EP 2005_12.pdf

System automatyki inteligentnego budynku

System automatyki

inteligentnego

budynku, część 1

Gwałtowny rozwój

mikroelektroniki i systemów

mikroprocesorowych, który miał

miejsce w ostatnich latach

spowodował, że coraz więcej

urządzeń powszechnego użytku

zyskuje dodatkowe cechy

użytkowe, których uzyskanie

nie byłoby możliwe bez

wykorzystania połączenia części

sprzętowej z oprogramowaniem.

Dodatkowo, coraz więcej takich

urządzeń potraﬁ współpracować

ze sobą wykorzystując różnego

rodzaju media komunikacyjne,

co w rezultacie staje się

przyczynkiem powstawania

inteligentnego otoczenia,

w którym żyje człowiek. Bardzo

popularną tendencją staje się

obecnie projektowanie systemów

sprzętowo–informatycznych

pozwalających na realizację idei

inteligentnych mieszkań, domów

czy biur.

Rekomendacje:

w artykule przedstawiono projekt

układu sprzętowego oraz

odpowiednie oprogramowanie

przeznaczone do budowy

systemu automatyki. Zwrócono

jednak szczególną uwagę

na aplikacje związane

ze sterowaniem urządzeń

wchodzących w skład obiektów

mieszkalnych, biurowych i tym

podobnych – w celu stworzenia

struktury inteligentnego budynku.

Artykuł jest przeznaczony

dla wszystkich Czytelników

– zarówno tych, którzy planują

konstrukcję podobnego systemu,

lub po prostu zainteresowanych

nowymi zastosowaniami

elektroniki.

Podstawową cechą prezentowane-

go systemu jest jego uniwersalność.

W celu jej zapewnienia przewidzia-

no możliwość zmiany oprogramowa-

nia części nadzorczej, pozwalającą

na zmianę sposobu działania syste-

mu. Rozwiązanie to umożliwia rów-

nież zaprojektowanie i dołączenie do

systemu nowych komponentów.

Działanie części sprzętowej zosta-

ło oparte o mikrokontrolery rodziny

'51 oraz o inne specjalizowane ukła-

dy scalone. Dobór konkretnego typu

mikrokontrolera do realizacji danego

modułu następował na drodze oceny

jego możliwości obliczeniowych po

przeanalizowaniu złożoności algoryt-

mu sterowania rozważanej aplikacji.

Jako mikrokontroler nadrzędny (ste-

rujący pracą modułu nadrzędnego)

zastosowany został mikrokontroler

DS89C450 ﬁrmy Maxim, dysponujący

obecnie jedną z największych mocy

obliczeniowych wśród mikrokontro-

lerów kompatybilnych ze standardo-

wym 8051. Wybór mikrokontrolerów

rodziny '51 został podyktowany ich

popularnością. Nic jednak nie stoi

Inteligentny dom

Idea inteligentnego domu jest

implementowana na wiele

różnych sposobów, spośród

których największe uznanie

(w skali przemysłowej) zyskał

system EIB. Niezależnie od

wykorzystywanych mediów,

idea pozostaje taka sama:

zintegrowanie systemów ste-

rowania oraz zautomatyzo-

wanie obsługi wszelkiego

rodzaju urządzeń domowych.

Jedną z możliwych realizacji

tej idei przedstawiamy w ar-

tykule.

Elektronika Praktyczna 12/2005

P R O J E K T Y

System automatyki inteligentnego budynku

na przeszkodzie, aby podobny system

został zbudowany w oparciu o innego

rodzaju mikrokontrolery, zwłaszcza,

że oprogramowanie napisane w języku

C może być łatwo przeniesione na

platformy inne niż '51 – oczywiście

w takim przypadku będzie konieczna

przeróbka układów sprzętowych.

konieczności wprowadzania jakie-

gokolwiek urządzenia nadzorczego.

Dodatkową zaletą tego typu instala-

cji jest możliwość działania części

systemu w przypadku uszkodzenia

linii transmisyjnej. Duża elastycz-

ność konﬁguracyjna rozproszonych

układów sterowania jest okupiona

niestety koniecznością stosowania

skomplikowanych protokołów komu-

nikacyjnych, zapewniających bezkoli-

zyjną i pewną transmisję danych.

turalnego, jak również rozwiązania

układowe wykorzystane do budowy

współpracujących modułów tworzą-

cych wspólnie kompletny system

automatyki. Na rys. 1 przedstawio-

no schemat blokowy systemu opi-

sywanego w tym artykule. Przedsta-

wiony system składa się z modułu

nadrzędnego (Master) oraz trzech

modułów podrzędnych (Slave).

Architektury systemów

automatyki

Tendencja budowania nowocze-

snych budynków wyposażonych w in-

teligentne systemy automatyki wymu-

siła na dostawcach sprzętu elektro-

nicznego i producentach mikrokon-

trolerów opracowanie odpowiednich

technologii mogących sprostać tego

typu zadaniom. Nie wnikając w moż-

liwości funkcjonalne konkretnych

systemów, warto zwrócić uwagę na

występujące wśród nich architektury.

Medium transmisyjne

Standardowym i obecnie ciągle

najczęściej stosowanym rozwiązaniem

jest transmisja danych przy użyciu

przewodów. Transmisja przewodowa

wymaga jednak budowy instalacji

połączeniowej pomiędzy wszystkimi

elementami systemu, co nie zawsze

jest tanie i proste. W przypadku bu-

dynków nowo budowanych (zwłasz-

cza o przeznaczeniu biurowym czy

komercyjnym) wyposaża się je

w okablowanie strukturalne zapew-

niające transmisję danych również

dla układów automatyki.

Alternatywą do stosowania po-

łączeń przewodowych jest wykorzy-

stanie do transmisji danych sieci

energetycznej 230 V (technologia

PLC). Dzięki odpowiednim ukła-

dom transmisyjnym można za po-

mocą instalacji elektrycznej prze-

syłać dane w obrębie całego bu-

dynku. Wadą takiego rozwiązania

jest zazwyczaj niewielka prędkość

transmisji. W przypadku stosowania

skomplikowanych technik modula-

cyjnych ograniczenie to co prawda

może być wyeliminowane, jednak

pojawia się wówczas niebezpieczeń-

stwo działania instalacji elektrycznej

budynku w charakterze anteny emi-

Nasz system – konﬁguracja

mieszana

Zalety i wady poszczególnych

systemów dają się łatwo grupować

i wzajemnie eliminować, tworząc

w ten sposób układ o pożądanych

w danym momencie cechach. Naj-

częściej stosuje się połączenie sys-

temów rozproszonych i systemów

Master–Slave. Zazwyczaj stosuje się

w takich rozwiązaniach komunikację

opartą o strukturę pytanie–odpowiedź,

co eliminuje możliwość występowa-

nia kolizji w kanale transmisyjnym.

Każdy sterownik podrzędny posiada

też możliwość wykonywania prostych

zadań niezależnie od działania całe-

go systemu i bez wprowadzania do-

datkowego obciążenia dla sterownika

głównego. Prezentowany system auto-

matyki inteligentnego budynku należy

właśnie do tej grupy konﬁguracyjnej.

Systemy o sterowaniu

skupionym

Działanie systemów tego typu

oparte jest na współpracy jednost-

ki centralnej (sterownik mikroproce-

sorowy, komputer, itp.) z zespołem

urządzeń (czujniki, elementy wy-

konawcze) nie potraﬁących wyko-

nywać swoich zadań bez nadzoru.

Rozwiązanie takie stosuje się obec-

nie coraz rzadziej ze względu na

duże koszty budowy systemu.

Systemy typu Master – Slave

Praca tego typu układów auto-

matyki opiera się na współdziała-

niu sterownika nadrzędnego z pew-

ną liczbą inteligentnych układów

podrzędnych. Zaletą tego rozwiąza-

nia jest możliwość stosowania prak-

tycznie dowolnego medium trans-

misyjnego. Niezależnie od liczby

współpracujących elementów, ich

inteligencja pozwala na pełną reali-

zację transmisji danych przy użyciu

pojedynczej pary przewodów. Wadą

tego rozwiązania jest konieczność

zapewnienia niezakłóconej komuni-

kacji ze sterownikiem nadrzędnym.

Rozwiązania sprzętowe

systemu

Poniżej przedstawiono opis roz-

wiązań sprzętowych zastosowanych

do budowy prezentowanego syste-

mu. Omówiono tutaj zarówno spo-

sób rozwiązania okablowania struk-

Systemy rozproszone

Rozproszone systemy sterowania

są obecnie stosowane coraz częściej

ze względu na ich niewątpliwą za-

letę, jaką jest bezpośrednie komuni-

kowanie się ze sobą elementów sys-

temu chcących wymienić dane. Przy

wykorzystaniu odpowiednio szybkie-

go medium transmisyjnego rozwią-

zanie to pozwala na jednoczesne

wykonywanie wielu operacji, bez

Rys. 1. Schemat blokowy systemu inteligentnego budynku

Elektronika Praktyczna 12/2005

System automatyki inteligentnego budynku

może być potrzebna przy próbie

rozbudowy. W kablu pozostaje wol-

na jeszcze jedna para skrętki (jedna

przeznaczona na zasilanie), która

może być wykorzystana w dowolny

sposób przez użytkownika.

Rys. 2. Struktura magistrali RS–485

Zasilanie systemu.

Do zasilania całości systemu

przewidziano wykorzystanie sieci

energetycznej 230 V i transformato-

ra dostarczającego do poszczegól-

nych modułów napięcie przemienne

o wartości skutecznej 12 V. W zależ-

ności od potrzeb, układy współpra-

cujących sterowników mogą posia-

dać własne obwody zasilania awa-

ryjnego (podtrzymujące) o niewiel-

kiej pojemności. Takie podtrzymanie

napięcia zasilającego ma opracowa-

ny sterownik nadrzędny.

Dostarczenie zasilania do po-

szczególnych modułów składowych

systemu rozwiązano dwojako, w za-

leżności od przewidywanego obcią-

żenia. Zasilanie części inteligentnej

modułów zrealizowano wykorzystu-

jąc wspomnianą wcześniej dodat-

kową parę przewodów kabla ko-

munikacyjnego, dostarczając za jej

pośrednictwem napięcie przemienne

12 V z transformatora znajdującego

się w pobliżu modułu nadrzędne-

go. Umożliwiło to eliminację do-

datkowych przewodów zasilających

dla zespołów o niewielkim poborze

mocy. Zastosowanie napięcia nie-

stabilizowanego (a dodatkowo prze-

miennego) podyktowane zostało

koniecznością jego dostarczenia na

znaczną odległość (równą odległości

pomiędzy modułem nadrzędnym,

a najbardziej oddalonym modułem

podrzędnym). Wykorzystanie w ta-

kim samym układzie stabilizowane-

go napięcia stałego prowadziłoby do

występowania strat i w krytycznej

sytuacji uniemożliwiłoby poprawną

pracę systemu poprzez niewystar-

czającą wartość napięcia zasilające-

go. Dlatego każdy z modułów sam

dba o stabilizację napięcia zasilania.

W przypadku komponentów wy-

magających większych mocy za-

stosowano zasilanie doprowadzane

zewnętrznie do odseparowanych od

reszty urządzenia układów steru-

jących i przełączających, zdolnych

do pracy przy wysokich napięciach

i prądach. Rozwiązanie takie zasto-

sowano w module wejść–wyjść cy-

frowych omawianego systemu.

Paweł Hadam

Marek Kopeć

tującej szerokopasmowe zakłócenia

wpływające negatywnie na łączność

radiową.

Występowanie w układzie automa-

tyki elementów pracujących w sposób

mobilny, pociąga za sobą koniecz-

ność zastosowania bezprzewodowego

medium transmisyjnego. W przypadku

komunikacji na niewielkie odległo-

ści wykorzystywane jest najczęściej

światło podczerwone, natomiast przy

większych odległościach stosowana

jest komunikacja z użyciem fal ra-

diowych o częstotliwościach leżących

w jednym z ogólnie dostępnych pasm.

W przypadku transmisji radiowej sta-

je się niestety konieczne zapewnienie

poufności przesyłanych danych (ko-

dowanie), gdyż ich znaczny zasięg

mógłby umożliwić włamanie się do

systemu z zewnątrz.

W przypadku prezentowane-

go systemu podstawowym medium

transmisyjnym jest standardowa

skrętka komputerowa, często insta-

lowana w nowo budowanych obiek-

tach z przeznaczeniem nie tylko

na realizację sieci komputerowych.

Jednocześnie oprócz transmisji sy-

gnałów, dwie żyły kabla łączącego

urządzenia wchodzące w skład sys-

temu odpowiadają za dostarczanie

napięcia zasilającego do sterowni-

ków podrzędnych.

Jako elektryczny standard transmi-

sji wybrano łącze działające według

specyﬁkacji RS–485, które charakte-

ryzuje się znacznym zasięgiem, ła-

twością stosowania oraz stosunkowo

niską ceną. Standard RS–485 został

opracowany z myślą o połączeniach

na znaczne odległości o dużej od-

porności na zakłócenia. Charakte-

rystyczną cechą tego standardu jest

wykorzystanie do transmisji w obu

kierunkach jednej linii symetrycznej

(o przewodach oznaczanych A i B),

mogącej pracować w układzie magi-

strali z wieloma niezależnymi urzą-

dzeniami. Przesyłanie sygnału na

magistrali odbywa się w trybie sim-

pleksowym – jedno urządzenie na-

daje, reszta odbiera. Symetryczna

magistrala komunikacyjna musi być

obustronnie terminowana (zakończona

rezystorami o wartościach odpowiada-

jących jej impedancji falowej) i mo-

że osiągać długość do 1200 m (do

4800 m przy wykorzystaniu czterech

pojedynczych odcinków sprzężonych

przy użyciu wzmacniaczy).

Ze względu na dość ostre wy-

magania co do parametrów elemen-

tów współpracujących z magistralą,

trudno jest w tym przypadku zasto-

sować układy nadajników i odbior-

ników oparte o elementy dyskretne

(tranzystory) czy standardowe bram-

ki logiczne. Z tego powodu do reali-

zacji transceiverów RS–485 wybiera

się specjalizowane układy scalone

opracowane z uwzględnieniem peł-

nej specyﬁki standardu. Na rys. 2

przedstawiono przykładową struktu-

rę magistrali RS–485.

W prezentowanym systemie do

realizacji linii transmisyjnej założo-

no stosowanie dwóch oddzielnych

linii (dwie pary skrętki), w celu

umożliwienia komunikacji dwukie-

runkowej z maksymalną prędkością

(full duplex), w przypadku rozbu-

dowy systemu o dodatkowe urzą-

dzenia. Jedna linia służy do prze-

syłu danych z jednostki nadrzędnej

do sterowników podrzędnych i jest

stale wysterowana przez nadajnik

linii sterownika nadrzędnego (ukła-

dy podrzędne słuchają na tej linii),

natomiast druga odpowiedzialna jest

za transmisję w przeciwnym kie-

runku (do sterownika), a wystero-

wana jest tylko podczas transmisji

z konkretnego modułu podrzędnego.

W omawianym systemie przykłado-

wym, możliwości magistrali z dwo-

ma kanałami transmisyjnymi są

niewykorzystane (transmisja duosim-

pleksowa), jednak rezerwa w posta-

ci drugiego kanału transmisyjnego

Elektronika Praktyczna 12/2005

System automatyki inteligentnego budynku

Elektronika Praktyczna 12/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: