Les bases technologiques manquantes pour les bâtiments intelligents

Du point de vue de l'ingénierie, nous pouvons facilement rendre les bâtiments plus intelligents puisque nous avons déjà les processeurs et les logiciels nécessaires. Les ingénieurs peuvent placer un minuscule processeur à 3 $ à chaque emplacement et les mettre en réseau. Ces emplacements incluent les interrupteurs, les douilles, les moteurs qui déplacent les couvertures thermiques sur les fenêtres et les pompes qui déplacent l'eau des réservoirs de stockage thermique vers les vannes des radiateurs.

Ensuite, il y a les gros appareils, les thermostats, les capteurs de température, les détecteurs de présence et les détecteurs d'incendie. Ces appareils peuvent contrôler l'air central qui circule dans chaque pièce, déplacer l'air d'une pièce à l'autre avec un système CVC central et chauffer ou refroidir un réservoir d'eau de stockage thermique via l'énergie solaire à utiliser lorsque le soleil ne brille pas. De plus, ils peuvent déplacer de l'eau souterraine à 60 °F dans des pompes à chaleur, contrôler les couvre-fenêtres thermiques motorisés encastrés dans le mur qui coulissent au besoin et ajuster l'éclairage de chaque ampoule.

Alors, quel est le problème ?

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles ce qui précède ne se produit pas :

• Nous n'avons pas de système de communication standard accepté dans les bâtiments pouvant connecter des processeurs avec une fiabilité de ≥99,999 % et à faible coût. "Cinq 9 s" signifie que le système tombe en panne en moyenne ≤ 10 minutes par an.
• Nous n'avons pas de système d'exploitation (OS) standard accepté qui fonctionne sur tous les appareils d'un bâtiment. Nous avons Windows pour les ordinateurs, iOS sur les iPhones et Android sur les autres smartphones. Cela permet à ces appareils informatiques de se coordonner et de se connecter à une variété de progiciels. Pourtant, nous n'avons pas de système d'exploitation accepté pour les appareils intelligents des bâtiments, ce qui rend difficile l'intégration de plusieurs appareils intelligents dans un bâtiment de manière plug-and-play.

Comment garantir la fiabilité

Lorsque l'on allume un interrupteur d'applique murale physique, la communication entre l'interrupteur et l'ampoule de plafond est opérationnelle ≥99,999 % du temps. C’est un point subtil qui reçoit peu d’attention, mais qui est pourtant important. Les occupants et les constructeurs n'acceptent pas une moindre fiabilité de l'infrastructure commune des bâtiments.

Il convient de noter que les communications sans fil et sur courant porteur sont nettement moins fiables avec des taux d'échec de l'ordre de 1 à 10 %. Cela est dû à la zone morte, au spectre encombré, au faible rapport signal sur bruit, aux antennes trop petites et aux signaux bloqués. La communication par courant porteur consiste à placer un signal de données sur un câble d'alimentation, mais le signal doit être acheminé dans la boîte à fusibles puis hors de celui-ci ; il se mélange à des chutes de tension dynamiques massives le long du câble d'alimentation, ce qui entraîne des erreurs fréquentes.

Ici, si les ingénieurs souhaitent utiliser des microcontrôleurs à faible coût pour mettre en réseau un bâtiment, ils ont besoin d'un câble prenant en charge le bus CAN, le système de mise en réseau utilisé par les automobiles pour interconnecter les capteurs et les actionneurs. Il protégera le fil de données contre les dommages au cas où il serait accidentellement connecté au fil d'alimentation.

Il existe un type de topologie de câblage appelé « arborescence », ce qui signifie qu'un câble se connecte à plusieurs appareils et possède des branches dérivées. Il faudrait un système de fils de données qui prend en charge cela, car les câbles d'alimentation et la géométrie du bâtiment sont configurés comme des branches dans un arbre. C'est différent d'Ethernet, qui a un seul fil entre deux appareils et de la connexion en guirlande qui a plusieurs appareils le long d'un fil sans dérivation.

Applications légères et lourdes

On peut diviser les consommateurs d'un bâtiment intelligent en deux catégories :légers et lourds. La catégorie légère consomme moins de 20 W, alors que les gros utilisateurs consomment plus. La catégorie d'éclairage comprend les ampoules LED, les interrupteurs, les thermostats, les capteurs de température, les détecteurs de présence, les détecteurs d'incendie, les moteurs pour les couvertures thermiques des fenêtres, les moteurs pour les rideaux et les stores, les moteurs pour les registres dans les conduits/évents et les vannes de radiateur. La catégorie lourde comprend 110/220 V_AC prises de courant, CVC, gros appareils électroménagers et ventilateurs.

Par exemple, une ampoule LED de 10 W consomme 0,1 A à 110 V_AC , et c'est 1/200 ^ème d'un fusible de 20 A. La plupart des appareils dans un bâtiment appartiennent à la catégorie de la lumière. Pour économiser de l'argent, les ingénieurs peuvent connecter des appareils d'éclairage avec une tension d'alimentation inférieure et un câble d'alimentation moins encombrant. Par exemple, la lumière peut acheminer 48 V_DC alimentation sur fil 18-awg tandis que les applications lourdes peuvent utiliser 110/220 V_AC traditionnel allumez le fil 14-awg.

Le 48 V_DC l'alimentation implique une électronique à moindre coût et une protection des fils de données. De plus, 48 ​​V_DC implique des codes du bâtiment avec moins de restrictions de câblage. Donc, si la majorité des appareils sont alimentés avec le 48 V_DC moins coûteux , les ingénieurs peuvent potentiellement rediriger l'argent économisé vers l'intégration d'appareils intelligents en réseau à chaque emplacement.

Un réseau d'automatisation se connecte à partir d'un emplacement central dans tout le bâtiment. Source :Manhattan 2

Logiciel commun sur tous les appareils

Si les ingénieurs veulent des appareils intelligents à faible coût et à haute fiabilité, il n'y a qu'une seule façon de le faire :placer le même logiciel sur tous les appareils. C'est aussi le seul moyen d'amener le monde à accepter de le rendre libre et ouvert, ce qui signifie que tout le monde peut l'utiliser et le modifier sans frais. Il y a encore une exigence :la qualité. Le système ne sera pas bien reçu s'il est bogué et mal documenté.

Il existe des protocoles réseau existants qui définissent la façon dont les appareils interagissent, mais ils n'incluent pas de logiciel facilitant un système intelligent complet. Ainsi, des étudiants en ingénierie travaillent sur un système d'exploitation gratuit et ouvert pour appareils intelligents à l'UMass Amherst et dans d'autres écoles appelé BuildingBus.

N'importe quel appareil peut envoyer un message à n'importe quel autre appareil; peut lire ou écrire n'importe quel port dans n'importe quel autre appareil ; peut recevoir une bibliothèque contenant des informations sur d'autres appareils ; peut surveiller les capteurs de n'importe quel autre appareil en pseudo-temps réel ; et peut envoyer une commande à n'importe quel autre appareil. Étant donné que chaque appareil sait quel logiciel s'exécute sur chaque autre appareil, il peut facilement coordonner les activités tout en offrant une tolérance aux pannes, une haute fiabilité et une fonctionnalité plug-and-play.

Le même système d'exploitation sur tous les appareils et un système de communication fiable pourraient rendre les bâtiments plus intelligents et plus économes en énergie à faible coût. Les chercheurs y travaillent déjà. Cependant, il n'est pas clair laquelle des différentes initiatives produira la meilleure solution, et dans les années à venir, nous verrons probablement plusieurs solutions émerger pour rendre les bâtiments plus intelligents.

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EDN .