As bases tecnológicas que faltam para edifícios inteligentes

Do ponto de vista da engenharia, podemos facilmente tornar os edifícios mais inteligentes, uma vez que já temos os processadores e software necessários. Os engenheiros podem colocar um minúsculo processador de $ 3 em cada local e conectá-los em rede. Esses locais incluem interruptores de luz, tomadas de luz, motores que movem as tampas térmicas das janelas e bombas que movem a água dos tanques de armazenamento térmico para as válvulas do radiador.

Depois, há grandes aparelhos, termostatos, sensores de temperatura, sensores de ocupação e detectores de incêndio. Esses dispositivos podem controlar o ar central que flui para cada sala, mover o ar de uma sala para outra com um sistema HVAC central e aquecer ou resfriar um tanque de armazenamento de água térmica via solar para uso quando o sol não está brilhando. Além disso, eles podem mover água subterrânea de 18 ° C para dentro de bombas de calor, controlar as tampas das janelas térmicas motorizadas embutidas na parede que deslizam para fora conforme necessário e ajustar a iluminação em cada lâmpada.

Então, qual é o problema?

Existem vários motivos pelos quais o acima exposto não está acontecendo:

• Não temos um sistema de comunicação padrão aceito em prédios que possa conectar processadores com ≥99,999% de confiabilidade e baixo custo. “Five 9s” significa que o sistema falha em média ≤10 minutos por ano.
• Não temos um sistema operacional (SO) padrão aceito que funcione em todos os dispositivos de um edifício. Temos Windows para computadores, iOS em iPhones e Android em outros smartphones. Isso permite que esses dispositivos de computação coordenem e se conectem a uma variedade de pacotes de software. No entanto, não temos um sistema operacional aceito para dispositivos de edifícios inteligentes, o que torna difícil integrar vários dispositivos inteligentes em um edifício de forma plug-and-play.

Como garantir confiabilidade

Quando alguém liga um interruptor de luz de parede físico, a comunicação entre o interruptor e a lâmpada do teto está operacional ≥99,999% do tempo. É um ponto sutil que recebe pouca atenção, mas é importante. Ocupantes e construtores não aceitam menos confiabilidade da infraestrutura de construção comum.

É importante notar que as comunicações sem fio e de linha de energia são significativamente menos confiáveis, com taxas de falha da ordem de 1% a 10%. Isso se deve à zona morta, espectro lotado, baixa relação sinal-ruído, antenas muito pequenas e sinais bloqueados. A comunicação da linha de energia envolve a colocação de um sinal de dados em um fio de energia, mas o sinal deve ser roteado para a caixa de fusíveis e, em seguida, para fora; ele se mistura com enormes quedas dinâmicas de voltagem ao longo do cabo de alimentação, o que leva a erros frequentes.

Aqui, se os engenheiros desejam usar MCUs de baixo custo para conectar um edifício em rede, eles precisam de um fio que suporte o barramento CAN, o sistema de rede usado por automóveis para interconectar sensores e atuadores. Ele protegerá o cabo de dados de danos no caso de ser acidentalmente conectado ao cabo de alimentação.

Existe um tipo de topologia de fiação chamada “árvore”, o que significa que um cabo se conecta a vários dispositivos e possui ramificações externas. Seria necessário um sistema de fiação de dados que suportasse isso, uma vez que os cabos de alimentação e a geometria do edifício são configurados como galhos de uma árvore. É diferente da Ethernet, que tem um único fio entre dois dispositivos, e da ligação em cadeia, que tem vários dispositivos ao longo de um fio sem ramificações.

Aplicativos leves e pesados ​​

Pode-se dividir os consumidores em um edifício inteligente em duas categorias:leve e pesado. A categoria leve consome menos de 20 W, enquanto os usuários pesados ​​consomem mais. A categoria de luz inclui lâmpadas LED, interruptores de luz, termostatos, sensores de temperatura, sensores de ocupação, detectores de incêndio, motores para coberturas térmicas de janela, motores para cortinas e persianas, motores para amortecedores em dutos / aberturas e válvulas de radiador. A categoria pesada abrange 110/220 V _AC tomadas, HVAC, aparelhos grandes e ventiladores.

Por exemplo, uma lâmpada LED de 10 W consome 0,1 A a 110 V _CA , e é 1/200 ^th de um fusível 20-A. A maioria dos dispositivos em um edifício se enquadra na categoria leve. Para economizar dinheiro, os engenheiros podem conectar dispositivos leves com uma tensão de alimentação mais baixa e um cabo de alimentação menos volumoso. Por exemplo, a luz pode rotear 48 V _DC ligue o fio de 18 awg enquanto as aplicações pesadas podem usar o tradicional 110/220 V _CA ligue o fio de 14 awg.

O 48 V _DC energia envolve componentes eletrônicos de baixo custo e proteção de fios de dados. Além disso, 48 V _DC envolve códigos de construção com menos restrições de fiação. Portanto, se a maioria dos dispositivos for alimentada com 48 V _DC de menor custo , os engenheiros podem redirecionar o dinheiro economizado para incorporar dispositivos inteligentes em rede em cada local.

Uma rede de automação se conecta a partir de um local central em todo o edifício. Fonte:Manhattan 2

Software comum em todos os dispositivos

Se os engenheiros desejam dispositivos inteligentes de baixo custo e alta confiabilidade, só há uma maneira de fazer isso:colocar o mesmo software em todos os dispositivos. É também a única maneira de fazer com que o mundo concorde em torná-lo gratuito e aberto, o que significa que qualquer um pode usar e mudar sem nenhum custo. Existe mais um requisito:qualidade. O sistema não será bem recebido se estiver cheio de erros e não for bem documentado.

Existem protocolos de rede que definem como os dispositivos interagem, mas eles não incluem software que facilita um sistema inteligente completo. Portanto, os alunos de engenharia estão trabalhando em um sistema operacional de dispositivo inteligente gratuito e aberto na UMass Amherst e em outras escolas chamado BuildingBus.

Qualquer dispositivo pode enviar uma mensagem para qualquer outro dispositivo; pode ler ou escrever em qualquer porta de qualquer outro dispositivo; pode receber uma biblioteca que contém informações sobre outros dispositivos; pode monitorar sensores de qualquer outro dispositivo em tempo pseudo-real; e pode enviar um comando para qualquer outro dispositivo. Uma vez que cada dispositivo sabe qual software está sendo executado em cada outro dispositivo, ele pode coordenar facilmente as atividades enquanto apresenta tolerância a falhas, alta confiabilidade e plug-and-play.

O mesmo sistema operacional em todos os dispositivos e um sistema de comunicação confiável podem tornar os edifícios mais inteligentes e com maior eficiência energética a um custo baixo. Os pesquisadores já estão trabalhando nisso. No entanto, não está claro qual das várias iniciativas produzirá a melhor solução e, nos próximos anos, provavelmente veremos várias soluções surgindo para tornar os edifícios mais inteligentes.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EDN .