خانه هوشمند(BMS)

خانه‌های هوشمند امروزه به عنوان یکی از بخش‌های مهم سیستم‌های مدیریت جامع ساختمان یا همان BMS مورد توجه واقع شده‌اند. خانه‌های هوشمند با هدف ایجاد آسایش و امنیت برای کاربران به سرعت در حال توسعه می باشند.امروزه تکنیک‌های مختلفی برای اتوماسیون ساختمان‌های بزرگ بکار گرفته‌می‌شود از قبیل کنترل نور ،کنترل دما، کنترل درها و پنجره‌ها و پرده‌ها و یا سیستم‌های امنیتی و مدار بسته و غیره. علاوه برموارد یاد شده، در خانه‌های هوشمند، کاربرد‌های دیگری نیز از قبیل کنترل Multimedia، آبیاری گیاهان و غذا دادن به حیوانات خانگی نیز قابل تعریف است.

سیستم‌های خانه ی هوشمند علاوه بر ایجاد آسایش و امنیت مضاعف در خانه به بهینه‌سازی مصرف انرژی و صرفه‌جویی در زمان و هزینه‌های نگهداری ساختمان نیز کمک شایانی ‌می‌نماید.

ضمناً این سیستم‌ها علاوه بر مخاطبین معمول خود می‌توانند در بهبود کیفیت زندگی معلولین و سالمندان نیز کمک شایانی نمایند. بسته‌های موجود در خانه‌های هوشمند می‌توانند موارد زیر را تحت کنترل قرار دهند:

۱ کنترل دما

۲ کنترل روشنایی

۳ کنترل نور طبیعی (به کمک باز و بسته کردن خودکار پرده و کرکره ها)

۴ سیستم های صوتی و تصویری

۵ سیستم های اعلام حریق

۶ سیستم‌های حفاظتی وامنیتی

۷ آبیاری گیاهان و تغذیه حیوانات

•تکنیک های به کار رفته جهت هوشمند سازی بنا به دو دسته کلی تقسیم می گردند:

۱ روش هایی که در آنها نیازی به کابل کشی مجزا برای کنترل ادوات مختلف وجود ندارد. در این روش ها سیگنالهای تولید شده توسط وسایل کنترل کننده ، از طریق شبکه برق موجود در این ساختمان ها و یا با کمک سیگنالهای RF منتقل شده و در مقصد ، دستگاه مورد نظر را کنترل می نماید. مشهورترین تکنولوژی در این دسته X10 و Z-Wave می باشد.

۲  روش هایی که در آنها برای کنترل وسایل و ادوات مختلف علاوه بر سیم کشی برق ساختمان نیاز به برپایی یک شبکه کابلی مجزای دیگر به جهت انتقال سیگنالهای تولید شده توسط وسایل کنترل کننده داریم. در این دسته نیز معتبر ترین تکنولویی KNX می باشد.

شایان ذکر است که به غیر از موارد مذکور کلیه تجهیزاتی که به نحوی با برق کار کرده و یا قابلیت تبدیل به سیستم برقی در آنها وجود دارد در این مجموعه قرار خواهد گرفت.

تکنولوژی های متفاوتی جهت اجرای سیستم های مذکور در خانه ها موجود است که در ذیل به برخی از آنها اشاره گردیده است:

۱. X10

2. EIB

3. Z-Wave

4. C-Bus

در کلیه تکنولوژی های فوق تمامی امکانات قابل اجرا و بهره برداری می باشند.

X10 چیست ؟

-X10 یک استاندارد صنعتی برای برقراری ارتباط بین ادوات استفاده شده‌ در سیستم‌های Home Automation است. این روش اساساً سیستم‌های انتقال برق را به جهت ارسال سیگنالها و کنترل های مورد نظر خود مورد استفاده قرار می‌دهد که سیگنالها به‌عنوان اطلاعات دیجیتال ازفرکانس‌های پایین برق متناوب استفاده می‌نمایند. ضمناًیک انتقال بر پایه ارسال سیگنالهای رادیویی نیز در این روش استفاده می‌شود.

-X10 به‌عنوان اولین  تکنولوژی domotic در  سال ۱۹۷۵ توسط شرکتPico Electronics اختراع شد که هنوز هم به‌عنوان پرکاربردترین این تکنولوژی‌ها مطرح می‌باشد. امروزه از این تکنولوژی در سرتاسر دنیا به خصوص در مواقعی که امکان استفاده از شبکه های باسیم وجود ندارد استفاده می گردد.

• Device Module ها :

بسته به باری که بایستی کنترل شود ماژول‌های مختلفی بایستی بکارگیری شود. برای لامپهای معمولی یک ماژول لامپ و یا ماژول رادیویی می‌تواند استفاده گردد. این ماژول‌های با کمک ترایاک لامپ را روشن و خاموش و یا پرنور وکم‌نور می‌نمایند. این ماژولها هیچ صدایی را ندارند و باری بین ۴۰ تا ۵۰۰ وات را کنترل می‌نمایند. برای بارهایی غیر از لامپ‌های معمولی مثل فلورسنت و یا لامپ های متال (دشارژ بسیار سریع) و یا وسایل الکترونیکی ماژول‌های لامپ مناسب نیستند و یک ماژول وسایل برقی بایستی به‌کارگرفته شود. این ماژول‌ها جهت روشن و خاموش کردن وسایل از یک رله Impulse استفاده می‌نمایند. این ماژولها غالباً برای کنترل وسایلی که از آمپر‌های خیلی کم تا حدود ۱۵A را استفاده می‌نمایند استفاده می‌شوند.

بسیاری از ماژول‌ها قابلیت دیگری را بنام کنترل منطقه‌ای ارائه می‌دهند. یعنی اگر ماژول خاموش باشد روشن کردن کلید اصلی دستگاه یا لامپ باعث روشن شدن آن می‌شود بدون اینکه نیاز باشد شما به سراغ دستگاه کنترل کننده X10 بروید. لازم به ذکر است ماژول‌های کلید دیواری این قابلیت را ندارند.

برخی ماژول‌های کلید دیواری قابلیتی را به‌نام کم کردن نور محلی دارند. معمولاً یک کلید لامپ معمولی فقط قابلیت روشن و خاموش کردن می‌دهند تا قابلیت کم نور و پر نور کردن ولی در این کلیدها فشاز دادن و نگه‌داشتن کلید زنگی باعث می‌شود که لامپ کم‌نور و پرنور شود.

کنترل کننده ها :

بازه بسیار گسترده‌ای را از کنترل کننده‌های بسیار ساده تا کنترل کننده‌های بسیار پیشرفته را شامل می‌شوند. ساده‌ترین کنترلها برای کنترل ۴ وسیله X10 طراحی شده‌اند که می‌تواند:

۱) چهار وسیله را کنترل کند

۲) آخرین وسیله انتخابی را کم‌نور یا پرنور نماید

۳) همه را روشن و یا همه را خاموش نماید.

کنترل‌های پیشرفته‌تر می‌توانند وسایل بیشتری را کنترل کرده و یا می‌توانند نقش یک تایمر را ایفا نماید که درزمانهای معینی کارهای از پیش تعیین شده‌ای را انجام می‌دهند. همچنین برخی از این کنترلها می‌توانند به کمک Motion-detector ها یا Photo cell‌ ها چراغ‌ها را روشن یا خاموش نمایند.

نهایتاً کنترل‌های بسایر پیشرفته‌ای نیز موجود هستند که می‌توانند کاملاً برنامه‌ریزی شده و یا برنامه‌هایی که در یک کامپیوتر خارجی نوشته‌شده‌اند را اجرا نمایند. این وسائل می‌توانند بسیاری از فعالیت‌های زمان‌بندی شده را انجام دهند. به سنسورهای خارجی پاسخگو باشند و کاری را به‌صورت یکپارچه و با فشار یک دکمه انجام دهند، مثلاً چراغ‌ها را روشن کنند، سطح روشنایی را تنظیم نمایند و … . برنامه‌های کنترلی برای کامپیوتر‌هایی که تحت ویندوز هستند ، Apple Macintosh‌ ها و یا Linux‌ ها در دسترس هستند.

در این تکنولوژی سیستم‌های هشدار‌دهنده سرقت نیز وجود دارند . در این سیستم‌ها کنترل‌کننده ها از پروتکل‌های X10 استفاده نموده و یا بطور‌عادی سیم‌کشی می‌شوند تا به یک سری از سنسور‌های خارجی که ممکن‌است درها، پنجره‌ها یا سایر نقاط دسترسی را مراقبت می نماید مرتبط شوند. ممکن است کنترل کننده بعد از تشخیص سرقت از پروتکل X10 جهت روشن کردن چراغ‌ها، به صدا درآوردن آژیر و … استفاده نماید.

نقاط ضعف و محدودیت ها :

یک مشکل با X10 فراوانی تضعیف سیگنالها بین دو هادی در سیستم‌های سه سیمه است که در بسیاری از نقاط آمریکای شمالی استفاده می‌گردد. سیگنالها از یک فرستنده بر روی یک هادی فعال امکان انتشار به یک‌هادی دیگر از طریق سیم‌پیچ‌های یک ترانسفورماتور با امپدانس بالا را ندارند. معمولاً هیچ راه‌حل قابل اطمینانی برای ارسال سیگنالها از روی یک فاز بر روی فاز دیگر وجود ندارد. این مشکل ممکن است برای وسایلی که با ولتاژ ۲۴۰ ولت کار می کنند مثل بخاری‌ها و خشک‌کن‌ها پدید آید و باعث خاموش و روشن شدن آنها شود (در این قسمت از مقاله به کشورهایی که ولتاژ برق شهر در آنها ۱۲۰ ولت است و برخی وسایل به‌صورت ۲ فاز با ۲۴۰ ولت کارمی‌نمایند اشاره شده است ). وقتی این دستگاه‌ها روشن می‌شوند یک پل با امپدانس پایین را برای سیگنالهای X10 ، بین ۲ فاز ایجاد می‌نمایند. این مشکل را می‌توان با نصب یک خازن بین فازها برای عبور سیگنالهای X10 مرتفع نمود. بیشتر حرفه‌ای های این محصولات ، یک تقویت‌کننده فعال را بین فازها نصب می‌نمایند. این تقویت‌کننده‌ها در خانه‌هایی که به‌صورت ۳ فاز از برق شهر استفاده می‌نمایند نیز ، جهت انتقال سیگنالهای X10 بین فازها مورد نیاز است. در ایران غالب منازل از یک سیستم ۲۴۰ ولت تک فاز استفاده می‌نماند بنابراین این مشکل احتمال وقوع ندارد.

مشکلات دیگر :

تلویزیون‌ها یا وسایل بی‌سیم ممکن است سیگنالهای On یا Off مجازی تولید نمایند. Noise Filtering (که روی بسیاری از کامپیوتر‌ها یا مودم‌ها نصب می‌شود) می‌تواند به دور نگه‌داشتن این نویز‌ها از سیگنالهای X10 کمک نماید، ولی Noise Filter‌هایی که برای X10 طراحی نشده‌اند ممکن است خود باعث فیلتر شدن سیگنالهای X10 گردند.

ضمناً برخی منابع تغذیه بکاررفته در وسائل الکترونیکی پیشرفته مثل کامپیوتر‌ها، تلویزیون‌ها و رسیور‌های ماهواره سیگنالهای X10 را دراصطلاح می‌بلعند. به‌طور نمونه،‌خازن‌های بکاررفته در ورودی‌های منابع تغذیه این سیستمها سبب ایجاد اتصال کوتاه بین فاز و نول برای سیگنالهای X10 شده و بنابراین باعث توقف سیگنالهای تولید شده توسط آن سیستم و حتی حذف سیگنالهای تولیدشده توسط لوازم نزدیک به آن خواهند شد. فیلتر‌هایی دردسترس هستند که می‌توانند حتی مانع از رسیدن سیگنالهای X10 به چنین دستگاه‌هایی گردند و باعث شوند چنین ایرادات مبهمی در X10 از بین برود.

برخی کنترل‌کننده‌های X10 نمی‌توانند در توان‌های پایین (زیر ۵۰ وات) عملکرد مناسبی داشته‌باشند. یا حتی اصلاً کار نخواهند کرد و یا حتی با وسایلی مثل فلورسنت ها که بار مقاومتی زیادی ندارند مشکل ساز خواهند شد. بکارگیری یک Appliance Module بجای یک Lamp Module این دست مشکلات را مرتفع خواهد نمود.

سیگنالهای X10 فقط می‌توانند یک دستور را در یک زمان ارسال نمایند. اگر در یک لحظه دو سیگنال X10 ارسال شود تداخل بوجود آمده و گیرنده‌ها پاسخ مناسب را نشان نخواهند داد.

Z-Wave چیست؟

-Z-Wave یک پروتکل ارتباطی دوطرفه بی‌سیم است که با اتحاد شرکت دانمارکی Zensys و Z-Wave ارائه شد.این تکنولوژی برای توان‌ها و پهنای باند‌های کم طراحی شده‌است.یعنی برای استفاده در کاربرد هایی مانند Home Automation و یا Sensor Network ها.

Z-Wave یک شبکه با کیفیت بالا را در برابرقیمتی که معادل بخشی از قیمت تکنولوژهای مشابه آن می باشد در اختیار کاربران می‌گذارد که این امر با تمرکز برروی استفاده از پهای باند کم و جایگزینی سخت‌افزارهای گران قیمت با روشهای نرم‌افزاری امری ابتکاری است.گفتنی است که در این تکنولوژی از هیچگونه سیم کشی برای انتقال سیگنالهای کنترلی استفاده نشده و این امر فقط به کمک سیگنالهای RF صورت می پذیرد.

محدوده استفاده از Z-Wave :

Z-Wave عمدتاً‌ از تکنولوژی RF برای Remote control ها استفاده می‌نماید.تکنولوژی Z-Wave با مصرف انرژی کم، انتقال دوطرفه ، تکنولوژی شبکه Mesh و پشتیبانی از “باطری به باطری” گزینه مناسبی برای سنسورها و دستگاه‌‌های کنترلی می‌باشد.

تکنولوژی شبکه Mesh برای Z-Wave می‌تواند دستورات را به‌صورت دو طرفه از یک وسیله به وسیله دیگری منتقل نماید درحالیکه ممکن است موانع و یا نقاط کور رادیویی در محل موجود باشد.

تکنولوژی Z-Wave به‌صورت چیپ ست‌هایی به تنهایی دردسترس است. پروتکل Z-Wave درون چیپ‌ها جاسازی شده‌است. و حافظه Flash جهت تولیدکنندگان این محصولات برای بارگذاری نرم‌افزارهایشان تعبیه شده‌است.

برای راحتی ارائه محصولات طرح‌های از پیش آماده‌ای بر روی برد‌های PCB درکنار چیپ‌های تکی Z-Wave ارائه می‌شود که می توان به برد‌های آنتن‌ و فیلتر‌ها اشاره نمود.

شما می‌توانید به ‌کمک Z-Wave تمامی وسایل خود را حتی زمانی که در خانه نیستید تحت کنترل داشته باشید.  و این امر از طریق یک PC و با کمک اینترنت از هر نقطه از دنیا میسر خواهد بود . حتی با کمک موبایل نیز قادر به انجام بسیاری از این امور خواهید بود.

به‌دلیل اینکه Z-Wave روی فرکانس خاص خود کار می‌کند (که Unic می‌باشد) با هیچیک از دیگر وسایل بی‌سیم مثل تلفن‌های بی‌سیم، روترها و مودم‌ها و… تداخل نخواهد داشت.

از نکته قابل تأمل درخصوص Z-Wave این است که بر روی کلیه سیستم‌های “با سیم” خانه‌ها موجود قابل اجرا بوده و امکانات جدید موجود درخانه‌های نسل بعد را برای شما مهیا می‌سازد.

Z-Wave در برابر X10:

Z-Wave در برخی کاربرد‌ها نسبت به X10 دارای رجحان می‌باشد.در حالیکه X10 سیگنالها را بر روی خطوط قدرت ارسال می‌نماید و یک مبدل RF را به‌صورت انتخابی پیشنهاد می‌دهد، Z-Wave کاملاً برپایه RF استوار است.سیستم‌های Z-Wave بسیار سریعتر از سیستم‌های X10 پاسخگو می‌باشند و یک اعلام وصول را جهت حصول اطمینان از عدم مفقود شدن سیگنال بدون تولید خطا (یعنی در صورت مفقود شدن سیگنال حداقل بایستی خطا اعلام شود.) مطالبه می‌نماید. سیستم‌های X10 تقریباً یک ثانیه زمان برای ارسال دستور نیاز دارند درحالیکه Z-Wave ارسال دستور و اعلام وصول را درزمانی حدود ۵۰ms انجام می‌دهد. تقریباً غالب نقاط Z-Wave خود به‌عنوان یک Repeater نیز عمل می‌نمایند. بنابراین وسیله شما نیازی ندارد که درپوشش کنترل شما قرار گیرد. زیرا تعدادی از وسایل در بین راه نقش قاصد انتقال پیام را بازی می‌کنند.

ضمناً‌ Z-Wave اساساً امنیت بیشتری را نسبت به X10 ارائه می‌نماید. هر کنترلر یک کد ۳۲ بیتی به عنوان home code دارد. وقتی این کنترلر برای یک شبکه استفاده می‌شود. این home code به تمام وسایل و ادواتی که به این شبکه ملحق شوند اختصاص می‌یابد. این قضیه را با X10 که دارای home code 16 یا home code 4 بیتی است مقایسه نمایید. دستگاه‌های Z-Wave پیام‌های ارسالی از home code های دیگر را می‌شوند اما پاسخ و عکس‌العمل به آن نشان نمی‌دهند. یک حمله‌کننده حرفه‌ای قطعاً خواهد توانست یک پیام ساختگی ایجاد کند اما این امر هرگز اتفاقی رخ نخواهد.

توپولوژی و مسیریابی:

Z-Wave از توپولوژی شبکه Mesh کامل استفاده می‌نماید و هیچ نقطه اصلی در شبکه وجود‌ندارد.یک پیام از A به C می‌تواند به موفقیت منتقل شود حتی اگر این دو نقطه یکدیگر را پوشش نمی‌دهند و انتقال از طریق نقطه B بین این نقاط صورت می‌گیرد. اگر یک مسیر مقدم در دسترس نباشد صادرکننده پیام تلاش خواهد نمود مسیرهای دیگری را به سمت نقطه مقصد پیدا نماید. بنابراین یک شبکه Z-Wave می‌تواند پوششی به مراتب بیش از یک واحد آپارتمان (۳۰mچیزی در حدود) را داشته باشد. برای اینکه تجهیزات Z-Wave بتوانند سیگنالهایی را که خودشان صادر نموده‌اند را منتقل نمایند، نمی‌توانند در حالت خواب (Standby)فروروند بنابراین اکثر دستگاههایی که با باطری کار می‌کنند به عنوان یکRepeater انتخاب نمی‌شوند. یک شبکه Z-Wave می‌تواند شامل۱۳۲ واحد باشد (که این تعداد با قابلیت پل زدن بین شبکه‌ها در صورت نیاز به تعداد واحد بیشتر قابل افزایش است) نیازمند باشد.

گستردگی Z-Wave :

پیوستگی Z-Wave شامل یک کنسرسیوم و بیش از یکصد تولید کننده مستقل است که موافقت نموده‌اند که محصولات کنترل وسایل خانگی را بر پایه استاندارد Z-Wave تولید نمایند. اعضاء اصلی شامل : Danfoss، Intel، Intermatic، Leviton، Master Cable، Universal Electronic، Wayne Dalton، Z-Wave، Tensys.

KNX چیست؟

- KNX یک استاندارد بر مبنای مدل OSI بوده و یک پروتکل ارتباطی شبکه است که در خانه‌های هوشمند به‌کار می‌رود. KNX یک جانشین و در ضمن یک یکسو کننده برای سه استاندارد قبلی زیر می‌باشد:

European Home System Protocol (EHS)

Bati BUS

European Installation BUS (EIB)

در حال حاضر استاندارد KNX توسط انجمن Konnex مدیریت می‌شود.

پروتکل KNX :

این استاندارد بر پایه سیستم ارتباطی EIB بوده که با لایه‌های فیزیکی ، شیوه‌های Config و تجارب کاربردی Bati BUS و EHS گسترش یافته‌است.

KNX بستر‌های ارتباطی فیزیکی زیادی را تعریف می‌کند:

۱٫سیم‌کشی با کمک زوج بهم تابیده ( برگرفته از استانداردهای EIB و Bati BUS )
2.شبکه برق ساختمان (برگرفته از استانداردهای EIB و EHS،‌شبیه آن چیزی که X1O عمل می‌نماید.)
۳٫استفاده از امواج رادیویی
۴٫( Ethernet) که با عناوین EIB net/IP و یا KNX net/IP نیز شناخته می‌شود.

• KNX فارغ از هرگونه Platform سخت‌افزاری طراحی شده‌است. یک وسیله در شبکه KNX می‌تواند توسط هرچیزی کنترل شود، از یک میکرو کنترلر ۸ بیتی تا یک PC، که این امر را نیاز خاص آن مقطع تعیین می نماید.

در برخی از نقاط دنیا امروزه KNX درحال رقابت با C-BUS طراحی شده توسط شرکت Clipsal است. اما بیشترین نوع نصب KNX نصب برروی بستر ارتباطی زوج سیم می‌باشد.

C-BUS چیست ؟

- C-BUS یک پروتکل برای اتوماسیون منازل و ساختمانهاست که در استرالیا ، نیوزلند،‌آسیا ، خاورمیانه ، روسیه ، آمریکا ، آفریقای جنوبی ، انگلستان و بخش‌های دیگر از اروپا ، از آن استفاده می‌‌گردد.

C-BUS توسط شرکت Clipal و در بخش سیستم‌های جامع کلیپسال یا همان  (Clipsal Integrated Systems) جهت استفاده در سیستم‌های Home Automation و کنترل روشنایی این شرکت طراحی گردید. امروزه درآمریکا C-BUS تحت نام تجاری Square D نیز مطرح می باشد.

-C-BUS در کنترل سیستم‌های Home Automation به‌خوبی سیستم‌های کنترل روشنایی اقتصادی در سیستم های مدیریت کلان ساختمان یا همان BMS عمل می‌نماید.

بر خلاف پـروتکل عمومی X10 که در یک ‌سری سیگنال‌های اجباری بـر روی خطوط قدرت استفاده می‌نمایند، C-BUS یک کابل اختصاصی ولتاژ پایین یا یک شبکه بی‌سیم دوطرفه را جهت انتقال سیگنال‌های کنترل و فرامین استفاده می‌نماید. این امر اعتبار ارسال دستورات را بیشترکرده و باعث می‌شود C-BUS نسبت به X10 برای ساختمان‌های بزرگ و کارهای تجاری مناسب‌تر باشد.

C-BUS می‌تواند برای کنترل نور و سایر سیستم‌های الکتریکی از طریق ریموت کنترل استفاده شود. و ضمناً می‌تواند با یک سیستم حفاظتی، محصولات صوتی و تصویری یا سایر موارد الکتریکی در تعامل باشد.  سیستم C-BUS در دوحالت با سیم‌ و بدون سیم در دسترس می‌باشد. درگاه (Gateway) جهت ارتباط بین شبکه‌ای با سیم و بدون سیم آن نیز در دسترس است. سیستم با سیم C-BUS از یک کابل Cat5 UTP به‌عنوان بستر ارتباطی بهره می‌برد. سیم‌کشی شبکه با کمک Cat5 در C-BUS از یک ساختار توپولوژی آزاد بهره می‌برد. ماکزیمم طول سیم بکار رفته در C-BUS ،حدود ۱۰۰۰ متر است. با این وجود این متراژ با استفاده از Bridge در شبکه قابل افزایش است. در یک شبکه تا حدود ۱۰۰ دستگاه مختلف قابل نصب است که این تعداد نیز به کمک Bridge ها قابل افزایش هستند.

حداکثر تعداد شبکه‌های C-BUS در یک نصب ۲۵۵ شبکه می‌باشد (توجه داشته‌باشید که این محدودیت اگر از یک واسطC-Bus Ethernet استفاده ‌شود اعمال نخواهد شد، در آن شرایط سیستم فقط محدودیت آدرسIP را خواهد داشت).حداکثر تعداد شبکه‌های متصل شده به‌صورت سری به شبکه محلی از طریق Bridge های شبکه ۷ عدد است (یعنی استفاده از ۶ عدد Bridge)