تعریف پروتکل باز و پروتکل‌های موجود در سیستم مدیریت هوشمند ساختمان (BMS)

بیشترین استفاده از مزایای سیستم ساختمان هوشمند زمانی به‌دست خواهد آمد که سیستم‌های گوناگون با یکدیگر یکپارچه عمل کرده و ترکیب شوند. متخصصان مختلفی که سیستم‌های هوشمند را طراحی و پیاده سازی می‌کنند، می‌بایست بتوانند از داده‌های دیگر سیستم‌ها نیز استفاده کرده و برای افزایش کارایی، طراحی و مهندسی یکپارچه انجام دهند. جمع‌آوری اطلاعات با ایجاد یک زبان مشترک، بسیار ساده‌تر انجام می‌شود. در نتیجه تدوین و تنظیم استاندارد واحد (پروتکل باز) برای ساختمان‌های هوشمند با توجه به سخت‌افزار و نرم‌افزار مورد استفاده ضروری می‌نماید. در حقیقت پروتکل‌ها محصول یا تولید خاصی نیستند بلکه تنظیم کننده قوانینی می‌باشند که توسط آن‌ها کنترل و تبادل اطلاعات در سراسر شبکه امکان‌پذیر می‌شود و باز بودن آن این امکان را برای سیستم کنترلی فراهم می‌کند که از قطعات ساخته شده توسط سازنده‌های مختلف به صورت هماهنگ و یکپارچه استفاده کند و با انواع سیستم‌های مسیریابی و ارتباطی موجود شبکه سازگار باشد.

استفاده از پروتکل‌ها و استاندارد باز در سیستم‌های خانه هوشمند مزایای فراوانی دارد. توسعه روزافزون این مزایا باعث گسترش استفاده از این استانداردها در میان تولیدکنندگان و بهره‌برداران شده است. شبکه‌های چندگانه می‌توانند به هم متصل شوند و شبکه‌ای با اندازه بزرگ دلخواه را تشکیل دهند. این قابلیت انعطاف، امکان توسعه سیستم در آینده و پذیرفتن فناوری‌های رو به پیشرفت و جدید شبکه را مهیا سازد.

در حال حاضر در سطح دنیا در بین شرکت‌های فعال در زمینه سیستم‌های مدیریت ساختمان (BMS)، پروتکل‌های متعددی اعم از BACnet، Lonworks، KNX و غیره وجود دارد. هرکدام از این پروتکل‌ها قوانین و مشخصات خاص خود را داشته که شرکت‌ها تحت پوشش آن‌ها از قوانین و الزامات آن جهت ساخت دستگاه‌های خود استفاده می‌کنند.

پروتکل BACnet یا Building Automation and Control Networks، یک پروتکل ارتباطی اطلاعات در زمینه اتوماسیون ساختمان و کنترل شبکه می‌باشد که در سال 1995 تحت حمایت انجمن مهندسین آمریکایی ASHRAE یا American Society of Heating Refrigeration and Air-Conditioning Engineers با هدف استاندارسازی ارتباطات در تجهیزات اتوماسیون ساختمان سازندگان مختلف و با بهره‌گیری از گستره وسیعی از تجارب صاحبان صنایع، تولیدکنندگان، مهندسین مشاور، استفاده‌کنندگان نهایی و نمایندگی‌های دولتی توسعه یافت. این گسترش بیش از 9 سال به طول انجامید و سرانجام در سال 1995 موفق به اخذ استاندارد ANSI/ASHRAE Standard 135-1995 گردید. این پروتکل استانداردی است که به صورت تخصصی در زمینه سیستم‌های مدیریت و کنترل در ساختمان بنا نهاده شده است.

هدف این استاندارد تعریف سرویس‌ها و پروتکل‌های تبادل و مخابرات داده برای تجهیزات کامپیوتری مورد استفاده در کنترل و نظارت سیستم‌های HVAC & R و دیگر سیستم‌های ساختمان به‌علاوه تعریف شئ‌گرا از اطلاعات مبادله شده بین چنین تجهیزاتی است که در نتیجه، باعث راحت شدن استفاده از فناوری کنترل دیجیتال در ساختمان‌ها می‌شود.

این پروتکل، مجموعه مشروحی از پیغام‌ها برای تبادل اطلاعات باینری کد شده، آنالوگ و داده‌های الفبایی بین تجهیزات تعریف شده است که موارد زیر را در برمی‌گیرد ولی به آن‌ها محدود نمی‌شود:

  • مقادیر باینری خروجی و ورودی سخت‌افزار
    • مقادیر آنالوگ خروجی و ورودی سخت‌افزار
    • مقادیر آنالوگ و باینری نرم‌افزار
    • مقادیر رشته‌های عددی
    • اطلاعات جدول زمان‌بندی
    • اطلاعات حادثه و اخطار
    • فایل‌ها و منطق کنترل

استاندارد KNX راهکارهای اصولی و عملی برای پیاده‌سازی سیستم‌های هوشمند در محیط‌های داخلی ساختمان‌ها است. این استاندارد جدیدترین دستاورد دانشمندان زیر ساخت ارتباطی قدرتمندی برای ارتباط بین اجزای پیکره کنترلی ساختمان می‌باشد. در سال 1990 شرکت مستقل Konnex که مقر آن در بروکسل است، تأسیس گردید و اساس کار استانداردسازی پروتکل تحت عنوان EIB که مخفف کلمه European Installation Bus است، آغاز گردید. این نام بعد از چند سال به EIB/KNX و بعد آن به KNX تغییر یافت. امروزه بیش از 300 شرکت معتبر عضو این انجمن هستند و 800 نوع محصول مختلف بر پایه KNX در سراسر دنیا تولید می‌شود که از بزرگترین مزایای آن می‌توان به کیفیت بالای این محصولات تحت استاندارد قوی KNX اشاره نمود. سیستم هوشمند با استفاده از پروتکل KNX در ساختمان‌ها به منظور بهینه کردن مصرف برق، آب و گاز در تأسیسات صنعتی/ تجاری/ ادارات/ هتل‌ها و … و سهولت بهره‌برداری از آن، طراحی و اجرا می‌گردد.

 

به طور کلی این سیستم‌ها امکانات و قابلیت‌های زیر را دارا می‌باشند:
• مانیتورینگ دمای نقاط مختلف و کنترل آن‌ها از طریق صدور فرامین لازم
• کنترل روشنایی و شدت نور برای اتاق‌ها، سالن‌ها، ورودی‌ها، محوطه و پارکینگ بنا به نیاز و کنترل اتوماتیک نور و دما از طریق سنسورهای نوری و با استفاده از عملگرهای پرده و با استفاده از سناریوهای مناسب
• قطع آب و گاز از طریق فرمان روی شیر الکتریکی مربوطه و از طریق سناریوهای مختلف
• خاموشی سراسری ساختمان در زمان ترک آن و قرار دادن تجهیزات به حالت ایمن

پیشرفت‌هایی که در زمینه میکروکامپیوترها در دهه 80 میلادی به وجود آمد، امکان اینکه پروسس‌های کنترلی در خود اجزا و قطعات قرار گیرد، مهیا شد. این میکروکامپیوترها امکان انجام همان پردازش‌هایی را که به‌وسیله PLCها صورت می‌گرفت، مهیا ساخت. به این روش کنترل غیرمرکزی نیز اطلاق می‌شود که از جمله پروتکل‌های این روش می‌توان به LON اشاره کرد.

LON Talk یک پروتکل بر پایه شبکه LAN است که با استفاده از سخت‌افزار Neuron Chips ساخت کمپانی Echelon کار می‌کند. LonWorks به خانواده‌ای از محصولات که توسط کمپانی Echelon بر پایه پروتکل LON Talk است، گفته می‌شود. به سه طریق آدردهی برای این پروتکل موجود است: آدرس‌دهی فیزیکی که یک عدد 48 بیتی است، بر روی هر کدام از Neuronهای چیپ‌ها وجود دارد. آدرس دستگاه که به جای آدرس فیزیکی می‌نشیند و آدرس گروهی که نشان‌دهنده آدرس گروهی از دستگاه‌ها است که کاربری مشترکی دارند.

لایه‌های کنترلی (BMS Standard Layers)

ساختار BMS یا BMS structure به صورت یک ساختار سلسله مراتبی تعریف می‌شود که می‌توان آن را در سه سطح (لایه) تقسیم‌بندی کرد.

لایه اول (پایینترین لایه): لایه فیزیکی (Field Layer) در پایین‌ترین سطح این سلسله مراتب قرار دارد. تمامی سنسورها و حسگرهای اطلاعاتی و امکانات و تجهیزات ارسال فرامین به لایه فیزیکی در آن قرار دارند و عملکردهایی مثل اندازه‌گیری، سوئیچینگ، اعمال فرمان و … در این لایه صورت می‌گیرد. در این لایه سنسورها، سوئیچ‌ها، موتورها و … به صورت شبکه به یکدیگر متصل و در نهایت به لایه دوم متصل می‌شوند.

لایه دوم (لایه میانی): لایه اتوماسیون یا کنترل (Control Layer) نام دارد. در این لایه تمامی کنترلرها و امکانات کنترلی قرار دارند که با یکدیگر یک شبکه دیگر را تشکیل می‌دهند و وظیفه تشخیص، پردازش و ارسال اطلاعات از طریق حلقه‌های کنترلی در سیستم را برعهده دارد.

 

لایه سوم (بالاترین لایه): یک سیستم و یا شبکه نرم‌افزاری وجود دارد که در آن اطلاعات و رویدادهای لایه‌های زیرین ثبت گردیده و یک سابقه و تاریخچه‌ای از تمامی اتفاقات ایجاد می‌گردد. این اطلاعات در شبکه پردازش گردیده و تصمیمات بر پایه آن‌ها در سیستم پایه‌ریزی می‌گردد. به طور کلی اوپراتوری اطلاعات، آنالیز نتایج و هماهنگی این زیرسیستم‌ها، در این لایه انجام می‌گیرد. این لایه مهمترین قسمت از این ساختار هرمی بوده، بیشترین دانش مدیریتی و ارزشی در آن نهفته است و به آن، لایه مدیریت (Management Layer) می‌گویند. در لایه مدیریت، اطلاعات دسته‌بندی می‌شوند و مبنای یک تصمیم‌گیری منطقی و متناسب با روند وقایع را پدید می‌آورند. در این ساختار هرمی در هر لایه، از پروتکل‌های خاصی برای ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می‌شود.

از آنجا که استانداردهای مطرح شده، استانداردهای باز مستقل از کاربر می‌باشند، می‌توانند در هر سه لایه مورد استفاده قرار گیرند.

LonWorks و KNX روی لایه‌های فیزیکی و مدیریت تمرکز بیشتری دارند، در حالی که BACnet برای لایه مدیریت مناسب‌تر است.