Барбара Хорвиц-Беннет
(Barbara Horwitz-Bennett),
помощник редактора журнала CSE
Технология сетчатых беспроводных соединений, улучшение безопасности и снижение загрузки радиочастотного диапазона – это лишь часть из достижений, которые повысили привлекательность использования беспроводных соединений в BAS (Building Automation Systems – система автоматизированного управления работой коммунальных систем в зданиях).
Мы попросили ведущих специалистов в данной области дать свои разъяснения по наиболее часто задаваемым вопросам, а также прокомментировать некоторые интересующие аспекты работы новой технологии. В беседе приняли участие:
Том Мансон (Tom Munson) – проектировщик распределения зарегистрированных коммуникационных систем (RCDD), руководитель центра "TLC Engineering for Architecture" (Орландо, Флорида, США);
Джей Хендрикс (Jay Hendrix) – менеджер компании "SBT Wireless" (Буффало-Гроув, Иллинойс, США);
Терри Хоффман (Terry Hoffman) – компания "Johnson Controls" (Милуоки, США);
Джон Руис (John Ruiz) – менеджер программы по созданию BAS на основе беспроводных технологий компании "Johnson Controls" (Милуоки, США);
Джон Уильямсон (Jon Williamson) – менеджер по маркетингу компании "TAC North" (Андовер, Массачусетс, США).
CSE: Каковы основные преимущества при использовании беспроводных технологий?
Мансон: Важным преимуществом подобных технологий является возможность установки устройств в трудных условиях, особенно в уже существующих зданиях или в удаленных точках. Кроме того, к достоинствам можно отнести мобильность таких устройств и возможность их быстрой установки, а также снижение общих затрат за счет уменьшения необходимости в прокладке проводов.
Хоффман: Несомненно, что одним из преимуществ является возможность экономии за счет устранения необходимости прокладывать провода между сенсорами и контроллерами, но я полагаю, что главными преимуществами при использовании беспроводных технологий являются все-таки гибкость и простота расширения систем.
Сейчас гибкость необходима компаниям как никогда ранее. Они (компании) в целом должны изменяться в соответствии с изменением своих потребностей. Именно такое окружение способствует развитию использования беспроводных технологий, особенно в случае установки, например, сенсоров в помещениях, предназначенных для сдачи в аренду. При использовании беспроводных технологий установка новых сенсоров, как временная (для диагностики возникших проблем), так и постоянная (для расширения существующей системы) становится гораздо более простым делом.
Хендрикс: Использование беспроводных технологий также означает, что схему расположения сенсоров можно оптимизировать для обеспечения расположения их в наиболее релевантных точках. В прошлом места установки сенсоров обычно определялись тем, насколько просто было подвести к ним необходимую проводку. Часто такая проблема возникала в больших общих офисных помещениях, разделенных на отдельные рабочие ячейки, но сейчас использование беспроводных технологий позволяет не только легко перемещать сенсоры с места на место, но и позволяет использовать большее число сенсоров, что повышает возможности BAS по сбору данных.
Другим преимуществом при использовании беспроводных технологий является упрощение реконструкции систем. Больше не нужно вскрывать стены и потолки для прокладки кабелей и новой проводки. Это особенно верно в случае использования беспроводных устройств, питающихся от батарей или от других уже присутствующих источников энергии, так как это устраняет необходимость в прокладке новых кабелей питания.
CSE: Как использование беспроводных технологий повлияло на процедуру установки оборудования?
Хендрикс: Я полагаю, что использование беспроводных устройств облегчает координацию между различными секторами при проведении установочных работ. Например, комнатный сенсор может быть установлен и введен в эксплуатацию в самом конце проекта, и эту операцию не надо координировать с производителями других работ на различных этапах реализации намеченного проекта. Кроме того, при использовании беспроводных технологий проведение реконструкции в значительно меньшей мере мешает работе арендаторов помещений в зданиях.
Использование беспроводных технологий также способствует постепенному переходу от использования старых систем к использованию новых, что позволяет производить подобные работы в соответствии с установленным бюджетом и расписанием. Часто проводка, применявшаяся в старых системах, не может использоваться в новых системах. Соответственно, ее приходится перекладывать, и модернизацию системы приходится проводить полностью за один этап. Это обычно приводит к тому, что старую систему приходится полностью демонтировать, и одновременно производить установку новой системы. При использовании беспроводных технологий "перевод" устройств в новую систему можно производить постепенно, не затрагивая при этом работу остальных устройств, подключенных к старой действующей системе.
CSE: Какие препятствия все еще остаются на пути использования беспроводных технологий?
Хендрикс: Одной из проблем является использование батарей питания для многих беспроводных устройств, например, сенсоров (элементы питания приходится многократно менять в течение срока службы устройств). Однако со снижением потребляемой этими устройствами мощности, улучшением технологий, применяемых при производстве батарей, и развитием использования альтернативных источников питания, например, солнечных батарей и термоэлементов, острота этой проблемы будет постепенно снижаться.
Мансон: Другим препятствием является отсутствие уверенности в надежности защиты создаваемых систем от злонамеренного внешнего вторжения и от помех, создаваемых другими электрическими устройствами. Если говорить по существу, то конечные пользователи задают себе вопрос: "Могу ли я считать такую систему надежной, и что мне делать в том случае, если эта система действительно будет выведена из строя?"
Руис: Таковы сегодняшние представления пользователей, и, с учетом развития технологий, их можно признать устаревшими. В реальности, правильно спроектированные беспроводные системы являются столь же надежными и безопасными, как и те, в которых используются провода, а с появлением новых технологий, таких как: смена частоты, ячеистые сети и растяжение сигнала, – и их внедрением в беспроводные сети, подобные системы становятся еще более надежными и безопасными.
Уильямсон: Как и для любых новых технологий, принятие решения об использовании беспроводных технологий расширяется по мере того, как они становятся все более испытанными и проверенными на практике. За последние три года производители выделяли значительные научно-конструкторские ресурсы для повышения надежности и безопасности беспроводных решений, чтобы они отвечали ожиданиям пользователей. Эта технология сейчас достигла того уровня зрелости, на котором удовлетворение поставленных целей и запросов клиентов может быть достигнуто в привлекательном ценовом диапазоне для широкого спектра приложений.
Хендрикс: Однако все еще справедлив тот факт, что стоимость дополнительной электроники, необходимой для создания беспроводных сетей, все еще превышает стоимость установочных работ, устраняемых использованием беспроводных технологий, но этот вопрос постоянно меняется, так как во все большем числе радиоэлектронных устройств начинают использоваться схемы на основе единственной микросхемы, стоимость которых с каждым годом быстро падает.
Кроме того, пока проблемой является недостаточная техническая совместимость между различными беспроводными устройствами. Для решения этого вопроса необходимо продолжать работы в области стандартизации.
CSE: Можно найти доводы в пользу использования беспроводных устройств практически в любых зданиях, но, все-таки, какие типы зданий больше всего подходят для применения беспроводных технологий?
Хоффман: Говоря в целом, беспроводные устройства естественным образом больше всего подходят для зданий, в которых нельзя или сложно прокладывать проводку. Причины для этого могут быть как чисто косметическими, так и связанными, например, с общей безопасностью или с соображениями по охране здоровья. Кроме того, создание беспроводных сетей является экономически оправданным в тех случаях, когда при использовании обычных сетей проводку пришлось бы прокладывать через загрязненные участки, или через подземные участки, затопленные грунтовыми водами. Примеров можно привести множество.
Уильямсон: При разработке любых проектов необходимо использовать наилучшие методы планирования беспроводных сетей, учитывающие влияние на их будущую работу различных физических препятствий и строительных материалов. Можно назвать четыре типа зданий, в которых использование беспроводных решений является особенно привлекательным. Это: городские здания, чистые цеха, исторические здания и здания, удаленные от ближайших соседей (в том числе и здания, к которым и в которых трудно прокладывать проводку).
Например, в чистых цехах необходимо точно поддерживать заданное давление и микроклимат, поэтому любое нарушение целостности границ производственной зоны ухудшает условия работы в ней. В исторических зданиях важно поддерживать целостность их конструкций: что означает – провода в них не всегда можно прокладывать по прямой. Таким образом, для прокладки сети в соседнюю комнату может потребоваться проложить до тысячи футов кабеля, тогда как длина беспроводного соединения составит всего 10 футов. Кроме того, прокладка траншеи для проводки кабеля к удаленному зданию и пробивание отверстий в кирпичных, бетонных или стеклянных стенах может быть сложным и дорогим делом.
Хендрикс: Офисы, школы и университеты, а также производственные и другие промышленные здания являются широким полем для использования беспроводных решений. Здания с достаточно открытыми внутренними и внешними пространствами могут быть идеальным местом для использования беспроводных технологий, поскольку они создают минимальные преграды на пути распространения радиочастотных сигналов.
Мансон: Кроме того, идеальными кандидатами для использования беспроводных решений являются здания с большим количеством индивидуальных рабочих мест. Фактически контроль состояния индивидуальных рабочих мест должно быть основным мотивом для использования беспроводных технологий. Чувство собственного комфорта и ощущение контроля над своим личным пространством могут повысить доходы компании за счет того, что ее работники будут чувствовать себя счастливыми и довольными.
CSE: Итак, как следует организовывать в будущем инфраструктуру зданий, чтобы облегчить использование беспроводных технологий?
Руис: Желательно рассмотреть возможность применения и использования радиопрозрачных материалов. Беспроводные системы обычно работают лучше всего в открытых условиях, в которых не происходит интерференции или поглощения радиочастотных сигналов. В подобных условиях эти сигналы могут распространяться на расстояние до 300 футов, что делает беспроводные технологии идеальным средством для подключения сенсоров для измерения температуры и контроля влажности воздуха в помещениях. Контроллеры обычно располагаются на расстоянии от 30 до 60 футов от сенсоров, за пластинами навесных потолков.
Пористые материалы, подобные ДСП, потолочные пластины и цементные блоки оказывают меньшее влияние на распространение радиосигналов в беспроводных системах, чем металлы и бетон, в котором радиосигналы распространяются менее чем на 100 футов. Удивительно, что металлические воздуховоды иногда способствуют распространению беспроводных сигналов, так как они играют роль волноводов, помогающих прохождению сигналов между контролерами.
Уильямсон: Одна из недавно разработанных технологий – беспроводная ячеистая сеть – обладает тем преимуществом, что для ее создания не требуется наличия специальной инфраструктуры. Она основана на том, что каждый ее узел способствует построению надежной беспроводной сети.
Беспроводные ячеистые сети отличаются от беспроводных Ethernet-сетей, основанных на радиально-узловой многоточечной архитектуре, зависящей от расположения точек доступа. В беспроводных ячеистых сетях каждый узел соединен с другими элементами сети множеством путей и знает обо всех своих ближайших соседних узлах. Если один из узлов отключается от сети или если блокируется используемый путь для передачи данных, то сеть автоматически восстанавливает свою структуру, находя следующий ближайший узел для возобновления передачи сообщений. Так как для организации беспроводной ячеистой сети не требуется создания инфраструктуры, то легко осознать, насколько это удешевляет их построение по сравнению с обычными сетями. В результате гирляндная схема подключения элементов сетей уходит в прошлое.
Хендрикс: Это действительно так, ячеистые сети используют решетчатую топологию для создания многочисленных резервных путей связи, и при этом каждый их узел одновременно выполняет функции передатчика, приемника и маршрутизатора. Ячеистые сети могут направлять сигналы вокруг препятствий, и каждый узел должен в них быть связан всего с двумя-тремя соседними узлами.
Уильямсон: Фактически, стандарт IEEE 802.15.4, используемый для создания беспроводных ячеистых сетей, позволяет создавать гораздо лучшие беспроводные решения для систем управления и контроля, чем стандарты "WiFi" или "Bluetooth". Беспроводные ячеистые сети являются самоформирующимися, и для их создания не требуется наличия специальной инфраструктуры, точек доступа или маршрутизаторов, хотя иногда в их состав может быть необходимо включение ретрансляционных устройств.
CSE: Какие другие успехи в области развития беспроводных технологий были достигнуты за последнее время, за исключением разработки беспроводных ячеистых сетей?
Хендрикс: Мощность, потребляемая беспроводными устройствами, все больше и больше снижается, что позволяет таким устройствам работать от батарей питания очень длительное время.
Хоффман: Одной из последних тенденций является использование систем на основе технологии распределенных антенн. Такие системы гарантируют покрытие всех беспроводных систем в здании, включая мобильные телефоны, беспроводные LAN-сети, телефонию по стандарту VoIP и BAS. Они также способствуют улучшению безопасности, поскольку антенны могут быть спроектированы таким образом, чтобы облегчать прием сигналов внутри здания и препятствовать их распространению за его пределами.
Разработчики беспроводных систем также начинают использовать технологии военного назначения. Например, для уменьшения интерференции беспроводные сети используют технологию скачкообразной перестройки частот для динамического выбора используемых частотных диапазонов. Они также используют передачу сигналов с расширением спектра, что приводит к распределению сигнала по используемому частотному диапазону. В радиооборудование также встраиваются продвинутые алгоритмы шифрования, что способствует увеличению безопасности беспроводных сетей. Эти технологии давно используются в радиостанциях военного назначения, а сейчас их применение стало экономически оправданным и в беспроводных BAS.
CSE: Как вы представляете себе будущее беспроводных систем через 10 и через 20 лет?
Мансон: Я считаю, что все устройства будут поддерживать технологию беспроводной IP-адресации с минимальной шириной канала для передачи данных в 1 Гигабод.
Хендрикс: Я предвижу, что уже в ближайшем будущем беспроводные устройства станут дешевыми элементами инфраструктуры. Потребляемая ими мощность продолжит снижаться, и для их питания будут применяться альтернативные источники энергии или технологии для сбора энергии из окружающей среды, что позволит таким устройствам работать практически вечно без какого-либо обслуживания. Радиоэлектронные компоненты будут встраиваться во все устройства.
Сенсоры и радиоэлектронные устройства еще больше уменьшатся в размерах, по сравнению с нынешними, и будут встраиваться во все устройства, нуждающиеся в наблюдении и контроле с целью обеспечения их своевременного обслуживания, а также поддержания комфорта и обеспечения безопасности в целом. Контрольные устройства BAS также будут использовать более крупные беспроводные инфрастуктуры, которые к тому времени будут созданы повсюду. Каждое здание будет содержать собственное хранилище информации, которую можно будет отслеживать и обрабатывать через Интернет или в автоматическом режиме для оптимизации управления, повышения эффективности энергопотребления и обеспечения комфорта людей в этом здании.
Руис: Мы ожидаем, что эволюция беспроводных BAS будет повторять в терминах перенимания технологий ту, которая происходит на рынке мобильных телефонов и WiFi-сетей. Это также позволит создать более распределенные и менее иерархические системы контроля и управления. Благодаря своей высокой стоимости и низкой надежности до середины 1990-х годов мобильные телефоны занимали на рынке лишь сравнительно узкую нишу. По мере развития технологий их стоимость падала, а надежность увеличивалась, и число пользователей мобильных телефонов начало расти. Сегодня в мире насчитывается более полутора миллиардов пользователей беспроводной связи, и индустрия WiFi-сетей развивается сейчас столь же быстрыми темпами.
Кроме того, в сетевой WiFi-индустрии наблюдается другое явление: установка беспроводного оборудования не обязательно должна производиться экспертами. Технологии развились настолько, что беспроводное сетевое оборудование может быть установлено обычным пользователем всего за один день. Этого же можно ожидать и в случае BAS: в ближайшие 10 лет беспроводные сети станут самым распространенным способом для создания BAS в коммерческих зданиях.
Благодаря созданию беспроводных сетей на основе таких стандартов, как WiFi и ZigBee, сегодняшняя иерархическая структура BAS изменится. Такие конечные устройства, как сенсоры и исполнительные устройства, станут умнее и будут требовать меньше контроля. Они будут оснащены пользовательскими интерфейсами и встроенными системами для генерации предупреждающих сообщений, регистрации графиков и задания расписаний. Интеграция между различными системами также станет более общим явлением. Например, табельные часы смогут передавать информацию системам освещения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, о наличии людей в помещении и, соответственно, сигнал к действию.
Уильямсон: Со временем будет расти число систем, сочетающих в себе проводные и беспроводные технологии. Как в офисах используются комбинации беспроводных точек подключения, так и фиксированных точек доступа для подключения к локальным Ethernet-сетям, так и в зданиях будут сохраняться некоторое количество контрольных систем на основе проводных технологий. Беспроводные устройства станут более распространенными и будут включать в себя различные периферические устройства: сенсоры охранной сигнализации, температурные датчики, дверные контакты и многое другое.
Открытые протоколы, подобные разрабатываемому ASHRAE протоколу "BACnet" будут включать в себя стандарты беспроводной связи в качестве опционального способа передачи данных. Благодаря стандартизации беспроводных коммуникационных технологий для использования их в целях контроля и управления, станет возможным объединение продуктов от различных производителей в единую ячеистую сеть на основе их взаимной технической совместимости.
Выбирая между снижением стоимости установки при создании беспроводных ячеистых сетей и свободой выбора, предлагаемой открытыми протоколами, владельцы зданий стремятся к будущему, в котором они могут обеспечить безопасные и комфортабельные условия в зданиях дешевыми, эффективными и не требующими больших усилий способами.
И в заключении: эволюция беспроводных стандартов
Любая новая технология создает проблему своего включения в существующие нормативы и стандарты. Эта задача обычно ложится на плечи разработчиков нормативов и промышленных альянсов, вынужденных работать с максимальной отдачей, откладывая при этом в сторону личные предпочтения и корпоративные интересы ради общего блага людей, работающих и живущих в зданиях.
"К сожалению, мелочные раздоры и рыночное позиционирование часто встают на пути своевременного попадания необходимых продуктов на рынок. Комитеты по разработке стандартов продолжают внутреннюю борьбу по поводу вопроса, когда нужно прекратить окончательную доводку и ратифицировать созданные ими стандарты", – отмечает Том Мансон. – "Что касается происходящего в мире беспроводных устройств, то, похоже, что решающая роль в проведении стандартизации принадлежит Институту инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и "Альянсу ZigBee" – группе производителей контрольно-управляющего оборудования, работающей над продвижением использования беспроводных сетей на основе глобального открытого стандарта".
Как полагает Джон Руис – представитель компании "Johnson Controls": "Усилия IEEE по созданию открытого стандарта в области использования маломощных радиосигналов с умеренной шириной используемой полосы частот привели к разработке стандарта IEEE 802.15.4. Этот стандарт также был использован "Альянсом ZigBee" как часть стандарта ZigBee версии 1.0.
В версию 1.1. стандарта ZigBee вносятся дополнения, направленные на повышение надежности и безопасности радиосетей путем добавления использования ячеистой сетевой архитектуры и продвинутых алгоритмов шифрования. Кроме того, на собрании ASHRAE, прошедшем в январе 2006 года, была образована рабочая группа, которая должна определить, каким способом можно включить поддержку ZigBee в коммуникационный стандарт BACnet".
Статья подготовлена по материалам журнала Consulting Specifying Engineer