System for Automation and Remote Interaction
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Ausgabe: 20.07.2011      (C) 2011 P.Fiesser, alle Rechte vorbehalten

Hardware, Erste Prototypen

Das System befindet sich noch in der Entwicklung. Die hier dargestellten Geräte sind die ersten Prototypen und entsprechen noch nicht dem endgültigen Konzept. Eigenschaften von Geräten und Software können sich ändern, so lange der Entwicklungsprozess noch nicht abgeschlossen ist. Alle Informationen sind unverbindlich und ohne Gewähr. Die beschriebenen Geräte können zur Zeit noch nicht käuflich erworben werden.

Die Abbildung rechts zeigt ein kleines Basis-System bestehend aus:

Smart-House Computer und Web-Server (Prototypen)

Der Smart-House Computer bildet die zentrale Steuereinheit des Gebäudes und dieser schaltet, steuert und regelt elektrische Verbraucher (z.B. Lampen, Antriebe, etc.) und überwacht mittels Sensoren alle Räume im Gebäude. Der Smart-House Computer ist im übertragenen Sinn der "Bordcomputer" des Gebäudes. Die elektrischen Signale von Sensoren (z.B. Bewegungsmelder, Temperaturfühler, usw.) werden durch Steuergeräte (RTU) direkt vor Ort erfasst und über das Smart-House Netzwerk an den "Bordcomputer" übertragen.
Der Smart-House Computer ist ein kleiner Mini-Computer, der mit modernster Technik ausgestattet ist. Zum Einsatz kommt ein 32-Bit ARM RISC Prozessor mit LAN Anschluss (100 Megabit/s, Ethernet), RS485 Netzwerk und einem Massenspeicher auf Basis einer SD-Karte. Neben den geringen Abmessungen (ca. 8cm x 7cm x 3cm) hat das Gerät auch einen sehr geringen "Stromverbrauch" (Leistung) von nur ca. 2 Watt.

Der Web-Server ermöglicht die Überwachung und die Fernsteuerung des Smart-House Systems über LAN oder Internet. Alarme oder andere wichtige Meldungen können über das Internet per E-Mail versendet werden und können damit auch als SMS über ein Mobilfunktelefon empfangen werden.
Die technische Anlage des Gebäudes wird über Internet Web-Seiten in Form so genannter Prozessbilder dargestellt. Prozessbilder sind grafische Abbildungen von technischen Anlagen, Maschinen, Apparaten und Gebäuden. Die Prozessbilder können mit einer speziellen Software recht einfach erstellt werden und lassen sich als Internet Web-Seiten speichern.
Der Anwender benötigt hierzu keine Kenntnisse über das Erstellen von Internet-Seiten. Prozessbilder können nahezu in jedem beliebigen Aussehen und Design erstellt werden, um die Wünsche und Kriterien der Anwender flexibel erfüllen zu können.
Der Web-Server verwaltet die Dateien der Web-Seiten, die dann über das Netzwerk mit dem Web-Browser eines externen Computers aufgerufen und bedient werden können. Die Dateien werden dazu auf der SD-Karte des Web-Servers gespeichert.

Die Hardware von Smart-House Computer und Smart-House Web-Server ist prinzipiell identisch. Die zugehörige Software wird auf der SD-Karte gespeichert und kann somit recht einfach ausgetauscht werden. Das Gerät arbeitet völlig ohne Betriebssystem und kann somit nicht von Viren, Würmern oder Trojanischen Pferden befallen werden.

HMI, Mensch Maschine Schnittstelle (Prototyp)

In der modernen Prozessautomation werden alle technischen Anlagen über Bildschirme von Computern bedient und überwacht. Der Bildschirm des Computers wird zu einer Mensch Maschine Schnittstelle. Die fachlich korrekte Bezeichnung hierfür ist „HMI“, d.h. Human Machine Interface.
Das hier dargestellte Gerät besitzt ein 7 Zoll LCD Farbdisplay (Diagonale ca. 17 cm.), mit einer Auflösung von 800x480 Bildpunkten, das mit einem Touch Panel ausgestattet ist. Die Bedienung erfolgt durch direkte Berührung des Bildschirms mit den Fingern oder einem Stift.
Bei der zugehörigen Computer-Technik kommt ein 32-Bit ARM RISC Prozessor mit LAN Anschluss (100 Megabit/s, Ethernet) zum Einsatz.
Kernstück der Software ist der integrierte Web-Browser. Mit dem Web-Browser kann auf den Smart-House Web-Server zugegriffen werden, hierdurch lässt sich das Gebäude komfortabel steuern und überwachen. Die im Web-Server als Datei abgelegten Prozessbilder dienen hierbei als Mensch Maschine Schnittstelle.
Der Web-Browser kann zudem zum Surfen im Internet verwendet werden (Anschluss und Router notwendig), um z.B. Waren und Lebensmittel einzukaufen oder Wetterbericht, Nachrichten, Fahrpläne und andere Informationen abzurufen. Auch die aller neusten Geräte im Bereich der Unterhaltungselektronik wie z.B. Videorecorder, Multimedia-Server, Sound-Systeme oder auch Telefone, können heute oftmals auch ebenso über einen Web-Browser ferngesteuert oder konfiguriert werden.
Aufgrund der geringen Abmessungen kann der Bildschirm recht einfach an der Wand montiert werden. Es ist möglich, ein solches Gerät beispielsweise in jedem Stockwerk an zentraler Stelle an der Wand zu montieren.
Hierdurch lässt sich nicht nur das Gebäude steuern, sondern es ist auch möglich die installierten Kameras aufzurufen, um z.B. den Eingangsbereich, Terrasse, Garage oder andere sicherheits-relevanten Stellen zu überwachen. Da sich die Kameras mit Bewegungsmeldern oder anderen Sensoren kombinieren lassen, kann das Gerät einen Alarm ausgeben, um so Aufmerksamkeit zu erlangen.
Neben den geringen Abmessungen (ca. 18cm x 13cm x 1cm) hat das Gerät auch einen recht geringen "Stromverbrauch" (Leistung) von nur ca. 4 Watt.

Ganz unabhängig von dem hier vorgestellten HMI Gerät, steht die gleiche Funktionalität natürlich auch mit jedem Personalcomputer zur Verfügung, ganz gleich ob der Zugriff über das lokale Netzwerk (LAN) oder weit entfernt über das Internet stattfindet.

RTU, Steuergeräte (Prototyp)

Ein intelligentes Gebäude ist mit Sensoren und Aktoren ausgestattet, die weit verteilt in den Räumen und im Außenbereich angebracht sind. Sensoren dienen zum Erfassen von Signalen oder zum Messen physikalischer Größen. Die Messung von Temperatur, Lichtstärke, Luftfeuchtigkeit, Windrichtung oder Windstärke wird ebenso über Sensoren realisiert, wie Bewegungsmelder, Rauchmelder oder Glasbruchmelder. Auch einfache Schalter, Taster oder Öffnungs-Kontakte von Fenstern und Türen werden wie Sensoren erfasst. Aktoren dienen zum Steuern und zum Schalten elektrischer Verbraucher wie z.B. Lampen, Lüftungs-Gebläse, Pumpen oder Antrieben (Motoren) von Roll-Läden und Jalousien.
Die Drähte von Sensoren und Aktoren werden elektrisch an so genannte Steuergeräte (RTU, Remote Terminal Unit) angeschlossen. Die Steuergeräte sind exakt da angebracht, wo sich die zugehörigen Sensoren und Aktoren befinden.
Alle Steuergeräte sind über das Smart-House Netzwerk miteinander verbunden und basieren auf dem Internet-Protokoll, quasi als übergeordnete Kommunikations-Sprache. Damit wird ein durchgängiges und geräteübergreifend kompatibles Netzwerk ermöglicht, das weltweit gültigen Standards entspricht.
Die Steuergeräte (RTU, Remote Terminal Unit) erfassen somit die Signale vom Gebäude und geben Kommandos des Smart-House Computers ("Bordcomputer") über Relais an elektrische Verbraucher weiter.
Jedes Steuergerät besitzt einen eigenen Mikroprozessor d.h. ist ein kleiner Mini-Computer und ist über das Smart-House Netzwerk mit dem "Bordcomputer" verbunden. Die Energieversorgung der Geräte (12V, DC) erfolgt direkt über das Netzwerk, so dass keine zusätzliche Stromversorgung zum Betrieb notwendig ist.
Der „Stromverbrauch“ (Leistung) einer RTU liegt nur bei ca. 0,3 Watt.
Ein Steuergerät ist so klein, daß es in eine Unterputz-Dose (z.B. 10cm x 10cm) eingebaut werden kann. Damit verschwindet der größte Teil der Technik in den Wänden des Hauses.

Es sind verschiedene Typen von Steuergeräten geplant, um unterschiedliche Funktionen und Aufgaben realisieren zu können. Die Abbildung rechts zeigt einen Prototypen einer universell einsetzbaren RTU. Das Gerät besitzt 4 binäre Ausgänge (Relais 230V, 10A) um damit 4 elektrische Verbraucher zu schalten, 8 binäre Sensor-Eingänge und 2 analoge Sensor-Eingänge z.B. zur Messung von Temperatur oder Lichtstärke.

Kameras (Prototyp bzw. erstes Test-Gerät)

Auf die gleiche Art wie die Steuergeräte (RTU, Remote Terminal Unit) werden auch die Kameras in das Netzwerk eingebunden und über das Netzwerk mit Energie versorgt. Die Kameras benötigen damit keine separaten Kabel zur Bildübertragung und auch keine eigenen Netzteile zur Stromversorgung. Im direkten Gegensatz zu einer typischen Internet Kamera (Webcam), können beim Smart-House Netzwerk mehrere Kameras an ein einziges Netzwerk-Kabel angeschlossen werden und die Kabel können zudem noch bis zu 50m lang sein. Bei Entfernungen über 50m werden sog. Repeater (Verstärker) benötigt.
Bei gleichzeitiger Aktivierung mehrerer Kameras erfolgt die Bildübertragung dann jedoch zeitversetzt, im sog. Multiplex-Verfahren. Am gleichen Netzwerk-Kabel können außerdem noch mehrere Steuergeräte (RTU) betrieben werden, was den Aufwand und die Kosten der Kabel-Installation oder nachträglicher Erweiterungen deutlich reduziert.
Jede Kamera besitzt einen eigenen Mikroprozessor und wird mit den Funktionen eines Steuergerätes kombiniert. Hierdurch ist es möglich nicht nur das Videobild zu übertragen, sondern auch noch optionale Steuerungsaufgaben zu realisieren, wie z.B. drehen der Kamera (Abhängig vom Kamera-Typ), schalten einer Beleuchtung oder Integration eines Bewegungsmelders.

Control Terminal (erster Entwurf bzw. Konzeptstudie)

Das Control Terminal ist ein kleiner Mini-Computer zur lokalen Steuerung einzelner Räume. Das Gerät wird ähnlich wie ein Steuergerät an das Smart House Netzwerk angeschlossen und kommuniziert mit dem "Bordcomputer". Jedes Control Terminal besitzt ein Display mit Menüsteuerung, über das Informationen abgerufen werden können oder über das sich bestimmte Teile der Anlage steuern lassen. Der Aufbau des Menüs kann dabei frei konfiguriert werden und somit können die unterschiedlichsten Funktionen realisiert werden. Das Display kann z.B. nur Informationen und Befehle für einen einzelnen Raum beinhalten, für mehrere Räume, für das ganze Gebäude oder eine beliebige Mischung verschiedenster Kommandos und Informationen. Über das Netzwerk können damit auch Komponenten in anderen Räumen gesteuert werden z.B. schließen aller Rolläden und Jalousien bei einem Unwetter. Außerdem besitzt das Gerät zwei (oder vier) programmierbare Tasten, um häufig benötigte Befehle zu geben. Über diese Tasten kann z.B. die Beleuchtung eines Raums geschaltet werden. Die Konfiguration des Gerätes kann über einen Personalcomputer mit einem komfortablen Programmierwerkzeug (Software) erstellt werden.

Smart-House Netzwerk

Bei dem Netzwerk handelt es sich um einen so genannten Feld-Bus, nach RS485 Standard. Dieser Standard wird weltweit sehr häufig in den Anlagen der Industrie eingesetzt, da diese Netzwerke sehr robust sind, auch für den Einsatz unter rauen Bedingungen gut geeignet sind und eine hohe Datenübertragungsrate zulassen.
Alle Geräte im Smart House Netzwerk kommunizieren über das Internet-Protokoll. Das Internet-Protokoll ist damit die übergeordnete Kommunikations-Sprache im Netzwerk.
Die Installation ist recht einfach und erfordert nur einige wenige elektrotechnische Grundkenntnisse. Das zur Steuerung notwendige Netzwerk (Feld-Bus) kann mit einem normalen Telefonkabel aufgebaut werden, so wie es z.B. in Baumärkten preisgünstig erhältlich ist.
Es ist dabei wichtig hochwertige und geschirmte Kabel zu verwenden, um die entsprechenden EMV Richtlinien zu erfüllen.
Alle Geräte werden mit den 4 Drähten des Netzwerk-Kabels verbunden und erhalten somit ihre Stromversorgung und den Anschluß zum Smart-House-Computer. Steuergeräte, Kameras und Zusatzgeräte benötigen keine eigenen separaten Netzteile und auch keine Batterien, da sie über das Netzwerk mit Energie versorgt werden.
Der Anschluss erfolgt elektrisch gesehen parallel d.h. alle Geräte werden 1zu1 mit den 4 Drähten des Netzwerk-Kabels verbunden. Da es sich beim Netzwerk um 12 Volt Gleichspannung handelt, kann auch ein Laie absolut gefahrlos mit dieser Technik umgehen. Ein einzelnes Kabel kann hierbei problemlos bis zu 50 m lang sein. Größere Kabellängen können durch den Einsatz von Verstärkern (Repeater) erreicht werden.
Die Drähte von Sensoren und Aktoren werden auf kürzestem Weg mit dem zugehörigen Steuergerät (RTU) verbunden. Eine RTU befindet sich somit immer direkt in der Nähe der zugehörigen Sensoren und Aktoren, dadurch ist der Aufwand der Installation so gering wie möglich.
Die Drähte von Sensoren und Aktoren müssen nicht durch das gesamte Gebäude verlegt werden, da die Signalerfassung lokal und dezentral durch die RTUs erfolgt.
Abbildung 5.1a (Smart-House Computer, Smart-House Web-Server, SD-Karte)
Auf der Abbildung wird der realistische Größenunterschied zwischen Computer und SD-Karte deutlich.
Die SD-Karte wirkt fast riesig im Vergleich zur Smart-House Elektronik.
Abbildung 5.1b (Prozessbilder und Internet Web-Browser)
Die Abbildung zeigt Prozessbilder, so wie sie zur Zeit in der Versuchsanlage verwendet werden.
Abbildung 5.2a (HMI mit Display und 32-Bit ARM RISC Mikrocomputer)
Abbildung 5.2b (Touch-Screen Display mit Web-Browser und Prozessbildern)
Die geringen Abmessungen von ca. 18cm x 13cm x 1cm erlauben eine Montage an der Wand.
Abbildung 5.3a (RTU, Remote Terminal Unit)
Abbildung 5.3b (RTU, Prototyp)
Die erste Serie von 25 Prototypen wurde bereits Juni 2003 in Betrieb genommen.
Die Geräte arbeiten seitdem störungsfrei in einem Privatgebäude als Testanlage.
Abbildung 5.4 (Webcam, Internet Kamera)
Die Abbildung zeigt die winzige Elektronik einer Test-Kamera (mit 4 mm Linse und VGA Auflösung).
Die Elektronik hat eine Abmessung von nur 2,0cm mal 2,8cm.
Die abgebildete Kamera ist jedoch nur ein Test-Gerät, um die Möglichkeiten der heute verfügbaren Technologie abzuwägen. Das Test-Gerät ist bei der Bildübertragung noch recht langsam und kann deshalb immer nur einzelne Bilder mit Zeitabständen hintereinander senden. Im Test-Betrieb über Internet und LAN funktioniert die Kamera dennoch recht gut, allerdings mit Abstrichen bei der Geschwindigkeit. Das Problem liegt zum Teil bei der JPEG Kompression der Rohdaten, die bei normalen Mikroprozessoren eine hohe mathematische Leistung erfordert (Quantifizierung, Fast Fourier Transformation, Huffmann Kodierung etc.) und bei einer kleinen energiesparenden CPU mit nur 0,2 Watt Leistungsaufnahme in einer niedrigen Bildwiederholrate resultiert.

Vor kurzer Zeit sind neue Chips auf dem Markt erschienen, mit denen die Entwicklung einer deutlich schnelleren Kamera ermöglicht wird. Diese neuen Chips verfügen über integrierte JPEG Codec-Funktionen und ermöglichen flüssige Aufnahmen mit einer hohen Auflösung.
Abbildung 5.5 (Control Terminal, erster Entwurf bzw. Konzeptstudie)
Die Abbildung zeigt den Entwurf eines Terminals.
Das Gerät existiert jedoch noch nicht.

Hinweis :
Diese Internet-Seite ist keine Werbung und beschreibt auch kein fertiges Produkt, sondern erörtert die Kriterien, nach denen ein geplantes Smart-House System zur Zeit noch entwickelt wird.
Diese Internet-Seite ist als Information zu verstehen, um den Stand der Entwicklung zu dokumentieren. Das dargestellte System und dessen Komponenten kann zur Zeit noch nicht käuflich erworben werden.
Alle Informationen sind unverbindlich und ohne Gewähr, da sich das System noch in der Entwicklung befindet. Eigenschaften von Geräten und Software können sich ändern, so lange der Entwicklungsprozess noch nicht abgeschlossen ist.
Alle Texte, Grafiken, Entwürfe, Zeichnungen und Programme sind urheberrechtlich geschützt und Eigentum von Peter Fiesser, sofern nicht anders gekennzeichnet.
SARI ist eine beim Deutschen Patent- und Markenamt eingetragene Marke (Nr. 30102307, Akz.: 30102307.7/42).
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(*) ARM, ARM Ltd., England, UK.
(*) AVR, Atmel Corporation, U.S.A.
(*) JPEG, Joint Photographic Experts Group, U.S.A., (CCITT T.81, ISO/IEC 10918-1)
(*) Ethernet, Xerox Palo Alto Research Center, U.S.A.