Casa inteligentă, folosind sistemul de automatizare KNX

Autori: Răzvan Constantin OLTEANU ¹

Olteanurazvan.ro@gmail.com

Coordonator:  Conf.univ.dr.ing.Marius Daniel MARCU ³

                         Asist.univ.dr.ing.Alina Daniela Handra⁴

¹ Universitatea din Petroșani, Facultatea IME, specializarea: Energetică, anul 4

² Universitatea din Petroșani, Facultatea IME , specializarea: Energetică , anul 4

³ Universitatea din Petroșani, Facultatea IME, Departamentul: ACIEE

⁴ Universitatea din Petroșani, Facultatea IME, Departamentul: ACIEE

Rezumat

Casa smart sau casa automatizată se bazează pe tehnologii moderne, suficient de avansate încât să ofere utilizatorului mai multă ușurință în manevrarea gadgeturilor și a aparaturii de ordin casnic. Este un concept care le vine în ajutor celor tineri și pasionați de tehnologie, dar este în același timp și o modalitate prin care le putem face bătrânilor viață mai ușoară.

Prin echiparea sistemului Merten KNX cu controlerul de internet, utilizatorul se va putea conecta de la distanță de pe orice telefon sau calculator cu acces la internet. Având controlul de la distanță asigurat, utilizatorul va putea monitoriza în permanența parametrii funcționali ai întregului sistem de automatizare și a tuturor instalațiilor integrate și totodată va putea comanda fiecare sistem în parte.

Cuvinte cheie

   Sistem KNX , Casa inteligentă, Eficiență energetică, Sistem BMS

1. Introducere

Conceptul de casa smart și-a dobândit un loc bine meritat în cele mai râvnite trenduri ale anului în materie de reamenajare a interiorului.

În acest material voi dezbate aspecte referitoare la o casă automatizată – de unde trebuie să pornim și cât de departe putem merge cu automatizarea, care sunt beneficiile și cum reflectă casa automatizată stilul nostru de viață.

Se va proiecta sistemul de automatizare pentru o locuință individuală structurată pe două niveluri: parter și etaj.

În sistemul de automatizare al locuinței se vor integra următoarele instalații:

–  instalația de iluminat;

–  instalația de încălzire și climatizare;

–  instalația de comandă pentru jaluzele;

–  circuitele de prize.

Pentru o casă complet automatizată vom fi nevoiți să investim nu doar în simple sisteme de automatizare sau în gadgeturile destinate pentru o casă smart, ci și în electronice și electrocasnice smart. Acestea au un preț mai ridicat față de cele clasice, însă au înglobată o tehnologie de ultimă oră care le permite o conexiune directă la sistemele de automatizare sau prin intermediul rețelei wiriless.

Acest sistem este bineînțeles varianta cea mai performantă și cea mai apreciată, dat fiind controlul mult mai simplu și mai facil. Vom putea renunța complet la sistemul manual care necesita mai multa implicare fizică, chiar și financiară. Este dovedit că astfel de sisteme complete de automatizare au o durată de viață mai îndelungată, dar și un consum de materiale mult mai mic.

2.Sisteme automate

Automatizarea la domiciliu are o istorie lungă și potrivită. Timp de mulți ani, tendințele tehnologice au venit și au dispărut, însă una dintre primele companii care au reușit să găsească succesul este încă prezentă.

Geneza multor produse inteligente pentru casă a fost în 1975, când o companie din Scoția a dezvoltat X10. X10 promite produselor compatibile să discute între ele prin intermediul cablurilor electrice existente ale unei case. Toate aparatele și dispozitivele sunt receptoare, iar mijloacele de control al sistemului, cum ar fi comenzile sau tastaturile, sunt emițătoare.( Hermann Merz,2006).Dacă dorim să stingem un bec într-o altă cameră, emițătorul va emite un mesaj cu cod numeric care include urmatoarele:

• O alertă pentru sistem ca emite o comandă;
• Un număr de unitate de identificare pentru dispozitivul care ar trebui să primească comanda;
• Un cod care coține comanda efectivă, cum ar fi „opriți”;

În timp ce dispozitivele X10 sunt încă utilizate, alte tehnologii au apărut pentru a le concura pe acestea. În loc să parcurgă liniile electrice, multe sisteme noi folosesc unde radio pentru a comunica. Așa funcționează semnalele Bluetooth, WiFi și telefonul mobil.

Două dintre cele mai proeminente rețele de radio din domeniul automatizării casnice sunt ZigBee și Z-Wave. Ambele tehnologii sunt rețele de plasă, ceea ce înseamnă că mesajul poate ajunge la destinație.

Stabilirea unor legi ce caracterizează fenomene ale naturii şi definirea unor modele ale fenomenelor au permis omului o cunoaştere şi interpretare aprofundată a multor fenomene, reuşind să le dirijeze în scopul îmbunătăţirii condiţiilor sale de viaţă, al reducerii eforturilor fizice şi intelectuale, al uşurării existenţei sale.

În acest proces, omul a parcurs următoarele etape(Ionescu Constantin,e al,2006):

• Etapa mecanizării, în care s-au creat pârghia, roata, scripeţii, multiplicatoarele de forţă de cuplu, ansambluri de calcul mecanizat etc., cu care omul şi-a uşurat eforturile fizice şi intelectuale pentru producerea de bunuri materiale.
• Etapa automatizării, în care omul a fost preocupat sa creeze mijloace materiale care să deducă sau să elimine complet intervenţia sa directă în desfăşurarea proceselor de producţie. Astfel, în aceasta etapă, omul desfăşoară cu precădere o activitate intelectuală, în funcţii de analiză, control şi conducere.
• Etapa cibernetizării şi automatizării, în care omul este preocupat de crearea unor asemenea obiecte materiale care să reducă funcţia de conducere generală a omului şi să dezvolte sistemul de informare. Astfel au fost create calculatoare şi sisteme automate de calcul cu ajutorul cărora pot fi stabilite strategii de conducere a proceselor de producţie şi sisteme de informatizare globală.

Ansamblul de obiecte materiale care asigura conducerea unui proces tehnic sau de altă natură fără intervenţia directă a omului reprezintă un echipament de automatizare.

3.Concepte teoretice privind sistemele BMS și sisteme KNX utilizate la clădirile individuale

În ultimii douăzeci de ani funcţionarea clădirilor bazată pe tehnologia informaţiei, din mai multe puncte de vedere (utilităţi, administrativ, financiar), a avut o evoluţie spectaculoasă.

Astăzi o clădire modernă este dotată cu infrastructură electronică care îi permite să se adapteze şi să răspundă în mod permanent la schimbarea condiţiilor având ca rezultat utilizarea eficientă a resurselor energetice, îmbunătăţirea condiţiilor de confort şi creşterea gradului de securitate a celor ce o ocupă.

Infrastructura electronică (creierul) clădirii care conduce şi monitorizează funcţionarea echipamentelor şi instalaţiilor aferente este cunoscut în literatura de specialitate cu numele de Sistem de Management al Clădirii (SMC) sau Building Management System (BMS). Conceptul de BMS aferent unei clădirii cuprinde, totalitatea aparatelor, echipamentelor, sistemelor locale de automatizare a instalaţiilor( hidraulice, încălzire, ventilare-climatizare, iluminat ascensoare, prevenirea şi stingerea incendiilor, control acces, supraveghere, antiefracţie etc.) si reţelelor de comunicaţie care asigură supravegherea și controlul funcţionării instalaţiilor din clădire. BMS   implementează programe de utilizare eficientă a energiei în condiţii de siguranţă la incendiu, securitate, mediu și reduce cheltuielile de mentenanţă(.www.merten.de).

Clădirea bazată pe tehnologie și a cărei funcţionare este asigurată de un sistem automatizat integrat ce asigură managementul fluxurilor informaţionale și energetice dintr-o clădire (BMS), este cunoscută în literatura cu numele de clădire inteligenta (Smart Building , Intelligent Building).

Datorită limitărilor din punct de vedere hardware și software ale instalaţiilor din clădirile vechi, realizarea unei astfel de infrastructuri este dificilă.

BMS este un sistem de automatizare modern cu o arhitectură ierarhizată şi distribuită pe două sau trei niveluri. Elementele principale sunt computerul central (PC Workstation –post central de comandă) şi controlerele necesare automatizării diverselor tipuri de echipamente şi instalaţii. Transmiterea informaţiilor între acestea şi computer şi invers se face în timp real prin intermediul unei reţele de comunicaţii.

Controlerele sunt dispozitive electronice , dotate cu microprocesor, şi care au implementaţi algoritmi moderni de funcţionare (PID, EPID,etc.).EPID înseamnă Enhanced PID adică PID îmbunătăţit. Îmbunătăţirea provine de la faptul că acest controler PID este prevăzut cu algoritm de tip fuzzy.

Reţeaua de comunicaţii asigură fluxul de informaţii şi între controlere, astfel încât în timpul defecţiunii temporare a computerului central , acestea conlucrează pentru funcţionarea clădirii.

De peste 20 de ani, KNX se dovedeşte a fi un standard global pentru automatizarea locuinţelor şi a clădirilor, în conformitate cu EN 50090 şi cu ISO/IEC 14543. Un mare avantaj al KNX este reprezentat de configurarea de la distanţă: în locul unui dispozitiv central, funcţiile sunt găzduite de abonaţii individuali ai magistralelor. Senzorii, cum ar fi comutatoarele şi detectoarele de prezenţă, trimit comenzi de comandă direct la sistemele de lumini, de jaluzele, de încălzire şi de ventilaţie. KNX este compatibil cu diferite medii de transmisie, de ex. cablu pereche torsadat (KNX TP), ETHERNET (KNX IP), radio (KNX RF)( www.knx.org)sau Powerline (KNX PL). Cu KNX, dispozitivele de la diferiţi producători sunt compatibile şi pot fi combinate în mod flexibil într-o soluţie cuprinzătoare. Deoarece fiecare dispozitiv are propriul său microprocesor, nu este necesară nicio staţie de control.

Datorită unei game largi de aplicaţii, numeroase dispozitive şi sisteme pot fi conectate împreună cu KNX. De exemplu, acest lucru permite ca un sistem în reţea care constă din iluminat, umbrire şi HVAC să fie controlat cu uşurinţă în clădiri comerciale şi de utilităţi, în conformitate cu cerinţele utilizatorului.

Componentele individuale ale unui sistem KNX includ senzori şi servomotoare de acţionare. Senzorii, cum ar fi termostatele, comutatoarele sau anemometrele, generează comenzi sub formă de telegrame. Aceste telegrame sunt transformate în acţiuni de servomotoarele de acţionare (de exemplu, relee de comutare pentru jaluzele sau pentru iluminat)( www.schneider-electric.com). O linie de magistrală cu două cabluri asigură conexiunea şi, prin urmare, traficul de telegrame între senzori şi servomotoarele de acţionare. Prin urmare, componentele individuale ale sistemului nu trebuie să fie conectate în reţea, ceea ce reduce semnificativ cantitatea de cabluri(Ionescu Constantin,et al,2007).

Merten KNX poate fi conectat și cu alte sisteme pentru clădiri ( sistem de management pentru încălzire și climatizare, sistem de control acces, sistem de incendiu, sistem de efracție, sistem de sonorizare) cu ajutorul interfetelor și modulelor de intrari-iesiri.

Fig.1. Sistem Merten KNX

Exemplu Interfeță grafică pentru controlul sistemului KNX

Interfețele grafice pentru controlul sistemelor aferente întregii locuințe (Fig.1)( Caluianu Sorin, 2007) se realizează în software-ul de design și programare TP-Visu. Ele se vor accesa de pe touchscreen-ul din holurile de intrare de pe fiecare nivel și cu ajutorul acestora, utilizatorul va avea o imagine de ansamblu asupra tuturor instalațiilor din clădire și totodată le va putea controla pe fiecare în parte.

Pentru controlul iluminatului, în spațiile în care există iluminat dimabil se găsește un simbol sub forma de buton “tip potențiometru” prin care utilizatorul va putea schimba nivelul de iluminare al încăperii. În spațiile în care există iluminat pornit-oprit, utilizatorul va avea controlul asupra acestuia printr-un buton “ON/OFF”.

Fig.2. Interfață grafică pentru sistemul de iluminat

4. Studiu de caz casa inteligenta cu sistem KNX

Fig.3. Casă inteligentă

Sistem automatizare: KNX

Vizualizare și control de la distanță prin intermediul aplicației Loxone;

Control circuite de iluminat on/off, dimabil și RGBW;

Control zonal al temperaturii;

Control sistem ventilație;

Control jaluzele;

Sistem antiefracție și control acces cu amprentă;

Control irigație în funcție de temperatură și umiditatea solului;

Buget total casă : 130000 euro  Cost : 6000 euro.

Automatizarea Basic constă în :

• controlul zonal al temperaturii (baie, bucătărie, living și cele 3 dormitoare de la etaj);
• circuite iluminat ON/OFF (până la 20 circuite independente, cu ajutorul cărora putem crea scenario care pot fi controlate de pe touch uri);
• touch uri ( sunt din plastic, dar nu sunt simple butoane. Ele permit controlul iluminatului, jaluzelelor, sonorizării, cât și citirea temperaturii și a umidității);
• senzori de prezență ( în băi și în zonele comune. De ex în baie putem crea un iluminat, care va

          aprinde doar iluminatul din oglindă, dacă este trecut de ora 12 noaptea);

• controlul deschiderii ușilor/porților (cu ajutorul unei camere putem și vizualiza persoana care sună);
• scenarii smart (scenariile de venit sau plecat de acasă. Dacă dorim să plecăm, putem apăsa de 3 ori petouch ul de la intrare în casă, iar sistemul va seta toate termostatele în modul ECO și va stinge becurile );
• control de la distanță ( toate funcțiile vor putea fi controlate de oriunde din lume, folosind telefonulsau tableta. De asemenea, putem primi anumite notificări, dacă dorim acest lucru);

Un astfel de sistem automatizat va avea un preț cuprins între 5000-7000 de euro.

            Dacă ne raportăm la întreaga valoare a proiectului, acest sistem de automatizare reprezintă în jur de 4-5 %.

4.Concluzii

Sistemul de automatizare al locuintei este un sistem de achiziţie şi procesare de date pentru mentenanţa şi economisirea energiei cu posibilitatea comunicării la distanța prin intermediul internetului sau a rețelelor de telefonie.

Acest sistem permite planului de mentenanţă să verifice şi să controleze operaţiile realizate de fiecare sistem instalat pe teren.

Implementarea unui sistem de automatizare pentru o locuință individuală aduce beneficiarului avantaje cantitative cuantificate financiar prin:

1. reducerea cheltuielilor energetice;
   1. optimizarea funcţionării instalațiilor;
   1. prelungirea duratei de funcţionare a echipamentelor.

Avantaje calitative:

• grad de confort sporit;
• creşterea nivelului de siguranţă;
• diminuarea timpului de intervenţie pentru remedierea defecţiunilor;
• raportări în timp real cu privire la parametrii de funcţionare a tuturor instalațiilor.

Față de o construcție clasică, dar care vrea să fie la fel de modernă ca și construcțiile în sistem KNX, economiile de energie sunt următoarele:

• comenzi locale iluminat, jaluzele – 10% economie;
  • comenzi centralizate – 15 % economie;
  • temporizări, reglare iluminat in functie de iluminatul natural – 25% economie;
  • actionare jaluzele în funcție de iluminatul natural – 30% economie;
  • control climă în fiecare încăpere – 40%.

Staţia de gestionare (calculatorul pe care este instalat software-ul de automatizare) precum și ecranele tactile prezintă o serie de avantaje:

•  Ecranul computer-ului va permite vizualizarea grafică a schemelor sistemului, a stării şi semnalizării   actuale, dorite şi valorile eronate. Software-ul va fi capabil să arate diferitele diagrame de automatizare pe ecrane multiple.

•  Diversele alarmele negative pentru sistemul de confort (temperatura, stare etc.), vor fi,de asemenea, afişate.

•  Pornirea şi oprirea centrală a tuturor instalatiilor integrate este asigurată.

Întregul sistem este complet automatizat în funcţie de gradele de ocupare (inclusiv vacanţele) şi de perioada zilei.

Prin echiparea sistemului Merten KNX cu controlerul de internet, utilizatorul se va putea conecta de la distanță de pe orice telefon sau calculator cu acces la internet. Având controlul de la distanță asigurat, utilizatorul va putea monitoriza în permanența parametrii funcționali ai întregului sistem de automatizare și a tuturor instalațiilor integrate și totodată va putea comanda fiecare sistem în parte.

      Bibliografie

1. Caluianu, S;(2007), Inteligenta artificial in instalatii, Editura MATRIX ROM, ISBN 973-685-120-6

2. Hermann, M; Hansemann,T; Christof Hübner,2006,Building Automation: Communication systems with EIB/KNX, LON and BACnet (Signals and Communication Technology), Editura SPRINGER

3. Ionescu Constantin, Alexandru Stefan, 2006 , Instalatii electrice si automatizari, Editura MATRIX ROM, Bucuresti

4. www.schneider-electric.com

5. www.merten.de

6. www.revista-alarma.ro

7. www.knx.org