История «Умного дома»

Большинство открытий в истории происходит на основе первоначальных идей и мыслей, и только потом появляются реальные результаты.

На протяжении десятилетий научная фантастика изучала идею домашней автоматизации. Многие авторы пытались предугадать возможности «умного дома».  

Например, Рэй Брэдбери, воображал будущее, где дома должны быть интерактивными. В знаменитом коротком рассказе «Пришло время дождей» Р. Брэдбери описывает автоматизированный дом, который продолжает функционировать даже после того, как люди вымерли. Но это так и оставалось на грани научной фантастики. Современные технологии в области автоматики, интернета и цифровизации позволяют перейти от идей и мечтаний научных фантастов к воплощению технологии «Умный дом» в реальную жизнь.

Развитие технологии «Умный дом» в ХIX веке

Идеи об автоматизации дома давно появлялись в умах людей, но начало было положено с изобретением бытовой техники в 1901-1920 годах. Рассмотрим основные вехи появления устройств, в последующем приведших к реализации технологии «умного дома»:

1901 – 1920 гг. – Изобретение бытовой техники

Для начала XX века это было невероятным достижением. XX век начался с изобретения первого пылесоса с двигателем в 1901 году. В 1907 году был изобретен более практичный пылесос с электрическим приводом. В течение последующих двух десятилетий были изобретены холодильники, сушилки для одежды, стиральные машины, утюги, тостеры и т.д.

1966 – 1967 гг. Появление Electronic Computing Home Operator (ECHO IV) – кухонный компьютер

Несмотря на то, что кухонный компьютер ECHO IV не поступил в широкую продажу, его разработка и внедрение стали огромным прогрессом в развитии технологии «умный дом». ECHO IV был первым интеллектуальным устройством. Этот своеобразный «кухонный компьютер» мог составлять списки покупок, хранить рецепты, контролировать температуру дома, а также включать и выключать приборы.

1990–1991 г. 

Время проведения множества исследований и появления новых технологий в сфере геронтологии (наука о старении живых организмов), способствующей облегчению жизни пожилых людей.

1998 – начало 2000–х годов

Период появления новых технологий в сфере домашней автоматизации (Smart Homes). Технологии для «умного дома» внезапно стали более доступны широкому потребителю из-за их удешевления и, следовательно, вышли на массовый рынок. Внутренние технологии, домашние сети и другие гаджеты начали появляться на полках магазинов.

Дата рождения технологии «Умный дом» — 1978 год

Именно в США впервые задумали воплотить в жизнь «умный дом». В 80-х годах прошлого столетия в домах американцев можно было встретить практически все разработанные на тот момент виды электроники: стиральная машина, кондиционер, микроволновая печь, телевизор с дистанционной системой управления и многое другое.

Для удобства пользования требовалось автоматизировать процессы управления. Для этого компании Х10 USA и Leviton разработали и внедрили в производство технологию управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети. Именно поэтому 1978 год считают годом рождения «умного дома».

С тех пор начали активно появляются интеллектуальные здания (Intelligent Buildings). В основе их управления лежала структурированная кабельная сеть. Благодаря этой сети можно было одним и тем же кабелем коммутировать различные элементы и использовать его для потребностей безопасности, установки АТС (автоматических телефонных станций) и наладки компьютерных сетей.

Позже стали появляться мультиплексированные системы каналов связи, которые осуществляли передачу различной информации по одному проводу. Эта технология получила большое развитие. И многие стали понимать, что проекты кабельных систем зданий уже не пользуются популярностью и отходят на второй план, поскольку на смену пришла другая система кабелей.

Технология мультиплексированных систем каналов связи приносила достаточную прибыль при малых размерах инвестиций, что послужило толчком для создания «умного дома».

Первыми данную задачу решили в 1978 компания Leviton и X10 USA. Они разработали технологию, которая позволяла управлять бытовыми приборами по проводам сети. Применение такой технологии предполагало частоту 60 Гц и напряжение сети 110 В. Поэтому она не стала пользоваться популярностью в Европе.

Применяемый в тот момент стандарт Х10, разработанный в 1975 году компанией Pico Electronics (Гленротес, Шотландия) для управления домашними электроприборами, устарел. Он выполнял всего 6 команд по управлению питанием, но для создания «умного дома» – этого было недостаточно.

Для такой техники, как видео– и аудиотехника необходимо как минимум 10 команд: регулирование громкости, смена каналов, перемотка и управление воспроизведением, а также не стоит забывать про управление системами кондиционирования, вентиляции воздуха и отопления.

Разработка коммуникационного протокола CEBus в 90-х

Для решения задачи увеличения количества команд для «умного дома» была создана Ассоциация электронной промышленности EIA. Она занимается развитием стандартов шины бытовых электронных приборов ConsumerElektronicBus (CEBus), утвержденных в 1992 году. Данный стандарт в открытом доступе, поэтому любая из фирм может создать оборудование, где будет использоваться шина CEBus.

Управляя различными устройствами, нужно выбирать наиболее удобную среду передачи, например: для видеооборудования – по коаксиальному кабелю, для осветительных приборов – по электрической проводке, для кондиционеров и осветительных устройств – по витой паре.

Универсальным способом передачи являются радиосигналы и инфракрасные лучи. Взаимодействие между узлами домашней сети и исполнительными устройствами осуществляется через databridges – мосты и роутеры, которые соединяют различные носители данных и сигналов.

Преимущество CEBus перед Х10 – скорость при обмене данными на различных носителях (доходит до 10 кбит/с), что позволяет ускорить отклик системы и сократить период активного состояния каждого узла.

Современные технологии «Умного дома»:

Современные «умные дома» знают все о безопасности жилья. Они помогают грамотно следить за энергосбережением дома, своевременно предупреждают о несанкционированных вторжениях, возгораниях, утечках газа, протечках воды.

LonWorks компании Echelon

Компания Echelon разработала интеллектуальную систему в виде протокола LonWorks. Микропроцессор Neuron 3120 обеспечивает интеллектуализацию всех узлов сетей управления, а модель 3150 Chip (с более мощным микропроцессором — Motorola 68H360), где микросхемы, сконструированы в Echelon и производятся корпорациями Toshiba и Motorola.

LonWorks (или LonTalk) — это коммуникационный семиуровневый протокол, который поддерживается практически всеми процессорами. Преимуществом такой системы являются – хранение базы данных наблюдения за различными сенсорами настроек и реагирование на определенные события через компьютер. Доступ к сети осуществляется через модемные линии или Ethernet. Позднее появилось программное обеспечение Intellect, которое поддерживает базу данных LonWorks.

PowerLine

В настоящее время системы умного дома зашли далеко вперед в плане возможностей. Например, американская система PowerLine предлагает комплексное решение задачи для автоматизации. Минусом такой технологии будет проектирование и закладка системы на этапе строительства дома или квартиры, потому что данные вносятся в черновой вариант, а не в готовый. Если изначально жилье проектировалось под данную технологию, то переконфигурировать его будет просто.

Современный коммуникационный протокол Х10

С выпуском коммуникационного протокола X10 (международный открытый промышленный стандарт для связи электронных устройств в системах домашней автоматизации) открылись новые возможности для «умного дома». X10  посылает радиочастотные сигналы 120 кГц на существующую электрическую проводку дома к программируемым выходам или переключателям.

Эти сигналы передают команды соответствующим устройствам, контролируя, как и когда работают устройства. Передатчик может отправлять сигнал на включение устройству по электрической проводке дома, указав определенное время.

Однако, поскольку проводка не свободна от помех и «шума», X10 не всегда полностью надежен. Сигнал может быть потерян из-за «шумовых» помех.

В некоторых случаях сигналы не будут проходить по цепям, которые были подключены с разными полярностями, например, когда 220 вольт разделяется на пару 100–вольтовых каналов, как это обычно бывает в США.

Кроме того, X10 был первоначально односторонней технологией, поэтому смарт–устройства, принимая команды, одновременно с этим не могут отправлять данные обратно в центральную сеть.

Позже появились два устройства X10 с более высокой стоимостью и расширенным набором команд:

1. включить (On);
2. выключить (Off);
3. ярче (Bright);
4. темнее (Dim);
5. включить весь свет (ALL Ligts ON);
6. выключить все (ALL Units OFF).

Технология Insteon

В 2005 году появилась компания Insteon, которая представила одноименную технологию, объединяющую электрическую сеть с беспроводными сигналами. Технология Insteon использует двухстороннюю сетевую топологию, когда все оконечные устройства равнозначны и каждое устройство независимо передает, получает и повторяет сообщения.

Протоколы Zigbee и Z–Wave

Протоколы Zigbee и Z–Wave появились, из-за необходимости разрешить проблемы протокола Х10, например, неспособность передавать сигнал обратно от устройства в сетевой концетратор. В отличие от Z-Wave и подобных технологий, Zigbee — это открытая технология, то есть никто не владеет ею. Вместо этого беспроводное соединение поддерживается и продвигается некоммерческим Zigbee Alliance и его 400 организациями-членами.

Преимущества Zigbee:

• Простая настройка.
• Не требует центрального концентратора или контроллера. Вы можете контролировать продукты с помощью удаленного или мобильного устройства.
• Масштабируемость, поддерживает до 65 000 устройств на одной установке.
• Шифрование AES-128 Скорость 40-250 Кбит/с.

Недостатки Zigbee

• Не так надежно, как другие системы (например, Wi-Fi)
• Стены и другие препятствия могут значительно снизить стабильность передачи

Термостат от NestLabs

Компания NestLabs, была основана в 2010 году и выпустила свой первый смарт–продукт в 2011 году – термостат NestLearningThermostat. Умные термостаты от NestLabsInc оснащены встроенным Wi–Fi, что позволяет пользователям планировать, контролировать и дистанционно управлять домашней температурой.

Они также могут изучать поведение домовладельцев и автоматически изменяют настройки, чтобы обеспечить максимальный комфорт, сообщают об использовании энергии и напоминают пользователям о необходимости замены фильтров. Компания также разработала и создала интеллектуальные детекторы дыма / угарного газа и камеры безопасности. После приобретения Google в 2015 году она стала дочерней компанией AlphabetInc.

Примеры интеллектуальных домашних технологий:

К современным тенденциям в сфере домашней автоматизации относят:

1. дистанционное управление мобильными устройствами,
2. автоматическое освещение,
3. автоматическая настройка термостата,
4. устройство планирования,
5. уведомления по мобильным/электронным/текстовым сообщениям
6. дистанционное видеонаблюдение.

Совсем недавно многие компании, в том числе Amazon, Apple и Google, выпустили собственные смарт–продукты и смарт–домашние платформы, включая AmazonEcho, AppleHomeKit и GoogleHome.

• AmazonEcho – умный голосовой помощник, представленный в виде динамика. Устройство может подсказать погоду, отправить сообщение, закрыть жалюзи, управлять некоторой техникой в доме, задать будильник;
• SMART-телевизоры подключаются к Интернету для доступа к контенту приложения, для воспроизведения видео и музыки. Некоторые интеллектуальные телевизоры выпускаются с технологией распознавания голоса или жестов.
• Интеллектуальные системы освещения, такие как Hue от PhilipsLighting способны обнаруживать, когда люди находятся в помещении и при необходимости регулируют освещение. Умные лампочки также могут регулировать освещенность в зависимости от времени суток.
• С помощью интеллектуальных замков для открытия гаражных ворот пользователи могут предоставлять или запрещать доступ посетителям.

Умные замки также могут обнаружить, когда жители подходят к дому и разблокируют для них двери.

• С помощью смарт–камер безопасности жители могут следить за своими домами во время отъезда или отпуска. Интеллектуальные датчики движения также могут идентифицировать разницу между жителями, посетителями, домашними животными и взломщиками и уведомят органы о подозрительном поведении.

Уход за животными может быть автоматизирован с помощью подключенных электрических фидеров. Комнатные растения и газоны можно поливать с помощью подключенных таймеров.

• Кухонные приборы всех видов уже обладают некоторым «интеллектом»: кофеварки могут заварить новую чашку по будильнику; умные холодильники отслеживают даты истечения срока годности продуктов, делают списки покупок или даже создают рецепты на основе ингредиентов, которые в настоящее время находятся под рукой; управляемые плиты и тостеры; прачечные, стиральные машины и сушилки.

Контроль домашних инженерных систем, предотвращение аварийных ситуаций: детектирование аномальных перепадов напряжения и заблаговременное отключение электроприборов или отключение водоснабжения при угрозе протечки.

Екатерина Казначеева

Меня зовут Екатерина Казначеева. Я закончила бакалавриат и магистратуру по направлению «Информационные системы и технологии» в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им.проф. М.А. Бонч-Бруевича. Свою магистерскую диссертацию я посвятила современной технологии – «Умный дом» и продолжаю работать над этой темой.

Екатерина Казначеева 

• IT-координатор компании «Amrest»;
• Аспирант СПбГУТ им. проф.М.А.Бонч-Бруевича по направлению «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»;
• Участник стипендиального фонда В. Потанина, участник программы World Skills, а также участник ежегодных университетских олимпиад, конкурса Графикон.