Опыт построения сети беспроводных датчиков для мониторинга систем ОВК зданий

W. M. Healy, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Новая технология должна каким-то образом уменьшать операционные расходы или обеспечивать людям в здании дополнительный комфорт, по сравнению с обычными технологиями. В последнее время появился ряд публикаций, посвященных преимуществам и недостаткам технологии беспроводных датчиков в строительных приложениях. Так, например, описывается применение технологии беспроводных датчиков при оборудовании офисного здания тридцатью беспроводными температурными датчиками и установке беспроводной системы контроля на расположенном на крыше агрегате ОВК, приводятся самые последние сведения о современном уровне беспроводной технологии и анализируются связанные с ней преимущества и недостатки.

Очевидно, что специалисты хотят выяснить, могут ли эти технологии упростить техническое обслуживание зданий, помочь в судебных разбирательствах или осуществлять регулирование таким образом, чтобы могли быть оправданы дополнительные расходы и обучение, необходимое для применения этих технологий.

В настоящей статье рассматривается один из типов платформ беспроводного контроля – сеть датчиков контролирует энергетические параметры системы теплового насоса, установленной в жилом здании. В дальнейшем эта сеть расширяется для контроля работы системы нагрева воды и гигротермического состояния стены.

Данный опыт помогает выявить определенные сложности, связанные с применением беспроводных датчиков, а также трудности, с которыми могут столкнуться операторы зданий при использовании этих технологий.

Архитектура сети датчиков

Сети датчиков и беспроводные технологии могут характеризоваться различным образом. Одним из таких способов является определение схемы узлов датчиков. На рис. 1 показаны три возможных вида архитектуры сети датчиков.

Первая схема отображает набор датчиков, передающих сообщения в центральный приемник. Такая схема обычно называется сетью типа «звезда». На рис. 1б представлена шинная топология, в которой датчики посылают сигналы в точку сбора данных по общей линии. Эта топология удобна для проводной связи, но она не годится для беспроводной передачи данных.

Третьей сетевой архитектурой (рис. 1в) является сотовая схема, которая используется в данном исследовании. Согласно сценарию обмена данных в такой сети, одни датчики могут связываться со всеми другими и ретранслировать от них сообщения. Центральная точка приема данных является просто одним из узлов сети, задачей которого является сбор данных, проходящих по сети. Преимуществом такой архитектуры является то, что датчик в каком-либо узле может обходить центральную станцию и передавать данные только в те узлы, в которых используются эти данные, благодаря чему уменьшается передача ненужной информации. Однако стоимость и сложность реализации такой сети в проводном исполнении становятся слишком большими из-за необходимости обеспечивать проводной связью каждый датчик со всеми другими датчиками. По этой причине такая топология может иметь практическое применение только при использовании технологии беспроводной связи.

Для настоящего приложения эта топология была выбрана по следующим причинам: несложность установки, возможность расширения и способность к самостоятельному определению и устранению неполадок.

Декларируется, что сотовая топология позволяет осуществлять установку без специального обследования электромагнитных параметров в жилом помещении. Согласно расчету, датчики могут помещаться в нужные места, и сеть сама настраивается на автоматическую маршрутизацию сигнала до места назначения, независимо от радиочастотных помех или препятствий.

Рисунок 1. Топологии сети датчиков: а – топология типа «звезда»; б – шинная топология; в – сотовая топология (S – месторасположение датчиков; D. C. – точка сбора данных)

Описание аппаратного обеспечения

Для реализации этой сотовой сети был использован комплект, включающий в себя несколько плат и программное обеспечение.

На плате реализуется узел, содержащий приемопередатчик и микропроцессоры, управляющие передачей и приемом сигналов. Приемопередатчик использует метод расширения спектра сигналов в диапазоне частот от 902 до 927 МГц; для данного приложения была задана мощность радиосигнала, равная 4 мВт.

Большая плата предназначена для разработки приложения. Она принимает аналоговые или цифровые сигналы с датчика и выполняет действия в соответствии с этими сигналами. В этом приложении использовалось питание от сети, т. к. в тех местах, где устанавливались платы с датчиками, имелась электрическая сеть. В этом отношении платы являются только частично беспроводными. Только обмен данными осуществляется в беспроводном режиме.

Плата приложения содержит микропроцессор с аналогово-цифровым преобразователем, мультиплексор, восемь аналоговых входов, источник питания напряжением 5 В и два прерывателя, используемые для контроля счетчиков.

Датчики присоединены к выводам на плате. Для приложений, в которых должны использоваться устройства небольшого размера, могут быть разработаны небольшие платы, подключенные к беспроводному узлу. Понятно, что, поскольку устройства подключаются к электросети, обмен данных может осуществляться и по электропроводке, но здесь основное внимание было направлено именно на передачу данных в беспроводном режиме.

Аналогичная плата приложения использовалась для сбора данных со всех датчиков и дальнейшей передачи этих данных в компьютер для сохранения. Плата подключается к компьютеру через последовательный порт и программируется как приемник данных, так что все беспроводные сообщения, поступающие в ее антенну, сразу же через последовательный порт направляются в компьютер.

Рисунок 2. Приблизительное местоположение плат датчиков внутри и вне городского дома с указанием расстояний между самыми удаленными узлами. Контуры звездочек указывают на положение плат датчиков, а звездочка с заливкой указывает место узла приема данных (рисунок не в масштабе)

Описание программного обеспечения

При запуске сети датчиков нужны три различных программных сегмента.

Во-первых, необходимо программное обеспечение для координации связи между датчиками. Это программное обеспечение разработано поставщиком аппаратного обеспечения.

Разработку второго и третьего программных сегментов должен осуществлять разработчик приложения. Первый из этих кодовых сегментов, содержащий команды прикладного уровня, был записан в узел датчиков. Этот код регулирует прием аналоговых сигналов от различных датчиков и преобразует эти сигналы в цифровые сообщения, содержащие информацию о параметрах среды. Измерение параметров и передача сообщений в центральную станцию производятся каждую минуту.

Каждый узел датчика имеет идентификатор, состоящий из двух символов. Этот идентификатор ставится в начале каждого сообщения. За идентификатором датчика пересылаются восемь значений данных, соответствующих восьми возможным каналам, имеющимся на плате. Если к какому-либо каналу не присоединен ни один из датчиков, для этого канала пересылается значение –99.9, что означает отсутствие сигнала в канале. Ниже показан пример сообщения для данных с платы, которая выполняет два измерения температуры в помещении (ID) и одно измерение относительной влажности. Данные с ID: 020.1 019.3 039.2 –099.9 –099.9 –099.9 –099.9 –099.9.

Это программное обеспечение написано на персональном компьютере на языке программирования С и передано на плату разработки по кабелю.

Третьим программным сегментом, необходимым для работы беспроводной сети датчиков, является программа, выполняющаяся на ведущем компьютере, в который передаются все данные. Пункт сбора данных запрограммирован на выгрузку принимаемых сообщений в персональный компьютер, в котором они заносятся в текстовый файл. Программа написана на ведущем компьютере и предназначена для обработки данных.

Приложением, выбранным для развертывания сети беспроводных датчиков, является система мониторинга множества важных потребителей энергии в жилом помещении, а также уровня влажности стены. Столь несопоставимые цели были выбраны для исследования возможности контроля различных параметров здания при помощи единой сети датчиков. Установка датчиков была выполнена таким образом, чтобы смоделировать изменяющиеся потребности в сети расположенных в здании датчиков. Поэтому, чтобы проверить возможности адаптации схемы мониторинга, отдельные датчики устанавливались в разное время.

Исследования проводились в трех-этажном городском доме. На рис. 2 показано приблизительное расположение беспроводных узлов, использовавшихся в этом исследовании. В доме, в спальне на третьем этаже, установлен компьютер сбора и обработки данных. В подсобном помещении на первом этаже расположены установка обработки воздуха и водонагреватель. Там же имеется стена, на которой исследовались вопросы, связанные с влагой.

Рисунок 3. Доступность данных узлов датчиков в зависимости от времени. Обозначения плат датчиков: AH – установка обработки воздуха; HP – компрессор и вентилятор теплового насоса; ID – параметры возуха в помещении; OD – параметры наружного воздуха; WH – расход и температура воды в водонагревателе; WP – энергопотребление водонагревателя

Задачи

1. Первой задачей исследования был мониторинг установки теплового насоса и кондиционирования воздуха. Для определения значений температуры и влажности в воздуховоде внутри него установлены термисторы и емкостные датчики относительной влажности, а провода от этих датчиков выведены из воздуховода и подключены к плате датчиков. Для измерения потребления энергии вентилятором воздуходувки в установке обработки воздуха определен электрический счетчик. Измерение потребления энергии дополнительными нагревательными элементами в установке обработки воздуха не производилось, хотя автор признает, что энергетичес-кие параметры системы в режиме нагрева без таких измерений не могут характеризоваться должным образом. Были установлены отдельные платы для определения температуры и влажности внутри помещения и снаружи, а также энергопотребления компрессора теплового насоса и вентилятора забора наружного воздуха.

2. Через три месяца после установки сети датчиков для мониторинга производительности системы теплового насоса были установлены дополнительные датчики для определения производительности водонагревателя. Во впускном патрубке водонагревателя был установлен расходомер, кроме того, для измерения температуры воды были установлены термисторы в трубах на сторонах ввода и вывода воды.

Дополнительные температурные датчики были установлены внутри теплоизолирующего кожуха водонагревателя рядом с термостатом ограничения по верхнему пределу, а также в подсобном помещении для оценки температуры внешней среды, до которой может упасть температура воды в нагревателе в нерабочем режиме. Мощность, потребляемая водонагревателем, контролировалась оперативным ваттметром. Как только включались платы датчиков, оборудование сети сразу же воспринимало данные из датчиков и подключало эти платы к сети.

3. Через три месяца после установки датчиков водонагревателя было реализовано третье приложение. Это приложение несколько отличалось от двух предыдущих, основным назначением которых было определение потребления энергии оборудованием. В рамках реализации этого приложения была установлена сеть датчиков для контроля гигротермических характеристик стены. В четырех местах стены, на наружной ее стороне, были установлены датчики температуры и влажности для определения градиента влажности на стене. Здесь они также автоматически интегрировались в существующую сеть беспроводных датчиков.

Анализ полученного опыта

Установка датчиков прошла сравнительно гладко. Запуск сотовой сети был выполнен без каких-либо затруднений при помощи общедоступного аппаратного обеспечения и сопровождающего его программного обеспечения, контролирующего связь датчиков.

Запуск был проведен удивительно просто, даже для инженеров, не имеющих специальных знаний в области технологии беспроводных сетей или радиофизики, расширение сети производилось также легко. Хотя из-за отсутствия значительных металлических конструкций и сравнительно небольшого пространства, на котором размещалась система, среда была не такой сложной, как в промышленных зданиях, был получен определенный опыт, касающийся установки в здании сети беспроводных датчиков для контроля работы систем ОВК.

Беспроводные платы должны оснащаться большим количеством датчиков

В этом приложении значительные усилия затрачивались на подключение датчиков к платам и на программирование обработки сигналов от них. Представляется вероятным, что в настоящее время имеется не так много систем, содержащих большое число разнообразных датчиков, необходимых для исследования характеристик зданий. Для избежания необходимости разработки для каждого приложения своего конкретного решения было бы очень полезно, если бы производители могли оснащать свои беспроводные узлы датчиками, необходимыми для приложений в зданиях. Датчики могли бы измерять температуру, относительную влажность, потребляемую мощность, расход воды, газа и воздуха, концентрацию углекислого газа, наличие дыма, интенсивность освещения и энергию излучения. Уже готовые, полностью оснащенные беспроводные узлы могли бы ускорить установку беспроводных датчиков в приложениях для зданий, но здесь необходимо признать, что производители датчиков должны быть уверены, что для такой продукции существует достаточный рынок.

Нужны способы менее сложного программирования плат

При разработке приложений с использованием датчиков для программирования микропроцессоров необходимо наличие определенного опыта и значительных знаний. В то время как для некоторых инженеров это не представляет каких-либо проблем, другие предпочитают работать в среде программирования, не требующего оперирования командами на уровне битов. Разработка встроенных датчиков может снять необходимость применения команд низкого уровня, дав возможность разработчикам приложений сосредоточиться на программировании приложений с использованием операторов высокого уровня.

Электропитание от сети может быть подходящим вариантом, однако предпочтительно использовать батареи

Работа от сети имеет определенные преимущества по сравнению с питанием от батарей, особенно в зданиях, в которых электрическая проводка проходит рядом с узлами датчиков. Наиболее очевидным преимуществом работы от сети является отсутствие необходимости замены батарей. Но даже в зданиях с электрической сетью прокладка проводов электропитания может быть неудобной, если используется несколько узлов датчиков. Производители прекрасно знают о необходимости уменьшать потребление энергии, поэтому батареи будут работать дольше. Повсеместно проводящиеся исследования, направленные на извлечение энергии из окружающей среды, сулят дополнительные возможности для решения проблемы электропитания.

Уровень надежности плат все еще недостаточен

Платы имели некоторые проблемы с надежностью, причины которых точно не были выяснены. На степень надежности могут влиять помехи, например, от радиоволн на частоте 900 МГц, которые используются мобильными телефонами и устройствами беспроводной сети Ethernet. Для выявления источников помех до сих пор не проводилось систематических исследований. Представляется, что перегородки в здании не играют здесь значительной роли, т. к. конструкция деревянного каркаса мало менялась во время проведения исследований и не могла каким-либо образом повлиять на уровень надежности. На рис. 3 показан график доступности данных в зависимости от времени. Доступность здесь определяется как отношение количества значений данных, полученных с каждой платы, к максимально возможному количеству значений данных, которые могли бы быть получены за определенный промежуток времени в конкретный день сбора данных. Вначале приемопередающие устройства работали вполне удовлетворительно, и только доступность данных от расположенного снаружи передатчика была ниже 100 % (наружная плата была заключена в защищающий от непогоды корпус).

Однако с течением времени все больше передатчиков стали плохо работать, и на последних этапах исследования стало наблюдаться значительное снижение доступности данных. Проблемы доступности часто устранялись при ручной перезагрузке операционной системы нажатием кнопки на плате. Поскольку использовались старые радиоустройства, мы надеемся, что производители улучшат работу этих устройств, т. к. ручная перезагрузка не всегда удобна на практике.

Ошибки передачи данных

Время от времени случались ошибки передачи данных. Эти ошибки практически не влияли на средние за день значения, но на первый взгляд незначительные ошибки могут создать значительные проблемы, если показания потребления неверны. Например, случайные ошибки в сообщениях с данными о потреблении воды ошибочно увеличили количество воды, потребленной за день, на 380 л. Это единственное неверное значение вносит значительные ошибки в расчет эффективности водонагревателя. Такие проблемы случаются и с проводными датчиками, но ошибки беспроводной передачи данных, вызываемые помехами, могут обострить проблему и привести к необходимости более тщательного контроля и коррекции ошибок.

Необходимость временной синхронизации узлов датчиков

В этом исследовании узлы датчиков не были синхронизированы по времени, но эта синхронизация будет необходима при более углубленном изучении потребления, которое потребует знания точных моментов времени, в которые происходит потребление воды или энергии. Одним из возможных, применимых в данной ситуации стандартов является стандарт IEEE 1588. Необходимо изучить его на предмет применимости к датчикам системы определения параметров здания.

Стандартные протоколы идентификации датчиков определения климатических параметров здания

Для несложной интеграции новых датчиков в сеть была разработана следующая упрощенная техника. Должна быть проделана работа для стандартизации таких протоколов при помощи создания меток датчиков, применимых для широкого спектра пользователей. Благодаря обеспечению взаимодействия датчиков, такая стандартизация может ускорить установку датчиков в систему здания. Необходимо исследовать, может ли стандарт IEEE 1451 удовлетворить потребности сообщества специалистов в области строительства.

Серьезное внимание должно уделяться защите датчиков

В этом исследовании не принимались какие-либо специальные меры для обеспечения защиты датчиков. Незащищенные беспроводные узлы могут служить лазейкой для проникновения в сеть хакеров. Способы предотвращения такой возможности должны быть сообщены пользователям беспроводных датчиков, и/или они должны автоматически встраиваться самим производителем.

Стоимость сети датчиков

Несмотря на то, что приемлемая стоимость для типичной установки как в жилом, так и в офисном здании сильно зависит от конечного пользователя, можно предположить, что со временем стоимость беспроводных датчиков упадет настолько, что станет приемлемой для широкого использования в помещениях любого типа. Во время описываемых в статье исследований узлы датчиков стоили по 100 долларов. Для установки, рассматриваемой в этой работе, предусматривающей 19 измерений, грубая оценка всего оборудования – 1 900 долларов. Производители утверждают, что при более широком использовании таких датчиков цена на них резко упадет, и один узел будет стоить около 5 долларов. Можно ожидать, что при такой цене на оборудование оно будет широко использоваться в зданиях.

Заключение

Опыт установки в здании беспроводных датчиков показал легкость, с которой может быть организована сеть датчиков сотового типа, служащая для целей контроля работы систем ОВК.

Во время установки было сэконом-лено значительное время благодаря тому, что не нужно было прокладывать сигнальные провода от узлов датчиков к точке сбора данных. Владельцу здания также не нужно было беспокоиться о нарушениях в корпусе здания, которые могли бы возникнуть при прокладке проводов от датчиков.

В ходе работ было обнаружено, что надежность радиоустройств со временем снижается, но имеются основания предполагать, что усовершенствование таких устройств позволит уменьшить эту проблему. Было также обнаружено, что отсутствие готовых к использованию датчиков, встроенных в радиоустройства, создает наибольшие препятствия для установки сети беспроводных датчиков.

Утверждается, что при использовании сотовой технологии сеть датчиков может быть установлена легко и с большим запасом прочности, и наш опыт показывает, что это утверждение в основном справедливо. Хотя степень запаса прочности находится все еще под вопросом, привлекательность применения беспроводных датчиков для контроля климатических параметров здания становится очевидной.

Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено В. А. Максименко, ученым секретарем комитета НП «АВОК» «Интеллектуальные здания и информационно-управляющие системы».