Умный дом в умном городе

Майским утром 2022 года, до того как вы проснулись, в окружающем цифровом мире произошло множество событий. Датчик сна и пробуждения совместно с умной кроватью зафиксировали ваш режим отдыха. Данные были отправлены через шлюз IoT на облачный сервис, который в свою очередь отправляет отчеты на ваше мобильное устройство.

Двухконтурный котел, система полива домашних растений, системы безопасности и видеонаблюдения обслуживаются другим облачным сервисом, подключенным к распределенной сети Wi-Fi седьмого поколения. У вас нет необходимости в стационарном компьютере как таковом, поскольку смартфон и технологии VR/AR предоставляют более удобную в использовании систему. В арсенале вашего умного дома находится шлюз туманных и граничных вычислений, подключенный к провайдеру интернета 5G и к глобальной паутине. Проводное соединение не соответствует вашему образу жизни, вы мобильны и независимы от места своего пребывания. Можно и дальше развивать эту историю и неважно, сбудется она или нет, но ее близость к современной реальности очевидна.



image


После окончания университета моя основная деятельность тем или иным образом была связана с автоматизированными системами управления производста или транспорта. Кроме того мне всегда была интересна сфера информационных технологий. Концепция интернета вещей позволяет наилучшим образом совместить различные уровни технологий, начиная с конечных устройств, сенсорных сетей и заканчивая машинным обучением и облачными сервисами. Этот материал – проанализированная и отфильтрованная «выжимка» данных с популярных ресурсов и из научной литературы и личного опыта. Она поможет понять масштабы трансформаций и предположить будущее, которое начинается уже сегодня.



Интернет вещей. Введение в тему


Википедия определяет понятие «интернет вещей» следующим образом: «Интернет вещей (IoT) (англ. Internet of Things, IoT) – концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека».


Независимо от того, где происходит выход в интернет, отличительной чертой IoT-системы является то, что тем или иным образом она всегда подключена к всемирной паутине. Благодаря перемещению данных с датчиков, граничных и умных устройств в интернет появляется возможность подсоединить простейшие устройства к устоявшемуся миру облачных сервисов.


Считается, что первую в мире интернет-вещь создал один из отцов протокола TCP/IP Джон Ромки в 1990 году, когда он подключил к сети свой тостер. Но только в нынешнем веке в связи с бурным развитем коммуникационных технологий сформировалась концепция IoT и получила свое практическое воплощение. Термин «интернет вещей», по всей видимости, обязан своим появлением Кевину Эштону, который в 1997 г., работая на компанию Proctor and Gamble, для управления системой поставок применил технологию радиочастотной идентификации (RFID). Благодаря этой работе в 1999 г. его пригласили в Массачусетский технологический институт, где он с группой единомышленников организовал исследовательский консорциум Auto-ID Center.


Наиболее важным отличием IoT от интернета людей являются:


  • фокус на вещах, а не на человеке;
  • существенно большее число подключенных объектов;
  • существенно меньшие размеры объектов и невысокие скорости передачи данных;
  • фокус на считывании информации, а не на коммуникациях;
  • необходимость создания новой инфраструктуры и альтернативных стандартов.

image

Варианты IoT-решений. Полный спектр различных вариантов на всех уровнях IoT-архитектуры

Расширяем горизонты. Умный город


Умный дом является органической частью умного города.


Умный город – это определение, описывающее объединение в общую систему того, что раньше существовало автономно. Умные города меняют к лучшему качество жизни горожан, в частности, в отношении безопасности, защищенности и простоты получения услуг. Например, Барселона и некоторые другие города оборудованы этой системой. Мусорные баки там опустошаются в зависимости от текущей наполненности, а также от времени последнего вывоза мусора. Это позволяет эффективнее справляться с вывозом мусора, задействовать меньше ресурсов, расходовать меньше налогов и при этом своевременно предотвращать появление неприятных запахов. Умные города подчиняются правительственным постановлениям и предписаниям, поэтому этот сегмент имеет точки пересечения с правительственной сферой.


Одной из отличительных черт умного города можно считать большое количество измерительных приборов. В подобных городах необходимо около миллиона экологических датчиков для отслеживания объема потребления электроэнергии, данных о температуре воздуха, условий окружающей среды, качества воздуха, уровня шума и информации о загруженности парковочных мест. Эти особенности – большой объем данных и узкополосную связь – необходимо учитывать при разработке оптимальной IoT-архитектуры.


По концепции издания МСЭ это — «город знаний», «цифровой город», «кибергород» или «экогород» в зависимости от целей муниципального планирования. Умные города в экономическом и социальном аспектах устремлены в будущее. Они ведут постоянный мониторинг важнейших объектов инфраструктуры — автомобильных дорог, мостов, туннелей, железных дорог, метро, аэропортов, морских портов, систем связи, водоснабжения, энергоснабжения в целях оптимального распределения ресурсов и обеспечения безопасности. Такие города постоянно наращивают число предоставляемых населению услуг, обеспечивая устойчивую среду, которая способствует благополучию и сохранению здоровья горожан.


В настоящий момент уже более 2500 различных городов мира реализовали концепцию проектов Smart City в том или ином объеме. К подсистемам умного города можно отнести следующие:



image

  • Геоинформационнная система выполняет роль общей географической платформы для остальных подсистем;
  • Интеллектуальная транспортная система ГИС — оптимизирует дорожный трафик, предоставляя информацию о ситуации на дорогах для городских информационных панелей и и веб-ресурсов. Система управляет работой светофоров в зависимости от загруженности перекрестков, показывает расписание и текущее положение общественного транспорта, расчетное время пути и многое другое;
  • Электронное здравохранение позволяет оптимально и качественно провести анализ состояния пациентов за счет единой электронной базы. Лечащий врач сможет ознакомиться с ранними медицинскими записями, узнать, какие проводились анализы и назначалось лечение в других клиниках. Системы видеоконференции и дистанционного контроля совместно с развитыми системами автоматизированного управления позволят провести консилиум специалистов и даже хирургические операции под удаленным контролем.
  • Подсистема безопасности Safe city основана на взаимодействии всех муниципальных и чрезвычайных служб: полиции, МЧС, энергетических и др. Необходимая информация с ГИС и видеокамер оперативно поступает в командно-ситуационный центр.
  • Электронное образование eEducation позволит студентам посещать лекции сидя за своим компьютером. В связи с мировой тенденцией и последними событиями дистанционное обучение занимает важное место в системе образования. Тема достаточно обширная, достойная отдельной статьи.

Умный город по функциональности можно разделить на следующие области:




Примеры платформ городской инфраструктуры



Общая структура городской инфосистемы


IoT хаб выступает в качестве портала для инфраструктуры Smart City, а также других хабов

Город – по «кирпичикам». Умные здания



Умный дом предназначен для максимально комфортной жизни людей благодаря использованию современных высокотехнологичных средств. Принцип работы системы заключается в автоматизации всего, из чего состоит жилая постройка: освещение, кондиционирование, система безопасности, электроэнергия, отопление, водоснабжение и водоотведение и так далее. К основным подсистемам «умного дома» относятся климат-контроль, освещение, мультимедиа (аудио и видео), охранные системы, связь и другие.


Умное здание (англ. smart building) – это централизованная автоматизированная система контроля и управления за отоплением, вентиляцией, кондиционированием, освещением и другими службами здания. Основа – система управления зданием (BMS, building management system), позволяющая контролировать все вышеперечисленные системы. BMS состоит из программного обеспечения и аппаратной части. Довольно часто система управления зданием поддерживает различные протоколы и стандарты, как C-Bus, LonWorks, Devicenet и др. Умные здания часто выступают в роли одной из составляющих систем умного города. iot.ru/wiki/umnoe-zdanie


В проекте умного дома можно выделить три основные подсети: сеть мультимедийных устройств, сеть электрооборудования и сенсорную сеть. Последняя предполагает наличие датчиков: движения, света, температуры, давления, влажности, утечек и т.п.


В целом умный дом предоставляет его владельцу такие преимущества:



  • снижение потребления ресурсов (газ, вода, электроэнергия);
  • высокий уровень комфорта;
  • обеспечение необходимого взаимодействия всех автоматизируемых систем;
  • снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций;


Требования к системе автоматизации умного дома таковы:


  • Совместимость. Чем более открыта система, тем легче будет обучить устройства управления светом, термостаты, аудио/видео-оборудование, устройства безопасности и другую электронику общаться друг с другом. Чтобы обеспечить совместимость между различными электронными устройствами, изготовители домашних систем автоматизации часто формируют партнерства для создания устройств, совместимых с продукцией другого изготовителя. В итоге продукты могут беспрепятственно общаться с большим разнообразием других систем. Также изготовители автоматизации поддерживают совместимость путем использования в своих системах коммуникационных решений, основанных на технологических стандартах.
  • Удаленный доступ. Возможности удаленного доступа позволяют вам контролировать среду своего дома и изменять параметры настройки света, термостата и иных механизмов с ноутбука, планшета или мобильного телефона через Интернет. Удаленный контроль чаще всего является услугой, которую изготовители оборудования или интеграторы системы предоставляют бесплатно.
  • Использование IP протокола для внешней сети. IP сети уже давно стали международным стандартом. Изготовители могут обеспечить вертикальную и горизонтальную расширяемость, спроектировав системы таким образом, чтобы обеспечивать коммуникации на общем сетевом протоколе.

Различают автоматизацию частных и коммерческих зданий. В коммерческих зданиях автоматизация как правило служит целям голой функциональности и построена на принципах промышленного исполнения, в структуре которой содержатся программируемых контроллеры, развитая шинная сетевая топология и прочее. Структурно схему автоматизации коммерческого здания можно представить как многоуровневую систему.




Структура автоматизированной системы управления

  • Полевой уровень (Field level) представляет собой совокупность сенсоров и исполнительных механизмов, таких как клапаны, насосы.
  • Уровень автоматизации (Automation level) содержит программируемые логические контроллеры (PLC или другой термин DDC – direct digital controller), а также распределенную полевую шину. Устройства (или узлы), которые обмениваются данными через полевую шину или сеть, геометрически расположены и связаны друг с другом определенным образом. Это известно как топология шины или сети.
  • Уровень управления (Management level) – это уровень IT и диспетчерского контроля Human machine interface HMI.

Konnex (KNX), ранее известный как European Installation Bus (EIB), представляет собой промышленную коммуникационную систему управления зданием, в которой используются информационные технологии для подключения таких устройств, как датчики, исполнительные механизмы, контроллеры, рабочие терминалы и мониторы. Технология KNX предназначена для использования в электрических установках для реализации автоматизации процессов в зданиях.


Во многих проектах KNX должны быть реализованы решения для управления освещением, вентиляций, кондиционированием и другими процессами. Сигнал создается датчиком в ответ на нажатие кнопки, а затем отправляется на привод через шину в виде кадра данных. Затем исполнительный механизм подтверждает получение кадра данных и предпринимает действие в соответствии с сигналом, например, переключает реле. Связь происходит между двумя узлами, которые необходимы для реализации управления.





Устройства управления зданием, подключенные через Konnex

Когда мы говорим об автоматизированных функциях в зданиях, часто используются термины автоматизация здания и локальный контроль («building automation», «building control»). На первый взгляд эти термины кажутся синонимами. Для пояснения Ассоциация немецких инженеров определяет автоматизацию здания следующим образом: Автоматизация зданий — это компьютеризированные измерения, контроль и управление инженерных систем здания. Из этого определения мы можем сделать вывод, что локальный контроль является частью автоматизации здания. Автоматизация зданий была впервые реализована в коммерческих зданиях для автоматического управления системами. Систему локального контроля можно представить в виде домашнего термостата для отопления, который совмещает в себе функции различных уровней. Устройство содержит переключатель режимов и контроллер комнатной температуры. Это устройство содержит встроенный датчик и процессор. Датчик отправляет свои показания температуры процессору, который затем обрабатывает информацию. Это также позволяет вам устанавливать и контролировать заданное значение для комнатной температуры.





Иерархическая структура системы локального контроля

В классической структуре автоматизации на верхнем уровне управление осуществляется с помощью системы SCADA, которая представляет собой инструментальную среду для разработки пользовательского интерфейса систем управления и сбора данных. Существенный вклад в открытость систем автоматизации внес стандарт OPC, обеспечивший системным интеграторам широкий выбор аппаратного обеспечения, совместимого со SCADA-системами.


В современных тенденциях развития технологии IoT структура автоматизации здания можно представить в следующем виде:



  • Уровень граничных вычислений — перемещает обработку, близкую к тому месту, где генерируются данные. В случае IoT граничным устройством может быть сам датчик с небольшим микроконтроллером или встроенной системой, способной к WAN-связи. В других случаях граница будет шлюзом в архитектурах с особенно ограниченными оконечными точками, заставляющими шлюз зависать. Граничная обработка также обычно упоминается в контексте «машина-машина», где существует плотная корреляция между краем (клиентом) и сервером, расположенным в другом месте. Edge уровень также включает в себя Field уровень и уровень автоматизации c полевыми шинами обмена данными. Однако технологии IoT расширяют применение сети Field уровня, которые можно свести к двум категориям по физическому: проводные и беспроводные и сетевому уровню: сети на базе IP протокола, сети других стандартов.
  • Сетевой уровень. В терминах IoT представляет собой сеть построенную по стандартам TCP/IP, преимущества которой можно свести к повсеместности, долговечности, масштабируемости и надежности. С точки зрения IoT, приближение IP-адреса к источнику данных соединяет мостом два мира управления данными. Информационные технологии управляют инфраструктурой, безопасностью и обеспечением сетей и объектов в сети. Операционные технологии управляют состоянием и пропускной способностью системы, которая функционирует для производства чего-либо.
  • Уровень облачных вычислений. Понятие «облако» относится к инфраструктуре вычислительных служб, которые обычно требуются по запросу. Набор ресурсов (вычислений, сетей, хранилищ и связанных с ними программных сервисов) может динамически масштабироваться в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от средней нагрузки и качества обслуживания. Облака, как правило, представляют собой крупные центры обработки данных, которые предоставляют клиентам услуги, ориентированные на внешнего потребителя, и модель оплаты за использование.


Архитектура IIoT (Industrial Internet of Things)

Поставщик облачных сервисов находится за пределами граничного устройства IoT и руководит глобальной сетью. Одной из особенностей архитектуры IoT является то, что устройства PAN и WPAN могут не соответствовать протоколу IP. Протоколы, такие как Bluetooth Low Energy (BLE) и Zigbee, не основаны на IP, тогда как все в глобальных сетях, включая облака, основано на IP. Таким образом, роль пограничного шлюза (Edge) заключается в выполнении перевода из одного протокола в другой.





Структура шлюза граничных вычислений

Стоит упомянуть такой немаловажный функцию IoT архитектуры как IoT платформы. Платформы IoT — это ключ к разработке масштабируемых приложений и услуг IoT, которые соединяют реальные и виртуальные миры между объектами, системами и людьми. Тем не менее, поскольку рынок платформы IoT представляет собой действительно новый сегмент, которого несколько лет назад почти не существовало. IoT платформы располагаются на уровне облака и на кривом Edge уровне, в таком случае эти платформы так и называются Edge платформы, функция которых заключается в качестве шлюза, агрегирующего различные протоколы. Для домашней автоматизации существуют готовые open-source решения такие как: www.home-assistant.io, mjdm.ru, и другие.


Согласно IoT Analytics современная IoT платформа состоит из восьми важных архитектурных строительных блоков, которые можно свести в следующую иерархическую таблицу:




Заключение


Существующий ныне Интернет людей принес реальную пользу множеству пользователей, компаний и целых стран. Но сегодня мы вступаем в эпоху, когда Интернет вещей (IoT ) может радикально изменить жизнь каждого жителя планеты, решить множество технических и социальных вопросов. Современные технологические тенденции такие как IoT, общедоступный Wi-Fi, повсеместная сотовая связь, развитые протоколы дальней связи LoRaWAN, беспроводные самоорганизуемые сети способствуют расширению умных городов. Параллельно со «умными» городами развивается тенденция — концепция «умного дома». Умные дома полагаются на информационные и коммуникационные технологии (ИКТ), поднимающие жизненный опыт на новый уровень. Дома становятся подключенными к Интернету и облачным сервисам через интеллектуальные устройства, которые предлагают услуги, начиная от простой информации, такой как прогноз погоды, до интеллектуальных алгоритмов адаптации и оптимизации потребления энергии домом.


Со своей стороны архитекторы и разработчики должны понимать эти современные требования и технологии. Преимущество интернета вещей заключается не в том, что какое-то одно устройство или какая-то одна точка передает данные серверу. Данные передает целая группа устройств, и ценность представляет совокупная информация со всех этих устройств. В любом проекте должен быть заложен потенциал к развитию, это необходимо учитывать при разработке чего-то нового.



Используемые источники информации


  • Перри Ли — Архитектура интернета вещей 2019
  • Giacomo Veneri Hands-On Industrial Internet of Things 2018
  • Hermann Merz Building Automation Communication Systems with EIB/KNX, LON and BACnet second edition 2017
  • Андрей Дементьев «Умный» дом XXI века 2016
  • Michael Stanton Young Smart Home Digital Assistants, Home Automation and the Internet of Things 2018
  • А. В. Росляков Интернет вещей 2015
  • 5 things to know about the IoT Platform ecosystem iot-analytics.com/5-things-know-about-iot-platform
  • Умный город изнутри — взгляд Huawei habr.com/ru/company/huawei/blog/421937
  • Как строить умный город. Часть 1. Проект “Smart Cities andCommunities”
  • Подходы к развитию программы “Умный Город” www.ritm-it.ru/files/iot/complex/umnyj_dom_kvartal_gorod.pdf
  • Morgan Kaufmann Smart Cities and Homes Key Enabling Technologies 2016
EPAM
Компания для карьерного и профессионального роста

Похожие публикации

Комментарии 12

    +2

    Умный город, умный дом все это развити старого доброго КИПиА. Компоненты, протоколы, интерфейсы и связь развиваются и дешевеют. Контроллеры виртуализируются и уходят в облако, а компоненты умнеют… Однако, то что мы видим сейчас и называем это IoT это даже не контуры будущего, это слабый туман в далеке.

      0
      Действительно, история развития IoT берет начало от АСУТП и КИПиА. И скачок развития этого направления дали другие связанные технологии, как, например, описано в статье coolerinsights.com/2012/08/mapping-singapores-infocomm-future. Если выражаться немного другими терминами, то прежде общая концепция называлась М2М — межмашинное взаимодействе, что подразумевало, что автономное устройство напрямую обменивается данными с другими автономными устройствами. Но в ныняшнем времени технологии IoT подразумевают взаимодействие различных М2М узлов и протоколов, таких как беспроводные сети Bluetooth, Wi-Fi, zig-bee, а также многие другие классические проводные протоколы (modbus, canbus и прочие). Также согласно графикам кривой Гартнера концепции и технологии IoT прошли уже пик хайпа.
      0
      Вы же понимаете что в существующих городах это невозможно?
      Все здания уже построены «глупыми» и напичкивание их датчиками не сделает их умными.
      Вы видели как происходит в Китае? Огораживают квартал старых зданий, сносят под ноль, строят новые «гардены», вот в них уже есть какие-то зачатки(далеко не то, что вы указали в статье), но зачатки умности.
      А у нас, да даже и в Москве… Ну, мечтать не вредно, как говорится.
      2122 год, поправьте. Да и то, очень маловероятно. :)
        0
        К сожалению, в данной статье не были расрыты работы и проекты, что ведутся в различных странах и городах. И, конечно же, концепция умного города и как его части дома — это не только множество датчиков в домах. Создание умных городов с нуля задача довольно не простая, и судя по статьям, темпы строительства таких городов сильно отстают от планируемых. Примеры встраивания смарт-технологий в существующие города можно легко найти в поисковике, например today.kz/news/progress/2018-07-04/767548-top-10-samyih-umnyih-gorodov-mira-i-smart-tehnologii-kotoryie-oni-ispolzuyut. Можно также привести в качестве примера проект Remourban по программе Horizon 2020. Проект представляет собой партнерство между тремя городами Ноттингем (Великобритания), Вальядолид (Испания) и Тапебаси/Эскишехир (Турция).Советы Ноттингем включают три раздела: модернизация отопления, транспортные технологии, Поддержка инноваций малыми предприятиями, которые работают по низкоуглеродистым технологиям. Также есть и альтернативное мнение по вопросам умных городов. Профессор ВШЭ Алексей Новиков утверждает: «Умный город это прежде всего самоорганизующееся
        сообщество горожан. Умный город — это самоорганизация бизнеса и людей с помощью технологий.»
        0

        Мне кажется сейчас понятие "умный дом" такое расплывчатое, что под это определение можно подвести всё что угодно.

          0
          Это смотря с какой стороны к этому подходить. Конечно, подключение параметрируемого термостата тоже можно отнести к понятию умного дома. Но в современных реалиях, я думаю этого не достаточно для smart house. Я попытался обзорно описать в статье комплексный подход к системам автоматизации коммерческих зданий и частного дома с примененийм IoT архитектуры.
            0
            Соглашусь с вами. У меня в доме на лестнице стоят два реле с датчиками движения, они включают свет на лестнице на второй этаж. На веранде снаружи дома стоит ряд светодиодных прожекторов с приводом от реле освещенности… Что у меня умный дом..? В каком-то смысле да. Что еще в доме автоматизировать, отопление? Оно давно автоматизировано через автоматические котлы, смесительные узлы, двух- трех — ходовые клапаны и пр… Вентиляция и кондиционирование? Кондиционирование автоматическое из коробки, вентиляция… вы много вентиляционных агрегатов видели в жилых домах? Опять же бытовые VX и VR от Systemair, например, автоматизированы на 100%… И зачем всему этому выход в internet? Чтобы достучаться до хозяина и сказать ему «я сломался» или «я включился»… Про «я сломался» согласен, про аварии дома надо узнавать как можно раньше, про все остальное…
              0
              Тут я с вами тоже согласен насчет того, насколько процентов необходимо автоматизация жилища. Это скорее личный выбор владельца жилья. Я бы это сравнил с личным авто. Кому-то достаточно, что машина может осуществлять движение из пункта А в пункт Б. Другому нравиться автоматическая трансмиссия, и множество других фич, свойственных современным авто. Кому-то — полностью автоматизированный электромобиль. Другими словами все зависит от целей, требований, желаний и возможных ресурсов
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              0
              Вот с умным городом да вопросы есть. Например, контроль/сигнализация затопления колодцев с коммуникациями сильно может снизить расходы бюджета муниципалитетов. Вопрос в том хотят ли они их снижать. В дискуссии я както раз задал вопрос строителю: «Почему вы не используете фибробетон?» «Зачем? Он же уменьшает смету.» Собственно все об умном городе.
                0
                В приведенной статье: «Как строить умный город. Часть 1. Проект “Smart Cities and Communities» автор анализирует конкретные инициативы по инновациям городов ЕС и стран СНГ. Где также приводит критику программы Horizon 2020 и рассматривает современные реалии наших стран. Вопрос инноваций городов очень сложный и комплексный, который необходимо также решать на государственном и муниципальном уровне.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое