Bezprzewodowy System Automatyki Domowej Pracujący W Standardzie Sieci Z-Wave

NAUKA

Bezprzewodowy system automatyki domowej pracujący w standardzie sieci Z-Wave

Marek Długosz, Jacek Chronowski, Jerzy Baranowski, Paweł Piątek, Wojciech Mitkowski, Paweł Skruch AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej

Streszczenie: W ostatnich latach można zaobserwować wzrost po- dostęp do ich specyfikacji jest ogólnie dostępny. Stan- pularności urządzeń, które wykorzystują bezprzewodową transmisję dardy takie najczęściej są opracowywane przez różnego ro- danych. Standardy komunikacji bezprzewodowej, takie jak Wi-Fi, dzaju organizacje rządowe albo przez grupy producentów. Bluetooth, RFID, są powszechnie wykorzystywane w wielu urządze- Otwarty dostęp do dokumentacji może znacząco przy- niach codziennego użytku. Ta technologiczna zmiana nie ominęła czynić się do wzrostu popularności takiego standardu. także szeroko pojętych systemów automatyki domowej. Jeszcze W przypadku zamkniętych standardów, dostęp do spe- do niedawna w tego typu układach sterownia prym wiodły różnego cyfikacji może, ale nie musi być ogólnodostępny (tak jest rodzaju przewodowe standardy komunikacji. Są to standardy opra- w przypadku Z-Wave). Standardy zamknięte są najczęściej cowywane specjalnie pod zastosowania w układach automatyki opracowywane przez pojedyncze firmy chcące chronić i kon- domowej (np. BACNet, KNX), czy też adaptacje przemysłowych trolować podmioty korzystające z ich rozwiązań. Oprócz standardów sieci przesyłu danych (np. CAN). kwestii dostępności do specyfikacji danego standardu istot- Aktualnie istnieje kilka zdefiniowanych standardów komunikacji nym argumentem przemawiającym za lub przeciw jego bezprzewodowej, które można wykorzystać w układach automa- stosowaniu jest dostępność i funkcjonalność konkretnych tyki domowej, są to np.: EnOcean, INSTEON, MyriaNed, One-Net, urządzeń. Obecnie spora liczba urządzeń systemów auto- ZigBee. W pracy zaprezentowano kilka przykładowych urządzeń matyki domowej oferowana jest w standardzie Z-Wave. wykorzystujących do komunikacji standard Z-Wave. Są to typowe Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest to, iż specyfika- urządzenia, które wykorzystuje się w układach automatyki domowej cja Z-Wave została opracowana i wprowadzona na rynek i są ogólnodostępne na rynku. Wybrane urządzenia zostały prze- znacznie wcześniej niż ZigBee. badane pod kątem dostępnej funkcjonalności, możliwości budowy Celem niniejszej pracy jest przetestowanie i opisanie wy- systemu automatyki domowej, niezawodności działania, możliwo- branych urządzeń automatyki domowej pracujących w stan- ści implementowania nietypowych rozwiązań czy też algorytmów dardzie Z-Wave. Urządzenia te są typowymi urządzeniami sterowania. wykorzystywanymi przy budowie systemów automatyki domowej, np.: centralka, przełączniki, ściemniacze, czujniki Słowa kluczowe: inteligenty budynek, sieci bezprzewodowe, pro- (temperatury, wilgotności i natężenia oświetlenia), gło- gramowanie, Z-Wave wica termostatyczna. Zostaną także opisane dwa sposoby logowania danych z czujników pomiarowych. 1. Wprowadzenie Zagadnienie to jest tematem projektu „Algorytmy sterowania i zarządzania budynkami mieszkalnymi” nr N N514 W ostatnich latach można zaobserwować szybki rozwój 644440 realizowanego z funduszy Narodowego Centrum systemów automatyki domowej (ang. Home Automation Nauki. System). Stosowanie tego typu systemów sterowania ma- łymi budynkami lub lokalami mieszkalnymi przynosi szereg korzyści użytkownikom, ale też wiąże się ze znacznymi 2. Standard Z-Wave nakładami finansowymi oraz organizacyjnymi. Obecnie Z-Wave (http://www.z-wave.com) jest bezprzewodowym stosuje się kilka standardów przewodowych systemów auto- protokołem zaprojektowanym przez firmę ZenSys prze- matyki domowej. Systemy przewodowe są jednak obarczone znaczonym do urządzeń automatyki domowej [4, 8]. Tech- pewnymi wadami. Jedną z nich jest konieczność zaplanowa- nologia Z-Wave nie jest otwartym standardem komuni- nia i montażu całego systemu na etapie budowy budynku. kacji bezprzewodowej urządzeń automatyki domowej, ale W przypadku budownictwa indywidualnego może stanowić ze względu na jej popularność oraz liczbę dostępnych urzą- to istotną przeszkodę w ich stosowaniu. dzeń jest bardzo popularna i często stosowana. Firmy Tej wady wydają się być pozbawione bezprzewodowe produkujące urządzenia Z-Wave zrzeszone są w Z-Wave Al- systemy automatyki domowej, które zyskują coraz większą liance (http://www.z-wavealliance.org). Pierwsze trzy popularność. Wśród standardów sieci bezprzewodowych, generacje układów Z-Wave nie miały możliwości sprzęto- które są wykorzystywane do budowy systemów automa- wego szyfrowania przesyłanych danych [5]. Można było tyki domowej można wyróżnić standardy otwarte i za- w sposób programowy włączyć szyfrowanie danych, ale nie mknięte [2, 3, 7]. Przykładem otwartego standardu sieci było to obligatoryjne. Brak szyfrowania stanowił pewną bezprzewodowych jest np. ZigBee, przykładem zamknię- lukę, która mogła być wykorzystania do przejęcia kontroli tego np. Z-Wave [4]. W przypadku standardów otwartych, nad takim systemem sterowania. W aktualnie produkowanej

100 czwartej wersji chipów obsługujących komunikację Z-Wave Tab. 1. Podstawowe parametry sieci bezprzewodowej Z-Wave wprowadzono sprzętowe szyfrowanie przesyłanych danych. Tab. 1. The main parameters of Z-Wave wireless networks Urządzenia sieci Z-Wave mogą pracować tylko w topologi Częstotliwość 868/906 sieci mesh. Struktura takiej sieci jest tworzona w sposób pracy (MHz) 2400 – w układach serii 400 automatyczny, bez ingerencji użytkownika (rys. 1). Roz- Zasięg (m) 30 – w pomieszczeniach 100 – na zewnątrz Prędkość transmisji 9,4 (kb/s) 40 – w układach serii 200 200 – w układach serii 400 Wielkość 64 wiadomości (byte) Kontrola błędów 8-bitowa suma kontrolna ACKs (opcjonalnie) Bezpieczeństwo AES 128 bit – w układach serii 400 Wielkość i rodzaj 32–64 kB flash pamięci 2–16 kB SRAM Identyfikatory 32-bitowy home ID Rys. 1. Sposób komunikowania się urządzeń niemających fizycznego połączenia w sieci Z-Wave 8-bitowy node ID Fig. 1. The way of communications between Z-wave devices which are not physically connected poznawane są urządzenia w niej pracujące oraz wytyczane 3.1. Centralka są trasy przesyłania pakietów danych do poszczególnych W zbudowanym stanowisku laboratoryjnym wykorzystano urządzeń. W sieci Z-Wave mogą pracować dwa typu rzą- kontroler (centralkę) Vera3 firmy Micasaverde. Nie jest dzeń: kontrolery i urządzenia końcowe (ang. slave). Część to jedyny dostępny kontroler sieci Z-Wave na rynku. Swoje urządzeń w sieci oprócz tego, że wykonuje odebrane ko- wersje kontrolerów opracowały takie firmy jak Fibaro, mendy, może przekazywać komunikaty do następnych urzą- Aeon Labs, HomeSeer. Centralka Vera3 bazuje na pro- dzeń. Dzięki takiemu rozwiązaniu dwa urządzenia, które cesorze 500 MHz MIPS SoC, ma 32 MB pamięci flash, są poza swoim zasięgiem, mogą się bez problemu komuniko- 32 MB pamięci SDRAM i 128 MB pamięci DDR2.Wypo- wać, przez co zwiększa się zasięg całej sieci [4;s.100–102]. sażona jest także w dwa porty USB, jeden port sieci WAN, Na rys. 1 linią pogrubioną przedstawiono przykładową 4 porty sieci LAN oraz moduł do komunikacji z urządze- drogę komunikacji między urządzeniami A i D. Jak wi- niami sieci Z-Wave. Ma także wbudowany access point dać, w komunikacji biorą udział także urządzenia B i C Wi-Fi w standardzie 802.11n. Centralka pracuje pod kon- jako przekaźniki komunikatów. Każde kolejne urządzenie trolą popularnego, w tego typu urządzeniach (domowe biorące udział w przekazie wprowadza opóźnienie w ich rutery siecowe), systemu Linux OpenWRT. Sama centralka przesyłaniu. Może to być przyczyną wydłużenia czasu re- akcji urządzenia końcowego, do którego był adresowany komunikat. Nie każde urządzenie w sieci może pełnić rolę tzw. repeatera komunikatów. Część urządzeń pracujących w sieci Z-Wave może być zasilana bateryjnie. Aby maksy- malnie wydłużyć czas działania takich urządzeń, są one wprowadzane w stan uśpienia, tzw. standby. Komunikują się jedynie w określonych chwilach czasowych albo w przypadku wystąpienia określonego zdarzenia. W sieci Z-Wave jedno z urządzeń musi pełnić rolę tzw. kontrolera. Jest to specjalne urządzenie, którego głównym zadaniem jest za- Rys. 2. Kontroler Vera3 rządzanie siecią, dodawanie lub usuwanie urządzeń z sieci, Fig. 2. Control unit Vera3 wyznaczanie i zarządzanie trasami rutingu. W tabeli 1 za- mieszczono podstawowe parametry techniczne standardu oprócz komunikacji i zarządzania urządzeniami Z-Wave Z-Wave. może także pełnić funkcję domowego rutera sieciowego. W kontrolerze Vera3 zainstalowane jest także odpowiednie 3. Urządzenia Z-Wave oprogramowanie do zarządzania bezprzewodowymi urzą- W ramach realizowanego projektu badawczego zaprojekto- dzeniami automatyki domowej. Oprogramowanie to jest wano i wykonano stanowisko do badania bezprzewodowych dostępne dla użytkownika poprzez interfejs WWW. Za jego urządzeń automatyki domowej. Do budowy stanowiska pomocą można dodawać, wykluczać urządzenia, tworzyć wykorzystano dostępne na rynku urządzenia. Starano się bezpośrednie połączenia (tzw. asocjacje) między urządze- uzyskać odpowiedź na pytanie, czy na takich urządzeniach niami lub tworzyć tak zwane sceny. Termin scena oznacza można implementować zaawansowane algorytmy sterowa- pewien scenariusz działania (listę rozkazów do wykonania), nia (np. stabilizacji temperatury na podstawie modelu które wykonywane są okresowo, co jakiś czas, lub w zależ- matematycznego pomieszczenia). ności od wystąpienia zdefiniowanego zdarzenia. Dodatkowo

Pomiary Automatyka Robotyka nr 7–8/2013 101 NAUKA

3.3. Ściemniacz Innym rodzajem urządzeń wykorzystywanych do sterowania oświetleniem są ściemniacze, które oprócz funkcji załączania mogą także regulować natężenie oświetlenia. W opisywanym stanowisku wykorzystano ściemniacz ﬁrmy Aeon Labs onazwieMicro Smart Dimmer. Podobnie jak w przypadku przełącznika FGS221 wymiary opisywanego urządzenia są na tyle małe, iż bez problemu można je montować w standardowych puszkach elektrycznych. Przełącznik jest zasilany z sieci elektrycznej. Załączanie i regulacja jasności oświetlenia może odbywać się sprzętowo (zamontowany standardowy przełącznik monostabilny) lub programowo (oprogramowanie centralki). 3.4. Czujnik temperatury i wilgotności W zrealizowanym stanowisku wykorzystano czujnik temperatury i wilgotności ﬁrmy Everspring o oznaczeniu ST814. Oprócz temperatury urządzenie to mierzy także wilgotność powietrza. Możliwe jest także zaprogramowanie wartości Rys. 3. Przykład ekranu kontrolnego centralki Vera3 maksymalnej i minimalnej temperatury oraz wilgotności, Fig. 3. Example view of control screen of Vera3 controler których przekroczenie będzie raportowane do centralki. Termostat ST814 jest rodzajem urządzenia zasilanego z baterii, w związku z tym po przesłaniu informacji do centralki możliwe jest programowanie centralki (pisanie skryptów) przechodzi w stan uśpienia (nadawanie danych jest sporym z wykorzystaniem języka LUA (http://www.lua.org/) wydatkiem energetycznym). Aktualne dane o temperatu- (ściślej języka Luup, czyli LUA wzbogaconego o obsługę rze i wilgotności są przesyłane okresowo po upływie czasu komunikatów protokołu UPnP). Centralka Vera3 umoż- uśpienia. Jeśli temperatura obniży się (lub wzrośnie) a urzą- liwia też komunikację z urządzeniami sieci przez interfejs dzenie jest w stanie uśpienia, to układ sterowania powinien API. Poprzez odpowiednie wywołania HTTP (format prze- się o tym dowiedzieć niezwłocznie tak, aby odpowiednio syłu danych XML lub JSON) można wysyłać i odbierać szybko zareagować. W opisywanym czujniku rozwiązano dane do/z urządzeń lub wykonywać na nich określone ak- ten problem w taki sposób, że termostat raportuje zmianę cje. W takim przypadku sama centralka pełni tylko rolę temperatury, gdy wielkość tej zmiany przekroczy ustalony pośrednika przy komunikacji z urządzeniami, a dzięki tej poziom. Dzięki temu, jeśli temperatura w danym pomiesz- funkcjonalności można stworzyć swoje własne oprogramo- czeniu jest stała, to urządzenie nie wysyła tych informacji wanie do zarządzania urządzeniami automatyki domowej. (poza okresami wybudzenia), oszczędzając baterie. Niestety, jest to komunikacja jednokierunkowa, tj. centralka wysyła informacje tylko po odebraniu odpowiedniego żąda- nia. Taki sposób komunikacji może nie być wystarczający, np. w przypadku urządzeń bateryjnych czy też urządzeń raportujących wystąpienie jakiegoś zdarzenia (np. czujnik ruchu, dymu).

3.2. Przełącznik Jednym z podstawowych zadań realizowanych w układach automatyki domowej jest włączanie lub wyłączanie odpowiednich urządzeń elektrycznych. Większość zastosowań tego typu dotyczy sterowania oświetleniem. Przy budo- Rys. 4. Czujnik temperatury i wilgotności wie stanowiska wykorzystano przełącznik FGS221.Jest Fig. 4. Temperature and humidity sensor to przełącznik firmy Fibaro; umożliwia on niezależne załą- czanie dwóch urządzeń o mocy nieprzekraczającej 1,5 kW każde. Przełącznik FGS221 zasilany jest z sieci elektrycz- 3.5. Głowica termostatyczna nej w związku z czym nie ma konieczności, aby przecho- Obecnie jedyną głowicą termostatyczną, która pracuje dził on w stan uśpienia. Zgodnie ze specyfikacją standardu w standardzie Z-Wave jest głowica firmy Danfoss, model Z-Wave, urządzenie takie może pośredniczyć przy przekazy- Living Connect. Głowica ta jest częścią systemu firmy Dan- waniu komunikatów do innych urządzeń Z-Wave pozostają- foss do bezprzewodowego sterowania temperaturą. Ponie- cych poza zasięgiem samej centralki. Wymiary przełącznika waż głowica termostatyczna pracuje w standardzie Z-Wave, pozwalają na jego bezproblemowy montaż w standardowej w związku z tym powinna istnieć możliwość sterowania puszce elektrycznej. Sam przełącznik może być sterowany nią za pomocą innego kontrolera sieci Z-Wave niż opra- na dwa sposoby: przez włącznik bistabilny, który zwiera cowany przez firmę Danfoss. Niestety, pomimo deklaracji odpowiednie styki albo odbierając rozkazy z centralki lub zgodności z standardem Z-Wave, nie wszystkie funkcjo- innego urządzenia sieci. nalności opisywanej głowicy termostatycznej są dostępne

102 w innych centralkach (np. brak możliwości odczytu temperatury mierzonej przez samą głowicę). W praktyce można również zaobserwować, że centralka nie zawsze może sko- munikować się z głowicą. Sytuacja taka zachodzi nawet, gdy odległość centralki od głowicy to tylko kilka metrów, więc raczej można wykluczyć potencjalną utratę zasięgu sieci. Opisywana przypadłość może być bardzo uciążliwa w przy- Rys. 6. Uniwersalny czujnik binarny padku stosowania odpowiedniego harmonogramu zmian Fig. 6. Universal Binary Sensor temperatury w danym pomieszczeniu. Sytuacja braku komunikacji z głowicą może skutkować tym, że temperatura w pomieszczeniu pozostanie niezmieniona. Przykładowo, czujnik ruchu. Jednym z takich urządzeń jest multisensor według harmonogramu o godzinie 6:30 w dzień roboczy sys- Aeon Labs. Prezentowane urządzenie może być zasilane tem ma zmienić temperaturę w łazience z 17 ◦C na 22 ◦C. z baterii lub z zewnętrznego źródła napięcia. Zasilanie Jeżeli nie dojdzie do przesłania nowej wartości zadanej bateryjne daje swobodę montażu czujnika w dowolnym, (22 ◦C), to głowica będzie pracować z poprzednią (19 ◦C), dogodnym miejscu, natomiast ogranicza czas raportowania do następnej zmiany temperatury, czyli np. do wieczora. pozostałych danych. Nie do końca jest też jasne, jakiego typu regulator zaimple- mentowano w opisywanych głowicach. Producent deklaruje, że jest to regulator PID. W praktyce można zaobserwować, że po zmianie wartości zadanej za pośrednictwem sieci Z-Wave silnik głowicy reaguje wolniej, np. dopiero po godzinie. Może to być uciążliwe w sytuacji, gdy chcemy szybko podgrzać pomieszczenie. Rozwiązaniem jest ręczna zmiana wartości zadanej za pomocą przycisków umieszczonych na głowicy. Głowica, podobnie jak termostat, jest urzą- dzeniem zasilanym z baterii, w związku z czym co jakiś czas przechodzi w stan uśpienia, trwający 5 minut. Produ- Rys. 7. Multisensor Aeon Labs cent deklaruje, iż przy normalnej pracy urządzenie powinno Fig. 7. Multisensor Aeon Labs działać bez wymiany baterii około 2 lat. 4. Przykłady zaimplementowanych funkcjonalności Funkcjonalność układu automatyki domowej w dużej mierze jest uzależniona od funkcjonalności samych urządzeń koń- cowych, możliwości zmiany ich lokalizacji lub modyfikacji całego układu. Funkcjonalność bezprzewodowych urzą- dzeń automatyki domowej jest już w zasadzie identyczna z funkcjonalnością przewodowych urządzeń. W większości przypadków bez problemu można znaleźć bezprzewodowe urządzenie końcowe o takiej samej funkcjonalności jak urządzenie przewodowe. W bezprzewodowych systemach automatyki domowej można w prostszy i szybszy sposób re- Rys. 5. Bezprzewodowa głowica termostatyczna Danfoss Living alizować różne funkcjonalności, które nie były przewidziane Connect na etapie projektowania samego systemu a konieczność Fig. 5. Wireless radiator thermostat Danfoss Living Connect ich realizacji wynika z różnych czynników, które wystą- piły w trakcie użytkowania systemu. Przede wszystkim 3.6. Uniwersalny czujnik binarny można łatwo modyfikować, np. zmieniać role samych urzą- Firma Fibaro opracowała urządzenie o nazwie Univesal dzeń końcowych, a także implementować nowe algorytmy Binary Sensor (FGBS321), które umożliwia integrację współdziałania urządzeń. Oprócz zmian, które umożliwiają istniejących przewodowych systemów alarmowych z bez- łatwe programowanie takich systemów, można także zmie- przewodowym systemem automatyki domowej. Dodatkowo niać samą strukturę fizyczną systemu automatyki przez urządzenie to umożliwia pomiar temperatury z czterech dodawanie, usuwanie lub zmianę lokalizacji urządzeń. czujników DS18B20. Czujnik jest zasilany z zewnętrznego 4.1. Logowanie temperatury źródła (np. przewodowy sensor ruchu). Dokładność pomiaru Jednym z zadań bezprzewodowego systemu automatyki temperatury wynosi 0,5 ◦C. domowej jest stabilizacja temperatury wewnątrz kontrolo- 3.7. Multisensor wanych pomieszczeń. Z jednej strony użytkownik oczekuje Wśród urządzeń pracujących w standardzie Z-Wave znaj- utrzymania ustawionej przez niego temperatury, z dru- dują się także multisensory. Urządzenia takie zazwyczaj giej strony istnieje szereg czynników zakłócających mają- mierzą równocześnie kilka parametrów, jak: temperatura, cych wpływ na temperaturę powietrza (np. temperatura wilgotność, natężenie oświetlenia a także mają wbudowany zewnętrzna, wiatr, stopień nasłonecznienia, liczba osób

Pomiary Automatyka Robotyka nr 7–8/2013 103 NAUKA przebywających w pomieszczeniu itd.). Chcąc więc sku- 4.2. Sterowanie oświetleniem tecznie sterować wartością temperatury, musimy znać jej Włączanie/wyłączanie oświetlenia może być realizowane aktualną wartość, a także znać model matematyczny, który w układach bezprzewodowej automatyki domowej dwoma co najmniej w przybliżeniu opisuje dynamikę zmian tem- sposobami. Pierwszy sposób polega na tym, że centrala peratury. Aktualnie pomiary wartości temperatury umożli- odbiera rozkaz załączenia oświetlenie od przełącznika, na- wiają generowanie odpowiednich sterowań, natomiast dane stępnie wysyła odpowiedni rozkaz do układu załączania historyczne mogą być wykorzystane do dostrajania, po- oświetlenia. Takie podejście wymaga zdefiniowania odpo- lepszania parametrów modelu zmian temperatury (modele wiedniej sceny. Scena taka jest uruchamiana zdarzeniem – takie z reguły nie są skomplikowane, trudność natomiast w tym przypadku zwarciem styków przełącznika. Z prze- sprawia prawidłowa identyfikacja ich parametrów). Wyko- prowadzonych prób wynika, iż opóźnienia, jakie mogą się rzystując opisane urządzenia automatyki domowej, można pojawić przy tego typu sterowaniu mogą mieć wartości zrealizować prosty system logowania temperatury. 2–5 s, co jest całkowicie nieakceptowalne w codziennym użytkowaniu. Urządzenie Universal Binary Sensor (FGBS321) umożli- Standard Z-Wave umożliwia bezpośrednie komuniko- wia dołączenie i pomiar temperatury z czterech czujników. wanie się urządzeń między sobą (wysyłanie i odbieranie Czujniki temperatury są widziane z poziomu centralki jako rozkazów) z pominięciem samej centralki. W sieci Z-Wave cztery osobne urządzenia. Wykorzystując funkcjonalność każde z urządzeń ma określone urządzenie nadrzędne, które scen centralki, można okresowo odczytywać temperaturę może wysyłać do niego rozkazy. Domyślnie jest to kontroler z czujników. W taki sposób można zrealizować bieżący sieci, ale w centralce Vera3 można ustawić inne urządzenie, pomiar temperatury w pomieszczeniu i może on być wyko- które przejmie rolę kontrolera. rzystany do generowania aktualnych sterowań. Aby mieć dostęp do danych historycznych temperatury, należy je za- a) pisać. Istnieje możliwość logowania informacji na samej centralce Vera3. Nie jest to jednak rozwiązanie dobre z dwóch względów. Po pierwsze, jeśli zapisujemy zbyt dużo danych, to można całkowicie zapełnić dostępną pamięć centralki. Drugi powód – wszystkie pliki z logami na centralce są ka- b) sowane co 24 godziny. Rozwiązaniem może być wysyłanie logowanych danych na inny zewnętrzny serwer. Instalując na serwerze zewnętrznym oprogramowanie do logowania informacji (np. syslog) i wykorzystując funkcjonalność scen centralki oraz język programowania LUA można zapisywać odczytane dane z czujników temperatury na tym serwerze. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie ma obawy, że wykorzy- stamy całą dostępną pamięć centralki lub oprogramowanie Rys. 8. Rodzaje komunikacji pomiędzy urządzeniami końcowymi centralki usunie dane. Oczywiście, do poprawnego działania a) z udziałem jednostki centralnej, b) bez udziału jednostki tego rozwiązania konieczne jest aktywne połączenie cen- centralnej Fig. 8. Communication between end devices a) with participation tralki z serwerem, na którym logujemy dane oraz poprawna of the central unit, b) without participation of the central unit praca tego serwera. Pewnym minusem jest konieczność okresowego uruchamiania sceny do odczytywania danych W ten sposób definiuje się bezpośrednią komunikację po- z czujników temperaturowych i przez to w jakimś stopniu między dwoma (lub więcej urządzeniami). Opisane rozwią- wykorzystywanie zasobów samej centralki (co przy du- zanie jest dedykowane do tego typu zastosowań. Po takim żej liczbie urządzeń oraz scen może wprowadzać znaczne skonfigurowaniu pracy urządzeń opóźnienia we włącza- opóźnienia). niu/wyłączaniu są niezauważalne. Oczywiście mechanizm scen do sterowania oświetleniem może być wykorzystany Do logowania danych o temperaturze można także wy- do tworzenia bardziej zaawansowanych scenariuszy działa- korzystać API, jakie jest udostępniane przez samą centralkę. nia, np. funkcjonalności wyłączenia oświetlenia w chwili Przez wywołanie odpowiednio skonfigurowanego żądania opuszczania mieszkania lub tak zwany „panic button” – HTTP można odczytać aktualną temperaturę z danego jednoczesne załączenie oświetlenia w przypadku zagrożenia. czujnika. Tak otrzymane dane można już zachować, np. w bazie danych. W rozwiązaniu tym zewnętrzny kompu- 4.3. Pomiar zużycia energii elektrycznej ter inicjuje zdarzenie odczytania danych, w związku z tym Opisywana centralka umożliwia także pomiar i logowanie jest konieczne dodawanie specjalnej sceny. Z jednej nie ilości zużytej energii elektrycznej. Funkcjonalność ta strony przewagą takiego rozwiązania nad poprzednim jest jest realizowana na dwa sposoby. W pierwszym urządzenia brak dodatkowej sceny, która uruchamia się cyklicznie, mają wbudowany układ pomiarowy zużycia energii i logują z drugiej strony, jeśli wartość temperatury zmieniła się te dane w systemie. Drugi sposób polega na podaniu mocy gwałtownie, to informacja o tym fakcie zostanie przesłana urządzenia końcowego i pomiarze, przez jaki czas jest załą- na serwer z pewnym opóźnieniem. Oczywiście obsługa czone urządzenie, oraz oszacowanie ilości zużytej energii rozkazów przychodzących za pośrednictwem API także elektrycznej. Zebrane dane o wielkości zużycia energii elek- wymaga określonego nakładu czasu i zasobów centralki. trycznej są prezentowane w formie wykresów. Po podaniu

104 się sytuacje, że nie odbierała albo odbierała, lecz nie re- agowała na wysyłane do niej nowe wartości nastawianej temperatury.

5. Wnioski W pracy zaprezentowano podstawowe urządzenia, które mogą służyć do budowy bezprzewodowego systemu automatyki domowej. Opisywane urządzenia były testowane na stanowisku laboratoryjnym, a także praktycznie w miesz- kaniach dwóch autorów pracy. Bezprzewodowe układy automatyki domowej to przyszłość układów sterowania budynkami mieszkalnymi (i prawdopodobnie nie tylko nimi). Jednak aktualnie nie wszystkie urządzenia wykorzystywane do budowy tego typu systemów sterownia charakte- ryzują się wymaganą funkcjonalnością czy też pewnością Rys. 9. Pomiar zużycia energii elektrycznej w centralce Vera3 działania (np. problemy ze sterowaniem głowicą termosta- Fig. 9. The measurement of electricity consumption in the central Vera3 tyczną). Osobnym problemem jest zasilanie części urządzeń za pomocą baterii. Pomimo testowania różnych rozwią- zań, których celem było maksymalne wydłużenie pracy średniej ceny za 1 kWh możliwe jest też bezpośrednie prze- urządzenia bez wymiany baterii, to realnie patrząc – mi- liczanie kosztu zużytej energii. Informacje o zużyciu energii nimum raz w roku należy wymieniać baterię. Nie chodzi elektrycznej można także wykorzystać do wykrywania po- tylko o stopień rozładowania samej baterii, ale także o jej tencjalnych uszkodzeń zasilanych urządzeń. Jeśli mamy wiek i związane z tym efekty starzenia się baterii. Kolejną możliwość pomiaru zużycia energii w sposób ciągły to wy- barierą, która utrudnia przede wszystkim wzrost praktycz- słanie rozkazu załączenia urządzenia powinno skutkować nych implementacji tego typu systemów są ceny urządzeń – zużyciem energii przez to urządzenie. Jeśli po określonym w niektórych przypadkach bardzo wysokie, przez co zwrot czasie nie odczytujemy zużycia energii z monitorowanego kosztów takiego systemu sterowania (np. w postaci oszczęd- źródła pomimo wysłania rozkazu załączenia, to można przy- ności energii elektrycznej lub cieplnej) rozkłada się na wiele puszczać iż odbiornik jest uszkodzony. Może się też zdarzyć, lat. Korzystając z układów automatyki domowej można że samo urządzenie wykonawcze nie działa poprawnie. podnieść komfort samego użytkowania lokali mieszkalnych, 4.4. Sterowanie temperaturą w pomieszczeniach bezpieczeństwo przebywających w nich osób (np. przez Jednym z głównych zadań urządzeń automatyki domowej zamontowanie różnego rodzajów czujników dymu, czadu, jest zapewnienie komfortu przebywającym w nich osobom. zalania itp.) czy też zoptymalizować wykorzystanie źródeł Uczucie komfortu jest odczuciem subiektywnym, innym energii (np. cieplnej). dla każdego człowieka. Można określić pewnie parametry, Dużym plusem bezprzewodowych układów sterownia od których ono zależy. Jednym z takich parametrów jest jest ich „otwartość” rozumiana jako łatwość przerabiania, temperatura powietrza w pomieszczeniu. Zależy ona od bar- dostosowywania czy też implementowania nowych funk- dzo wielu czynników, które nie zawsze dają się zmierzyć. cjonalności (np. brak odczytu poboru prądu przez dane Opisywana w pracy głowica termostatyczna ma wbudowany urządzenie może świadczyć o jego potencjalnym uszko- algorytm działania. Oprócz zadanej temperatury w po- dzeniu). Drugą kwestią jest sprawa standardu Z-Wave. mieszczeniu, którą chcemy otrzymać, opisywanej głowicy Jeszcze 2–3 lata temu wydawało się, że standard ten zdo- termostatycznej nie konfiguruje się w żaden inny sposób. będzie znaczną część rynku i stanie się jego liderem. Tak Producent deklaruje, że w głowicy zaimplementowany jest się jednak nie stało. Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy regulator PID. może być to, iż Z-Wave nie jest otwartym standardem. Jest Korzystając z możliwości obliczeniowych centralki i do- to standard promowany przez jedną z firm i tylko jedna stępnego języka programowania można spróbować stworzyć firma produkuje układy scalone obsługujące komunikację bardziej efektywny (np. minimalnoenergetyczny) układ sta- Z-Wave, co odbija się na cenach, np. układów prototy- bilizacji temperatury w pomieszczeniu, który np. uwzględ- powych. Ceny najprostszch modeli płytek prototypowych nia dynamikę zmian temperatury, temperaturę zewnętrzną, zaczynają się od 250 zł. Dla przykładu, w przypadku kon- stopień nasłonecznienia lub wpływ innych zakłóceń. Po- kurencyjnego standardu ZigBee można otrzymać bezpłatnie nieważ w prezentowanej głowicy termostatycznej możliwe kilka sztuk układów scalonych do testów. jest jedynie wysyłanie zadanej temperatury, i tylko w taki Na koniec należy zwrócić uwagą na rosnącą popularność sposób można zmieniać stopień otwarcia głowicy, układ i praktyczne zastosowania bezprzewodowych sieci pomiaro- sterowania musi uwzględniać te ograniczenia przy gene- wychgUrBrelesbbensorgMetworkbVXgg.otakichgsieci gzaliczają rowaniu danych. Dodatkowym utrudnieniem jest także się również sieci ZigBee i gZ-Wave. Oprócz systemów auto- fakt, iż głowica termostatyczna jest urządzeniem zasilanym matyki domowej kolejnymi obszarami, w których próbuje bateryjnie i minimalny czas między jej „wybudzeniami” się je wykorzystywać to np. układy ciągłego monitoringu pa- i komunikacją z centralką wynosi 5 min. Z praktycznych rametrów życiowych osób, w szczególności starszych czy też doświadczeń wynika, iż opisywana głowica nie sprawdza hospitalizowanych [1], czy rozproszony system sterowania się w tego typu zadaniach. Podczas użytkowania zdarzały oświetleniem ulicznym [6].

Pomiary Automatyka Robotyka nr 7–8/2013 105 NAUKA

Praca finansowana ze środków Narodowego Centrum przy wykorzystaniu złożonych układów sterowania oraz zastosowa- Nauki, nr projektu N N514 644440. nia systemów informatycznych w przemyśle, szczególnie budowy g systemów zarządzających pracownikami i jakością produkcji. Bibliografia e-mail: [email protected] 1. Csernath G., Szilagyi L., Fordos G., Szilagyi S.M., 1. Csernath, G., Szilagyi, L., Fordos, G., Szilagyi, S. M. Jacek Chronowski Anovel(2008)- ECGA novel telemetry ECG telemetryand monitoring and monitoring system based system on Z-Wavebased on communication Z-Wave communication, 2008, 2361–2364.- 236RĜ2364. Student w Katedrze Automatyki i Inżynie- 2. GillGill, K., K., Yang Yang, S.-H., S.-H., Yao Yao, F., F.,Lu Lu,X, A zigbee-based X. (2009): A zigbee- home rii Biomedycznej Wydziału EAIiIB Akademii automationbased home automationsystem. IEEE system Transactions. Consumer on Electronics, Consumer Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Jego zain- Electronics,IEEE Transactions 2009, 55(2), on 55(2), 422–430. 42kĜ430. teresowania naukowe to teoria sterowania, 3. GomezGomez, C., C., Paradells Paradells, J., J. Wireless (2010)- Wireless home automation home automa- net- układy dynamiczne, wbudowane układy works:tion networks: A survey A of survey architectures of architectures and technologies and technologies. IEEE . sterowania, sieci bezprzewodowe. Communications Magazine, Magazine, 2010, IEEE 48(6), 48(6), 92–101. 9kĜ101. e-mail: [email protected] 4. Gratton D.A., Developing Practical Wireless Application. 4. Gratton, D. A. (2007)- Developing Practical Wireless dr inż. Jerzy Baranowski ElsevierApplication 2007.. Elsevier. 5. KnightKnight, M., M. Wirelesssecurity-Howsafeis (2006)- Wireless security -Z-wave? How safe “Com- is Adiunkt w Katedrze Automatyki i Inżynie- putingw@wave? Control. Computing Engineering Control EngineeringJournal”, 2006, Journal 17(6),17(6 ), rii Biomedycznej Wydziału EAIiIB Akademii 18–23.13Ĝ23. Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Jego zain- 6. LiLi, L., L., Chu Chu, X., X., Wu Wu, Y., Y., Wu Wu, Q, Q. The (2009 Development)- The Development of Road teresowania badawcze obejmują estymację Lightingof Road LightingIntelligent Intelligent Control System Control Based System on BasedWireless on stanu, układy niecałkowitego rzędu i dy- NetworkWireless Control Network, International Control. In: Conference Electronic on ComputerElectronic namikę populacyjną. Zajmuje się również ComputerTechnology, Technology,2009 International 2009, 353–357. Conference on, 353–j8dX zagadnieniami optymalizacji systemów dy- 7. WalkoWalko, J., J. Home (2006 Control,)- Home “Computing Control. Computing Control Engineer- Control namicznych i metodami numerycznymi. ingEngineering Journal”, Journal2006, 17(5),-g 17(5), 16–19. 1eĜ19. e-mail: [email protected] 8. Zareei, M., Zarei, A., Budiarto, R., Omar, M. (2011): A 8. Zareei M., Zarei A., Budiarto R., Omar M., A compara- dr inż. Paweł Piątek tivecomparative study of studyshort ofrange short wireless range wirelesssensor network sensor networkon high densityon high networks, density networks 17th Conference. In: Communications on Communications (APCC), Adiunkt w Katedrze Automatyki i Inżynie- (APCC),2011- 17th Asia-Pacific, Asia-Pacific 2011, Conference 247–252. on, 24 dĜ 252. rii Biomedycznej Wydziału EAIiIB Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zajmuje się projektowaniem i budową systemów sterowania czasu rzeczywistego, jak również Wireless home automation system working wykorzystaniem układów FPGA w syste- in a standard Z-Wave network mach sterowania szybkimi obiektami. Abstract: This article contains a brief description of one of the e-mail: [email protected] standards for wireless networks, Z-Wave, which is used to build home automation system. At first short description of Z-Wave standard prof. hab. inż. Wojciech Mitkowski is presented. In next sections a few typical devices are presented Profesor w Katedrze Automatyki i Inżynie- (like: switch, dimmer, multi sensor, central unit, radiator thermostat), rii Biomedycznej Wydziału EAIiIB Akademii which are used in home automation systems. Each of these devices Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Obszar za- is briefly described taking into account the their advantages and interesowań naukowych dotyczy sterowania disadvantages. Next sections present solution to log temperature systemów dynamicznych, w szczególności value on to remote server, control method a group of lights, and problemów stabilizacji, projektowania re- temperature inside room. The simple energy consumption monitor is gulatorów, systemów o parametrach roz- also presented. At the end of the article includes some conclusions łożonych, elektrycznych układów drabin- on the future of home automation systems built using wireless kowych, optymalizacji, problemu liniowo- standards such as Z-Wave. kwadratowego, metod aproksymacji, teorii Keywords: intelligent building, wireless networks, programming, macierzy. Z-Wave e-mail: [email protected]

dr inż. Paweł Skruch dr inż. Marek Długosz Adiunkt w Katedrze Automatyki i Inżynie- rii Biomedycznej Wydziału EAIiIB Akade- Adiunkt w Katedrze Automatyki i Inżynie- mii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. W ob- rii Biomedycznej Wydziału EAIiIB Akademii szarze jego zainteresowań naukowych jest Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Od 2011 r. teoria sterowania, układy dynamiczne, mo- prowadzi grant naukowo-badawczy, którego delowanie matematyczne i symulacje kom- tematyka obejmuje systemy sterowania bu- puterowe. dynkami mieszkalnymi. Tematyka prac ba- e-mail: [email protected] dawczych dotyczy zagadnień sterowania

106