Как бы мы ни представляли себе умный дом — как структурированную иерархическую систему в вершине которой находится центральный процессор (Controller, Central Control Unit, Central Processor, Home Server и т.п.) или хаб (Hub), который как дирижер оркестра осуществляет управление всеми составляющими элементами умного дома, или как множество распределенных действующих независимо в рамках собственных алгоритмов смарт-устройств, которые вообще не требуют какого-то центрального «надзора» — возникает вопрос: как в этом умном доме будут реализованы средства управления различными функциями и автоматические сценарии, в которых задействованы различные элементы и подсистемы?
Центральные процессоры и хабы являются теми устройствами, которые обеспечивают взаимодействие множества подсистем умного дома, позволяют контролировать состояние и управлять этими подсистемами единым образом через единую точку управления. И хотя каждая подсистема может функционировать и автономно на основе собственных правил, но именно через сценарии, реализуемые через центральные процессоры и хабы можно правильно разрешать конфликты между разными подсистемами и обеспечивать сложные высокоуровневые алгоритмы принятия решений.
На заре появления умных домов центральные процессоры фактически представляли из себя центральный пульт управления умным домом с множеством выключателей и регуляторов, с которого можно было задействовать любую подсистему и задать режим ее работы. По мере развития на передний план выходила именно вычислительная функция — процессор, работающий по заданной программе и реализующий все интеллектуальные функции умного дома. А когда достаточно мощные и быстрые процессоры стали встраивать в любой умный гаджет и даже простые датчики обзавелись вычислительными возможностями, роль центрального процессора сместилась в сторону коммуникационного хаба и конвертера протоколов, который выступает организатором связи и «переводчиком» при общении разных устройств от разных производителей, работающих по разным протоколам. Кроме того, он продолжил выполнять функцию единого центра управления, предоставляя удобную точку входа для управления всеми умными устройствами в доме через единый интерфейс.
Поскольку архитектура и платформы современных умных домов могут быть очень разнообразными, то и применяемые в них центральные процессоры и хабы также имеют совершенно разные характеристики.
Например, входящие в линейку оборудования Control4 контроллеры HC-800 и HC-250 — это оснащенные мощным процессором медиацентры, имеющие множество различных коммуникационных интерфейсов, включая: Ethernet, WiFi, HDMI, ZigBee, RS-232 и др. Они работают под управлением специализированной операционной системы Control4 OS и могут взаимодействовать как с оборудованием этого производителя, так и с множеством других устройств, выпускаемых самыми разными производителями по всему миру.
С появлением и активным распространением беспроводных устройств на основе стандартов Z-Wave и ZigBee актуальным стало использование специальных коммуникационных хабов, которые обеспечивают коммуникацию этих устройств с мобильным приложением на смартфоне. Сам смартфон не имеет возможности напрямую связываться с устройствами, работающими по стандарту Z-Wave или ZigBee, но имеет интерфейс WiFi и может выходить в сеть Интернет через коммуникационные протоколы мобильной сети. Смарт-хаб играет роль шлюза между глобальной сетью, локальной WiFi-сетью и сетью устройств Z-Wave или ZigBee, развернутой в доме. Используя этот шлюз, мобильное приложение, работающее на смартфоне, может передавать команды и считывать данные соответствующих устройств.
Первые простейшие модели подобных хабов поддерживали только какой-то один из стандартов беспроводных сетей умного дома — ZigBee или Z-Wave. Позднее появились мультистандартные устройства, которые могут одновременно работать со смарт-гаджетами разных производителей, работающих по разной технологии, включая сюда и устройства, работающие по протокалам WiFi и Bluetooth.
Помимо функции коммуникационного шлюза, обеспечивающего связь с мобильным приложением на его смартфоне, пользователю важна и возможность настраивать локальные сценарии, которые обеспечивают срабатывание множества устройств по определенному событию (условию). Существуют специальные облачные сервисы, как IFTTT, которые позволяют настраивать и хранить подобные сценарии в облаке. Это, однако, накладывает определенные ограничения и не всегда удобно пользователю. Более продвинутые модели смарт-хабов позволяют не только пропускать через себя трафик и команды, но «понимают» этот трафик сами и могут генерировать команды и запрашивать данные без участия мобильных приложений и облачных сервисов. Используя такие хабы, пользователи могут создавать и хранить правила и сценарии локально, имея встроенную поддержку большого количества смарт-устройств от разных производителей.
Все описанные выше устройства, обычно, либо сами чрезмерно дóроги, либо предназначены для управления другими дорогими устройствами и, кроме простейших моделей, редко подходят для построения бюджетных решений умного дома. В сфере DIY (Do It Yourself или «сделай сам») и в небольших проектах для помещений малого формата приходится жертвовать либо функциональностью и насыщенностью дома средствами автоматики, либо принципиально отказываться от дорогих беспроводных технологий в пользу традиционных реле, датчиков и переключателей. К примеру, даже небольшая двухкомнатная квартира легко может содержать до 20 независимых источников света. Учитывая, что сегодня умная лампа с интерфейсом Z-Wave стоит в розницу около 50$ (а ее китайские аналоги никак не меньше 15$), выглядит безмерно пафосным и неразумным оснащать такими лампами все свои чуланы и чердаки. Аналогичные замечания можно сделать в отношении всяческих датчиков протечки, открытия окон и т.п. С точки зрения разумности и целесообразности более выгодным получается снизить вероятность протечки до нуля за счет сверхнадежности всех труб и вентилей, чем использовать умные беспроводные датчики по 200$ каждый.
В мире DIY первым и вполне популярным решением было использование в качестве центральных процессоров умного дома дешевых компьютерных плат из семейств Arduino и Raspberry Pi. Основанные на них простейшие проекты автоматизации легко можно быстро нагуглить в Сети в большом количестве. Но типичные платы такого рода не содержат ни подходящих интерфейсов для подключения типовых датчиков, ни самих исполнительных реле или электронных регуляторов, которые и должны управлять электрическими приборами в доме. Но нашелся еще один класс цифровых приборов, которые как нельзя лучше подошли для цели применения в качестве центральных контроллеров умного дома — это многочисленные промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) или Programmable Logic Lontroller (PLC), которые изначально и создавались для целей интеллектуального управления электрическими приборами и механизмами в промышленности. С ростом популярности умных зданий и умных домов оказалось, что такие контроллеры вполне пригодны для того, чтобы построить на них весьма изощренные схемы управления любыми подсистемами умного дома.
Первоначально ПЛК появились в умных домах как центральные узлы ряда важнейших подсистем — подсистемы управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием (HVAC), в качестве пожаро-охранной сигнализации и др. Постепенно выяснилось, что наиболее продвинутые универсальные модели ПЛК могут полностью взять на себя управление всеми подсистемами умного дома и использоваться в качестве центрального контроллера. Явным преимуществом такого решения выступает тот факт, что ПЛК часто уже содержат интегрированные или подключаемые через модули расширения исполнительные цепи — реле, интерфейсы для датчиков, электродвигателей и т.п. Модульная архитектура и высокая надежность являются фирменным знаком для многих популярных ПЛК на рынке. Поэтому их использование в сфере умных домов становится очевидным.
Спектр представленных на рынке ПЛК настолько широк и разнообразен, что для специалиста не составляет труда подобрать подходящую модель для автоматизации дома любого размера и с очень широкой вариацией различных требований к системе. За конкретными примерами подобных проектов вы можете обратиться в раздел Схемы и решения.
В многообразии своего развития центральные процессоры и хабы породили и еще одну разновидность устройств — центральный контроллер, совмещенный с панелью управления. Такие устройства с точки зрения пользователя по своей роли и внешнему виду вообще правильнее относить к человеко-машинным интерфейсам (HMI), пультам и панелям управления, которые описываются в следующем разделе. Для небольших систем умного дома описанное совмещение функций является вполне разумным и естественным. Можно предполагать, что в будущем подобных систем на рынке станет много больше.