Principi di domotica

Introduzione alla Domotica

Cambiano i tempi, cambia il modo di pensare, cambia il modo di vivere la propria casa.
Si crea uno scenario abitativo in cui c'è una crescita continua dell'uso della tecnologia e "dell'intelligenza" all'interno dell'abitazione.

Fulcro centrale di questo nuovo contesto abitativo è l'integrazione, la coesistenza tra tutti gli elettrodomestici ed i servizi abitativi che non devono essere più considerati come parti singole e isolate dalle altre.
La domotica è una disciplina che si occupa dell'integrazione dei dispositivi elettronici, degli elettrodomestici, di sistemi di comunicazione e controllo che si trovano nelle nostre abitazioni, col fine di migliorare la qualità della vita.

Con la domotica è possibile la gestione integrata dei principali impianti presenti in casa:
- gestione del riscaldamento e comfort ambientale
- gestione dell'illuminazione e apparecchi elettrici
- gestione della sicurezza (security, safety)
- gestione degli impianti audio-video
- gestione delle comunicazioni e trasferimento dati.

I componenti di un sistema domotico

Ogni sistema domotico, a prescindere dai protocolli usati, prevede dei componenti con funzionalità comuni.

- Unità centrale:
E' il cuore del sistema domotico, elabora i segnali provenienti in input dai sensori e dalle interfacce utente e gestisce i dispositivi periferici. Può essere un pc dedicato o una centralina domotica con sistema operativo embedded.

- Interfacce utente:
Sono una parte fondamentale, in quanto permettono all'utente finale di interagire con il sistema.
E' necessario che le interfacce siano semplici e di facile utilizzo (user-friendly).

- Dispositivi ausiliari:
Trasduttori, sensori (dispositivi che raccolgono i segnali dall'ambiente), attuatori (traducono i comandi ricevuti, in azioni sui dispositivi connessi), circuiti di interfaccia (es. smart adapter).

- gateway residenziale:
Unità per la  connessione con la rete di comunicazione esterna.

Domotica : I mezzi trasmissivi

Il mezzo trasmissivo utilizzato assume un ruolo fondamentale all'interno di un sistema domotico, in quanto lo rende adeguato ad un'eventuale e semplice ampliamento e quindi scalabile.

I mezzi trasmissivi possibili per la rete di interconnessione sono:

- Onde convogliate.
Sistema di trasmissione dati che utilizza i conduttori di distribuzione dell’energia elettrica 50-60Hz.
Tutti i componenti del sistema sono collegati in parallelo e comunicano tra loro attraverso la rete elettrica grazie ad opportuni dispositivi.
Il vantaggio nell'utilizzare le onde convogliate risiede nel fatto che viene sfruttata la linea elettrica esistente, evitando il problema dell'installazione di nuovi cavi.

I comandi vengono inviati sulla rete elettrica e raccolti dalle utenze interessate attraverso un codice di indirizzamento univoco.
Possibili problemi con questa tecnologia sono quelli relativi alle interferenze, che possono essere superati con l'adozione del cosiddetto filtro di linea.
Una limitazione è la bassa velocità di trasmissione.

- Infrarossi.
La trasmissione ad infrarossi è un  metodo di comunicazione senza fili, limitato principalmente dal vincolo di direzionalità del segnale e dalla forte attenuazione in presenza di ostacoli tra il trasmettitore e il ricevitore.
Appare fondamentale una standardizzazione per la possibile presenza contemporanea di più periferiche di diversi produttori con necessità di comunicazione.

- Radiofrequenza.
Metodo di trasmissione basato su onde radio.
La trasmissione radio in bassa potenza è un mezzo per realizzare semplici controlli, riducendo al minimo l'installazione. Questo mezzo copre facilmente l'intera casa senza bisogno di ripetitori, ma occorre evitare di trasmettere segnali non desiderati agli impianti delle abitazioni vicine.
Un problema nella standardizzazione di questo mezzo, sta nel fatto che le bande consentite di frequenza variano da paese a paese.

- BUS di linea (Doppino ritorto).
E' un sistema di trasmissione di segnali che utilizza una coppia di conduttori dedicati.
Il doppino ritorto è  il mezzo di trasmissione più semplice, ma richiede un maggiore lavoro di  installazione per la posa dei cavi, rispetto ai mezzi fino ad ora considerati.
Questa tecnica di trasmissione è molto flessibile e si presta bene soprattutto in abitazioni molto grandi con un gran numero di componenti.

- Fibra Ottica.
Mezzo di trasmissione che permette il trasferimento dati tramite segnali luminosi che viaggiano all’interno di una guida d’onda.
Altissime velocità di trasferimento dati e immunità dai disturbi elettromagnetici i punti forti.

Domotica: I principali standard tecnologici

X10
Il protocollo x10 nasce nel 1976 prevedendo un sistema monodirezionale, ossia con comunicazioni provenienti dai comandi e dirette esclusivamente ai dispositivi di attuazione ; viene aggiornato nel 1978 (x10-pro), con l'aggiunta  del colloquio dai dispositivi di attuazione verso i comandi, così da effettuare la lettura dello stato.
Il protocollo x10 utilizza le onde convogliate, ossia sfrutta la linea elettrica esistente, per la trasmissione dei comandi ai dispositivi a bassa velocità (50 bps in Europa).
Ogni dispositivo è identificato da un indirizzo composto da una lettera (A-P) chiamata anche house code e un numero (1-16); con questo protocollo si possono, dunque, collegare fino a 256 dispositivi o gruppi di dispositivi.
E' costituito da trasmettitori, che vengono rappresentati da interruttori o switch da parete, pulsanti, interfacce per pc e ricevitori che possono pilotare carichi elettrici attraverso relè o dimmer (per selezionare l'intensità luminosa desiderata).
Possono essere presenti anche dei piccoli telecomandi per il controllo senza fili, via onde radio.
Questo protocollo è ampiamente diffuso negli Stati Uniti, ma è noto e utilizzato anche in Europa, grazie al gran numero di dispositivi compatibili presenti sul mercato.

EIB (European Installation Bus)
L'EIB è lo standard fondato dall'EIBA, società nata a Bruxelles nel 1990.
Questo è uno standard aperto a tutti i costruttori che intendono sviluppare soluzioni per home e building automation. Per sviluppare un prodotto compatibile EIB è necessaria una BAU (bus access unit); esistono sul mercato  numerosi apparati di accesso alla rete EIB .
Lo standard EIB può essere utilizzato su più mezzi trasmissivi: doppino, powerline, ethernet, infrarossi, radiofrequenza.
Il protocollo dello standard EIB è sviluppato sui sette livelli del modello OSI, i pacchetti possono avere lunghezza variabile (max 14 byte). La velocità di trasmissione è relativa al mezzo trasmissivo utilizzato, la massima velocità si raggiunge su Ethernet, fino a 10 Mbs.
Il massimo numero teorico di dispositivi che possono essere collegati è 61.455 (16 bit di indirizzo fisico e 16 bit di indirizzo di gruppo), parametro che dipende da vari fattori quali mezzo trasmissivo utilizzato, alimentazione, disturbo elettromagnetico.
Non vi sono limitazioni per quanto riguarda la topologia di rete, a patto che si evitino i loop.

BatiBUS
Lo standard Batibus è stato il primo bus sul mercato europeo. Nel 1990 è stato fondato il BatiBus Club International  con il solo scopo di promuovere le applicazioni dello standard BatiBus.
BatiBus è uno standard aperto, è possibile sviluppare prodotti sulla base di questo standard.
Il mezzo trasmissivo utilizzato da BatiBus è il doppino, su varie topologie di rete: stella, anello, bus, albero, oppure una loro combinazione.
Ogni pacchetto di comunicazione è composto da un numero fisso di byte di controllo che sta ad indicare il tipo di apparato da gestire, il controllo dell'errore, l'indirizzo e un numero variabile di byte di dati, che contiene ad esempio istruzioni, comandi e gestione rete.
La velocità di trasmissione è di 4800 baud.

CEBUS (Consumer Electronic Bus)
E' stato introdotto nel 1994, sviluppato dall' EIA (Electronic Industries Association), associazione americana.
E' uno standard integrato multimediale per sistemi di automazione domestica, le sue principali caratteristiche sono la flessibilità e  la modularità; tuttavia non è un protocollo molto diffuso.
I dispositivi che lo impiegano devono tuttavia possedere sufficiente potenza di elaborazione per poter gestire i dati in transito sulla rete.

BLUETOOTH
L'associazione Bluetooth è stata fondata nel 1998 dai maggiori produttori di apparati di telefonia, elettronica e informatica come Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba.
Lo scopo è quello di immettere nel mercato uno standard economico attraverso un sistema radio che opera su frequenze di circa 2,4 GHz consentendo ad apparati elettronici ed informatici la comunicazione tra loro e lo scambio di dati con velocità massima raggiungibile uguale a 1 Mb/s relativa ad una distanza di poche decine di metri.

EHS (European Home System)
Fondato nel 1992 dall'associazione EHSA (European Home System Associations), è nato col progetto europeo ESPRIT, con l'obiettivo di promuovere uno  standard aperto, per garantire la comunicazione tra apparati nell'ambito di una rete domestica o all'interno dell'ufficio, utilizzando i più comuni mezzi trasmissivi esistenti.
E' basato sui 7 livelli del modello OSI.
Con questo sistema è possibile assegnare milioni di indirizzi, dunque controllare altrettanti dispositivi collegati alla rete, riuniti in gruppi di 256 elementi.
EHS prevede la funzionalità Plug & Play che consente il vantaggio di una totale compatibilità tra i dispositivi EHS, permette una configurazione automatica  e una flessibilità di posizionamento, inoltre gode di un efficace metodo di correzione degli errori, allo scopo di assicurare un'alta affidabilità al sistema.
EHS ha partecipato al processo di "Convergenza", che è alla base della nascita dello standard Konnex.
      
Ethernet
Lo standard Ethernet, conosciuto come IEEE 802.3, è nato per collegare tra loro, in modo semplice ed efficiente, dispositivi e risorse di rete.
I protocolli utilizzati permettono un transito di dati con velocità comprese tra 1Mb/s ed 1Gb/s, utilizzando cavi coassiali (ora poco usati), doppino ritorto (cavi Cat. 5 e 6) e fibra ottica.
I costi limitati e ad un’alta affidabilità, ma soprattutto la crescita di Internet, hanno favorito  una notevole diffusione di questo protocollo che è diventato quello maggiormente utilizzato nelle reti LAN, inoltre  ha avuto una buona diffusione anche in campo industriale, dove è utilizzato per il controllo e monitoraggio di impianti e sistemi.
In campo domotico viene impiegato  grazie alla sua versatilità e al grande numero di dispositivi compatibili di applicazioni disponibili sul mercato.

Jini
Jini  è stato prodotto dall'azienda americana Sun, si tratta di una tecnologia software, abbastanza complessa, che ne unisce altre già esistenti.
Letteralmente la parola araba Jini significa mago e sta ad indicare una tecnologia che permette alle reti domestiche, ma anche a quella aziendali di autoconfigurarsi, dunque con questo sistema si potranno connettere in rete dispositivi come stampanti ma anche i più comuni elettrodomestici come forno a microonde, lavatrice e frigorifero.
Per la connessione è necessario collegare ogni apparato ad una presa di rete, in questo modo ogni altro dispositivo presente sulla rete si accorgerà della presenza di un nuovo componente e potrà così iniziare la comunicazione; al momento del collegamento, ogni dispositivo viene inserito automaticamente sul registro di rete, dunque per poter effettuare una comunicazione bisognerà rintracciare il dispositivo, con un  servizio di ricerca specifico e di conseguenza scaricare dal dispositivo stesso il codice Java necessario per la comunicazione.
Un aspetto molto importante è l'estensione al modello di sicurezza di Java che consente l'esecuzione sicura del codice scaricato dalla Rete.
Il modello originale di sicurezza Java è basato sulla località: un applet, una volta giunto su un client può accedere solo ai servizi residenti sulla macchina da cui è stato scaricato.
Ogni servizio gestisce una lista di controllo che specifica chi è autorizzato all'accesso.

HBS (Home Bus System)
L'Home Bus System nasce nel 1988, da l'Electronic Industries Association of Japan, un'unione di società giapponesi, per rispondere all'europeo EHS e all'americano CEBus.
Questo standard è sviluppato su un cablaggio composto da due cavi coassiali e da otto coppie di cavi twisted-pair che vengono collegati ad apparati audio, video e di telefonia.

EDS (En-Decoder System)
Il sistema EDS è stato sviluppato da World Datapark nel 1992.
Questa tecnologia è basata sulla trasmissione bidirezionale impulsiva, in stati digitali e analogici attraverso 4 tipologie di dorsali  BUS diverse con banda passante che va da 3 Hz a 5/6 MHz: DataBus, ParkBus (capacitiva), WideBus (a larga banda ), VitualBus (virtuale).
DataBus, ParkBus e WideBus necessitano di un monofilo telefonico non schermato riferito a terra, mentre il VirtualBus non ha bisogno di un mezzo trasmissivo fisico, la comunicazione avviene attraverso onde convogliate o frequenza radio.

KONNEX
L’associazione konnex è nata nel 1999, dalla fusione di 3 associazioni: BCI (Batibus Club International), EHSA (European Home System Association), EIBA (European Installation Bus Association).
Nell’ottobre 2002 nasce Konnex Italia,  con l’obbiettivo di diffondere la conoscenza e l’installazione del protocollo unico KNX nel nostro paese.
La convergenza  dei tre consorzi europei, importantissima per il mondo della domotica, fa emergere il bisogno estremo di uno standard, il bisogno di una base solida e strutturata con la quale far esplodere il mercato e diffondere il tema   home-automation.
E’ questo infatti lo scopo di konnex, riuscire ad avvalersi del titolo di standard unico, in modo tale da riunire tutte le tecnologie attualmente  presenti e sostenere la standardizzazione della piattaforma di comunicazione e l’interoperabilità di dispositivi diversi; inoltre konnex si propone, attraverso la concessione del marchio KNX, che diverrà sinonimo di qualità, di certificare i produttori dei dispositivi che adottano KNX, e tutelare questo processo di certificazione.
Il marchio KNX è conforme alla normativa EN 50090, relativa ai sistemi HBES (home & building elettronic systems).
Konnex è una soluzione integrata che può soddisfare i seguenti  tipi di esigenze  di automazione domestica: gestione illuminazione, gestione climatizzazione, controllo e gestione carichi elettrici, gestione tapparelle ecc.
Il sistema Konnex è un sistema decentralizzato ad intelligenza distribuita, dove  l’intelligenza risiede in ogni singolo dispositivo, ciò è un  buon vantaggio, ad esempio se un dispositivo non funziona correttamente è possibile con maggior tempestività agire sul guasto o sostituire  direttamente il dispositivo  senza tempi di attesa troppo lunghi.
I media supportati da konnex sono : twisted pair (type 1 e 0), powerline 110 khz ,powerline 132 khz, radio frequenza, infrarossi.
Sul bus konnex-EIB è possibile  collegare massimo circa 12000 dispositivi, ogni apparato collegato al bus viene identificato dal n° di campo (insieme di 12 linee bus), n° di linea di campo, n°apparato della linea.
Per quanto riguarda la configurazione sono disponibili 3 modalità:
S-mode  (system mode ), ad uso di installatori esperti, modalità che mette a disposizione l’utilizzo di tutte le funzioni disponibili, dunque permette di rispondere ad ogni tipo di esigenza.
E-mode (easy mode): ad uso di installatori con competenze medie, mette a disposizione meno funzioni rispetto al S-mode, visto che i componenti sono già preconfigurati con parametri standard.
A-mode (Automatic mode) : questa modalità permette di agevolare la configurazione da parte dell’utente finale, i tipi di componenti A-mode dispongono di meccanismi di configurazione automatica che permettono di collegare i dispositivi  ad altri dispositivi di tipo A-mode presenti nella propria rete domestica.

Tutti gli elementi della rete  vengono configurati mediante l’ausilio di un unico tool software, denominato ETS (Engineering tool  software), che è composto da due parti principali: gestione progetti e prodotti e messa in servizio test  .
Sicuramente un limite di questa tecnologia è la lentezza, dunque poco adattabile alla gestione video, comunque a vantaggio dell’affidabilità del sistema.

Sensori ed attuatori per la sicurezza antintrusione e la sicurezza ambientale

In un impianto domotico il sistema per security e safety ha un'estrema rilevanza.
Esiste una grande varietà di dispositivi che contribuiscono alla sicurezza della nostra abitazione.

-sensori volumetrici a infrarossi:Vengono utilizzati per determinare la variazione della temperatura, dovuta ad un corpo in movimento, in un ambiente.
Il sensore a infrarossi ha un raggio d'azione di 90°, dunque va posizionato in un angolo della stanza da sorvegliare, ad un'altezza di circa 2,20 metri. E' neccessario prima di applicare questo dispositivo, esaminare esattamente le esigenze  e la posizione dell'arredamento, onde evitare di oscurare il raggio d'azione  del sensore.
-contatto magnetico:Il contatto magnetico viene utilizzato comunemente per la sicurezza perimetrale dell'abitazione, dunque viene spesso installato sulle porte e sulle finestre. E' costituito da un magnete montato sulla parte "mobile" dell'oggetto che deve essere controllato (es. sulla porta), e un contatto "reed", posizionato sul telaio.Il reed rimane chiuso finchè il manete non viene allontanato.
-contatti a filo per tapparelle:Determinano un allarme dovuto al sollevamento e al taglio della tapparella. E' costituito da un avvolgitore meccanico e da una scheda elettronica, che dovranno essere installati all'interno del cassonetto contenente l'avvolgitore. Il terminale a filo invece, verrà collegato alla parte inferiore della tapparella.
-sirena interna:E' un dispositivo che viene comunemente installato in una zona abbastanza centrale dell'abitazione , in modo che sia facilmente visibile. E' dotato di avvisatore acustico, dunque a causa del suo suono molto intenso è opportuno istallarla lontano dalle camere da letto.Ulteriori attenzioni se si possiedono animali domestici che  potrebbero risentire del forte suono.
-sirena esterna con lampeggiatore:E' un dispositivo elettronico che viene posizionato all'esterno dell'abitazione, in modo tale che sia facilmente visibile dalla strada, ma poco accessibile per i possibili ladri. Questo dispositivo è contenuto all'interno di un contenitore robusto, resistente agli urti e ai fattori climatici, è costituito da un avvisatore acustico, un contatto antimanomissione, un lampeggiante e una batteria tampone.
-rivelatore ottico di fumo :Questo dispositivo, che viene solitamente installato sul soffitto, rivela  e segnala la presenza di fumi. A segnalazione avvenuta è possibile attivare gli impianti di spegnimento e a seconda dei casi, anche la richiesta di intervento del personale specializzato.
-rivelatore di gas:Rivela la presenza di gas e segnala un allarme se viene superata la cosidetta soglia di sicurezza. Il posizionamento di questo dispositivo varia a seconda del gas, se si prevvede un gas pesante (gpl) è necessario posizionare il rivelatore gas a circa 40 cm dal pavimento, invece se si tratta di un gas leggero, come il metano, il dispositivo verrà installato a 20 cm dal soffitto.
-sensore per l'acqua: Attiva un allarme in presenza d'acqua. Viene installato nei bagni e nelle cucine, stanze nelle quali è possibile un allagamento a causa di qualche  guasto ad un elettrodomestico. Va  posizionato a circa 2-3 cm dal pavimento, in una posizione che sia poco invasiva per l'estetica della stanza.
Per evitare falsi allarmi, magari dovuti ad una goccia d'acqua che accidentalmente è arrivata al sensore, è possibile installare 2 sensori per stanza, e far scattare l'allarme solamente se entrambe i sensori rivelano la presenza d'acqua.
-elettrovalvola gas:In caso di allarme "fuoriuscita gas" consente di interrompere il flusso di gas immediatamente. Il riarmo dell'elettrovalvola è solitamente manuale, anche se alcuni sistemi intelligenti consentono il riarmo da remoto via sms, una volta risolto il problema. Va posizionata a valle del rispettivo contatore gas.
-elettrovalvola acqua:In caso di allarme  consente di interrompere il flusso d'acqua all'istante, per evitare ulteriori danni. Va posizionata a valle del rispettivo contatore dell'acqua.

Domotica: Scenari Tipici

Uno scenario è un insieme di operazioni, svolte sequenzialmente, che vengono attuate con un solo comando. E' possibile creare i propri scenari personalizzati secondo le  singole esigenze ...e magari con un pò di creatività.

Di seguito un elenco degli scenari più tipici.

-Scenario giorno:Uno scenario tipico di risveglio può essere quello di  alzare le tapparelle, impostare la temperatura desiderata in alcune stanze dell'abitazione, scaldare l'acqua in bagno e magari riempire la vasca.
Infine è possibile mettere in funzione la macchinetta del caffè, così da trovare un caffè caldo subito al risveglio.
-Scenario notte:Mentre si va a dormire è neccessario fare il giro della casa e spegnere tutte le luci, tirare giù ogni tapparella, spegnere i caloriferi, chiudere il portone d'ingresso, inserire l'allarme di sicurezza... tutto questo è possibile con un solo comando che  permette di eseguire tutte queste operazioni in modo sicuro e veloce.
-Scenario lavoro: Possiamo immaginare lo scenario lavoro come quello impostato per la maggior parte della giornata. Si può pensare ad uno scenario nel quale si attiva l'allarme di sicurezza  e antintrusione in tutte le stanze dell'abitazione, si spengono le luci, si imposta una temperatura tale da poter tenere leggermente calda la casa.
-Scenario cena:In questo scenario si può pensare di accendere la luce in sala da pranzo e magari in cucina, assicurandosi di spegnere tutte le altre, alzare leggermente la temperatura nella stanza interessata, impostare l'allarme di sicurezza in ogni stanza tranne in quella in cui sta consumando la cena, onde evitare falsi allarmi.
-Scenario relax:Attivando questo scenario le tapparelle si abbassano, diminuisce l'intensità delle luci, la temperatura viene aumentanta un pò,...e si  accenderà l'impianto stereo con la musica preferita.
-Scenario film: Attivare lo scenario film e sedersi comodamente sul divano..intanto si chiude il portone, si imposta l'allarme di sicurezza e antintrusione, si abbassano le tapparelle, la temperatura e l'intensità delle luci vengono impostate al valore desiderato, l'impianto audio-video si accende e non rimane che vedere il film!