Capitolul XII HVAC

Capitolul XIIAparate inteligente

Capitolul XII aparate inteligente

XII.1 Introducere

Dezvoltarea industriei de senzori, telecomunicaii i a Internetului, precum i a tehnicilor de inteligen artficial a condus la apariia ideii de aparate (electrocasnice) inteligente (smart appliances), cu o cerere tot mai mare din partea consumatorilor.

n aceast categorie intr acele aparate care pot avea acces direct la Internet pentru a-i remprospta memoria i programele rezidente, sau care pot fi controlate de la distan. Ele sunt caracterizate de urmtoarele:

Pot genera i stoca informaii

Pot comunica cu celelate dispozitive din sistemul domotic i din afara lui

Starea lor poate fi modificat cu ajutorul unui sistem de control electronic incorporat.Acest concept se refer deci la acele aparate care comunic cu celelalte aparate i care se adapteaz la utilizarea de mai muli utilizatori, cu pretenii i cerine diverse, folosind dispozitive de intrare/ieire inteligente (smart display). Evident, un aparat cu telecomand (televizor, instalaie de aer condiionat, DVD player), sau care poate fi comandat de la distan prin alte mijloace (Internet), sau care are un microcontroler incorporat, dar nu satisface cele 3 cerine de mai sus, nu intr n aceast categorie.

Se deosebesc dou tipuri de aparate inteligente:

bunuri de larg consum cu acces la Internet: aparatur audio i video, dispozitive de comunicare e-mail

aparate electrocasnice (fixe i portabile).

Aparatura inteligent colecteaz informaii de la senzorii proprii, sau prin sistemul de comunicaii (radio), le stocheaz i le transmite n exteriorul casei prin Internet i ctre celelalte aparate din sistemul domotic, contribuind la creterea confortului utilizatorilor i la o utilizare optim, cu economii de energie i timp i la o ntreinere eficient, cu configurare i diagnosticarea de la distan (remote diagnosis) a eventualelor disfuncii sau defectri.

Se deosebesc astfel trei seciuni principale n comunicaiile cu exteriorul:

1. reeaua domotic din interiorul locuinei

2. gateway-ul aflat n locuin

3. legtura dintre gateway i Internet, ce utilizeaz protocoale IP i diverse nivele fizice (cablu, cablu electric, ADSL, reea telefonic, radio, satelii)

XII.2 Securitatea accesului

Aparatele electrocasnice inteligente vor fi conectate n reea i vor avea acces la Internet, putnd fi comandate de la distan. Din motive de securitate accesul se face printr-un gateway, fiecare aparat avnd interfaa sa, aa cum este ilustrat n figura 12.1.

Aceast situaie, cnd se ntlnesc aparate electrocasnice inteligente cu diferite tipuri de interfee, poate crea probleme, att la nivelul fizic ct i n stratul de control, avnd n vedere c terminalul care acceseaz reeaua de la distan ar avea nevoie de diverse softuri de aplicaie, iar utilizatorul nu s-ar simi n largul su.

Deoarece aparatele electrocasnice inteligente sunt conectate la Internet, apar noi servicii, ilustrate n figura 12.2, de conectare/deconectare a aparatelor, programare a aparaturii audio/video, nchidere/deschidere a uilor, supraveghere video de la distan, transmiterea alarmelor etc.Conectarea clasic a echipamentelor aflate n cas, denumite pe scurt CPE (Customer Premises Equipment), prin CPE router, care e setat s accepte acces din exterior prin Internet, poate introduce riscuri de securitate, reeaua fiind vulnerabil la atacurile hacker-ilor, situaie ilustrat n figura 12.3. Riscul este justificat de faptul c filtrul de adrese IP al routerului nu poate distinge accesul autorizat de cel neautorizat, innd cont de mecanismul de alocare dinamic al adreselor IP ctre calculatoare i de faptul c terminalul mobil folosete o adres IP de gateway comun mai multor terminale.

Chiar aplicaiile ce sunt proiectate cu logare i autentificare prin parol pot fi atacate i eventual sparte.

O arhitectur ce asigur securitatea accesului din exterior i lucrul cu diverse aparate electrocasnice, propus de Ishihara e.a.este ilustrat n figura 12.4. Ea se bazeaz pe un gateway aflat n locuin i un server central care autentific utilizatorul i permite stabilirea unei conexiuni securizate ntre gateway i un terminal exterior. Stabilirea conexiunii securizate presupune logarea utilizatorului la serverul central prin terminalul su mobil. Utilizatorul este autentificat de serverul central, care i atribuie un cod de acces (acces permission code) generat aleator, valabil pentru sesiunea respectiv, cod care este trimis i gateway-ului. Utilizatorul, prin terminalul mobil trimite o cerere ctre gateway, nsoit de codul de acces pentru a se stabili o legtur securizat denumit SSL (Secure Sockets Layer). Evident, gateway-ul accept conexiunea doar n cazul identitii celor dou coduri, n caz contrar refuznd conexiunea (atacuri fr cod sau cu un cod nevalabil).Problema interfeelor diferite i a comenzilor diferite este rezolvat prin faptul c gateway-ul lucreaz ca un server web i genereaz pagini de menu n HTML, astfel c selecia comenzilor se poate face cu orice terminal avnd un browser web, fr a fi nevoie de instalarea de software suplimentar. Arhitectura software a gateway-ului pentru a putea lucra cu aplicaii diverse este prezentat n figura 12.5.Gateway-ul trebuie s ndeplineasc funcii complexe, avnd n vedere c pe lng comenzile relativ simple ce se dau din exterior (nchidere deschidere de ui, aparate, lumini, robinete etc.) el trebuie s gestioneze i descrcarea de filme (download) la cererea utilizatorului (movies on demand) i ghiduri ale programelor TV sub form electronic - EPG (Electronic Programming Guide). Ca urmare a situaiei existente, este foarte probabil c ntr-o locuin vor exista diverse tipuri de reele de comunicaii, cu diverse protocoale, iar gateway-ul va trebui s le acomodeze pe toate, realiznd un singur punct de conexiune ntre Internet i locuin.

Pentru armonizarea cerinelor legate de gateway, un consoriu de companii a format iniiativa OSGI (Open Service Gateway Initiative). nc nu este clar dac gateway-ul va fi sub forma unei cutii separate sau va fi integrat n aparate electrocasnice de tipul TV digital (DTV) sau STB (Set-Top-Box), iar funcionalitatea sa va fi concentrat ntr-un singur aparat sau distribuit n mai multe.

O problem important ce apare n legtur cu aparatele electrocasnice dintr-o locuin este legat de faptul c locaia lor nu este fix, un aparat putnd fi mutat dintr-un loc n altul sau schimbat cu un model mai nou. De asemenea, n cas pot exista diferite terminale i sisteme de comunicaii pe cablu sau prin radio. Ca urmare, arhitectura sistemului software domotic trebuie s fie compatibil cu toate tehnologiile utilizate i independent de ele, permind combinarea acestora n orice mod dorit. Ea trebuie s se adapteze n mod automat schimbrilor intervenite n coninut i topologie, fr a recurge la ajutor din exterior. Arhitectura trebuie s fie bine structurat, oferind drepturi depline locatarilor i acces limitat pentru furnizorii de servicii externi.

n consecin se impune o divizare a managementului sistemului n sarcini mai mici i mai dificile, cu doi factori de decizie: administratorul sistemului domotic (Home System Administrator) i operatorul (Operator) [Jormakka].

Drepturile de acces sunt administrate de administrator, avnd n vedere c accesul este securizat cu parole sau chei de criptare. Administratorul poate aduga, schimba sau anula drepturi ale utilizatorului i ndeplini sarcini simple de management.Operatorul se ocup cu instalarea i dezinstalarea de software pentru aparate, cu securitatea i integritatea sistemului, avnd sarcini tehnice mai complexe dect administratorul. El poate fi un utilizator sau un tehnician de la o firm specializat, cu care exist un contract de ntreinere a sistemului.XII.3 Interfaa utilizatorului extern

Utilizatorii externi pot apela la diverse tipuri de interfee (remote user interface), ilustrate n figura 12.6.

Exist dou tipuri principale de interfee:

grafice

bazate pe textcele bazate pe text fiind mai puin complexe i mai ieftine.

Interfeele de reea cele mai rspndite sunt urmtoarele: Pe cablul de alimentare cu energie electric X10

CEBus

LonWorks

SCP

Ethernet

Prin radio 802.11a

802.11b Bluetooth

Home-RF-Lite (ZigBee)

Serie pe cablu LonWorks (FFT)

RS232

RS485

Ethernet

Linie telefonic HPNA

Prin modem Pager duplex modem radio (telefon celular)

Interfeele grafice de tip web browser pot fi de urmtoarele tipuri:

HTML static

DHTML-HTML dinamic

Varianta dinamic se realizeaz cu scripturi Java sau n Flesh. Dependena de browser (Internet Explorer, Opera, Netscape) poate fi eliminat cu appleturi Java, folosind ca agent de redare Java Virtual Machine (JVM). Ca urmare, structura tipic a unui gateway este cea reprezentat n figura 12.7.

Dac sistemul are versiunea cerut pentru JVM, lansarea unui applet din pagina HTML determin aciunea solicitat.

Dac sistemul nu dispune de versiunea JVM implicat, utilizatorul primete indicaia de a aproba download-ul acesteia de la site-ul companiei Sun, fr a fi necesar a repeta operaia n cazul unei comenzi ulterioare.

Pentru a nu micora semnificativ viteza de lucru este necesar o proiectare corect a applet-ului i un management adecvat al memoriei cache de ctre JVM.

O alt posibilitate de a realiza pagini dinamice este folosirea de scripturi pe server (server-side scripting).

XII.4 Proiectul Compuccino conectarea unui automat de cafea la Internet.

Compuccino (http://ece-www.colorado.edu/~ecen4610/expof03/compuccino_pdr.ppt) este un proiect al Universitii din Colorado ce urmrete realizarea unui automat de cafea inteligent conectat la Internet, precum i realizarea de alte aparate inteligente (prjitor de pine, cuptor cu microunde, robot de buctrie, sistem audio), comunicaia realizndu-se cu dou procesoare.

Schema bloc de principiu a sistemului Compuccino este ilustrat n figura 12.8. Se observ c, bazat pe aceleai principii, se poate realiza comanda de la distan a diferitelor aparate electrocasnice ntlnite ntr-o buctrie sau locuin.Un procesor gestioneaz comunicaia cu automatul de cafea iar cellalt comunicaia prin Internet, mai exact accesul din pagina Web. Automatul de cafea dispune de senzori i sistem de control propriu, care permit stabilirea i reglarea temperaturii, controlul elementului de nclzire, sesizarea i controlul nivelului i calitii apei, durata fierberii i tria cafelei. Automatul dispune de un timer, ce poate fi reglat din exterior i care stabilete durata fierberii i de o rni electric, ce controleaz tria cafelei prin cantitatea de cafea mcinat.

Schema bloc funcional a sistemului Compuccino este prezentat n figura 12.9, unde se evideniaz funciile individuale de control i monitorizare. Comunicaia cu microcontrolerele locale incorporate se realizeaz prin standardul RS-232.

Procesorul 1 lucreaz n sistemul de operare TS-Linux, iar serverul Web este de tip Apache. Procesorul 2 este inclus n placa demo Motorola HC12.

XII.5 Proiectul Smart Appliance

Proiectul Smart Appliance i-a propus comanda unor dispozitive prin standardul X-10, realiznd att partea de hardware, pe baz de module comerciale X-10 i un modul dezvoltat n cadrul proiectului, ct i cea de software.

Software-ul elaborat n cadrul proiectului se compune din trei pri

1. O aplicaie de tip interfa grafic pentru utilizator GUI (Graphical User Interface) care ruleaz pe computerul aflat n locuin i care comand dispozitivele X-10

2. Un applet Java care poate rula pe orice dispozitiv cu acces Web, care asigur legtura cu computerul local aflat n locuin

3. Un server Java care comand dispozitivele X-10 cnd applet-ul s-a conectat la calculatorul local.

Schema bloc a proiectului este prezentat n figura 12.10.

XII.6 Servicii inteligente i proiectul ELIMA

Aparatele inteligente integrate ntr-un sistem domotic pot asigura servicii inteligente (smart services), cu referire n principal la:

furnizarea de informaii privind consumul de energie;

furnizarea de date privind noile interfee din sistemul domotic;

asigurarea diagnosticrii i monitorizrii de la distan a aparatului n vederea realizrii unei ntreineri rapide i eficiente.

Pentru realizarea acestor deziderate OSGI (Open Services Gateway Initiative) a propus un model, care s faciliteze realizarea de aparatur inteligent ce poate schimba informaii n orice reea, indiferent de topologia acesteia. Modelul permite dezvoltarea de servicii, pachete software i asigurarea confidenialitii pe serverul sistemului domotic, conform standardelor OSGI.

Uniunea European a lansat un proiect n cadrul FP4, intitulat Environmental Life Cycle Information Management and Analysis system, sau pe scurt ELIMA (www.elima.org), pentru a studia impactul noilor servicii i tehnologii asupra societii.n figura 12.11 este ilustrat modelul unui sistem de comunicaie i control domotic, conform recomandrilor OSGI, investigat n cadrul ELIMA evideniind tipurile de aplicaii i servicii ce pot fi realizate, n relaie cu aparatura i senzorii existeni n locuin.

Figura 12.12 ilustreaz schema bloc a unui aparat inteligent, care lucreaz n cadrul unui sistem realizat pe baza standardului OSGI. Comunicaiile aparatului inteligent includ:

descrcarea de software pentru upgrade-ul aparatului

informaii privind funcionarea aparatului: timp de lucru, parametri etc.

consumul de energie al aparatului.

informaii de diagnosticare a strii aparatului

n figura 12.13 se prezint schema bloc a sistemului ELIMA, n care un produs este urmrit ncepnd cu fabricarea sa, continund cu distribuia, utilizarea i ntreinerea i terminnd cu reciclarea.

XII.7 Protocoale pentru lucrul n reea

Comunicaiile domotice sunt mai speciale, avnd n vedere c mediul e diferit, utilizatorii pot s nu aib cunotine de utilizare a calculatoarelor i de administrare a reelelor de calculatoare, dei nu toate aparatele electrocasnice au complexitatea apropiat de cea a unui calculator. Totui, ele conin cel puin un microcontroler i ceva memorie.

Tehnologiile de comunicaie utilizate n domotic n legtur cu aparatele inteligente trebuie s prezinte urmtoarele proprieti:

implementare uoar cu procesoare ieftine, memorie de capacitate mic i fr hard disc, cu dispozitive suplimentare pentru comunicaii (middleware) i un protocol, care s asigure att comunicaiile ntre aparate ct i accesul la Internet.

uurina utilizrii, proprieti de tip plug and play, aparatele fiind capabile s-i anune prezena, prin aceasta simplificndu-se configurarea i instalarea.

prezena unui standard unic, care s asigure compatibilitatea aparatelor produse de fabricani diferii, cu referire n special la protocoalele de comunicaii i interfee.

posibilitatea modernizrii aparatelor prin descrcarea de softuri noi i realizarea de noi faciliti

coexistena cu aparatele vechi, mai puin inteligente, astfel ca cele fr protocol de comunicaie s poat comunica prin intermediul celor mai inteligente.

Problema principal privind adoptarea unui standard unic este lipsa consensului privind tipul de reea agreat (Ethernet, linie telefonic, IEEE 1394, cablu electric, radio etc.) i protocolul de comunicaie ntre aparate. Exist dou tendine privind protocoalele de comunicaie:

varianta centrat pe calculator, promovat de Intel, Microsoft i ali productori de tehnic de calcul

varianta ce nu implic calculatorul, promovat de productorii de aparatur electrocasnic (Sony, Panasonic, Whirlpool etc.).

Ca urmare, exist mai multe iniiative, promovate de diverse grupuri i organizaii, cela mai importante fiind prezentate n continuare.

XII.7.1 Iniiativa HAVi

Iniiativa HAVi (Home Audio Video Interoperability) a fost adoptat n SUA i se bazeaz pe stratul fizic definit de IEEE 1394. Ea asigur o serie de servicii pentru realizarea interoperabilitii i dezvoltarea de aplicaii distribuite n reelele casnice, cum ar fi:

autoconfigurarea sistemului la instalarea unui nou aparat electrocasnic

realizarea unei scheme de adresare i transfer de mesaje

cutarea i descoperirea de noi resurse

postarea de evenimente i recepia evenimentelor locale sau distante

organizarea datelor n fluxuri sincrone (streaming) i controlul acestora.

HAVi a standardizat interfeele API pentru funciile audio/video curente, iar fiecare aparat, care intr n reea, i instaleaz automat software-ul de aplicaie i de interfa.

XII.7.2 Iniiativa Home RF

Home RF este o iniiativ susinut de Intel i ali productori de tehnic de calcul, bazat pe dezvoltarea unui protocol de acces radio denumit SWAP (Shared Wireless Access Protocol). Acesta permite accesul la Internet n locuin i n jurul ei folosind dispozitive portabile, precum i schimbul de informaii de tip voce i date ntre calculatoare, periferice de calculatoare, telefoane mobile i cordless avansate i alte dispozitive.

XII.7.3 Iniiativa HomePlugIniiativa HomePlug se bazeaz pe utilizarea reelei de alimentare cu energie electric pentru acces la Internet i comunicaii multimedia, avnd n vedere existena acesteia n fiecare cas i a prizelor de alimentare n fiecare camer.

XII.7.4 Iniiativa Home PNAEa este promovat de aliana Home PNA (Home Phoneline Networking Alliance) i se bazeaz pe utilizarea liniilor telefonice, fr a perturba funcionarea telefonului sau faxului. In standardul HomePNA 3.0 se poate atinge o vitez de transfer a datelor de 180 Mbii/s, sau 240 Mbii/s cu extensii suplimentare.XII.7.5 Iniiativa UPnPAceasta este promovat de Microsoft i se bazeaz pe o arhitectur ce permite conectarea calculatoarelor, aparatelor inteligente i dispozitivelor radio. UpnP (Universal Plug and Play) utilizeaz tipul de reea Ethernet la nivelul fizic i nu depinde de sistemul de operare, limbajul de programare sau mediul fizic de transmisie utilizat.XII.7.6 Iniiativa OSGIEa a fost amintit anterior i definete gateway-ul open service (Open Services Gateway) , care este implementat n cadrul stratului aplicaie din modelul OSI n limbajul Java, pentru a permite transferuri de date de band larg i conectare la distan.

XII.8 Alternative de conectare la Internet

Pentru conectarea unui aparat electrocasnic, dotat cu un sistem de control propriu, la Internet sunt necesare minimum trei componente:

interfaa cu reeaua (Network Interface)

un sistem host local (Local Host)

interfaa utilizatorului aflat la distan (Remote User Interface)

Proiectantul poate alege una din mai multe variante pentru fiecare component, precum i diverse metode de interconectare.

Practic, nu se poate adopta o reet standard, avnd n vedere c fiecare component poate fi un obiect fizic (cartel de reea, modem pe cablul de alimentare cu energie electric, gateway rezidenial, modem telefonic, pad Web cu comunicaii radio, server Web), sau o funcie realizat n software pe procesorul aparatului.

Comunicaia cu Internetul poate fi implementat n una din cele dou variante:

client-server

multi-tier

Cele trei componente menionate mai sus devin un client, un server i o interfa fizic la aparat. La client se gsete software-ul pentru interfaa utilizatorului aflat la distan, sistemul putnd avea mai muli clieni. Hostul local poate fi integrat n aparat sau se poate afla ntr-un calculator sau alt dispozitiv de calcul, aflat n cas sau n spaiul Web. El asigur cele necesare pentru ca aplicaia inteligent s poat funciona.

Interfaa cu reeaua poate fi realizat prin linia de alimentare cu energie electric, legtura cu aparatul fiind serie, pe linia telefonic prin modem, sau prin pager duplex.

Hostul local poate fi realizat pe un gateway aflat n locuin, asigurnd platforma de execuie pentru noile servicii ale aparatului inteligent. Gateway-ul poate realiza i funcia de firewall, caz n care necesit dou cartele de reea, una pentru conexiunea la reeaua local (LAN), cealalt pentru comunicaia cu exteriorul (WAN) printr-un modem de band larg. n acest caz interfaa utilizatorului aflat la distan poate fi realizat cu o tablet Web (web tablet), deservit de un browser incorporat, astfel c orice utilizator dotat cu un browser poate accesa gateway-ul.

n cazul conectrii prin modem pe linia telefonic mai trebuie adugat o stiv TCP/IP (TCP/IP Stack). Aparatul inteligent poate fi propriul su host local, caz n care poate transmite mesaje de tip text sau pagini HTML, sau poate comunica cu un host aflat n spaiul web. n acest caz interfaa utilizatorului aflat la distan este de tip text sau de tip browser, vehiculnd mesaje despre despre starea aparatului (status messages). Dezavantajul acestei variante este faptul c aparatul nu este conectat la linie tot timpul, deci nu se poate exercita un control al lui n timp real.

Dac interfaa cu reeaua se face printr-un pager duplex, hostul local va fi n spaiul web, iar interfaa utilizatorului aflat la distan va fi un browser incorporat ntr-un calculator.XII.9 n loc de concluzii

Exist n prezent multe aparate dotate cu un procesor incorporat (embedded processor), cu memorie i faciliti de comunicare, dar aceasta nu le face automat inteligente, chiar dac pot fi comandate de la distan.

Aparatul ntr-adevr inteligent este contient nu numai de contextul n care se afl, comunicnd cu celelalte aparate, ci trebuie s fie contient i de prezena unui sau mai multor utilizatori, cu diverse preocupri i cerine i s rspund adecvat nevoilor sau preferinelor acestora. n acest mod mediul nconjurtor se adapteaz nevoilor omului.

Un proverb spune: neleptul se adapteaz lumii, nebunul ateapt ca lumea s se adapteze lui.

Dei pare foarte atrgtoare i tentant, inteligena ambiental i aparatele inteligente s-ar putea s aduc mai mult ru dect bine, pericolul principal fiind ca omul s creasc precum o plant de ser, pierzndu-i capacitatea de adaptare la mediu. n plus, proliferarea reelelor de senzori radio inteligeni, a reelelor radio domotice va crete i mai mult poluarea cu unde electromagnetice, crescnd riscul de cancer, leucemie i alte boli grave.Figura 12.2 Accesarea prin Internet a dispozitivelor electrocasnice

Figura 12.3 Evidenierea riscurilor de securitate

Figura 12.4 O arhitectur ce asigur securitatea accesului (dup Ishihara e.a.)

Figura 12..1 Interfee ntlnite n domotic

(dup Ishihara e.a.)

Figura 12.5 Arhitectura software a gateway-ului pentru lucrul cu aplicaii diverse

Figura 12.6 Interfee pentru utilizatorii externi

Figura 12.7 Arhitectur gateway

Figura 12.8 Schema bloc a sistemului Compuccino

Figura 12.15 Implementarea conexiunii la Internet

Figura 12.14 Variante de protocoale de reea n domotic

Figura 12.12 Schema bloc a unui aparat inteligent

Figura 12.13 Schema bloc a sistemului ELIMA

Figura 12.11 Servicii inteligente furnizate de un sistem domotic

Figura 12.10 Schema bloc a proiectului Smart Appliance

Figura 12.9 Schema bloc funcional a proiectului Compuccino

226225