De ontbrekende technische fundamenten voor slimme gebouwen

Technisch gezien kunnen we gebouwen eenvoudig slimmer maken aangezien we al over de benodigde processors en software beschikken. Ingenieurs kunnen op elke locatie een kleine $ 3 processor plaatsen en deze met elkaar verbinden. Deze locaties omvatten lichtschakelaars, lichtcontactdozen, motoren die thermische afdekkingen over ramen verplaatsen en pompen die water van thermische opslagtanks naar radiatorkranen verplaatsen.

Dan zijn er grote apparaten, thermostaten, temperatuursensoren, aanwezigheidssensoren en brandmelders. Deze apparaten kunnen de centrale lucht die naar elke kamer stroomt regelen, lucht van de ene kamer naar de andere verplaatsen met een centraal HVAC-systeem en een tank met thermisch opslagwater via zonne-energie verwarmen of koelen voor gebruik wanneer de zon niet schijnt. Bovendien kunnen ze ondergronds water van 60 ° F in warmtepompen verplaatsen, gemotoriseerde thermische raamafdekkingen aansturen die in de muur zijn ingebed en die naar behoefte kunnen worden uitgeschoven, en de verlichting bij elke gloeilamp aanpassen.

Dus wat is het probleem?

Er zijn verschillende redenen waarom het bovenstaande niet gebeurt:

• We hebben geen geaccepteerd standaardcommunicatiesysteem in gebouwen dat processors kan verbinden met een betrouwbaarheid van ≥ 99,999% en tegen lage kosten. "Vijf 9s" betekent dat het systeem gemiddeld ≤10 minuten per jaar uitvalt.
• We hebben geen geaccepteerd standaard besturingssysteem (OS) dat op alle apparaten in een gebouw werkt. We hebben Windows voor computers, iOS op iPhones en Android op andere smartphones. Dat stelt deze computerapparatuur in staat om verschillende softwarepakketten te coördineren en er verbinding mee te maken. We hebben echter geen geaccepteerd besturingssysteem voor apparaten voor slimme gebouwen, waardoor het moeilijk is om meerdere slimme apparaten op een plug-and-play manier in een gebouw te integreren.

Hoe betrouwbaarheid te garanderen

Wanneer men een fysieke wandlampschakelaar aanzet, is de communicatie tussen de schakelaar en de plafondlamp ≥99,999% van de tijd operationeel. Het is een subtiel punt dat weinig aandacht krijgt, maar toch belangrijk is. Bewoners en bouwers accepteren geen lagere betrouwbaarheid van de gemeenschappelijke gebouwinfrastructuur.

Het is vermeldenswaard dat draadloze en powerline-communicatie aanzienlijk minder betrouwbaar is, met uitvalpercentages in de orde van 1% tot 10%. Dit komt door dode zone, overvol spectrum, lage signaal-ruisverhouding, te kleine antennes en geblokkeerde signalen. Powerline-communicatie omvat het plaatsen van een datasignaal op een stroomdraad, maar het signaal moet naar de zekeringkast worden geleid en vervolgens naar buiten; het vermengt zich met enorme dynamische spanningsdalingen langs de stroomkabel, en dat leidt tot frequente fouten.

Als ingenieurs hier goedkope MCU's willen gebruiken om een ​​gebouw te netwerken, hebben ze een draad nodig die CAN-bus ondersteunt, het netwerksysteem dat door auto's wordt gebruikt om sensoren en actuatoren met elkaar te verbinden. Het beschermt de datakabel tegen beschadiging in het geval dat deze per ongeluk op de stroomkabel wordt aangesloten.

Er is een type bedradingtopologie genaamd "boom", wat betekent dat één kabel op meerdere apparaten is aangesloten en vertakkingen heeft. Men zou een datakabelsysteem nodig hebben dat dit ondersteunt, aangezien stroomkabels en gebouwgeometrie als takken in een boom zijn geconfigureerd. Het verschilt van Ethernet, dat een enkele draad heeft tussen twee apparaten en van een serieschakeling met meerdere apparaten langs één draad zonder vertakkingen.

Lichte en zware applicaties

Je kunt consumenten in een slim gebouw verdelen in twee categorieën:licht en zwaar. Lichte categorie verbruikt minder dan 20 W, terwijl zware gebruikers meer verbruiken. Lichtcategorie omvat led-lampen, lichtschakelaars, thermostaten, temperatuursensoren, aanwezigheidssensoren, branddetectoren, motoren voor thermische raamafdekkingen, motoren voor gordijnen en jaloezieën, motoren voor dempers in kanalen/ventilatieopeningen en radiatorkranen. Zware categorie omvat 110/220 V_AC stopcontacten, HVAC, grote apparaten en ventilatoren.

Een LED-lamp van 10 W verbruikt bijvoorbeeld 0,1 A bij 110 V_AC , en het is 1/200 ^de van een zekering van 20 A. De meeste apparaten in een gebouw vallen onder de categorie licht. Om geld te besparen, kunnen technici lichte apparaten aansluiten met een lagere voedingsspanning en minder omvangrijke stroomkabel. Licht kan bijvoorbeeld 48 V_DC . routeren stroom op 18-awg draad terwijl zware toepassingen traditionele 110/220 V_AC . kunnen gebruiken stroom op 14-awg draad.

De 48 V_DC stroom omvat goedkopere elektronica en bescherming van datakabels. Verder 48 V_DC brengt bouwvoorschriften met minder bedradingsbeperkingen met zich mee. Dus als de meeste apparaten worden gevoed met de goedkopere 48 V_DC , kunnen technici mogelijk bespaard geld ombuigen naar het integreren van slimme netwerkapparaten op elke locatie.

Een automatiseringsnetwerk verbindt zich vanaf een centrale plek door het hele gebouw. Bron:Manhattan 2

Algemene software op alle apparaten

Als ingenieurs slimme apparaten willen tegen lage kosten en hoge betrouwbaarheid, dan is er maar één manier om dit te doen:dezelfde software op alle apparaten plaatsen. Het is ook de enige manier om de wereld zover te krijgen dat ze het gratis en open maken, wat betekent dat iedereen het gratis kan gebruiken en wijzigen. Er is nog een eis:kwaliteit. Het systeem wordt niet goed ontvangen als het fouten bevat en niet goed gedocumenteerd is.

Er zijn bestaande netwerkprotocollen die bepalen hoe apparaten met elkaar omgaan, maar ze bevatten geen software die een compleet slim systeem mogelijk maakt. Dus werken ingenieursstudenten aan een gratis en open besturingssysteem voor slimme apparaten bij UMass Amherst en andere scholen, genaamd BuildingBus.

Elk apparaat kan een bericht naar elk ander apparaat sturen; kan elke poort in elk ander apparaat lezen of schrijven; kan een bibliotheek ontvangen die informatie over andere apparaten bevat; kan sensoren van elk ander apparaat in pseudo-realtime bewaken; en kan een commando naar elk ander apparaat sturen. Omdat elk apparaat weet welke software op elk ander apparaat wordt uitgevoerd, kan het gemakkelijk activiteiten coördineren en tegelijkertijd fouttolerantie, hoge betrouwbaarheid en plug-and-play bieden.

Hetzelfde besturingssysteem op alle apparaten en een betrouwbaar communicatiesysteem kunnen gebouwen slimmer en energiezuiniger maken tegen lage kosten. Onderzoekers zijn hier al mee bezig. Het is echter niet duidelijk welke van de verschillende initiatieven de beste oplossing zal opleveren en de komende jaren zullen we waarschijnlijk verschillende oplossingen zien opkomen om gebouwen slimmer te maken.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EDN .