Исследовательская работа о теме: Система «Умный дом» в Ульяновской области

Министерство образования Ульяновской области

ОГБОУ СПО Ульяновский техникум железнодорожного транспорта

190701 Организация перевозок и управление на железнодорожном транспорте

ИСССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

По теме: Система «Умный дом» в Ульяновской области.

Студент: Шиленков Владислав

Руководитель: Карцев Александр Викторович

Ульяновск 2013

Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 АКТУАЛЬНОСТЬ

Любое здание - будь-то административное, производственное или жилое состоит из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества, выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее. Также стремительно растут расходы на содержание обслуживающего персонала, ремонт и обслуживание этих подсистем. Наиболее актуально сегодня эти проблемы встали при эксплуатации больших административных зданий, учебных заведений, производственных комплексов.

Современное здание такого типа - это город в миниатюре. Фактически в нем действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или администратор, которые используют и обслуживают эту систему практически круглосуточно. Хотя есть немало средств автоматики, которые сами справляются с возложенными на них задачами, такими, как отопление, вентиляция, поддержание микроклимата, освещение, пожарная сигнализация, и т.п., но управление и обслуживание всех этих систем требует наличия администрирующего персонала.

Его обязанностью является контроль работы этих подсистем и принятие мер в случае выхода их из строя. Но есть ситуации, когда даже действия квалифицированного персонала могут оказаться неэффективными. Это случаи возникновения угрозы зданию и находящимся в нем людям, имеющие глобальный характер - пожар, землетрясение и другие стихийные бедствия, террористические атаки. Здесь нужно принимать экстраординарные меры в считанные доли секунды. Реакция и корректность действий людей в критической ситуации может оказаться недостаточной.

Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в прошлом проектировались как автономные. Такие системы, создававшиеся отдельно для каждой функции и объединенные для произвольной части здания. В зданиях устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, какие были необходимы на текущий момент построения здания. Дальнейшее расширение и модернизация данных систем были сложными и дорогостоящими задачами из-за множества различных факторов. Затраты на эксплуатацию такой системы слагаются из затрат на эксплуатацию каждой автономной системы в отдельности, стоимости обучения персонала. Стоимость эксплуатации этих систем высока - в силу их автономности каждая из них поддерживается отдельно. Стоимость обучения персонала столь же высока, поскольку операторы должны быть ознакомлены с эксплуатацией каждой автономной системы.

1.2 НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Единственной альтернативой сложившейся системе является централизованное управление зданием – система «Умный дом». Поскольку Ульяновский техникум железнодорожного транспорта также является сложным комплексом административно-хозяйственных зданий, имеющим несколько автономных систем жизнеобеспечения и контроля, я посчитал необходимым исследовать вопрос целесообразности и рентабельности внедрения системы «Умный дом» для Ульяновского техникума железнодорожного транспорта и на территории Ульяновской области в целом.

1.3 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Рассчитать возможность реализации системы «Умный дом» на базе Ульяновского техникума железнодорожного транспорта.

1.4 ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Исследовать систему централизованного автоматизированного управления зданием «Умный дом»

Определить преимущества реализации данной системы, выявить недостатки.

2.ЗАДАЧИ СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ»

2.1 ИСТОРИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЯ «УМНЫЙ ДОМ»

Умный дом (англ. Smart House) - жилой дом современного типа, организованный для комфорта проживания людей при помощи современных высокотехнологичных устройств

Само понятие «умный дом» было сформулировано Институтом интеллектуального здания в Вашингтоне (округ Колумбия) в 1970-х годах: Здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства.

Принцип «Системы интеллектуального управления зданием» предполагает совершенно новый подход в организации жизнеобеспечения строения, в котором за счет комплекса программно-аппаратных средств значительно возрастает эффективность функционирования и надежность управления всех систем и исполнительных устройств здания.

Под «умным домом» следует понимать систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Основной особенностью интеллектуального здания является объединение отдельных подсистем в единый управляемый комплекс. Важной особенностью и свойством "Умного дома" отличающим его от других способов организации жизненного пространства является то, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством, когда человек одной командой задает желаемую обстановку, а уже автоматика в соответствии с внешними и внутренними условиями задает и отслеживает режимы работы всех инженерных систем и электроприборов. В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и сигнализации, воротами и прочим. В доме, оборудованном системой "Умный дом" достаточно одним нажатием на настенной клавише (или пульте ДУ, сенсорной панели и т. д.) выбрать один из сценариев. Дом сам настроит работу всех систем в соответствии с Вашим пожеланием, временем суток, Вашим положением в доме, погодой, внешней освещённостью и т. д. для обеспечения комфортного состояния внутри дома.

2.2КОНЦЕПЦИЯ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ»

«Интеллектуальное здание» - не очень точный перевод английского термина "intelligent building". Под интеллектом в этом подходе понимается умение распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать (естественно, степень этого умения может быть различной, в том числе очень высокой). Вместе с тем, в соответствии с буквальным переводом с английского, ИЗ можно интерпретировать как "разумно построенное" [3]. Это означает, что здание должно быть спроектировано так, что все сервисы могли бы интегрироваться друг с другом с минимальными затратами (с точки зрения финансов, времени и трудоемкости), а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом.

Концепция интеллектуального здания содержит в себе следующие положения:

Создание интегрированной системы управление зданием - системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других.

Устранение всего обслуживающего персонала здания и передача функций контроля и принятия решений подсистемам интегрированной системы управления зданием. В эти подсистемы как раз и закладывается «интеллект» здания - то, как оно будет реагировать на изменение параметров датчиков системы и другие события типа внештатных ситуаций.

- Реализация механизма немедленного отключения и передачи при необходимости управления человеку любой подсистемой интеллектуального здания. Вместе с этим человеку должен предоставляться удобный и единообразный доступ к управлению и отображению всех подсистем и частей «Интеллектуального здания».

Обеспечение корректной работы отдельных подсистем в случае отказа общей управляющей системы или других частей системы.

Минимизация стоимости обслуживания и модернизации систем здания, что должно обеспечиваться применением общих стандартов в построении подсистем, автоматическое конфигурирование и обнаружение новых устройств и модулей при их добавлении в систему.

Наличие в здании проложенной коммуникационной среды для подключения к ней устройств и модулей систем. Наряду с этим возможность использования в качестве коммуникационной среды в системе управления различных типов физических каналов: слаботочные линии, силовые линии, радиоканал.

Одна из важнейших функций проекта «Умный дом» — обеспечение безопасности живущих в нем людей. Снаружи, с целью наблюдения за окружающим пространством, могут быть установлены проводные и беспроводные видеокамеры. Полезно задействовать датчики движения и детекторы разбития стекла. Благодаря такому детектору при нарушении целостности стекла запускается специальный сценарий, предусматривающий включение света и активизацию видеокамеры.

Когда в подвале появится вода, детекторы воды сообщат Вам об этом. Датчики, реагирующие на тепло, дым, двуокись углерода и другие признаки возникновения опасных для жизни и здоровья человека ситуаций, включат сирену, яркие огни (что важно для людей с ослабленным слухом) и/или посылают Вам сообщение.

Контроллеры приводов штор смогут закрывать их в запрограммированное Вами время, или когда фотоэлемент определит наступление сумерек.

2.3 ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ

Интеллектуальное здание имеет массу преимуществ. Система управления позволяет владельцам создавать сколь угодно сложные и интеллектуальные процедуры функционирования, т.к. все исполнительные системы могут работать согласованно и совместно. Отсюда следует реализация множества ресурсосберегающих процедур:

- контроля доступа и обеспечения безопасности

- учета и контроля практически всех параметров систем и оперативное реагирование на их критическое изменение, причем реакция является комплексной и мгновенной

- удаленного контроля и управления зданием, т.к. все информационные и управляющие каналы связи в такой системе являются цифровыми.

Одним прикосновением можно превратить пустующее жилище в уютный гостеприимный Дом: будет включено освещение, установлен комфортный микроклимат, опустятся шторы, наполнится ванна...

Устали и хотите отдохнуть у экрана телевизора или "домашнего кинотеатра". Коснитесь клавиши панели или пульта дистанционного управления - и жалюзи закроются, свет плавно погаснет, выдвинется экран и включится проектор.

Можно не вставая разогреть ужин - только его кто-то заранее должен поставить на плиту. Управлять "домашним кинотеатром", а также аудио- и видео - аппаратурой можно с помощью сенсорных панелей.

2.4 УМНЫЙ ДОМ В РОССИИ И В ЕВРОПЕ

В России:

Предназначение: комфорт и имидж (для высокобюджетных проектов); простейшая охранно-пожарная сигнализация, иногда с функцией GSM-оповещения (для минимальных бюджетов).

Подход: строго индивидуальный.

Установка: установкой занимаются специалисты. Как правило, они работают со многими производителями систем автоматизации, это позволяет подбирать систему оптимально для решения поставленных задач. Эти же специалисты занимаются проектированием, монтажом, продажей и запуском построенного умного дома.

В Европе:

Предназначение: прежде всего энергосбережение и только потом комфорт

Подход: максимальная унификация

Установка: в Европе проекты автоматизации частных домов и квартир готовит сам разработчик и производитель систем, установкой занимаются обычные, но квалифицированные монтажники, работающие строго по схеме.

3. ТЕХНОЛОГИИ

Под термином «умный дом» обычно понимают интеграцию следующих систем в единую систему управления зданием:

Систему отопления, вентиляции и кондиционирования

Охранно-пожарную сигнализацию, систему контроля доступа в помещения, контроль протечек воды, утечек газа

Систему видеонаблюдения

Сети связи (в том числе телефон и локальная сеть здания)

Систему освещения

Систему электропитания здания (АВР, промышленные ИБП, дизель-генераторы)

Механизацию здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней и т. п.)

Управление с одного места аудио-, видеотехникой, домашним кинотеатром, мультирум

Телеметрия — удалённое слежение за системами

IP-мониторинг объекта — удалённое управление системами по сети

GSM-мониторинг — удалённое информирование об инцидентах в доме (квартире, офисе, объекте) и управление системами дома через телефон (в некоторых системах при этом можно получать голосовые инструкции по планируемым управляющим воздействиям, а также голосовые отчеты по результатам выполнения действий).

Удалённое управление электроприборами, приводами механизмов и всеми системами автоматизации.

Электронные бытовые приборы в умном доме могут быть объединены в домашнюю Universal Plug’n’Play — сеть с возможностью выхода в сети общего пользования.

На сегодняшний день технологии позволяют строить домашнюю автоматизацию покомпонентно — выбирать только те функции умного дома, которые действительно нужны. Модульная структура позволяет создавать системы невысокой стоимости.

LanDrive — наиболее доступная на сегодняшний день платформа для построения шинных распределённых систем управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками, электроприборами, а также такими системами, как отопление, кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа и протечек воды. Также возможно управление аудио- и видеотехникой, домашними кинотеатрами, жалюзи, рольставнями, шторами, воротами, насосами, двигателями. В основном ориентирована на применение в составе «умного дома», но в последнее время всё чаще применяется в системах учёта и сбережения энергоресурсов, контроля доступа, охранно-пожарных системах.

EIB/KNX (European Installation Bus — «Европейская инсталляционная шина»).

LON (LonWorks)Helvar — для систем управления освещением использует протокол DALI и DSI.

X10 — протокол управления электроприборами. Сигнал передается по электрическим проводам либо в радиодиапазоне. Недостатки — низкая скорость передачи информации и помехозащищенность, проблема ложного срабатывания, отсутствие обратной связи приёмника с передатчиком, возможны конфликты устройств X10 разных производителей и несанкционированный доступ к устройствам X10 по электросети.

Z-Wave — запатентованный беспроводный протокол связи, разработанный для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления на жилых и коммерческих объектах. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как освещение, отопление, контроль доступа, развлекательные системы и бытовую технику.

ONE-NET — открытый протокол беспроводной сети передачи данных, разработанный для целей автоматизации зданий и управления распределёнными объектами.

1-Wire — технология, которая позволяет связать многие датчики и приборы в одну сеть, управление в которой на себя берёт персональный компьютер. Для передачи данных в такой сети используется всего один провод. Отличается дешевизной и простотой установки.

Важно отметить, что все инженерные подсистемы «умного дома» должны иметь возможность работать в автономном режиме. В случае, если какая-то из подсистем вышла из строя, то и вся система не сможет исправить проблему, поскольку «умный дом» является надстройкой над остальными инженерными системами.

4. ЦЕНЫ

До 50 000 рублей

В эту ценовую категорию попадают следующие подсистемы:

Уведомление хозяина по GSM каналу о некоторых событиях, происходящих в доме (отключение электропитания, срабатывание охранной или пожарной сигнализации, постановка/снятие дома с охраны и т. д.)

Удаленное управление (посредством СМС) такими процессами как, например, включение обогрева или системы вентиляции дома, включение освещения (имитация присутствия хозяев) и т. д.

Управление розетками с инфракрасного пульта.

50 000 — 150 000 рублей

Управление электроснабжением дома: распределение энергопотребления между фазами, отключение менее приоритетных устройств превышении порога энергопотребления.

Отключение ветвей энергопотребления при покидании хозяином дома.

Система предупреждения аварий.

Система видеонаблюдения и домофонии.

150 000 — 400 000 рублей

Комплексная охранная и пожарная сигнализация с контролем периметра, отключение систем вентиляции в случае пожара.

Система видеонаблюдения через интернет.

Автоматическое управление освещением по датчикам движения, датчику освещённости, сценариям освещения и таймерам.

Автоматика ворот.

Выдача аварийных сообщений о протечках воды и утечках газа, перекрытие стояков в зоне с протечками.

400 000 — 800 000 рублей

Управление всеми системами дома от единого контроллера.

Разработка индивидуального пользовательского интерфейса для управления всеми процессами в доме.

Управление домом через сенсорные панели и с КПК.

Индивидуальная система управления обогревом, вентиляцией, теплым полом в каждой комнате.

Контроль относительной влажности и качества воздуха по уровню СО2 в жилых комнатах. Ручное или автоматическое управление распределением воздуха от вентиляционной машины по помещениям.

Управление всеми розетками и группами освещения — ручное, по датчикам или по общим сценариям здания.

Автоматика насосов канализации и баков водоснабжения.

от 800 000 рублей

Обогрев наружных сетей — мониторинг наружной температуры и целостности греющих кабелей, ручное или автоматическое управление обогревом по датчику промерзания.

Обогрев ливнестоков — мониторинг наружной температуры и целостности греющих кабелей, ручное или автоматическое управление обогревом по датчику осадков.

Мультирум — единая теле- и аудиосистема. Автоматическое распределение звука по датчикам присутствия в соответствии с предпочтениями хозяина, единая система управления телевизорами и развлекательными системами дома.

Полная автоматизация всех процессов дома.

Полный контроль и управление через интернет.

5. НЕДОСТАТКИ СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ»

Во-первых, эта система очень дорогая, если произвести расчет сроков окупаемости этой системы в квартире или частном доме, то получите очень внушительную сумму затрат и малую по экономии за потребленную электроэнергию. Окупаемость может длиться многие годы, а ведь за это время может выйти из строя любой компонент этой системы «Умный дом». Обращаем ваше внимание, что цена главного контроллера может превышать у некоторых известных производителей 10-15 тысяч рублей. Кроме этого в расходы нужно включить всевозможные датчики движения, влажности, силовые реле программное обеспечение и т.п.

Во-вторых, имея малые площади для проживания, приготовьтесь к тому, что необходимо пожертвовать специальным местом в доме, в нем будет смонтирован главный центр, «умного дома», так сказать мозг всей вашей системы управления. Место необходимо для установки щита с контроллером, множества реле управления, так как система очень чуткая к перепадам напряжения, то еще и стабилизатор напряжения. А если вы захотите бесперебойной работы, то понадобится резервный источник питания. Это может быть генератор работающий на бензине или диз.топливе, а значит установка в обычной квартире, много квартирного дома сразу отпадает из-за образования выхлопных газов. Не говоря уже о шуме при работе генератора.

Следующий недостаток, если ваша система будет иметь взаимодействие не по радиоканалу, то придется монтировать огромное количество метров электропроводки от главного центра до конечных устройств, всевозможных датчиков и электроприемников. Например, на жилую комнату 15-20 квадратных метров, вам понадобится смонтировать до 100-150 метров силовых кабелей и приблизительно столько же проводов управления. Все это опутает сверху донизу ваше жилище, а по мощности электроизлучений будет напоминать огромную микроволновку. Поэтому стоит задуматься о вреде для здоровья проживающих в нем людей.

Так же будет необходима переделка инженерных систем, начиная от водопровода, до системы вентиляции. В систему умный дом может быть заложена возможность экстренного перекрытия подачи воды, например в случае сигнала от датчика влажности при протоплении. Сделает эту работу специальный электроклапан, который предварительно врезается в трубопроводы холодной и горячей воды. При установке кондиционера необходимо произвести замену окон и дверей, для возможности установки специальных электроприводов. Имея домашний кинотеатр, понадобится установка роллет и штор с электроприводом.

Ну и напоследок, о необходимости разработки дизайн проекта. Что бы ясно представлять как для себя, так и для монтажной организации точное место расположения мебели, розеток, датчиков и т.д. Ведь монтажникам необходимо это все учесть при работе по прокладке линий и установки устройств «Умного дома». Например, установка мебели не допускается на покрытие пола, в котором уложена спираль теплого пола, во избежание его перегрева и выхода из строя.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Очевидно, что за интеллектуальными системами управления будущее. Однако, на современном этапе в Ульяновске, будущее еще не наступило. Предлагаемые сегодня решения еще не являются приемлемыми ни по финансовым соображениям, ни по соображениям безопасности, а кроме того, целый ряд предлагаемых функций вообще не будет востребован в административных зданиях, учебных заведениях, производственных комплексах.

6.1 ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАЧ РАБОТЫ

Выявлены преимущества системы:

Единая система контроля, объединяющая все службы, позволяющая решать все задачи из единого центра.

Возможность экономии энергоресурсов за счет оптимизации работы систем жизнеобеспечения здания.

Возможность удаленного контроля здания.

Очевидные минусы системы

Крайне высокая стоимость, обоснованная ограниченным предложением, «штучным» производством, что характерно только для России и в ближайшем времени должно измениться.

Низкая надежность систем, слабая ремонтопригодность, крайне высокая стоимость комплектующих.

Повышенная сложность монтажа, отсутствие типовых решений под стандарты российских зданий.

Формирование искусственной среды с повышенным электромагнитным фоном, что неприемлемо в учебном заведении.

6.2 ВЫПОЛНЕНИЕ ЦЕЛИ РАБОТЫ

Реализация на территории Ульяновского техникума железнодорожного транспорта системы контроля здания «Умный дом» на текущем уровне развития науки и техники невозможна : во-первых из-за создания небезопасной для жизнедеятельности человека среды с повышенным электромагнитным фоном, что неприемлемо в учебном заведении, во – вторых нерентабельна и нецелесообразна.

7.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7.1 ЭЛЕКТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

http://www.sf.perm.ru/kd_dop_house.html А. Ю. Королев «УМНЫЙ ДОМ: приятная неизбежность»

http://www.fieldbus.narod.ru И.Г. Смирнов «Должны ли кабельные системы быть структурированными?»

7.2 КНИЖНЫЕ ИСТОЧНИКИ

А. А. Авдуевский «Крыша для интеллекта». - М.: Юрайт-Издат, 2007. — 661 с. ISBN 978-5-94879-739-7

И. В. Архипов «Системы для «интеллектуального» здания». М.: Альфа-Пресс, 2008. — 208 с.ISBN 918-5-94280-452-2

И.М. Федоров, «Сколько этажей у интеллектуального здания?».– М.: Юрайт-Издат, 2007. — 321 с. ISBN 978-5-94879-739-7

Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 2009.-343 с.ISBN 978-5-7057-3995-2

Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение 2009. — 256 с. ISBN 5-7695-2516-9

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/29135-issledovatelskaja-rabota-o-teme-sistema-umnyj