Система автоматичного контролю та керування “інтелектуальний будинок” /варіанти/

Винахід відноситься до такої галузі те хніки, як сигналізації про різні відхилення від наперед заданих умов та виконання певних дій на основі аналізу даних відхилень. Він може бути застосований для організації контролю доступ у, о хоронно-пожежної сигналізації та автоматизації управління інженерними системами будівель (інтелектуалізації будівель). На сьогоднішній день всесвітнього розповсюдження набули системи, що одночасно виконують функції контролю доступу, охоронно-пожежної сигналізації та управління інженерними системами будівель, побудовані на основі стандарту Європейської Інсталяційної Шини (ЕІВ). У таких системах кожен пристрій (датчик чи кінцевий виконавчий пристрій) має в своєму складі вбудований комунікаційний контролер ЕІВ, що дозволяє йому обмінюватися інформаційними командами з іншими пристроями (датчиками та кінцевими виконавчими пристроями), які також мають вбудовані комунікаційні контролери ЕІВ. Всі пристрої, що приймають участь в інформаційному обміні на шині ЕІВ, мають центральні процесори та пам'ять і запрограмовані відповідним чином для виконання заданих користувачем системи сценаріїв автоматизації. Найближчим аналогом даної корисної моделі є системи інтелектуалізації будівель фірми Siemens, що функціонують на основі шини ЕІВ. Принцип побудови таких систем показаний на фіг.1 та докладно розкритий в стандарті ЕІВ (www.eiba.com), розроблений фірмою Siemens. Недоліками такого способу інформаційного обміну на шині ЕІВ є: - висока вартість датчиків та кінцевих виконавчих пристроїв, що приймають участь у виконанні сценаріїв автоматизації, так як вони містять в собі комунікаційний контролер шини ЕІВ, центральний процесор та високоємнісну пам'ять для зберігання всіх сценаріїв автоматизації, де він задіяний; - вибір кінцевого користувача обмежений тільки високовартістними (порівняно з функціональністю) пристроями тих фірм, що входять в асоціацію ЕІВА; - ненадійність системи, а саме, обрив шини в одному місці виводить з ладу комплексне функціонування системи. Ці недоліки обумовлені стандартною схемою повністю децентралізованого інформаційного обміну між пристроями ЕІВ за рахунок наявності у кожному датчику та кінцевому виконавчому пристрою вбудованого високовартістного комунікаційного контролера шини ЕІВ, а також відсутністю дубляжу сигнальних проводів шини. В основу винаходу поставлено задачу створення такої системи автоматичного контролю та керування, яка дозволяє одночасно вирішити проблеми контролю доступу, охоронно-пожежної сигналізації та керування кінцевими виконавчими пристроями в автоматизованому режимі. Система орієнтована головним чином на обладнання будівель будь-яких масштабів та призначення (багатоповерхові і багатоквартирні житлові будинки, банки, готелі, офісні і адміністративні будівлі, заводи, склади, торгові центри, а також власні котеджі тощо). Поставлена задача вирішується тим, що у першому варіанті виконання система автоматичного контролю та керування включає комунікаційну шин у системи ЕІВ, комунікаційні контролери, датчики, кінцеві виконавчі пристрої і, згідно винаходу, містить не менш ніж один головний контролер як інтелектуальний керуючий елемент системи та ЕІВ-контролери як елементи-посередники між головним контролером та датчиками і кінцевими виконавчими пристроями, причому ЕІВ-контролери під'єднані до комунікаційної шини системи ЕІВ, що закільцьована з головним контролером. В окремих конкретних прикладах цього варіанту виконання системи: Комунікаційна шина ЕІВ має чотири незалежних гілки, кожна з яких закільцована з головним контролером. Кожна з гілок комунікаційної шини з'єднана з головним контролером через два SPI-EIB-контролери. Мікропроцесорна система головного контролера містить набір інтерфейсів SPI і три зовнішніх інтерфейси RS-232. Один із зовнішних інтерфейсів адаптований для підключення до стільникового зв'язку стандарту GSM, а два інших - до телефонних мереж. У другому варіанті виконання системи автоматичного контролю та керування, що включає комунікаційну шин у системи ЕІВ, комунікаційні контролери, датчики, кінцеві виконавчі пристрої і, згідно винаходу, в системі використовують ЕІВ-контролери з новою “інтелектуальною” мікропрограмою, працюючої на більш потужних процесорах, які під'єднані до стандартної шини ЕІВ, що закільцьована на новостворений ЕІВ комутатор. Крім того, в конкретному прикладі виконання, комунікаційна шина ЕІВ має чотири незалежних гілки, кожна з яких закільцована з комутатором. І вобох варіантах: кожний з ЕІВ-контролерів з'єднаний з багатьма (від 4 до 16) датчиками та кінцевими виконавчими пристроями. Система "Інтелектуальний будинок" складається з наступних елементів: головного контролеру 1, комунікаційної шини 2 системи ЕІВ, яка може мати чотири гілки, від 1...n ЕІВ контролерів 3і...3n, датчиків 4, кінцевих виконавчих пристроїв 5. Кожна з гілок комунікаційної шини 2 ЕІВ з'єднана з головним контролером 1 через два SPI-EIB-контролери 6. Мікропроцесорна система головного конролера містить набор інтерфейсів SPI 7 і три зовнішних інтерфейси RS-232 8. Один із зовнішних інтерфейсів адаптований для підключення до стільникового зв'язку стандарту GSM, a два інши х - до телефонних мереж. Кожний з ЕІВ-контролерів з'єднаний з багатьма (від 4 до 16) датчиків 4 та кінцевими виконавчими пристроями 5. Головними елементами системи є новостворені окремі прилади - головний контролер і ЕІВ-контролер, їх структурні схеми, описи і схеми взаємодії в складі системи наведені нижче. Суть винаходу пояснюють креслення, на яких зображені: на фіг.1 - головний контролер системи, на фіг.2 структурна схема ЕІВ-контролера, на фіг.3 -структурна схема базової конфігурації системи з одним головним контролером та на фіг.4 - стр уктурна схема розширеної конфігурації (з декількома головними контролерами), на фіг.5 - стр уктурна схема системи, яка відповідає другому варіанту (див. п.6 формули). Головний контролер - являється „мозком" системи, працюючим за окремою мікропрограмою, призначений для аналізу зібраної і переданої ЕІВ контролерами інформації про об'єкти, прийняття рішень і передачі команд керування ЕІВ-контролерам, а також для обміну інформацією з локальним або віддаленим комп'ютером за допомогою телефонної лінії або мережі GSM. Головний контролер (фіг.1) складається з мікропроцесорної системи, що має набір інтерфейсів SPI 7 і трьох RS-232 8. Один з інтерфейсів RS-232 адаптований для підключення мобільного телефону. Конструктивно модуль складається з плати, де розташовані процесор, пам'ять (статична та енергонезалежна) та схеми інтерфейсів, а також стабілізатори напруг живлення +3,3В і +5В. Головний контролер має 3 зовнішніх інтерфейса для підключення різних комунікаційних пристроїв для обміну інформацією з локальним та віддаленим комп'ютером за допомогою телефонної лінії та мережі GSM. Головний контролер має входи для підключення мобільних телефонів (Nokia, Siemens), що наділяє систему можливістю вести обмін даними з віддаленим комп'ютером і безпосередньо з користувачами системи через стільниковий зв'язок стандарту GSM за допомогою таких сервісів, як короткі текстові повідомлення (SMS) і режим даних (Data call, 9600 bps). Два інтерфейси RS-232 дозволяють підключити до головного контролера комп'ютер або модем для зв'язку з віддаленим комп'ютером через телефонні лінії (комутуємі або виділені). Контролер SPI-EIB 6 являє собою окрему плату, об'єднану в один блок з головним контролером. Контролер SPI-EIB виконує роль інтерфейсного модуля шини ЕІВ, яка є головною комунікаційною шиною системи, зв'язуючою ЕІВ контролери з головним контролером, який одночасно підтримує до 4-х окремих шин ЕІВ. Для підключення шини ЕІВ до головного контролера використовують 2 контролера SPI-EIB, що дозволяє закільцевати шину та зробити і невразливою до обриву. Живлення контролерів SPI-EIB відбувається від головного контролера. Контролер SPI-CAN виконує роль інтерфейсного модуля шини CAN 9, яка застосовується як високошвидкісна комунікаційна шина між головними контролерами в розширених варіантах конфігурації системи (до 8-ми головних контролерів). ЕІВ контролер призначений для використання у складі комплексних систем контролю доступу, охорони, пожежної безпеки і автоматизації. Він виконує наступні функції: - передача ідентифікаційного коду користувача (Proximity Card, Dallas iButton) від зчитувача головному контролеру; - контроль стану датчиків об'єкта (пожежного, присутності, затоплення тощо) та передача даних про стан об'єкта головному контролеру; - прийом від головного контролера та виконання команд керування кінцевими виконавчими пристроями (замок, електромагнітні клапани, сигналізація, освітлення, тощо). Основу ЕІВ-контролера, структурна схема якого наведена на фіг.2, складає мікроконтролер, який працює, за окремою мікропрограмою та у відповідності до команд головного контролера, та виконує функції аналізу стану датчиків, обміну даними з головним контролером та керування кінцевими виконавчими пристроями за допомогою відповідних інтерфейсів. Інтерфейси (шини ЕІВ, зчитувачів, параметричних та логічних входів та ви ходів з відкритими колекторами) призначені для узгодження входів та виходів мікроконтролера із зовнішніми колами (шиною ЕІВ, зчитувачами, датчиками, релейними та семисторними модулями). Для забезпечення живлення ЕІВ контролер використовує перетворювач напруги, який формує з напруги мережі 220В напругу живлення мікроконтролера +12В. ЕІВ-контролер виконує функції передачі ідентифікаційного коду з зчитувача Proximity-карт та стану датчиків головному контролеру та виконання команд головного контролера про керування кінцевими виконавчими пристроями. Для під'єднання датчиків у ЕІВ контролерах передбачено параметричні та логічні входи. Вони відрізняються способом під'єднання датчиків та кількістю станів, що розпізнаються. Параметричні входи ElВ-контролера (від 4-х до 16-ти входів) призначені для під'єднання сигналізаційних шлейфів з розподіленими опорами "2EOL". Така схема ввімкнення датчиків дозволяє розпізнавати чотири стани шлейфа "ключ замкнутий", "ключ розімкнутий", "коротке замикання" та "обрив". До шлейфа можна, при потребі, приєднати кілька датчиків з нормально розімкнутими або нормально замкнутими контактами (з'єднавши контактні групи паралельно або послідовно). Логічні входи ЕІВ-контролера (від 4-х до 16-ти входів) призначені для контролю стану нормально замкнути х чи нормально розімкнутих контактних датчиків, а також датчиків з виходами типу "відкритий колектор". Розрізняють два стани логічних входів логічний нуль (вхід з'єднаний з "землею") та логічна одиниця (вхід відкритий). Кожен вхід має навантажувальний резистор, з'єднаний з шиною живлення +5 В, послідовний резистор і захисні діоди на шини +5 В і "земля". Аналогові входи ЕІВ-контролерів (від 2-х до 4-х входів) призначені для збору метрологічних даних, на них подається довільна напруга від 0 до +12 В. Виходи з відкритими колекторами (від 6-ти до 24-х виходів) підключаються до релейного або семисторного модуля і служать для керування кінцевими виконавчими пристроями. Інтерфейс зчитувачів ЕІВ-контролерів (від 1-го до 4-х зчитувачів) призначений для під'єднання зчитувачів ідентифікаційних кодів. Інтерфейс забезпечує узгодження сигналів керування світловою та звуковою індикацією зчитувачів, а також каналу прийняття ідентифікаційного коду (інтерфейс Wiegand). Інтерфейс ЕІВ призначений для зв'язку ЕІВ контролерів з головним контролером. Шина ЕІВ - основна комунікаційна шина системи, служить для інформаційного обміну між головним контролером і ЕІВ-контролерами. Шина ЕІВ розділена на 4 окремі незалежні гілки, кожна з яких закільцована на головний контролер, що забезпечує нормальне функціонування системи при обриві. На одній гілці шини можуть вести обмін один головний контролер і до 63-х ЕІВ-контролерів. Шина CAN - додаткова високошвидкісна комунікаційна шина, служить для інформаційного обміну між головними контролерами в розширених конфігураціях системи. На шині CAN можуть вести обмін до 8-ми головних контролерів. Структурні схеми базової та розширеної конфігурації системи з головним контролером наведені на фіг.3 та фіг.4 відповідно. В динаміці робота системи з головним контролером відбувається наступним чином: від датчиків 4, що під'єднані до ЕІВ-контролерів 3, поступають сигнали, ЕІВ контролери визначають характер сигналів (обрив, спрацювання, відновлення, тощо) та передають цю інформацію по шині ЕІВ 2 головному контролеру 1, який, отримавши інформацію від ЕІВ контролерів, аналізує таблиці конфігурації та подає ЕІВ контролерам команди керування кінцевими виконавчими пристроями 5. ЕІВ контролери, отримавши команди від головного контролера, виконують завдані ним дії над під'єднаними до них виконавчими пристроями. Таким чином, у створеній системі впроваджений цілий ряд нових технологічних рішень, які вигідно відрізняють її від стандарту Європейської Інсталяційної Шини (ЕІВ), а саме: - значно зменшена вартість обладнання для кінцевого користувача завдяки можливості під'єднання до одного ЕІВ-контролера багатьох (від 4 до 16) датчиків та кінцевих виконавчих пристроїв та можливості під'єднання до системи датчиків та виконавчих пристроїв, в яких відсутні вбудовані комунікаційні контролери ЕІВ; - можливість функціонування системи при обриві шини ЕІВ за рахунок закільцовки сигнальних проводів шини. Крім того, створена ще одна система див п.6 формули, яка відрізняється від наведеної вище тим, що в ній повністю збережений принцип децентралізації роботи, який являється основним в стандарті Європейської Інсталяційної Шини (ЕІВ). Структурна схема такої системи наведена на фіг.5. В даній системі функції головного контролера розподілені між всіма ЕІВ контролерами, до яких поєднуються групи датчиків та кінцевих виконавчих пристроїв Це стало можливим за рахунок використання в ЕІВ контролерах нової, „інтелектуальної” мікропрограми, працюючої на більш потужних процесорах. Також зникає необхідність у використанні SPI-EIB-контролерів, які являлися зв'язуючою ланкою між головним контролером та шиною ЕІВ. Для закільцовки сигнальних проводів шини тепер використовується новостворений прилад - ЕІВ комутатор, який при необхідності також включає в себе функцію зв'язку з локальним комп'ютером (у випадку наявності такого у конфігурації системи на конкретному об'єкті). В динаміці робота цього різновиду системи виглядає наступним чином: від датчиків 4, що під'єднані до ЕІВконтролерів 3, поступають сигнали зміни стану об'єкта. ЕІВ контролер визначає характер сигналів (обрив, спрацювання, відновлення, тощо), аналізує їх і сам приймає рішення та передає потрібні команди по шині ЕІВ, адресуючи їх тим ЕІВ-контролерам, яким належить їх виконати. ЕІВ контролери, яким були адресовані керуючі команди, приймають їх та виконують запрограмовані дії над під'єднаними кінцевими виконавчими пристроями. Тобто, при виконанні сценаріїв автоматизації всі ЕІВ-контролери складають з себе спільний інтелектуальний механізм для аналізу, прийняття та здійснення рішень над кінцевими виконавчими пристроями. Таким чином, в даному варіанті системи збережена децентралізація інтелекту як основного принципу стандарту Європейської Інсталяційної Шини (ЕІВ), що додатково уникнути залежності функціонування системи (на відміну від першого варіанту) від одного пристрою (головного контролера), - і, як наслідок, її вразливості. Однак при цьому, як і в першій системі, збережена можливість підключення датчиків та кінцевих виконавчих пристроїв, в яких не вбудовані комунікаційні контролери ЕІВ, що здешевлює систему для кінцевого користувача в 3-4 рази. Основне досягнення обох систем полягає в усуненні необхідності встановлення у системі „Інтелектуальний будинок" датчиків та кінцевих виконавчих пристроїв ли ше певних виробників-членів асоціації ЕІВА, які випускають їх з вбудованими комунікаційними контролерами ЕІВ, що дало можливість застосовувати у цій системі аналогічні пристрої будь-якого виробництва (не членів асоціації ЕІВА), вартість яких в 3-5 разів менша.