения, показывающего доступность устройства по сети, параметры исходящего с устройства трафика [11, 12]. Широкие возможности мобильных приложений позволяют организовывать место администратора за пределами здания, а также обеспечивать доступ к информации о состоянии здания и устройств заинтересованным лицам.
Дополнительным достоинством развития систем мониторинга на базе существующих локальных сетей является возможность прогнозирования трафиковой нагрузки. В качестве математического аппарата прогнозирования нагрузки целесообразно использование аналогичных методов и моделей, которые применяются для прогнозирования нагрузки в обычных вычислительных сетях [13].
Экономическая целесообразность внедрения описанных элементов вычислительной техники в системы управления зданием оправдана отсутствием необходимости строительства отдельной сети передачи данных, поскольку использование протоколов, поддерживающихся устройствами, позволяет интегрировать их в существующие Ethernet и Wi-Fi-сети, а в случае небольших конструктивных доработок - и в системы мобильной связи.
Выводы
Повышение эффективности систем управления жизнеобеспечением зданий за счет использования сетевых датчиковых устройств достигается при помощи внедрения дополнительных элементов систем управления, подключение которых осуществляется через сети передачи данных стандарта IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.11 (Wi-Fi), а с учетом небольших доработок -и к сетям мобильной связи. Приведенные схемы элементов систем управления в виде IP -датчиков температуры, влажности, задымленности, контроля значения тока и напряжения демонстрируют относительно простоту их технической реализации на основе современной элементной базы, а разработанное программное обеспечение позволяет тестировать схемы в процессе моделирования работы системы мониторинга здания.
Экономическая целесообразность внедрения приведенных решений в системы управления зданием оправдана отсутствием необходимости строительства отдельной сети передачи данных и позволяет использовать существующие Ethernet- и Wi-Fi-сети, а в случае небольших конструктивных доработок - и системы мобильной связи стандартов GSM или UMTS.
Полученные результаты открывают возможности создания современных систем мониторинга различных объектов, в том числе с применением мобильных технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Система интеллектуальной автоматизации «Умный дом». URL: http://www.naturalaudio/com.
2. Система домашней автоматики Crestron. URL: http://mirknig.com/2009/08/11/sistema-domashnej-avtomatiki-crestron.html. 62 с.
3. Steven Goodwin. Smart Home Automation with Linux. Learn how to control your home from your PC / Steven Goodwin. Apress. New York, 2010. 269 p. URL: http://www.apress.com.
4. Mike Riley. Programming Your Home Automate with Arduino, Android, and Your Computer / Mike Riley. The Pragmatic Bookshelf Dallas, Texas • Raleigh, North Carolina. 2012. URL: http://pragprog.com.
5. Faludi R. Building Wireless Sensor Networks. O'Reilly & Associates, Inc., Sebastopol, CA, 2010.
6. Вишневский В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей / В. М. Вишневский. М.: Техносфера, 2003. 512 с.
7. КульгинМ. Технологии корпоративных сетей / М. Кульгин // Энциклопедия. СПб.: Питер, 2000. 704 с.
8. Шувалов В. П. Телекоммуникационные системы и сети / Шувалов В. П., Величко В. В., Субботин Е. А., Ярославцев А. Ф. Т. 3. Мультисервисные сети. М.: Горячая линия-Телеком, 2005. 473 с.
9. Аксенов В. Ю. Виртуализация функционирования Ethernet-устройства для управления силовой нагрузкой по существующим IP-сетям / В. Ю. Аксенов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2010. № 1. С. 95-98.
10. Аксенов В. Ю. Устройства мобильного мониторинга и управления в сетях передачи данных / В. Ю. Аксенов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Астрахань: АГТУ, 2011. 16 с.
11. Дмитриев В. Н. Повышение эффективности системы мониторинга многозвенной сети передачи данных / В. Н. Дмитриев, А. С. Тушнов, Е. В. Сергеева // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2012. № 2. С. 112-118.
12. Дмитриев В. Н. Имитационное моделирование системы мониторинга многозвенной сети передачи данных / В. Н. Дмитриев, А. С. Тушнов, Е. В. Сергеева // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 2. С. 86-91.
13. Аксёнов В. Ю. Алгоритмы фрактального анализа временных рядов в системах мониторинга сенсорных сетей / В. Ю. Аксёнов, В. Н. Дмитриев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2012. № 1. С. 91-96.
REFERENCES
1. Sistema intellektual'noi avtomatizatsii «Umnyi dom» [System of intellectual automation "Smart Home"]. Available at: http://www.naturalaudio/com.
2. Sistema domashnei avtomatiki Crestron [System of home automatics Crestron]. Available at: http://mirknig.eom/2009/08/11/sistema-domashnej-avtomatiki-crestron.html. 62 p.
3. Steven Goodwin. Smart Home Automation with Linux. Learn how to control your home from your PC. Apress. New York, 2010. 269 p. Available at: http://www.apress.com.
4. Mike Riley. Programming Your Home Automate with Arduino, Android, and Your Computer. The Pragmatic Bookshelf Dallas, Texas • Raleigh, North Carolina. 2012. Available at: http://www.pragprog.com.
5. Faludi R. Building Wireless Sensor Networks. O’Reilly & Associates, Inc., Sebastopol, CA, 2010.
6. Vishnevskii V. M. Teoreticheskie osnovy proektirovaniia komp’iuternykh setei [Theoretical basis of projecting computer networks]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2003. 512 p.
7. Kul'gin M. Tekhnologii korporativnykh setei [Technologies of corporate networks]. Entsiklopediia. Saint Petersburg, Piter Publ., 2000. 704 p.
8. Shuvalov V. P., Velichko V. V., Subbotin E. A., Iaroslavtsev A. F. Telekommunikatsionnye sistemy i seti [Telecommunication systems and networks]. Vol. 3. Mul'tiservisnye seti. Moscow, Goriachaia liniia-Telekom, 2005. 473 p.
9. Aksenov V. Iu. Virtualizatsiia funktsionirovaniia Ethernet-ustroistva dlia upravleniia silovoi nagruzkoi po sushchestvuiushchim IP-setiam [Virtualization of functioning Ethernet-device for management of power load by the existing IP-networks]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2010, no. 1, pp. 95-98.
10. Aksenov V. Iu. Ustroistva mobil'nogo monitoringa i upravleniia v setiakh peredachi dannykh. Av-toreferat dis. kand. tekhn. nauk [Devices of mobile monitoring and management in networks of data transmission. Abstract of dis. cand. tech. sci.]. Astrakhan, AGTU, 2011. 16 p.
11. Dmitriev V. N., Tushnov A. S., Sergeeva E. V. Povyshenie effektivnosti sistemy monitoringa mnogoz-vennoi seti peredachi dannykh [Increase in effectiveness of the system of monitoring the multi-link network of data transmission]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel’naia tekhnika i informatika, 2012, no. 2, pp. 112-118.
12. Dmitriev V. N., Tushnov A. S., Sergeeva E. V. Imitatsionnoe modelirovanie sistemy monitoringa mnogozvennoi seti peredachi dannykh [Simulation of the system of monitoring the multi-link network of data transmission]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2013, no. 2, pp. 86-91.
13. Aksenov V. Iu., Dmitriev V. N. Algoritmy fraktal'nogo analiza vremennykh riadov v sistemakh monitor-inga sensornykh setei [Algorithm of fractal analysis of temporal rows in the systems of monitoring the sensor netwroks]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychis-litel'naia tekhnika i informatika, 2012, no. 1, pp. 91-96.
Статья поступила в редакцию 11.03.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Дмитриев Вадим Николаевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Связь»; [email protected].
Dmitriev Vadim Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences; Professor; Head of the Department "Communication"; [email protected].
Сорокин Александр Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Связь»; [email protected].
Sorokin Alexander Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Commu-nication";_ [email protected].
Тушнов Александр Сергеевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Связь»; [email protected].
Tushnov Alexander Sergeevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Communication" [email protected].
Аксёнов Владислав Юрьевич - Астраханский государственный технический университет; атсистент кафедры «Связь»; [email protected].
Aksenov Vladislav Yurievich - Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Communication"; [email protected].
