Inteligentny budynek Wiadomości teoretyczne

sprzedawców systemów automatyki budynkowej, jako termin opisujący budynki, które wykorzy-
stały technologie mikroprocesorowe do poprawy swojej wydajności.
Według pierwszych definicji (P. Robathan, 1989; IBI, 1987):

„Inteligentny budynek to taki, który zapewnia produktywne i efektywne ze względu na

koszty, środowisko pracy, poprzez optymalizację swoich czterech podstawowych elementów –
struktury, systemów, usług i zarządzania – oraz powiązań pomiędzy nimi. Inteligentny budynek
pomaga właścicielom, administratorom i osobom korzystającym z budynku w osiągnięciu wła-
snych celów w zakresie kosztów, komfortu, wygody, bezpieczeństwa, długo terminowej ela-
styczności i atrakcyjności rynkowej”.
Definicja ta w sposób kompleksowy opisuje oczekiwania stawiane przed inteligentnym budyn-
kiem.

Dziś technika cyfrowa to zjawisko wszechobecne - od komputerów w biurach, przez sys-

temy bezpieczeństwa i kontroli dostępu, po sterowanie klimatyzacją. Tak narodziła się koncep-
cja tzw. Inteligentnego Budynku, w którym poszczególne systemy komunikują się ze sobą,
umożliwiając scentralizowane zarządzanie całością.

Potrzeba zdalnego monitorowania pracy instalacji budynku i sterowania ich działaniem

pojawia się we wszystkich większych budynkach i rośnie proporcjonalnie do ich wielkości. Wy-
starczy uświadomić sobie, ile różnych instalacji złożonych ze znacznej liczby urządzeń znajduje
się we współczesnym biurowcu czy hotelu. Monitorowanie zużycia mediów umożliwia precyzyj-
ne naliczanie opłat eksploatacyjnych najemcom, optymalizację zużycia energii i wody, zaś
w połączeniu z inteligentnym sterowaniem - znaczne oszczędności (nawet do 50 % kosztów
energii). Zdalne zarządzanie instalacjami ma też krytyczne znaczenie w sytuacjach awaryjnych,
np. pożaru.

Przyczyny te zmusiły projektantów do wyposażania budynków w skomplikowane instala-

cje centralnego zarządzania. W latach siedemdziesiątych systemy te osiągnęły szczyt złożono-
ści - zajmowały olbrzymie sale o ścianach wypełnionych tysiącami lampek kontrolnych, mierni-
ków, wyłączników. Ogarnięcie obrazu sytuacji ułatwiały wprawdzie systemy automatyki, jednak
w dużych budynkach zarządzanie działaniem całości i tak wymagało obecności kilku operato-
rów. Systemy te obarczone były również innymi wadami, m.in. złożoność instalacji i ogromna
liczba przewodów oplatających budynek znacznie podnosiły koszty przedsięwzięcia.

W latach osiemdziesiątych nastąpiła inwazja techniki cyfrowej. Zastosowanie sterowni-

ków DDC (ang. DDC – Direct Digital Controls), przede wszystkim w urządzeniach klimatyzacyj-
nych, uprościło projektowanie i wykonanie instalacji, zwiększyło również funkcjonalność syste-
mów. Szybko zauważono, że możliwość zarządzania systemami oświetlenia, ogrzewania i kli-
matyzacji w połączeniu z centralnym monitorowaniem parametrów instalacji niesie ze sobą wy-
mierne korzyści.

Zastosowanie czujników i urządzeń wykonawczych połączonych wspólną cyfrową siecią

daje wiele korzyści. Z jednej strony, pozwala uprościć układ połączeń i wielokrotnie zmniejszyć
liczbę potrzebnych przewodów, co znacznie ogranicza koszty budowy i utrzymania instalacji.
Z drugiej strony, umożliwia wykorzystanie tych samych czujników do różnych zadań. Na przy-
kład czujnik ruchu może w godzinach pracy wyłączać oświetlenie i klimatyzację w pomieszcze-
niach, w których nikogo nie ma, a poza godzinami pracy pełnić funkcję wartownika strzegącego
przed włamaniem. Podobnie czujnik otwarcia okna, nocą dostarczający danych systemowi an-
tywłamaniowemu, w dzień wyłącza klimatyzację w wietrzonym pokoju. Czujnik temperatury, ste-
rujący pracą klimatyzacji, w połączeniu z czujką dymu stanowi również element systemu sygna-
lizacji pożarowej.

Zintegrowanie podsystemów sterujących oświetleniem i klimatyzacją oraz strzegących

bezpieczeństwa budynku pozwala też automatyzować funkcje wcześniej wymagające interwen-
cji operatora, a czasem nawet niemożliwe do zrealizowania. Czujniki ruchu i intensywności
oświetlenia umożliwiają dostosowanie oświetlenia do rzeczywistych potrzeb, w zależności od
siły światła słonecznego i obecności osób w pokojach. Do obecności osób oraz godziny i dnia
tygodnia można też dostosować pracę klimatyzacji i ogrzewania, co ma wpływ na zużycie ener-
gii. W sieci mogą również pracować indywidualne liczniki energii, wody i ciepła, umożliwiające
zautomatyzowane naliczanie należności. Włączone w system czytniki kart dostępu nie tylko
otwierają elektroniczne zamki uprawnionym osobom, pozwalają też systemowi rejestrować np.
wejście danej osoby do pomieszczenia.

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

Systemy podlegające integracji to:

• ogrzewanie,

• wentylacja,

• klimatyzacja,

• oświetlenie,

• sieć telefoniczna,

• sieć komputerowa,

• system

sygnalizacji

pożaru gaszenia i oddymiania,

• system

sygnalizacji

włamania i napadu,

• system nadzoru wizyjnego,

• system

kontroli

dostępu,

• system

nagłośnieniowy,

• sieć elektroenergetyczna,

• sieć telewizji kablowej, satelitarnej i z nadajników naziemnych,

• system kontroli pracy strażników,

• inne

urządzenia: sterowanie windami, żaluzje, szlabany.

Różne są sposoby komunikowania się urządzeń i systemów pomiędzy sobą. Podstawo-

we z nich to:

• niezależne połączenia kablowe (miedziane, światłowodowe, mieszane) z zastosowaniem

różnych protokołów komunikacyjnych,

• połączenia radiowe w różnych pasmach częstotliwości (również mikrofalowe),

• połączenia w zakresie promieniowania podczerwonego,

• połączenia z wykorzystaniem sieci elektroenergetycznej.

Realizacja inwestycji w zakresie inteligentnych budynków napotyka szczególnie w Polsce

na szereg problemów. Są to m. in.:

• nieświadomość inwestorów i inwestorów zastępczych jakich rozwiązań technicznych mo-

gą oczekiwać,

• przy przetargach i wyborze oferenta kierowanie się przede wszystkim ceną bez zwraca-

nia uwagi na proponowane rozwiązania techniczne i korzyści w trakcie przyszłej eksplo-
atacji budynków,

• brak biur projektowych posiadających integratorów systemów,

• nieświadomość korzyści z budowy inteligentnego budynku,

• niewłaściwe proporcje pomiędzy ceną kredytu i energii.

Istnieją też w różnych krajach ograniczenia formalno - prawne (normy, przepisy) określa-

jące sposoby budowy poszczególnych systemów. Dotyczą one zarówno samych urządzeń jak
i sposobu ich instalowania, okablowania i komunikowania się w obrębie danego systemu i z in-
nymi systemami. Często z tego względu integracja systemów jest ograniczona lub sposób jej
realizacji jest z góry narzucony.

Inteligentny budynek to także szereg urządzeń, które wpływają na zwiększenie wydajno-

ści i komfortu pracy. Automatyzację pracy ułatwiają chociażby sieci komputerowe pozwalające
na szybki dostęp do informacji i sprawny obieg dokumentów. Dużą rolę odgrywa też estetyka
i ergonomia, inwestorzy zwracają nawet uwagę na kolorystykę wnętrz, która jest dobierana na
podstawie badań wpływu poszczególnych kolorów na emocje i samopoczucie pracowników.
Podstawową zaletą budynków inteligentnych jest znaczna redukcja kosztów eksploatacji osią-
gana dzięki optymalizacji pracy poszczególnych systemów poprzez:

• oszczędność energii i innych mediów (np. automatyczne wyłączanie światła),

• mniejsze zatrudnienie (jedno wspólne centrum nadzoru i sterowania),

• większe bezpieczeństwo osób i mienia (szybkość reakcji systemu, stały monitoring, koor-

dynacja poszczególnych układów),

• większy komfort pracy,

• łatwość podłączania nowych urządzeń i przenoszenia już funkcjonujących (standardowe

okablowanie całego budynku),

• niższe koszty modernizacji i rozbudowy,

• automatyczną lokalizację uszkodzeń, uproszczenie i zautomatyzowanie procesów kon-

serwacyjnych i naprawczych,

• elastyczność przy zmianie przeznaczenia obiektu lub poszczególnych jego pomieszczeń,

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

• ułatwienie zarządzania obiektem (spójny program zarządzający, wizualizacja systemów),

• możliwość zdalnego nadzoru nad wieloma obiektami.

Tendencje występujące w technologii "inteligentnych budynków":

• wykorzystanie okablowania strukturalnego jako nośnika sygnałów sterujących,

• integracja

coraz

większej ilości różnych systemów,

• próby wdrożenia uniwersalnych protokołów komunikacyjnych umożliwiających współpra-

cę urządzeń różnych producentów,

• centralne zarządzanie coraz rozleglejszymi systemami, obejmującymi np. obszar całego

kraju.

Centralne zarządzanie ułatwia realizację stref dostępu dla poszczególnych osób; przy-

znanie lub odebranie praw dostępu do dowolnych miejsc w budynku to kilka ruchów operatora.
W przypadku pożaru otwarcie wszystkich wejść może nastąpić automatycznie (lub, w zależno-
ści od ustawień, po interwencji operatora). Program pożarowy może obejmować też: wyłączenie
nawiewu w pomieszczeniu objętym pożarem i stworzenie nadciśnienia w pomieszczeniach
przylegających do niego, włączenie wyciągów oddymiających, włączenie oświetlenia dróg ewa-
kuacyjnych i przygaszenie świateł poza nimi, wyemitowanie komunikatów ostrzegawczych
przez system nagłośnienia, sprowadzenie wind na najniższą kondygnację i zablokowanie ich.

Wcześniej systemy automatyki budynków realizowano w architekturze scentralizowanej -

główny sterownik odbierał dane z podłączonych do lokalnych centralek czujników i za pośred-
nictwem centralek wydawał polecenia elementom wykonawczym. Przy większych rozmiarach
instalacji wymagało to użycia specjalizowanego sterownika o znacznej mocy przetwarzania.
Głównym jednak problemem okazała się wrażliwość systemu na awarie - uszkodzenie połączeń
lub sterownika od razu powodowało niesprawność części lub całości systemu. Poza tym wielość
rozwiązań sterowania i sygnalizacji pochodzących od różnych producentów poważnie utrud-
niała integrację poszczególnych podsystemów. Firmowe standardy ograniczały również możli-
wości ich rozbudowy i modyfikacji, zawężając wybór rozwiązań do oferty producenta wcześniej
zainstalowanych urządzeń. Z biegiem czasu powstały jednak otwarte standardy, umożliwiające
połączenie w jeden system urządzeń pochodzących od wielu producentów.

Rozwiązaniem okazało się rozproszenie inteligencji w systemie przez zastosowanie ob-

darzonych dużą autonomią, zaopatrzonych we własne mikroprocesory czujników i sterowników
urządzeń wykonawczych. Urządzenia te, stanowiące węzły sieci peer-to-peer, komunikują się
między sobą, korzystając z ustandaryzowanego protokołu. Każde z nich można programować,
zadając tryby pracy, wartości graniczne i sposób reakcji. Na przykład umieszczony w pokoju
czujnik w normalnych warunkach wysyła komunikaty jedynie do urządzenia klimatyzacyjnego,
pilnując utrzymania temperatury, stężenia dwutlenku węgla i wilgotności w zadanych granicach.
Dopiero przekroczenie wartości progowych, świadczące o awarii lub pożarze, powoduje wysła-
nie komunikatu do centrali. Rozproszenie funkcji zarządzania pozwala zmniejszyć ruch danych
w sieci, zwiększa też odporność instalacji na uszkodzenia. Wyposażenie każdego z węzłów
sieci w mikroprocesory może się wydawać rozrzutnością, jednak koszt jednoukładowych mikro-
kontrolerów jest zaskakująco niewielki.

Dzisiaj większość nowo powstających budynków nosi w sobie znamiona inteligencji, co-

raz częściej także inteligencja "wpajana" jest w już istniejące obiekty. Współcześni najemcy
oczekują od biura znacznie więcej niż dostępu do bieżącej wody, kanalizacji, ogrzewania,
oświetlenia, energii elektrycznej i sieci telefonicznej. Jeszcze nie tak dawno idealistyczne kon-
cepcje poprawy warunków pracy w biurach dzięki stałemu rozwojowi technologii są już dziś re-
alizowane. Na porządku dziennym są obecnie alarmowe systemy sygnalizujące pożar, systemy
gaszące, systemy zabezpieczające przed włamaniem, systemy nadzoru poprzez telewizję
przemysłową, automatyczne sterowanie ogrzewaniem, wentylacją, klimatyzacją i oświetleniem.
Współczesne budynek nie może obejść się bez sieci komputerowej i wewnętrznej telefonii, co-
raz częściej montowane są systemy audiowizualne i prezentacyjne.

W inteligentnym budynku oprócz instalacji wodno-kanalizacyjnej, energetycznej i grzew-

czo-wentylacyjno-klimatyzacyjnej położona jest tzw. czwarta instalacja wspólna dla sieci tele-
transmisyjnej i systemu zarządzania budynkiem (ang. Building Management System). BMS -
specjalna aplikacja działająca na komputerach w centrum kontroli budynku Jest podzielona
często na podsystemy odpowiedzialne za poszczególne funkcje, np. kontrolę dostępu do bu-
dynku, system przeciwpożarowy; jej zadaniem jest ich wzajemna koordynacja. Podsystemy
BMS zbierają informacje z wchodzących w skład danych układów różnego typu kontrolerów

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

(detektorów, czujników) i automatycznie podejmują określone działania w momencie przekro-
czenia wartości krytycznych.

Większość systemów inteligentnego budynku również nazywana jest inteligentnymi. Ma-

my więc: inteligentną telewizję, w której komputer zarządzający ochroną budynku sam analizuje
zmiany w polu widzenia kamer i potrafi odróżnić ruch gałęzi wywołany przez wiatr czy przez ja-
kieś małe zwierzę od spowodowanego przez człowieka; inteligentną klimatyzację, która potrafi
odpowiednio otwierać i zamykać okna; inteligentne oświetlenie, którego natężenie regulowane
jest zależnie od światła dziennego.

Ponieważ poprawna praca instalacji w inteligentnym budynku zależy od ciągłości dostaw

energii elektrycznej i stabilności systemów komputerowych w centrum nadzoru, powstają spe-
cjalne systemy zabezpieczeń. Często takie budynki wyposażone są w zasilacze awaryjne, wła-
sne agregaty prądotwórcze i równolegle działające niezależne komputery, mogące w razie awa-
rii systemu podstawowego przejąć jego obowiązki. Bardzo ważna jest dobra ochrona przeciw-
przepięciowa i odgromowa, która zabezpiecza przed zakłóceniami, a w niektórych przypadkach
zapobiega przed uszkodzeniami pracujących w budynku systemów. Niezbędne są też rozbu-
dowane systemy archiwizacji danych, by przechowywać informacje z urządzeń kontrolnych, za-
pis z kamer itp.

Projektując budynki inteligentne trzeba od razu przewidzieć miejsce na okablowanie

strukturalne i komputerowe centrum nadzoru. Bardzo istotne jest przyszłe przeznaczenie
obiektu (biurowiec, szpital, lotnisko, budynek mieszkalny). Nie zawsze też wszystko można
zintegrować w takim budynku. Budynek inteligentny nie jest rzeczą zrobioną raz na zawsze,
musi być on ciągle udoskonalany i modernizowany, aby odpowiadał zmieniającym się standar-
dom.

Dla wielu z nas hasło "inteligentny budynek" wciąż kojarzy się z fantastyką naukową, jed-

nak coraz więcej obiektów na świecie, a także w Polsce wyposaża się w nowoczesne systemy
zarządzania. Inteligentnych budynków będzie przybywać, menedżerowie zdają sobie sprawę
z wpływu warunków pracy na jej wydajność, a prosty rachunek ekonomiczny dowodzi, że inwe-
stycje w nowoczesne instalacje zwrócą się w niedługim czasie.

2. STANDARDY INTELIGENTNEGO BUDOWNICTWA

Istnienie wielu wzajemnie niezgodnych rozwiązań hamuje rozwój rynku. Obok X-10 - po-

pularnego w USA i Japonii, paneuropejskiego EIB, japońskiego HBS (Home Bus System), pro-
mowanego przez ISO - organizację ustalającą standardy - HES (Home Electronic System), Ce-
BUS (Consumer Electronics Bus) i francuskiego BatiBUS swoje rozwiązania próbuje przeforso-
wać SUN lansując Jini, a do wyścigu zamierza włączyć się również Microsoft z technologią na-
zwaną Universal Plug and Play. X-10 oraz EIB wykorzystują całkiem inne technologie przesyła-
nia sygnałów sterujących, BatiBUS jest praktycznie niespotykane poza Francją, zaś Jini wyma-
ga, żeby inteligentne było nie tylko urządzenie sterujące, ale także, by każdy ze sprzętów za-
wierał procesor i pamięć. Oferowane rozwiązania mają swoje zalety, jednak ich wielość spra-
wia, że producenci sprzętu AGD i RTV będą musieli zdeklarować się i przygotować modele do-
pasowane do konkretnego typu magistrali. Siemens opowiedział się już za EIB, amerykańskie
firmy poprą z pewnością X-10, a ewentualne sukcesy Jini i UPnP powiększą chaos na rynku.
Ofiarą tego galimatiasu padnie klient, któremu nowo nabyty japoński telewizor nie będzie się
chciał "dogadać" z francuskim magnetowidem, a oba nie dadzą się zaprogramować z domowe-
go centrum sterującego produkcji USA. Takie doświadczenia mogą zniechęcić do idei inteli-
gentnego domu, co w rezultacie spowolni napływ inteligencji pod strzechy. Co gorsza, nie ma
raczej co liczyć na szybkie ustalenie ogólnoświatowych norm. Stawka rywalizacji jest zbyt wy-
soka, by szybko mogło dojść do kompromisu. Według szacunków Parks Associates w ciągu
pięciu lat wartość tego rynku sięgnie 14 miliardów dolarów. Największa część tej sumy przy-
padnie firmie, której uda się własne rozwiązania przeforsować jako światowy standard.

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

3. DOTYCHCZASOWE

INSTALACJE ELEKTRYCZNE

Dotychczasowe instalacje elektryczne opierają się układaniu przewodów w sposób nie-

widoczny dla użytkownika (w tynku, pod tynkiem itp.), które powinny być prowadzone poziomo
lub pionowo, a w podłodze i na suficie możliwie najkrótszą drogą, jak to pokazano na rys. 1.

Rys.1. Szkic przedstawiający sposób

wykonania instalacji elektrycz-
nej w pomieszczeniu mieszkal-
nym

1. łącznik grupowy,
2. gniazdo

wtyczkowe

pojedyncze,

3. gniazdo wtyczkowe podwójne ze

stykami ochronnymi,

4. puszka

rozgałęźna izolacyjna,

5. żarówka.

Łączenie przewodów odbywa się w puszkach rozgałęźnych, w których przeważnie reali-

zuje podłączenie oświetlenia pod odpowiedni łącznik (rys.2.) lub podłączenia równolegle do sie-
ci zasilającej gniazda wtyczkowego (rys.3.).

Zasilanie

Do żarówki

Do następnej
puszki

Do łącznika

Rys. 2. Sposób realizacji załączenia żarówki.

Zasilanie

Do następnej
puszki

Do gniazda

Rys. 3. Sposób realizacji podłączenia gniazda wtyczkowego.

W takiej instalacji elektrycznej dany łącznik lub gniazdo wtyczkowe ma na stałe przypo-

rządkowaną funkcję i nie można jej zmienić bez mechanicznej ingerencji w instalację. Poza tym
każdy łącznik fizycznie załącza danym oświetleniem a gniazdo wtyczkowe jest stale zasilane
(o ile użytkownik nie uzależnił go od łącznika).

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

4. SYSTEM EIB

Dążenie do integracji pracujących dotychczas niezależnie instalacji było podstawą po-

wstania Europejskiej Magistrali Instalacyjnej EIB (European Installation Bus), której koncepcja
i zasady działania opracowane zostały z inicjatywy wiodących europejskich producentów branży
elektroinstalacyjnej. Aby jednak stworzony system oraz nadzór nad jakością pracujących w nim
urządzeń był niezależny od poszczególnych producentów powołano do życia w 1990 roku or-
ganizację EIBA (European Installation Bus Association) zrzeszającą firmy działające na rzecz
systemu EIB. Siedzibą EIBA została Bruksela. Aktualnie EIBA posiada zarejestrowanych ponad
stu członków, w tym takie firmy jak: ABB, Berker, Hager Gira, Legrand, Siemens, Tehalit i po-
nad 4400 produktów w 2600 grupach mogących pracować w tym systemie. System EIB w licz-
nych publikacjach i materiałach nazywany jest również - od nazwy przyjętej przez utworzone
przez grupę producentów konsorcjum (m. in.: Berker, Gira, Jung, Merten, Siemens) - syste-
mem instabus EIB.

4.1. Zasada działania systemu

W dotychczasowej instalacji elektrycznej zrealizowanie każdej funkcji wymaga prowa-

dzenia oddzielnego przewodu, a każdy system sterowania posiada własną sieć. W systemie
EIB następuje rozdzielenie sygnałów sterujących i kontrolnych przesyłanych dwużyłowym prze-
wodem magistralnym od obwodów zasilania energetycznego poszczególnych odbiorników. Po-
wstała w ten sposób linia sterująca zwana magistralą EIB jest zasilana przez specjalne zasila-
cze tworzące z punktu widzenia przepisów wydzieloną siecią SELV (Safety Extra Low Voltage)
o napięciu nominalnym 24V DC. Do magistrali tej dołączone są wszystkie układy pracujące
w systemie EIB. Magistrala jest dla nich źródłem zasilania jak również informacji. Każdy z ele-
mentów wyposażony jest we własny mikroprocesorowy układ elektroniczny pozwalający reali-
zować funkcje inteligencji rozproszonej. Informacje przesyłane są po magistrali w postaci tele-
gramów o ściśle określonej budowie. Wyróżnia się elementy:

•

sensory – elementy wysyłające spakowane w telegramy informacje o stanie łączeń lub
mierzonych wielkości,

•

aktory – elementy odbierające telegramy i realizujące określone na ich podstawie czyn-
ności

Zarówno sensory jak i w zależności od realizowanych przez nie funkcji mogą być przyłą-

czone do sieci 220V AC.

220 V AC

magistrala EIB

ACTORY
Elementy wykonujące
polecenia

SENSORY
Elementy wydające
polecenia

Klimatyzacja

Ogrzewanie

Żaluzje

Oświetlenie

Wentylacja

Czujnik

temperatury

Czujnik

wiatru

Zegar

sterujący

Czujnik

natężenia

światła

Łącznik

instalacyjny

Rys. 4. Schemat podłączenia actorów i sensorów.

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

4.2. Technika transmisji

Informacja pomiędzy elementami magistrali przesyłana jest z szybkością 9600 bps w try-

bie symetrycznej asynchronicznej transmisji szeregowej o odpowiednim protokole, wykorzystu-
jąc przewody będące jednocześnie źródłem zasilania dla aparatów przyłączonych do magistrali.
Informacja po magistrali EIB przesyłana jest dzięki modulacji tego napięcia. Logiczne zero
przesyłane jest jako impuls, a brak impulsu interpretowane jest jako logiczna jedynka.

Dostęp do magistrali:

•

do magistrali dołączony jest każdy użytkownik,

• wszyscy

użytkownicy stale nasłuchują,

•

użytkownik nadaje tylko w przypadku wolnej magistrali,

•

użytkownik mający najwyższy priorytet pozostaje na magistrali i nadaje jako pierwszy,

• pozostali

użytkownicy nadają w zależności od priorytetu.

Zastosowany proces kontroli dostępu do magistrali typu CSMA/CA (Carrier Sense Multi-

ple Access / Collision Avoidance) zapewnia hierarchiczny i uporządkowany przepływ informacji
na magistrali oraz umożliwia szybki i niezawodny przesył telegramów pomiędzy dowolnymi
urządzeniami podłączonymi do magistrali. Dla uniknięcia błędów spowodowanych transmisją
każdy element odbierający telegram potwierdza otrzymanie prawidłowej treści informacji. Jeżeli
brak jest potwierdzenia element nadający powtarza transmisję aż do trzech razy i jeżeli w dal-
szym ciągu brak jest potwierdzenia proces transmisji zostaje przerwany, a błąd zostaje zapa-
miętany w pamięci urządzenia nadającego. Ilustruje to algorytm na rys. 5.

życzenie nadawania

nasłuch magistrali

magistrala wolna?

nadawanie i nasłuch

kolizja?

natychmiastowe

przerwanie nadawania

nadawanie

kontynuowane

TAK

NIE

TAK

Rys. 5. Algorytm zdecentralizowania sterowania dostępem.

4.3. Struktura

Najmniejszą jednostką systemu EIB jest linia, do której można dołączyć do 64 elementów

magistralnych (sensorów lub aktorów). Połączenie pomiędzy elementami linii realizowane jest
przewodem magistralnym (zalecany typ: YCYM 2x2x0,8 prod. Siemens, rys. 6.) dwuparowym
nieekranowanym. Magistrala EIB wykorzystuje jedną parę przewodów, pozostawiając drugą ja-
ko rezerwową. Każda linia posiada własny zabezpieczony napięciowo i prądowo zasilacz do-
prowadzający do przyłączonych elementów magistralnych napięcie 24V DC.

− rezerwa

+ rezerwa
− BUS
− BUS

drut pomocniczy

płaszcz izolacyjny

folia metalizowana

izolacja ochronna

Rys. 6. Przewód magistralny YCYM 2x2x0,8

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

Pozwala to przy awarii jednej linii na dalszą pracę pozostałej części systemu. Układany prze-
wód magistralny może mieć strukturę drzewiastą, liniową lub promieniową. Możliwość pracy
buforowej zasilacza pozwala wyeliminować zakłócenia spowodowane przerwami w zasilaniu
o czasie do 100ms. Pojedynczy element magistralny pobiera średnio 150 mW, a przy dodatko-
wym poborze (np. sygnalizacja LED) do 200 mW. Aby zapewnić prawidłową komunikację po-
między poszczególnymi elementami linii wymagane jest żeby łączna długość przewodu nie
przekraczała 1000 m, a odległość pomiędzy dwoma elementami magistralnymi nie była większa
niż 700 m. Dodatkowo maksymalny odstęp pomiędzy zasilaczem a elementem magistralnym
wynosi 350 m, rys. 7.

całkowita długość linii – max 1000 m

Zasilacz

Element

magistralny

Element

magistralny

max 700 m

max 350 m

Rys. 7. Kryteria odległościowe magistrali EIB.

Poszczególne linie za pomocą elementów sprzęgających (sprzęgła liniowe) mogą zostać

przyłączone do linii głównej tworzącej tzw. obszar. Maksymalnie 12 linii może pracować w jed-
nym obszarze. Dalszą możliwość rozbudowy systemu dają sprzęgła obszarowe spinające do 15
obszarów w jeden system. Uzyskujemy w ten sposób strukturę systemu pozwalającą na podłą-
czenie blisko 12000 elementów magistralnych. Sprzęgła liniowe i obszarowe oprócz podstawo-
wego zadania (łączenia) spełniają rolę filtrów dla przepływających informacji. Oznacza to, że
przesyłany telegram jest przepuszczany tylko przez te sprzęgła, które znajdują się na drodze
pomiędzy elementem nadającym a elementami dla których jest on przeznaczony. W tak stwo-
rzonej sieci każdy element ma swój własny jednoznacznie określony adres fizyczny pozwalają-
cy go szybko odnaleźć. Wygląda on w następujący sposób: X.Y.Z gdzie: X – numer obszaru Y
– numer linii Z – numer elementu w linii. Jednak na potrzeby wykonywanych zadań każdemu
z elementów magistralnych zostaje przyporządkowany jeden lub kilka tzw. adresów grupowych.
Związane jest to z faktem, że nadawany telegram może być odbierany przez jeden lub wiele
elementów magistralnych. Przy projektowaniu adresy grupowe mogą zostać podzielone pod
względem funkcjonalnym na 14 grup głównych oraz 2048 podgrup w każdej grupie głównej
(podział może być jedno lub dwustopniowy).

4.4. Elementy magistralne

Elementem magistralnym jest każde podłączone do magistrali urządzenie potrafiące ko-

munikować się z innymi przez magistralę EIB tzn. wysyłać lub odbierać telegramy. W tym celu
każdy element magistralny wyposażony jest we właściwy moduł elektroniki realizujący zadane
funkcje.
Element magistralny składa się zasadniczo z (rys. 8):

• BA – portu magistralnego (odbiera, dekoduje / koduje, nadaje),

• AST – 10-pinowego łącza komunikacyjnego (gniazdko do wymiany informacji i wpisywa-

nia parametrów),

• BE – urządzenie końcowe (np. element obsługi).

AST

agist

Rys. 8. Sensor / actor (użytkownik magistrali).

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

Port magistralny jest elementem uniwersalnym odbierającym telegramy, dekodującym je

i przesyłającym do elementu końcowego lub pobierającym informacje z urządzenia końcowego
kodującym je i wysyłającym w postaci telegramu na magistralę. Element końcowy może być na
stałe zintegrowany w obudowie z portem magistralnym albo wymienny (w formie nakładki).
Obecnie oferowane elementy magistralne są w wykonaniach:

• podtynkowym

przypominające budową tradycyjne łączniki instalacyjne,

• natynkowym w indywidualnych obudowach,

• szeregowym do montażu w rozdzielnicach na szynach 35 mm,

• modułowym do montażu w oprawach urządzeń,

• do

montażu w kanałach i listwach instalacyjnych.

Pojawiają się również ostatnio elementy w obudowach analogicznych do urządzeń kon-

wencjonalnych (np.: modemy telefoniczne, termoregulatory) zawierające wewnątrz porty magi-
stralne, co umożliwia ich bezpośrednie podłączenie do magistrali.

4.5. Struktura Telegramu

Telegram składa się pól przedstawionych w tabeli poniżej. Każde pole to określona liczba

bajtów. Komunikat jest opóźniany minimalnym odstępem czasu określonym w sieci EIB.

Pole kontrolne

Pole adresowe

Pole danych

Pole bezpieczeń-

stwa

Dane systemowe

Adres źródłowy +
adres docelowy

Informacje użytkowe
(rozkazy, meldunki,
wartości zmierzone
itp.)

Sprawdzenie komu-
nikatu suma kon-
trolną

4.6. Uruchomienie

Uruchomienie sieci inteligentnego budynku odbywa się poprzez komputer PC, poprzez

łącze szeregowe RS232. Wykorzystuje się w tym celu oprogramowanie o nazwie ETS. Przed-
stawia to rys.9.

Rys. 9. Podłączenie komputer PC do sieci EIB.

Nadawanie adresów fizycznych:

•

do programowania portu magistralowego,

•

do identyfikacji użytkownika,

•

w celach diagnostycznych.

Każdy port magistralny musi otrzymać własny jednoznaczny adres fizyczny.
Nadawanie adresów fizycznych:

• Należy wcisnąć przycisk portu magistralowego – dioda LED świeci,

•

Przypisanie adresu z komputera – dioda LED gaśnie.

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

5. SYSTEM

X-10

System ten powstał jeszcze w latach siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych. Ele-

menty systemu X-10 komunikują się między sobą poprzez modulowany sygnał cyfrowy przesy-
łany poprzez istniejącą w domu sieć elektryczną (230 V/50 Hz dla Europy). Ta technologia
znacznie zmniejsza koszty instalacji - urządzenia wkładamy po prostu do gniazdka elektryczne-
go lub montujemy na szynie DIN (takiej jak przy bezpiecznikach). Nie jest zatem wymagane do-
datkowe okablowanie. Rozbudowa systemu sprowadza się do wciśnięcia kolejnego odbiornika
do gniazdka. Konieczne jest natomiast użycie filtra, który będzie chronił naszą sieć przed nie-
pożądanymi sygnałami z zewnątrz.

Stosuje się modulację paczkami o częstotliwości 120kHz w momencie przejścia napięcia

sieci przez zero. Obecność sygnału reprezentuje poziom logiczny 1 a jego brak poziom 0. Po-
nieważ protokół transmituje jeden bit w każdym cyklu sieci, prędkość transmisji wynosi 60 (lub
50) bitów na sekundę. Żeby przesłać sygnał zawierający adres i rozkaz wymagane jest 48 bitów
czyli 0,8s przy sieci 60 Hz, a prawie sekundę przy sieci 50 Hz. Aby wysłać nowy rozkaz pod po-
przedni adres potrzeba dwukrotnie mniej czasu.

Urządzenia mogą wysyłać/odbierać 6 rodzajów sygnałów: Włącz, Wyłącz, Zwiększ moc,

Zmniejsz moc (np. jasność lampy), Włącz wszystko, Wyłącz wszystko. Wszystkie moduły
w systemie odbierają takie rozkazy i w zależności czy zostały zaadresowane lub też rozkaz do-
tyczy wszystkich modułów realizują odpowiednią funkcję.

Każdy moduł wykonawczy ma dwa regulatory. Jeden z nich umożliwia wybór kodu do-

mowego (housecode) w zakresie A-P. Drugi - kodu urządzenia (unit code) w zakresie 1-16.
Efektem tych ustawień jest 256 możliwych do kontrolowania urządzeń lub ich grup. Kod identy-
fikacyjny pozwala grupować moduły w zestawy funkcjonalne (kilka urządzeń może mieć iden-
tyczny kod, co umożliwia np. jednoczesne włączanie wszystkich lamp oświetlających ścieżkę
w ogrodzie). Większość jednostek centralnych i kontrolerów pozwala na wysłanie sygnału do
lamp i urządzeń przypisanych do określonego kodu domowego i kodu urządzenia, lub do
wszystkich o tym samym kodzie domowym - niezależnie od kodu urządzenia.

Przypuśćmy, że chcemy sterować niezależnie kilkoma lampami lub urządzeniami

w dzień, lecz wieczorem chcemy je wszystkie naraz włączyć lub wyłączyć. Możemy im przypi-
sać ten sam kod domowy, lecz inne kody urządzeń. Dzięki temu, gdy chcemy sterować danym
urządzeniem wysyłamy do niego sygnał o określonych obydwu kodach. Gdy zechcemy stero-
wać całą grupą - wysyłamy sygnał o określonym tylko kodzie domowym. I tak wysyłając sygnał
włączający o kodzie "B1", włączymy urządzenie o kodzie domowym "B" i kodzie urządzenia "1".
Wysyłając sygnał "B" - sterujemy wszystkimi urządzeniami o kodzie domowym "B".

Na rynku dostępnych jest wiele produktów przystosowanych do komunikacji w tym stan-

dardzie. Tam, gdzie nie da się wykorzystać sieci energetycznej, możliwe jest zastosowanie ko-
munikacji radiowej lub przy użyciu podczerwieni. Większość modułów X-10 komunikuje się
w jedną stronę - np. moduł do sterowania jasnością żarówki reaguje tylko na polecenia z innych
modułów, nie może on wysłać informacji o swoim stanie.

System X-10 z możliwością adresowania 256 urządzeń, wstępnie zdefiniowanymi 6 funk-

cjami i stosunkowo wolną transmisją nie spełnia oczekiwań jako system nowoczesnego inteli-
gentnego domu. Mimo to liczbę domów w których użyto moduły zgodne z X-10 szacuje się na
około 4 milionów. Wynika to z faktu że system X-10 uznawany jest za tani, ceny najtańszych
modułów zaczynają się od 10-15$.

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

6. PORÓWNANIE SYSTEMÓW

X-10

EIB

Występowanie systemu

USA, Japonia

Europa Zachodnia

Struktura

ACTORY

SENSORY

magistrala
i zasilanie
w jednym

ACTORY

SENSORY

magistrala
zasilanie

Czas powstania

początek lat 70-tych

1994

Wprowadzony do Polski

1997

Sterowanie oświetleniem

TAK

Sterowanie ogrzewa-
niem/klimatyzacją

TAK

Sterowanie z komputera

TAK

Wymagana jednostka centralna TAK - do zaawansowanych

funkcji

NIE - inteligencja rozproszo-
na

Czas reakcji na polecenie

0,88 s

0,1-0,4 s

Max liczba urządzeń

256

11 520

Sterowanie poprzez sieć 230V,
ew.

dodatkowe przewody

jeden dodatkowy kabel

Zakres działań

włącz/wyłącz, zmień moc

włącz/wyłącz, zmień moc,
prześlij informację (np. po-
ziom wilgotność)

Zastosowanie

nowe i zbudowane już do-
my/mieszkania

tylko nowe lub remontowane
domy/mieszkania

Możliwości

rozbudowy

ograniczone - dodatkowe
elementy takie jak czujniki
temperatury, panele sterują-
ce, czujniki podczerwieni
(A/V) wymagają osobnych
przewodów

nieograniczone - możliwości
dowolnych zmian w konfigu-
racji, każde następne urzą-
dzenie wykorzystuje istnieją-
cy przewód, jednolite złącza
i sygnały

Bezpieczeństwo użytkowania

jak w konwencjonalnej insta-
lacji - zasilanie i sterowanie
(wyłączniki) - 230V

wyłączniki, rolety - 24V, 230V
tylko w gniazdkach i lampach

Inne zalety

niższy koszt, łatwe progra-
mowanie

standard popierany przez kil-
kuset producentów urządzeń
w Europie

Inne wady

wiele urządzeń wymaga wy-
miany baterii, komunikowanie
drogą radiową czasem za-
wodzi (zakłócenia, tłumienie)

część rozwiązań jest jeszcze
niedostępna (np. sterowanie
głosem)

Przyszłość

System X-10 jest stale roz-
wijany w USA, jednak nie
wszystkie rozwiązania są
stosowane w urządzeniach
pracujących w europejskiej
sieci 230V

EIB jest oficjalnym europej-
skim systemem - w przyszło-
ści wszystkie urządzenia (już
dziś lodówki, kuchenki...) bę-
dą z nim współpracowały

Orientacyjny koszt urządzeń

k = x

1,5x < k < 2x

POLITECHNIKA RADOMSKA

@KEMOR

7. ZAKOŃCZENIE

Rynek domowej inteligencji znajduje się dziś w swej fazie niemowlęcej, jak komputery

osobiste przed dwudziestu laty. Pełen jest niestandardowych, niedojrzałych i częściowo nie-
kompatybilnych produktów. Istnieją już tysiące komponentów umożliwiających zbudowanie
elektronicznego domu, jednak trudno wskazać rozwiązania doskonałe jednocześnie pod wzglę-
dem funkcjonalności, bogactwa możliwości oraz łatwości i komfortu obsługi. Zautomatyzowanie
swoich wymarzonych czterech kątów wymaga zwrócenia się do specjalistycznej firmy lub bar-
dzo dobrej znajomości rynku, starannego sprawdzenia wad i zalet oferowanych podzespołów
oraz dokładnego planowania. Główną klientelę tworzą instytucje, dla których centralnie stero-
wana automatyka stała się niezbędnym wyposażeniem nowoczesnego biurowca, muzeum czy
biblioteki. Drugą, mniej liczną, ale szybko rosnącą grupę stanowią hobbyści, dla których samo-
dzielne rozbudowywanie i konfigurowanie kolejnych modułów to dobra zabawa.

8. LITERATURA

1. Inteligentny budynek. Integracja systemów - raport 1997/98, wydawnictwo: WALTER, Open

Systems.