Беспроводные технологии и автоматизация зданий

Беспроводная автоматизированная система управления зданиями обладает многими преимуществами по сравнению с проводными системами. Монтаж беспроводной системы обычно обходится дешевле, и ее архитектура во многих случаях обладает большей совместимостью. Расширение и модернизация АСУЗ требует минимального беспокойства пользователей. Ввод беспроводных систем в эксплуатацию требует меньше времени, так как беспроводные сканирующие инструменты упрощают задачу обнаружения проблем и подтверждения установки. Кроме того, беспроводные технологии требуют меньшего объема сырьевых материалов, включая медь, и менее трудоемки при монтаже.

Поэтому, если вы купились на преимущества, предлагаемые беспроводными системами, вам необходимо понять, что беспроводные системы могут быть хороши (и не очень хороши). Нужно уяснить различия между тремя наиболее популярными беспроводными технологиями. Кроме того, следует знать ключевые требования для успешного проектирования и монтажа, а также вопросы безопасности беспроводных систем. Данная статья дает обзор по всем этим вопросам.

Беспроводные принципы АСУЗ

АСУЗ работает на трех уровнях. Верхний уровень – Ethernet (как пример – Ред.), связывающий контроллерные устройства и средства диспетчеризации. Этот уровень также позволяет получать доступ к АСУЗ через Интернет. Второй уровень – это магистральные сети обмена данными и контроллеры. На этом уровне осуществляется связь автоматических контроллеров, выполняющих всю работу, включая контроллеры воздухораспределителей с переменным расходом воздуха и прочее оборудование среднего размера. На третьем уровне расположены исполнительные устройства и датчики.

Исторически наиболее распространены беспроводные технологии на уровне датчиков, такие как средства контроля комнатной температуры. Сейчас получает широкое распространение уровень сетей обмена данными, поскольку он позволяет уменьшить стоимость монтажа и обеспечивает непривязанный доступ к сети. На самом деле, беспроводные технологии используются всеми тремя уровнями сетевых коммуникаций, поскольку верхний уровень также может использовать протокол Wi-Fi.

Беспроводные системы идеально подходят для применения в зданиях, где прокладка проводки затруднена или физически невозможна. Например, беспроводные средства контроля менее разрушительны для декоративных поверхностей, таких как мрамор, гранит или стекло. Другие помещения, где беспроводные технологии могут предоставить преимущества для владельцев и операторов зданий, включают большие открытые пространства, постройки с большими кирпичными или бетонными поверхностями, а также здания с большими потоками посетителей или частыми изменениями режимов эксплуатации.

Три беспроводных технологии

Три популярных беспроводных технологии: Wi-Fi, ZigBee и EnOcean. Коммерческие здания могут выиграть от комбинации нескольких беспроводных технологий на разных сетевых уровнях АСУЗ. Это обеспечивает высокую пропускную способность передачи данных, низкую стоимость и гибкость, предлагаемую каждой из этих технологий.

Полоса пропускания Wi-Fi позволяет обрабатывать большие объемы данных. Хотя эта технология пользуется популярностью, Wi-Fi потребляет больше электрической энергии и является более дорогостоящей, чем EnOcean и ZigBee. Эта беспроводная технология лучше всего подходит для дорогих устройств АСУЗ, представляющих собой верхний уровень сети, и обеспечивает возможность обмена данными между разными зданиями. Wi-Fi работает на частоте 2,4 ГГц и имеет 11 каналов, которые могут определять специалисты отдела информационных технологий для разделения сетей внутри здания.

ZigBee представляет собой беспроводную технологию со средней полосой пропускания, которая потребляет меньшую мощность, чем Wi-Fi. По этой причине она хорошо подходит для уровня связи по коммуникационным сетям обмена данными. ZigBee работает на той же частоте, что и Wi-Fi (2,4 ГГц), однако она рассчитана на работу внутри каналов Wi-Fi. Эти две беспроводные технологии предназначены для взаимодействия без интерференции.

Кроме того, ZigBee предлагает ячеистую сетевую архитектуру (Mesh network), которая является более надежной для коммерческих АСУЗ. Ячеистая сеть является самовосстанавливающейся – преимущество, которого нет у проводных сетей.

Технология EnOcean наиболее популярна в Европе и обладает низким энергопотреблением, позволяющим использовать беспроводные устройства без аккумуляторов. Очень низкая пропускная полоса EnOcean позволяет передавать очень малые объемы данных и работает на других частотах, чем Wi-Fi и ZigBee. Эта технология обычно используется для беспроводных датчиков и выключателей в составе АСУЗ.

Беспроводные сигналы и строительные материалы

Коммерческие здания включают в себя множество разных материалов и архитектурных элементов. Эти физические элементы влияют на беспроводные АСУЗ. Воздух, дерево и гипсокартон являются отличной средой для передачи беспроводных сигналов. Наиболее рентабельны беспроводные системы в больших открытых помещениях с неперекрытыми линиями прямой видимости, таких как спортивные залы и арены. В подобных помещениях беспроводные сигналы обладают намного большим соотношением мощности сигнала к расстоянию передачи.

Беспроводные сигналы также проходят сквозь кирпичные, бетонные и мраморные стены, но расстояние передачи значительно меньше. У большинства беспроводных устройств есть спецификации для передачи сигналов, которые предполагают наличие одной стены между узлами сети. Например, большинство устройств, использующих технологию ZigBee, работает с мощностью 10 мВт (переносной компьютер использует не менее 100 мВт), и сигнал легко проходит сквозь литую бетонную стену. Однако если сигнал от беспроводного устройства должен пройти сквозь несколько стен, можно ожидать 30–50 %-ного уменьшения мощности сигнала на каждую бетонную стену.

Беспроводные сигналы плохо проходят сквозь металл, что необходимо учесть. Двутавровые балки, шахты лифтов и металлические крыши представляют собой примеры металлических препятствий, с которыми часто встречаются беспроводные системы. Одно из неожиданных мест, где встречаются металлические преграды, – это исторические здания, внутри стен которых зашита в штукатурку металлическая сетка. В этом случае сигнал будет плохо проходить сквозь стены. Поэтому для беспроводных систем лучше выбирать помещения со свободной линией обзора, такие как помещения на открытом воздухе и коридоры.

Хорошая новость заключается в том, что большинство коммерческих зданий построены из материалов, вполне подходящих для беспроводной связи. При монтаже беспроводных систем важно учесть материалы, используемые для строительства внутренних стен. Хотя металлические преграды встречаются довольно часто, есть общепринятые правила, которые позволяют системам беспроводной связи надежно работать в коммерческих зданиях.

Расстояние передачи и количество переходов (hop counts)

Максимальное расстояние передачи беспроводного сигнала ограниченно. По этой причине во многие беспроводные устройства встроены индикаторы мощности сигнала, которые помогают на этапе монтажа беспроводной системы без необходимости использовать дорогостоящие инструменты. Среднее расстояние, на котором беспроводные устройства сохраняют работоспособность, в большинстве сред составляет 15 м, но на открытых пространствах может достигать 76 м.

Беспроводные устройства, использующие технологии ZigBee и Wi-Fi, имеют ограниченное количество переходов между беспроводными узлами. Например, данные о температуре в нескольких помещениях могут пройти через пять устройств переменного расхода воздуха на пути передачи. Это считается пятью переходами. Если поставщик беспроводной системы рекомендует использовать только четыре перехода, один придется удалить. Технология EnOcean является двухточечным беспроводным решением и не поддерживает многоточечные переходы внутри сети.

Беспроводные АСУЗ и иные сети

Большинство беспроводных сетей способны сосуществовать с другими беспроводными сетями внутри коммерческого здания. Один из методов реализации этого – передача сигнала АСУЗ с очень малой мощностью (10 мВт) – снижает вероятность интерференции с устройствами, работающими на тех же частотных каналах.

Для разделения разных типов применения беспроводные системы работают на лицензионных частотных полосах. В каждой частотной полосе могут работать только устройства, специально предназначенные для данных частот. Например, полицейские радиостанции не могут создавать помехи для медицинских телеметрических устройств, так как работают на двух разных лицензированных частотах.

Большинство устройств, использующих технологии ZigBee и Wi-Fi, работают на частоте 2,4 ГГц, которая также известна как частотная полоса для измерительных приборов и медицинского оборудования (ISM). На этой частоте работают многие типы устройств, так как же они могут функционировать вместе без создания помех? Помните, что частотная полоса задает диапазон каналов. Для ZigBee в частотной полосе ISM 2,4 ГГц задано 16 каналов, от 2,405 до 2,480 ГГц. В Wi-Fi в этой полосе есть 11 пересекающихся каналов, от 2,412 до 2,462 ГГц. Каналы ZigBee более узкие, чем в Wi-Fi, сеть можно настроить с передачей данных между устройствами ZigBee (в промежутках) через каналы Wi-Fi. Большинство устройств ZigBee автоматически выбирают эти «тихие каналы» во время запуска сети; однако их можно перенастраивать вручную, чтобы отдел информационных технологий мог контролировать каналы беспроводных сетей внутри здания.

Безопасность и надежность беспроводных сетей

Беспроводные технологии достигли такого уровня, когда беспроводная АСУЗ может быть так же надежна и безопасна, как и проводная система. Беспроводные предложения на рынке становятся все более устойчивыми и конкурентоспособными. Ниже приведены некоторые элементы, которые следует учесть при развертывании беспроводных АСУЗ.

Большинство беспроводных сетей рассчитаны на сосуществование с другими беспроводными сетями, работающими в коммерческом здании. Для снижения интерференции с сетями Wi-Fi беспроводные решения АСУЗ передают данные на малой мощности. Это способствует повышению надежности обеих систем.

Беспроводные технологии не должны ставить под угрозу безопасность систем здания. Поэтому сети должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить их безопасность при подключении к другим системам, и включать в себя современные средства безопасности. Беспроводная АСУЗ может включать в себя средства безопасности, содержащиеся в таких технологиях, как ZigBee, BACnet и TCP/IP, и включающие в себя шифрование данных, двухстороннюю аутентификацию и надежное управление ключами доступа. Правильная реализация этих технологий обеспечивает надежность передачи данных для операторов систем.

Беспроводная сеть АСУЗ обычно изолирована от магистральной информационной сети. Системы управления АСУЗ позволяют пользователям активировать или отключать маршрутизацию между разными уровнями сети, эффективно блокировать сообщения беспроводной сети АСУЗ от маршрутизации в информационные сети. Даже если хакер попробует воспользоваться беспроводной АСУЗ для атаки на информационную систему, эта блокировка может защитить данные в обеих сетях.

Кроме того, атакующие смогут получить только незначительное количество данных из беспроводной сети АСУЗ с регулярными промежутками. Расшифровка этих данных для получения полезной информации требует знания, как собирать случайные пакеты данных, а также близкого знакомства с каждым устройством в беспроводной сети.

Ограничения применения беспроводных сетей

Ограничения часто применяются в беспроводных сетях в определенных местах, таких как больницы. Около операционных ограничено использование мобильных телефонов. Любое место, где применяется ограничение использования мобильной связи, не является хорошим местом для развертывания беспроводных сетей.

Требования к электропитанию

Термин «беспроводной» не всегда означает «не требует электропитания». Беспроводные контроллеры систем автоматизации зданий и беспроводные повторители требуют наличия источника переменного тока. Установка беспроводных повторителей в беспроводных АСУЗ также влечет за собой некоторые расходы на электроэнергию.

Большинство доступных сегодня на рынке беспроводных датчиков, работающих от батареек, имеют срок службы четыре–пять лет и используют недорогие стандартные батареи. Большинство датчиков автоматически сообщают, когда батарея разряжается. Учтите, что простые устройства, такие как выключатели и датчики, могут собирать энергию для работы без батарей.

Подготовка к установке беспроводной системы

Все монтажные работы начинаются в инженерном отделе с использованием чертежей и информации об арендаторах. Если известно, как арендаторы используют помещение, инженерная группа может рекомендовать решение, обладающее максимальной гибкостью. Существующие здания, требующие реконструкции, могут выиграть от специальных осмотров на месте с использованием чек-листов.

Инженеры должны рассмотреть ожидаемые изменения в здании на протяжении всего срока его службы. Не следует устраивать беспроводную связь между этажами, поскольку во многих случаях проектировщики системы не могут контролировать, что находится этажом выше или ниже. Например, пользователи могут передвинуть металлический шкаф так, что он будет блокировать сигнал, передаваемый на беспроводное устройство на соседнем этаже.

Большинство беспроводных систем сопровождаются информацией о расстоянии передачи между беспроводными устройствами и встроенными индикаторами уровня мощности радиосигнала. Эта информация полезна для проведения осмотров на месте, а также во время и после монтажа системы.

Независимо от того, является ли система беспроводной, проводной или гибридной, лучше всего привлечь всех заинтересованных лиц на ранней стадии процесса, чтобы понять их ожидания и цели. Инженеры и подрядчики должны знать, какие системы уже имеются в существующем здании или планируются для нового здания. На начальной стадии процесса привлеките интегратора систем АСУЗ, чтобы убедиться, что проект системы соответствует бизнес-целям.

Беспроводные сети способны заменить проводные системы в большинстве зданий. Основной стимул продвижения беспроводных систем – потребность в контроле оборудования для повышения эффективности.

Современные беспроводные системы автоматизации зданий осуществляют подключение нескольких уровней сети, устройств диспетчеризации, контроллерного оборудования, датчиков комнатной температуры, а также других коммуникационных устройств. Беспроводные технологии можно интегрировать на одном или всех уровнях инфраструктуры АСУЗ. Это позволит обеспечить гибкость управления, простоту модернизации и сокращение времени монтажа.

Литература

1. Patrick Harder. A Guide to Wireless Technologies // ASHRAE Journal – 2011. – February.
2. СТО НП «АВОК» 8.2–2008 «Комплекс систем интеллектуализации малоэтажных и коттеджных зданий».  М. : ООО ИИП «АВОК-ПРЕСС», 2008.
3. IEEE Std. 802.15.4–2006 (Revision of IEEE Std. 802.15.4–2003). – New York : IEEE, 2006.
4. IEEE Std 802.11–2007 (Revision of IEEE Std 802.11–1999). – New York : IEEE, 2006.

Статья подготовлена по материалам журнала ASHRAE.
Научное редактирование выполнил В. В. Ильин, эксперт по автоматизированным системам управления зданиями, ООО «Лой энд Хутц Рус», otvet@abok.ru.