Беспроводная технология в системах жизнеобеспечения зданий

Будут ли устройства управления системами ОВК беспроводными?

J. Wills

Наблюдая за все более увеличивающимся использованием беспроводных устройств в сотовой телефонии, компьютерных сетях и в «карманных» компьютерах, инженеры систем автоматизации зданий все чаще задаются вопросом: «Не будет ли со временем беспроводная технология доминировать в индустрии систем ОВК и систем управления зданиями, и если да, то каким образом это может сказаться на моем здании?»

Частичным ответом на этот вопрос, по крайней мере на ближайшее будущее, является то, что беспроводные технологии управления системами ОВК могут обеспечить ощутимые преимущества для инженеров, проектировщиков и владельцев зданий. Однако только время сможет решить, будет ли принята эта технология и станет ли она существенной частью индустрии систем ОВК и автоматизации зданий.

В настоящее время никакие из беспроводных устройств управления не являются ощутимой частью систем ОВК и не могут рассматриваться в качестве реальной альтернативы традиционным решениям. С другой стороны, беспроводная технология уже не может просто не приниматься во внимание. Хотя каждое здание имеет собственный определенный набор требований, наиболее разумное решение управления зданием может включать в себя сбалансированное сочетание проводных и беспроводных устройств, интегрированных в единую систему для обеспечения оптимальной производительности и снижения затрат.

Что такое беспроводные системы?

Наиболее простым образом беспроводное решение можно определить как возможность инициировать действия или осуществлять связь при помощи радиочастотных (RF) или инфракрасных сигналов, в противоположность традиционным проводным соединениям. Для выполнения какого-либо действия необходимы, по крайней мере, два устройства: передатчик и приемник (одно из них или они оба могут работать как приемопередатчики). Началом RF-технологии можно считать изобретение радио, но вплоть до недавнего времени эта технология не применялась при автоматизации инженерных систем зданий. Как отмечают некоторые специалисты, несмотря на происходящие значительные изменения во многих отраслях промышленности, в индустрии средств управления зданиями беспроводные устройства пока еще не находят ощутимого применения.

Концепция беспроводной связи и управления определенно привлекательна, но это само по себе не может служить стимулом для принятия и широкого распространения этой технологии – по крайней мере, среди инженеров, устанавливающих требования для инженерных решений. Стимулом распространения беспроводных устройств могут быть экономические преимущества и возможность их перемещения в том случае, когда требуется изменение внутренней планировки здания в соответствии с потребностям жильцов и арендаторов.

По сравнению с проводной технологией, основными преимуществами беспроводных решений являются быстрая и удобная установка, низкие затраты и мобильность персонала, обслуживающего системы. Установка производится гораздо быстрее, т. к. здесь нет необходимости протягивать провода и/или устанавливать кабельные каналы. По сравнению с проводными устройствами, экономия затрат на установку беспроводных устройств может варьироваться в большом диапазоне, т. к. на нее оказывают значительное влияние тип и длина необходимых проводов, а также удобство прокладки проводов (например, прокладка в новом или в реконструируемом здании). Отказ от проводов сводит также к минимуму строительные работы в помещениях с людьми, что особенно важно при реконструкции, протекающей в рабочее время. Беспроводная технология предоставляет также персоналу свободу передвижения в здании и дает ему возможность не быть привязанным к рабочей станции или терминалу.

Легче производится реконфигурация рабочих помещений, т. к. беспроводные датчики могут устанавливаться почти в любом месте (в пределах чувствительности приемника). Существует множество ситуаций, особенно при реконструкции, когда прокладка проводов очень дорогая, например, при прокладке в бетонных конструкциях, или невозможна, например, в стеклянных или мраморных стенах или на дорогостоящих поверхностях, которые нельзя повредить (см. врезку «Беспроводной ресторан»).

В индустрии устройств управления системами ОВК имеются используемые в разной степени четыре вида беспроводной технологии: узкополосная, широкополосная, сверхширокополосная и инфракрасная технологии. Большинство беспроводных устройств, которые впервые применялись в сети управления зданием, использовали узкополосную технологию, означающую, что RF-сигнал излучается в очень узком сегменте спектра радиочастот. Другими примерами узкополосных устройств являются сотовые телефоны, пейджеры, радио- и телевизионные приемники.

Широкополосные и сверхширокополосные излучающие устройства, а также устройства с расширенным спектром излучают сигнал в широком диапазоне частот. Затем такой «широкий» сигнал декодируется в приемнике.

Одним из преимуществ передачи данных в широком спектре является то, что устройства могут работать в той же среде, что и устройства, использующие другие технологии и работающие в той же полосе частот. Прямая последовательность и скачкообразные перестройки частоты представляют собой две формы передачи RF-сигнала в широком диапазоне.

Инфракрасная технология используется уже в течение многих лет и преобладает в секторе дистанционных устройств управления для бытовой электронной техники. Вследствие ограничения, связанного с возможностью работы только на линии прямой видимости, и менее выраженных экономических преимуществ решения с использованием инфракрасной техники в зданиях не так часты, за исключением определенных специальных приложений.

Беспроводные технологии могут классифицироваться по типам их использования, например: 1) сети личного пользования, в которые могут подключаться устройства Bluetooth, головные телефоны, PDA, принтеры, клавиатуры и т. д.; 2) локальные сети, такие как WiFi (для подключения компьютеров, PDA и т. д.); 3) городские сети для сотовых телефонов, устройств Blackberry® и т. д.

Рисунок 1. Тип подключения «один к одному»: каждый беспроводной датчик в помещении производит обмен данными с определенным контроллером или приемником

Рисунок 2. Тип подключения «один ко многим»: один беспроводной датчик в помещении производит обмен данными с несколькими контроллерами или приемниками

Рисунок 3. Тип подключения «многие к одному»: несколько беспроводных датчиков в помещении производят обмен данными с определенным контроллером или приемником, который затем направляет данные в соответствующее устройство управления

Беспроводной датчик в помещении

Наиболее часто используемым беспроводным устройством управления системами ОВК является беспроводной датчик температуры в помещении, взаимодействие которого с приемопередатчиком осуществляется по RF-связи. При приеме информации от датчика приемопередатчик немедленно передает ее на контроллер конечного устройства, например, на контроллер устройства с переменным или с постоянным расходом воздуха, для выполнения нужного действия. Беспроводные датчики температуры в помещении в основном используются для того, чтобы избавиться от необходимости протягивать провода между обычными датчиками в помещении и соответствующими контроллерами.

Большинство беспроводных датчиков температуры делятся на три типа в зависимости от характера подключения: «один к одному», «один ко многим» и «многие к одному» (рис. 1, 2, 3). При подключении «один к одному» беспроводной датчик температуры сигнализирует одному контроллеру, при подключении «один ко многим» один датчик передает информацию многим контроллерам, при подключении «многие к одному» несколько беспроводных датчиков пересылают информацию одному контроллеру.

Обычный беспроводной датчик запитывается от батарейки со сроком службы от двух до пяти лет. Как правило, датчик обычно имеет собственную антенну, надежно скрытую в корпусе и, возможно, встроенную в печатную плату устройства. При помощи приемопередатчика беспроводной датчик осуществляет связь с контроллером, который может быть расположен над потолком в пределах радиуса действия датчика.

Так как беспроводной датчик температуры выполняет большинство из функций беспроводной связи в сети на одном этаже здания или на обширном пространстве, благодаря беспроводным решениям, в обычной системе ОВК появляются дополнительные возможности.

Другой часто используемой сферой применения беспроводных устройств является удаленная беспроводная передача с датчика таких данных, как расход воздуха, влажность, температура и других параметров, не свойственных беспроводному датчику температуры, в систему автоматизированного управления зданием. Так же как и для комбинации беспроводной датчик - контроллер, такая передача наиболее часто осуществляется по схеме «один к одному» или «один ко многим» на уровне здания или автоматизированной системы. Некоторые устройства в настоящее время используют беспроводные подключения к сети Ethernet (с использованием протоколов TCP/IP или BACnet IP). Все более популярным становится использование в системах многих зданий стандартных беспроводных устройств для подключения к Ethernet (устройства Wi-Fi или 802.11х). В некоторых случаях такие устройства могут обеспечивать беспроводное подключение устройств системы автоматизированного управления.

Ограничения, которые следует учитывать при применении беспроводных устройств

Несмотря на то, что беспроводная технология является очень перспективной, она не может решить всех проблем управления системами ОВК. Невозможно, чтобы одни и те же вещи подходили всем пользователям. Поэтому беспроводную технологию следует рассматривать не как цель, а как средство, помогающее инженерам наиболее экономичным образом достичь целей по обеспечению комфортных условий внутренней среды в здании.

В сущности, беспроводная технология быстро стала мощным инженерным инструментом. Поэтому инженерам и тем специалистам, которые определяют основные параметры системы управления жизнеобеспечением здания, предусматривающей применение новой технологии, очень важно понять возможности беспроводных устройств и ограничения, возникающие при их использовании.

Прежде всего, большинство современных беспроводных датчиков температуры, использующих для связи радиочастоту, имеют ограничение по расстоянию, обычно выражающееся дистанцией приблизительно 30 м, хотя это расстояние может быть увеличено при помощи ретрансляторов. Препятствия и находящиеся вблизи некоторые материалы, например сплошные металлические стены или камеры, бетонные стены или полы, могут иногда ослабить или даже полностью заблокировать сигнал. Поэтому размещение устройства может стать непростой задачей.

Например, при установке беспроводного датчика на стене, содержащей крупную балку из конструкционной стали, расстояние уверенной связи устройства может сократиться на 50 %.

Организации, предлагающие успешные беспроводные решения, имеют возможность за дополнительную плату провести предварительное обследование на месте для размещения устройства, обеспечивающего надежную связь. Такое обследование может производиться при помощи ручного инструмента, если здание уже существует, или на основании схем и чертежей строящегося здания.

Беспроводные устройства могут быть также чувствительными к радиопомехам от других беспроводных сетей, работающих в той же полосе частот: от беспроводных телефонов, широкополосных передатчиков, микроволновых печей, радиопереговорных устройств и др.

Некоторые специалисты в области систем управления инженерным оборудованием зданий полагают, что питание беспроводных устройств от батареек может быть как ограничением, так и преимуществом. Потребление энергии и срок службы батареек определяются тремя основными факторами: 1) объемом передаваемой и/или принимаемой информации; 2) расстоянием, на которое нужно передавать эту информацию, т. к. это расстояние непосредственно влияет на необходимую мощность передачи; 3) частотой выполнения или длительностью цикла передачи данных, например, раз в 10 секунд или раз в минуту.

При задании срока службы батарейки следует принимать во внимание месторасположение устройства и насколько оно удобно для замены батарейки.

Наряду с этим, некоторые специалисты видят проблему во влиянии, которое может оказывать низкое напряжение батарейки на непрерывную работу важного оборудования и компонентов системы. Однако в основном эта проблема решается при своевременном оповещении о низком напряжении батарейки для того, чтобы заранее обратить на это внимание, пока низкое напряжение не стало проблемой. Кроме того, большинство профилактических программ должны включать в себя процедуры проверки и технического обслуживания, предотвращающие проблемы с низким напряжением батарейки.

«Беспроводной ресторан»

Проектировщики ресторана, вращающегося на крыше отеля Hyatt в Фениксе, при работе над проектом не учли влияния солнца на температуру внутри здания при каждом обороте ресторана, совершаемого за один час. Разница температуры в помещении на солнце и в тени равнялась около 9,4 °С, что вызывало ощутимый дискомфорт для посетителей и персонала ресторана. Проблема была настолько остра, что ежедневно поступало 35—40 жалоб. Основная причина таких колебаний температуры заключалась в том, что термостаты были установлены на внутренних, невращающихся стенах ресторана, вдалеке от мест, где сидели посетители, и, таким образом, были отгорожены от зон с действительной температурой ресторана.

Известно, что перемещение обычных датчиков и выполнение для них проводной разводки слишком дорого и практически невозможно.

В качестве решения было предложено снять имеющиеся термостаты и установить новые беспроводные датчики температуры в помещении, один на каждую зону ресторана.

Беспроводные датчики были быстро и без труда установлены на поверхности вращающихся стеклянных стен, откуда они могли передавать на радиочастоте сигналы точной температуры в этой зоне на приемники, установленные в контроллерах конечного оборудования на потолке. Эти контроллеры управляют воздухораспределителями с переменным расходом воздуха, регулирующими воздушные потоки в каждой зоне, и предоставляют оперативные данные системе автоматизации здания.

Исходная разница температуры — 9,4 °С — снизилась до 0,8 °С, и резко сократились жалобы, связанные с дискомфортом в помещении ресторана.

По сравнению с проводной технологией, основными преимуществами беспроводных решений являются быстрая и удобная установка, низкие затраты и мобильность персонала, обслуживающего системы.

Беспроводную технологию следует рассматривать не как цель, а как средство, помогающее инженерам наиболее экономичным образом достичь целей по обеспечению комфортных условий внутренней среды в здании.

Проблемы внедрения беспроводной технологии

Внедрение в системы ОВК беспроводных устройств является новой технологией. Инженерам следует следить за последними разработками в этой области, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, беспроводные устройства и сети найдут свое применение в системах управления зданиями. Поэтому инженеры должны быть хорошо знакомы с такими разработками, чтобы понимать, как и при каких условиях они будут использоваться в системах автоматизации жизнеобеспечения зданий. Во-вторых, несмотря на то, что в настоящее время стоимость беспроводных устройств высокая, со временем она будет снижаться. Как только эта технология достигнет достаточной степени совершенства и как только она будет признана в среде инженеров и проектировщиков систем ОВК, производители со временем снизят цены на свои изделия до конкурентного уровня.

Другой насущной проблемой систем ОВК и систем управления зданиями в настоящее время является проблема стандартов и их влияния на принятие беспроводной технологии. Совершенно ясно, что для того, чтобы беспроводная технология стала практической возможностью в системах управления зданиями, необходимо последовательное обсуждение соответствующих стандартов.

Рисунок 4. Двухточечная связь. Центральная точка сбора данных связывается по беспроводной связи со многими датчиками (подключение типа «многие с одним»). С датчиками, находящимися вне радиуса действия, связь осуществляется при помощи одного или нескольких ретрансляторов

Рисунок 5. Схема ячеистой сети. Контроллер или приемопередатчик связывается с соседними датчиками, которые могут быть «маршрутными узлами». С датчиками, находящимися вне радиуса действия, связь осуществляется при помощи маршрутных узлов (ретрансляторы не требуются)

Беспроводные ячеистые сети

Обсуждение беспроводной технологии было бы неполным без упоминания о беспроводных ячеистых сетях. В журнале «PC Magazine» редактор Себастьян Рапли (Sebastian Rupley) подробно останавливается на этих необычных разработках: «Эти беспроводные чудеса бесконечны. В этих ячеистых сетях чем больше точек подключения, тем лучше».

Суть беспроводных ячеистых сетей заключается в том, что в них отсутствует центральное управляющее устройство (рис. 4 и 5). Вместо него каждый узел наделен возможностями радиосвязи и действует как передающая точка или маршрутизатор для других узлов.

«Ячеистые сети могут быть более надежны, чем сети другого типа, т. к. если один из узлов выходит из строя, остаются работоспособными другие узлы», – говорит Роберт Пур (Robert Poor), один из основателей внедрения беспроводных ячеистых сетей в среды, неблагоприятные для радиосвязи.

Топология беспроводных ячеистых сетей, разработанная в Массачусетском технологическом институте для промышленных систем управления и контроля, является двухточечной системой или архитектурой равноправных узлов, называемой многозвенной сетью. Узел такой сети может посылать и принимать сообщения, а также может действовать как маршрутизатор и передавать сообщения своим «соседям». При помощи процесса ретрансляции пакет беспроводных данных находит свой путь к месту назначения, проходя через несколько промежуточных узлов по надежным каналам связи.

Для практического внедрения ячеистых сетей в современные системы автоматизации зданий необходимо выполнить еще большую работу. Однако несомненно, что эта задача будет со временем выполнена.

Заключение

Существующие беспроводные решения обеспечивают ощутимые преимущества в системах управления зданиями. Наша промышленность находится в начальной стадии технологических усовершенствований в области беспроводных устройств, способных решить множество задач, с которыми мы сталкиваемся при реализации решения управления и контроля зданий. По мере внедрения новой технологии для инженеров и специалистов в области ОВК важно быть в курсе новейших разработок и методов их приложений, влияющих на производительность и экономичность систем жизнеобеспечения зданий.

Перевод с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено А. А. Максименко, ученым секретарем комитета НП «АВОК» «Интеллектуальные здания и информационно-управляющие системы».