Έξυπνες Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις (Μέρος 1ο : Πρωτόκολλα Επικοινωνίας) PDF

Έξυπνες Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις (Μέρος 1ο : Πρωτόκολλα Επικοινωνίας) 1 Δηµήτριος Πυροµάλης, Αν. Καθηγητής Βασίλειος Ορφανός...

Έξυπνες Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις (Μέρος 1ο : Πρωτόκολλα Επικοινωνίας) 1 Δηµήτριος Πυροµάλης, Αν. Καθηγητής Βασίλειος Ορφανός 8ο Εξάµηνο Ε.ΔΙ.Π. 2 Πρωτόκολλα Επικοινωνίας Εισαγωγή 3 Νόµος του Moore ´ Αποτελεί µια παρατήρηση η οποία έγινε, η οποία λέει ότι ο αριθµός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα διπλασιάζεται κάθε 2 χρόνια ´ Ο Gordon Moore είναι ο συνιδρυτής της Fairchild Semiconductor και CEO και συνιδρυτής της Intel, η οποία το1965 ´ Κυκλώµατα υψηλότερης πυκνότητας µε µειωµένο κόστος ´ Οι αισθητήρες πλέον έχουν µικρό µέγεθος και είναι κατάλληλοι να τοποθετηθούν οπουδήποτε. ´ Επίσης έχουν µικρό κόστος 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Τρέχουσα κατάσταση σε ένα κτήριο ´ Φωτισµός ´ Θέρµανση/ψύξη ´ Συστήµατα ασφαλείας ´ Ηλεκτρικές συσκευές ´ Η κατανάλωση ενέργειας δεν ελέγχεται απώλειες ενέργειας  Κατάταξη σύµφωνα µε το Building Automation Control 13 Systems (BACS) και τις λειτουργίες Τεχνικής Διαχείρισης Κτηρίων (Technical Building Management, TBM)  Ενεργειακή Τάξη Συσκευών 14  Ενεργειακή Τάξη Συσκευών 15  State of the art στον κτηριακό αυτοµατισµό 16 ´ Το σπίτι αποτελεί έναν ζωντανό οργανισµό ´ Μπορεί να ”αισθανθεί¨ την θερµοκρασία, υγρασία, συνθήκες φωτισµού, κατανάλωση ενέργειας ´ Οι µετρήσεις είναι προσβάσιµες από παντού ´ Αποφάσεις µπορούν να παρθούν σε ένα κτίριο χωρίς να υπάρχει φυσική παρουσία ´ Αποµακρυσµένος έλεγχος θερµοκρασίας, υγρασίας, φωτισµού, κατανάλωση ενέργειας, συναγερµός  State of the art στον κτηριακό 17 αυτοµατισµό ´ Έλεγχος πολυµέσων (DLNA) ´ Αποµακρυσµένο κλείδωµα/access control ´ Αποµακρυσµένο πότισµα ´ Θέρµανση νερού ´ Έξυπνα ψυγεία, µπορούν να εντοπίσουν και να ειδοποιήσουν τον χρήστη για προϊόντα που λείπουν µέσα σε αυτό, ακόµα και να τα παραγγείλει ´ Εξοικονόµηση ενέργειας  18 Ηλεκτρικές Συσκευές Φωτισµός Θέρµανση/ψύξη Εξοικονόµη Κεντρική ση ενέργειας διαχείριση Ηλεκτρονικές Συσκευές Θέρµανση νερού Ηλεκτρικό σίδερο 20 Τρόποι µετάδοσης πληροφορίας ´ Ενσύρµατα ´ Ασύρµατα ´ Και µε τους δυο τρόπους (υβριδικά) 21 Τύποι Δικτύων Η/Υ Ανάλογα µε την κάλυψη ´ PAN (Personal Area Networks): 50χλµ 22 Τύποι Ασυρµάτων Δικτύων Ανάλογα µε την κάλυψη ´ Nanoscale ´ Electromagnetic ´ Molecular ´ Proximity: 0-10 µέτρα ´ NFC (Near Field Communication): 2000 >8000 (συσκευές) (AP) Ασφάλεια Εξαιρετική Εξαιρετική Κατανάλωση Υψηλή Χαµηλή Ενέργειας Απώλειες λόγω Κανονική Χαµηλή εµποδιων Ταχύτητες (SISO, Single 400kbps – 143Mbps 150kbps – 86.7Mbps Input Single Output) (1x1 σε κανάλι 20 MHz) (1x1 σε κανάλι 16 MHz) Ταχύτητες (MIMO, 400kbps – 9.6Gbps 150kbps – 347Mbps Multiple Input Multiple (8x8 σε κανάλι 160 (4x4 σε κανάλι 16 MHz) Output) MHz) 70 ´ Εισάχθηκε το 2001 ´ Δηµιουργήθηκε για το IoT ´ Τεχνολογία κλειστού κώδικα ´ Υποστηρίζεται από πολλούς κατασκευαστές ´ Χαµηλού κόστους ´ Χαµηλή κατανάλωση ενέργειας 71 ´ Ταχύτητες έως 200Kbps ´ Συχνότητες λειτουργίας: ´2.4 GHz, ´908MHz (US), ´868MHz (EU) ´ Κάλυψη αποστάσεων: ´Σε εσωτερικό χώρο: 30 µέτρα ´Σε εξωτερικό χώρο: 100 µέτρα ´ Υποστηρίζει την τοπολογία MESH 72 ´ Εισάχθηκε το 2004 ´ Χρησιµοποιείται ευρέως σε εφαρµογές κτηριακού αυτοµατισµού ´ Ασύρµατη τεχνολογία δικτύωσης ´ Έχει ενεργειακή επάρκεια ´ Χρησιµοποιεί το πρότυπο IEEE 802.15.4 ´ Μπορεί να συνεργαστεί µε τις τεχνολογίας ´Thread, ´EnOcean, ´Ethernet, ´Wi-Fi 73 ´ Συχνότητες ´ 2.4GHz, ´ 915MHz (US) ´ 868MHz (EU) ´ Κάλυψη αποστάσεων έως 100 µέτρα ´ Ταχύτητες έως 250Kbps ´ Η τοπολογία του αποτελείται από: ´ Δροµολογητές (Routers), ´ Συντονιστές δικτύου (Network coordinators), ´ Τερµατικές συσκευές (End Devices ) ´ Υποστηρίζει την τοπολογία MESH 74 Πρωτόκολλα Επικοινωνίας Υβριδικά 75 ´ Αποτελεί από τις παλαιότερες τεχνολογίες που έχουν εφαρµοστεί σε έξυπνο σπίτι. ´ Εισάχθηκε το 1975 ´ Παρουσιάστηκε στην αγορά από τις εταιρίες: Radio Shack, Sears Control System, Power System και Power Plug. ´ Είναι τεχνολογία ανοιχτού κώδικα ´ Χρησιµοποιείται για τον έλεγχο συµβατών εκποµπών και δεκτών 76 ´ Χρησιµοποιεί σαν µέσο επικοινωνίας 2 τρόπους ´ Ενσύρµατα: Γραµµές ρεύµατος ´ Ασύρµατα: Με χρήση RF ´ Τα µηνύµατα που ανταλλάσσονται µεταξύ των συσκευών του είναι πολύ µικρά και συνοδεύονται από ένα ID ´ Αν η συνθήκη δεν επαληθευτεί, τότε το όλο το µήνυµα θα πρέπει να αποσταλεί ξανά ´ Οι ταχύτητες επικοινωνίας είναι χαµηλές, 60 bps, ενώ οι αποστάσεις οι οποίες µπορεί να καλύψει ενσύρµατα είναι έως 30 µέτρα. 77 ´ Εισάχθηκε το 2005 ´ Είναι ταυτόχρονα ενσύρµατο και (power line, 132KHz) and ασύρµατο (915MHz) ´ Τοπολογία πλήρους πλέγµατος (MESH), ταυτόχρονα ενσύρµατα και ασύρµατα ´ Αντικαθιστά την τεχνολογία X10 ´ Είναι συµβατό µε τις εντολές του X10 ´ Ταυτόχρονη µετάδοση (Simulcast). Μεταδίδει πληροφορία σε ταυτόχρονα πολλαπλούς κόµβους (nodes), χωρίς η δροµολόγηση του σήµατος να είναι πολύπλοκη και ακριβή. 78 ´ Κατάσταση σήµατος (Statelink). Παρέχει συµβατότητα µε παλαιότερες συσκευές. ´ Έχει ταχύτητες µεταφοράς δεδοµένων: ´ Ενσύρµατα: 13165bps wired (PL), ´ Ασύρµατα 38.3Kbps ´ Χρησιµοποιεί συχνότητες λειτουργίας ´ 869.85MHz EU, ´ 915MHz US ´ Αποτελεί µια σύγχρονη και πρωτοποριακή τεχνολογία ´ Δεν είναι ανοιχτού κώδικα 79 ´ Αναπτύχθηκε από την Echelon Corporation Company το 1991 ´ Προέρχεται από το BACnet ´ Το όνοµά του προέρχεται από το "Local Operating NetWORK” ´ Μοναδικό χαρακτηριστικό είναι η ενσωµάτωση ολοκληρωµένα µε νευρώνες ´ Πιο συγκεκριµένα ένα σύστηµα αποτελείται από: ´ Neuron Chip ´ Transceiver ´ Εφαρµοσµένα ηλεκτρονικά 80 ´ Υποστηρίζει πολλά µέσα επικοινωνίας ´ Συνεστραµµένο ζεύγος, ´ Ethernet, ´ Οπτικές Ίνες, ´ RF, ´ BACnet ´ Οι ταχύτητες µεταφοράς δεδοµένων είναι έως 1,25Mbps ´ Και µπορεί να καλύψει αποστάσεις ενσύρµατα έως 2700 µέτρα 81 ´ Εισάχθηκε το 1990 ´ Είναι µια τεχνολογία, η οποία εφαρµόζεται σε κτηριακό αυτοµατισµό. ´ Είναι παγκόσµιος διαδεδοµένη ´ Εµπορικά είναι γνωστή ως Instabus, αναπτύχθηκε από την Siemens, πιστοποιήθηκε από την EIBA ´ Υποστηρίζεται από πάρα πολλούς κατασκευαστές 82 ´ Χρησιµοποιεί πολλά µέσα επικοινωνίας ´ Συνεστραµµένα καλώδια (TP) ´ Γραµµές ρεύµατος (PL) ´ ραδιοκύµατα (RF) ´ Ethernet (IP) ´ Συνεργάζεται και µε άλλες τεχνολογίες ´ ZigBee ´ EnOcean ´ Ethernet ´ Wi-Fi 83 Μοντέλο Αναφοράς OSI-7 84 Μοντέλο Αναφοράς OSI-7 Ε φ α ρ μο γ ή ς (7 ) Π α ρο υσ ίασης (6 ) Σ υν ε δ ρί α ς (5 ) Μεταφο ρ ά ς (4 ) Δικτύου (3 ) Επικοιν ω ν ία ς Δ ε δ ομ έ νω ν (2 ) Φυσικό Ε π ί π εδ ο ( 1) 85 86 87 88 89 Layer Name Ethernet X10 BACnet LonWorks KNX Insteon Zigbee Z-wave 6LoPAN Thread DASH7 LoRa EnOcean BLE W-Fi LTE (5G) NB-IoT A p t p i Device logic and UDP-based of 7 l o core LLDP-based i 90 n c a P BACnet r a Application Application, KNX Application e t Layer X10 BACnet Application Application Z-wave Application Layer Echelons publisher- M2 6 s i Computer Application Application Layer, KNX Layer ZIgBee Application Profile Application / HTTP Application Computer e o subscriber Filesystem Applications Applications, Layer Layer, BACnet Application (Proprietary) Security Applications, Applications n n DLNA, UPnP Network Layer, Interface Layer EnOcean DLNA, UPnP of service t BACnet/SC of service Equipment Applications/Profiles (TCP/UDP, S Profiles (EEP) (Network e Network s Service request and Core) Core) 5 s response for devices Dialog Stack Application i and applications o n T r TLS V1.3 a Transport Packet ZIgBee Z-wave Transport r X10 Transport KNX Transport Transport Layer 4 n t Layer retransmission and Application Transport UDP, ICMP UDP + DTLS M2QP Layer s Layer Layer (Proprietary) (TCP/UDP) duplicate detection. Support Layer (TCP/UDP) p TCP o Security Security/Com N Services misioning R T e 6LoPAN (IP Internet EnOcean f e Internet NAS NAS t ZigBee v.6) with M2NP, Service C Layer IEEE Simple addressing KNX Network Network Layer Z-wave IP v.6 with Telegrams Other c l n 3 w Network Layer IP/IPv6 Network Layer Distance M2DP, A e Discov o Layer IEEE IP 802.3vvv IP mechanism Layer (Proprietary) Network Layer 6LoPAN (RORG and o p y o (NWK) Vector M2AdP u (LLC) ery n 802.3vvv IP v.4, IP v.6 STATUS) m h r Routing d t v.4, IP v.6 RRC RRC k m o i r LoRaWAN o Logical Link Control o PDCP PDCP ITU-T l D L Any Datalink LoRaWAN EnOcean Sub Adaptation Protocol IEEE a i IEEE 802.3, MAC Layer: Mac KNX Datalink Link Layer G.9959, Z- MAC, MAC Telegram LBT RLC RLC 2 t n MAC, PPP Link Layer supporting algorithm Layer (Proprietary) IEEE 802.15.4 wave MAC IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 DASH7 MAC Link Manager 802.11, options, Class (Listen Before a k TCP/IP MAC Layer A, Class B, Talk) MAC MAC Class C LoRa LoRa Baseband P h Power line RS-485, Free ITU-T IEEE Modulation, EnOcean IEEE Physical y IEEE 802.3 (PLC), ISO topology (FT), Physical Layer G.9959, 2.4 802.15.4, 2.4 433MHz, Regional ISM Radio Physical Layer Physical Layer TP1, PL 110, IEEE 802.15.4, 2.4GHz, IEEE 802.15.4, 2.4GHz, 802.11, Layer 1 s l Twisted pair Power line 8802-03, Power line (PLC), RF, KNX 110 (Proprietary) 915MHz (US) 868MHz (EU) GHz, 908MHz GHz, 915MHz 915MHz (US) 868MHz (EU) 868MHz, band, Protocol ERP, 900MHz, i Fiber optics ARCNET, EIA Wired, Wireless, 904MHz (US), 868MHz (US), 868MHz 916MHz 169MHz, 315MHZ, 2.4GHz. 5 900MHz, c Physical Radio, 2.4GHz 1800MHz 485, EIA 232 Fiber optics (EU) (EU) 433MHz (EU), 868,3MHz GHz 1800MHz a 868MHz (EU),  OSI 91 Layers 91 7. App 6. Pres 5. Sess 4 Trans 3 Net 2 DL 1 PHY  Physical MAC Network Transport Session Presentation Application Ethernet NB-IoT 7 X10 92 6 LTE (5G) BACnet 5 4 W-Fi LonWorks 3 2 1 BLE KNX 0 EnOcean Insteon LoRa Zigbee DASH7 Z-wave Thread 6LoPAN 93 94 433MHz 868MHz 902-916 2.4GHz 5GHz MHz 95 Κατάταξη Ασύρµατων Δικτύων ανάλογα µε την κάλυψη  Data Rates BACnet Insteon (RF) 1E+09 Dupline 96 Insteon 100000000 Ethe rnet 10000000 X10 (RF) 6LoWPAN 1000000 100000 X10 BLE 10000 1000 100 LonWorks EnOcean 10 1 KNX (RF) 0,1 Thread KNX W-Fi Sigfox W-Fi (ah) mioty Z-Wave NB-IoT Zigbee LTE (5G) DASH7 LoRa  Distance BACnet Insteon (RF) Dupline 97 Insteon Ethe rnet 10000 X10 (RF) 6LoWPAN X10 BLE 100 LonWorks EnOcean KNX (RF) 1 Thread KNX W-Fi Sigfox W-Fi (ah) mioty Z-Wave NB-IoT Zigbee LTE (5G) DASH7 LoRa