Die fehlenden technischen Grundlagen für intelligente Gebäude

Aus technischer Sicht können wir Gebäude problemlos intelligenter machen, da wir bereits über die erforderlichen Prozessoren und Software verfügen. Ingenieure können an jedem Standort einen winzigen 3-Dollar-Prozessor platzieren und sie miteinander vernetzen. Zu diesen Orten gehören Lichtschalter, Lampenfassungen, Motoren, die Wärmeabdeckungen über Fenster bewegen, und Pumpen, die Wasser von Wärmespeichern zu Heizkörperventilen transportieren.

Dann gibt es Großgeräte, Thermostate, Temperatursensoren, Präsenzmelder und Brandmelder. Diese Geräte können die zentrale Luft, die in jeden Raum strömt, steuern, Luft mit einer zentralen HLK-Anlage von einem Raum in einen anderen transportieren und einen Tank mit thermischem Speicherwasser über Solar heizen oder kühlen, um ihn dann zu verwenden, wenn die Sonne nicht scheint. Darüber hinaus können sie 60° F unterirdisches Wasser in Wärmepumpen leiten, motorisierte, in die Wand eingelassene thermische Fensterabdeckungen steuern, die nach Bedarf herausgeschoben werden können, und die Beleuchtung jeder Glühbirne anpassen.

Was ist also das Problem?

Es gibt mehrere Gründe, warum das oben Genannte nicht geschieht:

• Wir haben kein akzeptiertes Standard-Kommunikationssystem in Gebäuden, das Prozessoren mit einer Zuverlässigkeit von ≥99,999 % und zu geringen Kosten verbinden kann. „Fünf 9s“ bedeutet, dass das System durchschnittlich ≤10 Minuten pro Jahr ausfällt.
• Wir haben kein akzeptiertes Standardbetriebssystem (OS), das auf allen Geräten in einem Gebäude funktioniert. Wir haben Windows für Computer, iOS für iPhones und Android für andere Smartphones. Dies ermöglicht es diesen Computergeräten, eine Vielzahl von Softwarepaketen zu koordinieren und mit ihnen zu verbinden. Wir haben jedoch kein akzeptiertes Betriebssystem für intelligente Gebäudegeräte, was es schwierig macht, mehrere intelligente Geräte per Plug-and-Play in ein Gebäude zu integrieren.

So stellen Sie die Zuverlässigkeit sicher

Wenn man einen physischen Wandlichtschalter einschaltet, ist die Kommunikation zwischen dem Schalter und der Deckenlampe zu ≥99,999 % der Zeit betriebsbereit. Es ist ein subtiler Punkt, der wenig Aufmerksamkeit bekommt, aber wichtig ist. Bewohner und Bauherren akzeptieren keine geringere Zuverlässigkeit von gemeinsamer Gebäudeinfrastruktur.

Es ist erwähnenswert, dass drahtlose und Powerline-Kommunikation mit Ausfallraten in der Größenordnung von 1 bis 10 % deutlich weniger zuverlässig sind. Dies ist auf Totzone, überfülltes Spektrum, niedriges Signal-Rausch-Verhältnis, zu kleine Antennen und blockierte Signale zurückzuführen. Die Kommunikation über die Stromleitung beinhaltet das Anlegen eines Datensignals an ein Stromkabel, das Signal muss jedoch in den Sicherungskasten und dann heraus geleitet werden; es vermischt sich mit massiven dynamischen Spannungsabfällen entlang des Stromkabels, und das führt zu häufigen Fehlern.

Wenn Ingenieure hier kostengünstige MCUs zur Vernetzung eines Gebäudes verwenden möchten, benötigen sie ein Kabel, das den CAN-Bus unterstützt, das Netzwerksystem, das von Autos verwendet wird, um Sensoren und Aktoren zu verbinden. Es schützt das Datenkabel vor Beschädigungen, falls es versehentlich mit dem Stromkabel verbunden wird.

Es gibt eine Art von Verdrahtungstopologie namens „Baum“, was bedeutet, dass ein Kabel mit mehreren Geräten verbunden ist und Abzweigungen hat. Da wäre ein Datenleitungssystem nötig, das dies unterstützt, da Stromkabel und Gebäudegeometrie wie Äste in einem Baum angeordnet sind. Es unterscheidet sich von Ethernet, bei dem ein einziger Draht zwischen zwei Geräten besteht, und von Daisy-Chain, bei dem mehrere Geräte ohne Verzweigungen entlang eines Drahts vorhanden sind.

Leichte und schwere Anwendungen

In einem Smart Building kann man die Verbraucher in zwei Kategorien einteilen:leicht und schwer. Die leichte Kategorie verbraucht weniger als 20 W, während starke Benutzer mehr verbrauchen. Die Kategorie Licht umfasst LED-Lampen, Lichtschalter, Thermostate, Temperatursensoren, Präsenzmelder, Brandmelder, Motoren für thermische Fensterabdeckungen, Motoren für Vorhänge und Jalousien, Motoren für Klappen in Kanälen/Lüftungen und Heizkörperventile. Schwere Kategorie umfasst 110/220 V_AC Steckdosen, HVAC, Großgeräte und Ventilatoren.

Beispielsweise verbraucht eine 10-W-LED-Lampe 0,1 A bei 110 V_AC , und es ist 1/200 ^te einer 20-A-Sicherung. Die meisten Geräte in einem Gebäude fallen unter die Lichtkategorie. Um Geld zu sparen, können Ingenieure Lichtgeräte mit einer niedrigeren Netzspannung und einem weniger sperrigen Netzkabel anschließen. Licht kann beispielsweise 48 V_DC . leiten Stromversorgung über 18-AWG-Draht, während schwere Anwendungen herkömmliche 110/220 V_AC verwenden können 14-awg-Kabel einschalten.

Die 48 V_DC Strom erfordert kostengünstigere Elektronik und Datenkabelschutz. Außerdem 48 V_DC beinhaltet Bauvorschriften mit weniger Verdrahtungseinschränkungen. Wenn also die meisten Geräte mit den kostengünstigeren 48 V_DC . betrieben werden, , können Ingenieure möglicherweise eingespartes Geld in die Integration vernetzter intelligenter Geräte an jedem Standort umleiten.

Ein Automatisierungsnetzwerk verbindet sich von einer zentralen Stelle im gesamten Gebäude. Quelle:Manhattan 2

Gemeinsame Software auf allen Geräten

Wenn Ingenieure smarte Geräte zu geringen Kosten und hoher Zuverlässigkeit wollen, gibt es dafür nur einen Weg:Auf allen Geräten die gleiche Software zu platzieren. Es ist auch die einzige Möglichkeit, die Welt dazu zu bringen, es kostenlos und offen zu machen, was bedeutet, dass jeder es kostenlos nutzen und ändern kann. Es gibt noch eine Anforderung:Qualität. Das System wird nicht gut angenommen, wenn es fehlerhaft und nicht gut dokumentiert ist.

Es gibt existierende Netzwerkprotokolle, die definieren, wie Geräte interagieren, jedoch enthalten sie keine Software, die ein komplettes intelligentes System ermöglicht. So arbeiten Studenten der Ingenieurwissenschaften an einem kostenlosen und offenen Betriebssystem für intelligente Geräte an der UMass Amherst und anderen Schulen namens BuildingBus.

Jedes Gerät kann eine Nachricht an jedes andere Gerät senden; kann jeden Port in jedem anderen Gerät lesen oder schreiben; kann eine Bibliothek empfangen, die Informationen über andere Geräte enthält; kann Sensoren von jedem anderen Gerät in Pseudo-Echtzeit überwachen; und kann einen Befehl an jedes andere Gerät senden. Da jedes Gerät weiß, welche Software auf jedem anderen Gerät ausgeführt wird, kann es Aktivitäten problemlos koordinieren und bietet gleichzeitig Fehlertoleranz, hohe Zuverlässigkeit und Plug-and-Play.

Das gleiche Betriebssystem auf allen Geräten und ein zuverlässiges Kommunikationssystem könnten Gebäude bei geringen Kosten intelligenter und energieeffizienter machen. Forscher arbeiten bereits daran. Es ist jedoch nicht klar, welche der verschiedenen Initiativen die beste Lösung hervorbringen wird, und in den kommenden Jahren werden wahrscheinlich mehrere Lösungen auftauchen, um Gebäude intelligenter zu machen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EDN . veröffentlicht .