Умный дом (концепция)
Здесь поговорим про умный дом, его концепцию, зачем он нужен и о других глобальных аспектах.
Что это такое
Умный дом (англ. smart home) — это автоматизированная система управления всеми приборами в доме, которые объединены в единую экосистему. Система может сама принимать решения и выполнять определенные задачи, без участия человека. С подобным описанием вы можете столкнуться на любом сайте интегратора или производителя "умных" решений. Часто рядом с умным домом фигурирует аббревиатура IIoT (интернет вещей).
Зачем нужен умный дом
Почти всегда, продавцы умных домов с упоением рассказывают про профили освещения, про сценарии автоматизации, про удалённое управление устройствами и бытовыми приборами. На прямой вопрос - в чём "умность" такого дома, ответить внятно могут единицы. По сути, вам предлагают продвинутый выключатель. Т.е. если условно "глупый" дом имеет клавишу включения лампочки на стене. То "умный" дом имеет больше таких клавиш? Они могут дублироваться на стеновых панелях, на смартфонах и в браузере. Однако, это просто та же кнопка включения света/кондиционера/вентилятора и т.д., только удалённая и находящаяся под рукой. Да, умный дом всегда начинается с включения/выключения света, к сожалению, для многих он на этом и заканчивается.
Профили освещения
Иногда одной кнопкой можно включить сразу несколько светильников, а их комбинации начинают обзывать "профилями освещения". Если вам предлагают просто удалённый выключатель, тогда следует задуматься - а нужен ли вам вообще такой "умный" дом. Проверка временем "профилей освещения" показывает, что используются они крайне редко. Всегда освещение включается по месту и по необходимости. Выделять отдельную кнопку на панели управления для включения "праздника" или "интима" и строить ради этого целую "экосистему", не целесообразно и дорого. Даже включение света по движению, имеет множество аспектов (об этом в отдельной статье).
Сценарии автоматизации
Другая фишка продавцов умных домов - это сценарии автоматизации. Представьте: вы просыпаетесь по сигналу умного будильника, для вас уже готов кофе и тосты, набрана ванна, играет приятная бодрая музыка. Вы уходите на работу, система ставит дом на сигнализацию и вы можете дистанционно следить за тем, что происходит в доме. Когда ложитесь спать, свет во всем доме сам отключается. ...
Выкиньте весь этот бред. Его придумали продаваны, которые сами никогда этим не пользовались. Это чужие фантазии про абстрактную идеальную картину бытия вымышленного персонажа. В жизни, можно проснуться по сигналу и не умного будильника. Более того, вы сами его выставите накануне, если потребуется. Проснутся же в то время, когда не планировали, но зато по сигналу всенепременно умного будильника. Далее, озаботиться о срочном отключении набора воды в ванну (она всё равно остынет к вашему повторному пробуждению и вы сольёте в локальные очистные сооружения лишние 200 литров). Приготовление кофе с тостами надо будет как можно быстрее отменить аналогичным образом и по той же причине. Когда ложитесь спать, свет во всём доме отключается автоматически, а кто не успел до отбоя, тот скажет вам отдельное спасибо за превращение собственного дома в режимный объект.
Другими словами, все подобного рода "сценарии" автоматизации - это выдуманные истории. Причём, выдуманы они для вас чужими людьми, которые понятия не имеют ни о предпочтениях, ни о распорядке дня, ни об особенностях быта заказчика. Более того, эти выдумщики и месяца не прожили сами в своих сценариях. Безусловно, некоторые из них полезно запускать в реальной жизни. Однако, это не типовые истории, а индивидуальные и появляться они будут у вас по мере эксплуатации здания. Истории эти будут лично ваши и специфичные только для одного конкретного дома. К действительно массовым и общим сценариям можно отнести только включение/отключение охраны периметра, управление климатом и несколько других.
Действительно "умный" дом
Как уже было сказано, ещё один выключатель света на смартфоне или синтетический сценарий автоматизации не делает дом "умным". Другое дело, когда автоматика отвечает за поддержание заданных параметров климата в каждом помещении. Если система отслеживает не выключенный вовремя свет или рекомендует действия для экономии электроэнергии/газа/воды. По настоящему умный дом, помнит историю включения/выключения света, расхода воды, открывания/закрывания дверей/окон, накладывает эти активности на сезонность, время суток и фактическую погоду, снабжает это информацией от датчиков, обогащает событиями календаря. Далее (через год эксплуатации здания), используя алгоритмы машинного обучения и поиска закономерностей, формирует те самые индивидуальные и повторяющиеся сценарии. Проанализировав которые, хозяева, возможно, захотят автоматизировать.
Голосовое управление
Управление голосом так-же не делает дом "умным", но лишь добавляет ещё один тип выключателя. Схематично это выглядит так.
Как включить свет, вариант №1
- (1-1) Человек нажимает выключатель на стене;
- (1-2) Выключатель замыкает контакт.
Как включить свет, вариант №2
- (2-1) Человек нажимает выключатель на телефоне или стеновой панели;
- (2-2) Команда на замыкание контакта поступает в контроллер умного дома;
- (2-3) Контроллер замыкает контакт.
Как включить свет, вариант №3
- (3-1) Человек произносит одну из заранее определённых команд. Произносит её внятно, громко, желательно это делать в комнате без посторонних шумов. Если ваша колонка не слушает вас круглосуточно и не отправляет всё услышанное в облако (рядом с которым изображён товарищ майор), то потребуется её "разогрев" ключевой фразой (типа "Окей, Google");
- (3-2) Уже распознанная команда или звуковой ряд в оригинале отправляется куда-то в интернет, на "умноколоночные" сервера. Здесь надо убедиться, что связь вашего дома с интернетом присутствует и она стабильна, скорости на upload достаточно;
- (3-3) Тот, без кого ваша умная колонка превращается в кирпич, распознаёт полученную команду (возможно сохраняет произнесённое в архиве), интерпретирует её и обратным вызовом через интернет отправляет вашему дому другую команду. Точнее не самому дому, а специальному оборудованию, которое торчит в публичной сети как какой-нибудь сайт. Забота о защите от киберугроз ложится на плечи владельца "шестерёнки" (см. изображение выше);
- (3-4) Сервер, принимающий команду из интернет, транслирует её в команду для контроллера умного дома;
- (3-5) Контроллер замыкает контакт.
Концепция и постановка задачи
Теперь, когда мы разобрались с "умностью" домов, можно сформулировать главную идею автоматизации. Не существует такого магазина, куда можно прийти и сказать "заверните мне умный дом, вот вам много-много денег". Конечно, если для вас достаточно получить профили освещений и типовые сценарии автоматизации за много-много денег, то такие магазины существуют (их большинство на рынке). Если же строить своё индивидуальное решение, то в первую очередь, сформулируйте для себя - что именно ожидаете от автоматизации. Описав свои хотелки, сможете подбирать под них решения, но никак не наоборот. Главная идея - вначале хотелки, потом решения под них. Как и положено "душнилам", начинать следует с требований.
Функциональные требования
- Выход из строя центрального контроллера автоматизации не должен влиять на базовые функции включения/выключения света. Другими словами, если контроллер "ляжет", то без света вы не останетесь;
- Все выключатели должны быть программируемыми. Т.е. должна быть возможность по нажатию какой-либо кнопки включить целую группу потребителей или запустить отдельный сценарий;
- Программирование поведения выключателей и сценариев должно осуществляться на скриптовом языке программирования. Это означает, что описание поведения через сложные XML/YAML конфигурации не рассматриваем. Предпочтения отдаются тем решениям, где это-же можно описать на JavaScript/Python/Lua/...;
- Автоматика должна обеспечивать поддержку заданной температуры в каждом помещении независимо;
- Должны присутствовать расходомеры для воды, газа и электричества;
- Параметры домового потребления должны сохраняться с глубиной истории не менее 5 лет;
- Любое событие в системе (выключатель, телеметрия от датчика, таймер и т.д.) должно регистрироваться и быть доступно всем заинтересованным компонентам;
- Глубина хранения истории событий не может быть меньше 5 лет;
- Должна существовать возможность голосового управления без выхода в интернет;
- Необходимо иметь простую возможность включения/отключения охраны дома в прихожей у входной двери;
- Следует разделять все потребители электроэнергии на отключаемые и нет. Когда все ушли из дома и выключили свет, остаются работать: холодильник, контроллер, охранная и противопожарная сигнализация, отопление, насосная группа, интернет, серверное оборудование и другое подобное (не отключаемые потребители). Выключаются: утюги, варочная поверхность, духовой шкаф, телевизор и другие приборы включенные в розетку (отключаемые потребители);
- Датчики присутствия должны быть в таком количестве и такой конфигурации, что-бы была возможность определить в моменте - сколько человек присутствует в доме;
- Открытие всех дверей/окон охранного периметра должно фиксироваться;
- Желательно фиксировать открытия и межкомнатных дверей, а не только уличных;
- Должна быть возможность регистрировать протечки воды в мокрых зонах;
- Должна быть возможность регистрировать утечку газа. При обнаружении таковой подача газа должна перекрываться на уровне входящей в дом магистрали;
- Должна быть возможность регистрировать концентрации CO2 в каждом помещении независимо;
- Должна быть возможность регистрировать наличие задымлений в котельной, на кухне и в месте установки камина;
- Горящий камин или включённая печка сауны должны регистрироваться в системе отдельными повторяющимися событиями, с указанием температуры;
- При поступлении звонка от калитки, изображение домофона должно передаваться на все включённые в этот момент телевизоры;
- Система должна иметь каналы нотификации: SMS, e-mail, голос, Telegram;
- Все важные события из домового календаря (напоминания, задачи) должны транслироваться по всем поддерживаемым каналам нотификации;
- Голосовое управление должно осуществляться индивидуально из каждого помещения;
- Система должна самостоятельно выявлять закономерности в периодически повторяющихся событиях и формировать из них кандидатов в сценарии автоматизации;
- Система должна вырабатывать рекомендации по сокращению потребления газа, воды и электричества с учётом сезонных факторов;
- В системе должна присутствовать метеостанция, для определения: температуры, давления, влажности, скорости и направления ветра, наличия осадков. Данные от метеостанции должны учитываться при управлении климатом;
- Должна быть возможность по команде отправить на воспроизведение любой медиаконтент из домашнего медиахранилища. Устройства для воспроизведения выбираются из списка доступных;
- и т.д.
Нефункциональные требования
- Подключение датчиков и устройств должно осуществляться преимущественно по проводу, при этом, должна оставаться возможность подключения "по воздуху";
- Домовая автоматизация должна работать в режиме 24/7/365 с показателями надёжности 99.9%;
- Датчики и исполнительные механизмы для умного дома должны быть доступны. Это означает возможность покупки нужного устройства в любое время, без ограничений по региону, валюте и прочим обременениям. Доступность так-же означает не высокую стоимость;
- и т.д.
Это далеко не полный перечень требований, предъявляемых к домовой автоматизации, на нашем примере. Безусловно, в вашем случае списки будут более обширными и индивидуальными. Основная идея должна быть понятна. Главное - вначале формулируем сами для себя хотелки, потом под них подбираем решения (не наоборот).
Какое решение было выбрано в нашем случае
Учитывая предъявляемые требования мы выбрали два основных протокола для домовой автоматизации. Проводной - Modbus RTU, беспроводной - Zigbee. RTU по шине с интерфейсом RS-485 потому, что данное решение является очень древним промышленным стандартом. Под него существует большое количество датчиков и исполнительных механизмов. Zigbee так-же по причине доступности оконченных устройств и отсутствия ограничений по региону применения (в отличии от того же Z-Wave где есть регуляции по частотам).
В качестве минималистичного контроллера выбрали решение от Wirenboard. Он не умеет и 10% из наших хотелок, но базовую функциональность на нём построить можно. Кроме контроллера тот же производитель поставляет датчики, релейные модули и другие полезности. Имеет развитое сообщество и службу поддержки.
Недостающая функциональность, в том числе дикторонезависимое распознание речи, машинное обучение, выделение кандидатов в сценарии автоматизации, календарь и всё-всё остальное, реализовано своими силами. В основу управления контентом так-же легла собственная разработка поверх DLNA. Все поделки пишутся на Java, крутятся на домашних серверах (для которых выделена специальная стойка), в GitHub выкладывать не планируем.
Zigbee устройства различных производителей доступны даже в Ozon, не говоря уже о других торговых площадках. Подключаются как к Wirenboard контроллеру так и к собственному решению, на базе USB "свистка" CC2531.
Наш выбор основан на предъявляемых к домовой автоматизации индивидуальных требованиях, решение принималось, как обычно, по совокупности факторов и условий.
Итоги
Коротко и тезисно:
- Определите для себя, где заканчивается "глупый" и начинается "умный" дом. Нужен ли он вообще? Мы встречали людей, для которых вершиной автоматизации был проходной выключатель в коридоре. Мастер кнопка у входа, отключающая второстепенные потребители, для некоторых вообще "космос";
- Если умный дом нужен, напишите свои индивидуальные хотелки и сформулируйте список требований. Если возникнут трудности, не стесняйтесь писать в комментариях, поможем;
- Выбирайте решения на основании требований, а не наоборот (не стоит подстраиваться под возможности навязываемой технологии);
- Помните, настоящий умный дом - это не про профили освещения и типовые сценарии автоматизации, а про комфорт и удобство даже в мелочах;
- Сценарии автоматизации всегда индивидуальны и рождаются в результате эксплуатации именно вами именно этого здания, а не как фантазии продавца на тему "идеальной жизни абстрактного человека с навечно предопределённым распорядком дня";
- Автоматизация должна быть адаптивна к вашим изменчивым запросам;
- Обязательно делайте проект инженерных сетей и коммуникаций на основе ваших индивидуальных требований к автоматизации.