Системы управления отоплением уже давно стали обязательным атрибутом современных систем отопления. Ведь автоматизированная система управления отоплением позволяет Нам не только экономить энергоносители, но и значительно упрощает управление непосредственно самим отоплением. С автоматической системой отопления Вам больше не придется настраивать температуру котла, регулировать радиаторные вентили, настраивать температуру горячей воды - за Вас это сделает автоматическая система!

Контроллер, блок управления отоплением

Ознакомимся с основными элементами автоматического управления:

1. Блок управления отоплением (контроллер) Контроллер является основным узлом автоматизированной системы отопления. Он отдает "приказы" всем элементам автоматизации и определяет циклы их работы. Помимо этого, к контроллеру можно подключить комплект GSM-Monitor, с помощью которого осуществляется дистанционное управление отоплением, с использованием телефона стандарта gsm или сети интернет. Это позволяет менять режимы отопления (по телефону), вести журнал событий (по интернету), а также получать смс сообщения о "тревогах"или неполадках в системе отопления.

2. Электроприводы смесителей. Привод смесителя работает в совокупности с трех-четырехходовым смесителем и осуществляет управление насосом отопления, который в свою очередь регулируется либо включением-выключением, либо снижением скорости циркуляции теплоносителя.

3. Датчики. Датчики бывают разных типов. Одни регулируют температуру котловой воды в зависимости от наружней температуры (погодозависимая автоматика), другие позволяют настраивать комнатную температуру согласно суточному температурному графику или ручным настройкам(комнатные датчики), третьи включают-выключают насос гвс (термостат бойлера).

Для автоматизации котельных установок мы используем только проверенное и качественное оборудование: контроллеры и датчики «Honeywell»(Германия) и «Kromschroder» (Германия), управляющие сервоприводы и смесители «MUT» (Италия-Чехия), циркуляционные насосы «Grundfos» (Германия) и "Wilo" (Германия), а также модульные котельные и гидроколлекторы «HydroLOGO» (Россия), а также штатные системы управления, поставляемые непосредственно производителями котельного оборудования Buderus (Германия) и Viessmann (Германия). Очень часто задают Нам задают вопрос: "А можно ли автоматизировать котельные, работающие не на газе?". Да, действительно, все схемы автоматизации прорабатываются для газовых котлов, но их применение возможно и в котельных на жидком топливе.

Ниже представлены некоторые схемы автоматизации котельных установок:

Схема 1. Отбор теплоносителя каждым потребителем происходит по ходу циркуляции теплоносителя: сначала высокотемпературными контурами (ГВС и СО) и потом - низкотемпературным (ТП). Отбор тепла происходит под управлением контроллера в соответствии с выбранным типом приоритета ГВС и значениями настроек для отопительных контуров.

Схема 2. Теплоноситель циркулирует в системе под действием насоса котла (коллектора/кольца). При отсутствии запроса на подогрев горячей воды в бойлере-накопителе клапан бойлера находится в таком состоянии, что первичное кольцо проходит только через котѐл и обе камеры коллектора. Отбор тепла насосно-смесительными группами потребителей происходит из нижней камеры коллектора. При возникновении запроса на приготовление горячей воды четырехходовой поворотный клапан разворачивается, удлиняя первичное кольцо так, что оно уже проходит через теплообменник бойлера. Отбор тепла на СО и ТП происходит под управлением контроллера в соответствии с выбранным при настройке типом приоритета ГВС.

Создание отопления в собственном доме подразумевает в качестве его обязательного элемента использование автоматики. Не будете же вы постоянно сидеть в котельной и контролировать в ручном режиме работу котла и прочие рабочие параметры самой системы. Да и комфортные условия в доме лучше обеспечить не открытыми форточками, хотя проветривание в комнатах никто и не отменял, а установлением желаемой температуры. Вот эти задачи и выполняет автоматика систем отопления.

Составляющие системы управления отоплением

Что надо автоматизировать?

Рассматривая, как осуществляется обогрев дома, необходимо отметить, что работа автоматики системы отопления должна охватывать как минимум такие ее компоненты:

• работу нагревательного котла;
• обеспечение для проживания комфортных условий;
• экономию топлива и эксплуатацию оборудования в щадящем режиме.

Как правило, выбирая котел отопления, мы уже частично определяем какой будет автоматизация отопления. Дело в том, что производители качественного подобного оборудования предусматривают в конструкции блок управления отоплением.

В его задачу входит создание безопасного режима работы котла, для чего используются дополнительные датчики. Как правило, подобный контроллер системы отопления следит за безопасностью и обеспечивает:

• защиту от перегрева теплоносителя;
• защиту от повышения и понижения давления в системе;
• контроль наполнения котла водой;
• контроль давления газа в магистрали (при газовом отоплении);
• контроль давления отводящих газов.

Часть этих функций может быть установлена по желанию заказчика (опционально), но автоматическое управление отоплением, во всяком случае, работой котла, при таком подходе будет полным.

Управление работой современного котла осуществляется с помощь специальной панели

Об автоматическом управлении отопительной системой

Когда рассматривается автоматизация систем отопления, следует иметь в виду, что управление обогревом может осуществлять по температуре:

• теплоносителя;
• воздуха в доме;
• наружного воздуха, погодозависимое.

Системы регулирования, построенные на контроле температуры теплоносителя, работают независимо от текущих условий. Следствием этого будет высокая инерционность всего процесса, низкая эффективность и неэкономичность. Лучшие результаты показывает автоматическая система отопления, работающая на поддержание установленной температуры в доме.

Элементы системы погодозависимого управления отоплением

Наиболее прогрессивным и эффективным считается погодозависимое регулирование, поскольку оперативно позволяет реагировать на изменение окружающих условий. Однако и обычные средства, осуществляющие контроль и управление системой отопления, способны обеспечить достаточно эффективную ее работу.

Как это осуществляется

Здесь надо отметить, что автоматика для отопления частного дома может быть построена с использованием самых разных приборов, работающих как автономно, так и под управлением централизованных систем.

Управление с помощью котла отопления

При таком подходе все управление отоплением сводится к установке температуры теплоносителя на котле. В этом случае начинает работать встроенная в него автоматика, для отопления, работающего подобным образом, контроля на котле вполне достаточно. Он будет поддерживать необходимую температуру теплоносителя независимо от ее значения в помещениях.

Подробнее в статье — автоматика для котла отопления.

Термостатический вентиль

Пожалуй, это самый простой автоматический регулятор температуры отопления. Он ставится на каждый радиатор, и на нем (на его головке) можно установить нужное ее значение. В тех случаях, когда становится слишком жарко, срабатывает регулятор и перекрывает поступление теплоносителя в батарею. При падении температуры ниже заданного значения, вентиль открывается, и вода начинает поступать в радиатор, обогревая помещение.

Термостатический вентиль

Такая автоматизация отопления частного дома работает без привязки к температуре теплоносителя, фактически являясь универсальной и независящей от типа используемого котла (газовый, твердотопливный, жидкостной и т. д.).

В этом случае в помещении устанавливается специальный регулятор температуры – по сути дела, контроллер отопления.Он изменяет нагрев теплоносителя (включая или выключая горелки, регулируя подачу воды и т.д.), обеспечивая нужный режим.

Комнатный регулятор температуры

Фактически в этом случае управление получается полностью электронное, отопление дома работает по командам из специального центра и может реализовать любой заданный режим работы. Если оснастить подобную структуру контроля и регулирования блоками дистанционной связи, модулем GSM, то будет сформирован автоматизированный узел управления системой отопления с возможностью удаленного доступа.

Комбинированный вариант управления

Стоит отметить, что совместная работа регулятора и термостатического вентиля создает для работы системы оптимальные условия. Контроллер управления отоплением обеспечит экономное расходование топлива и контроль температуры воздуха, а вентиль позволит в каждом помещении поддерживать нужный режим.

Для создания оптимальных параметров работы системы отопления она нуждается в средствах автоматики, которые не только поддерживают комфортные условия, но и обеспечивают существенную экономию затрат на обогрев дома.

Провести пару выходных зимой на даче — что может быть лучше, если хочется отдохнуть от городского шума и толчеи? А приехать в загородный дом, заранее прогретый до комфортной температуры, и подавно.

Мы уже писали о том, почему выгодно использовать стартовый для дистанционного обогрева дачи с управлением через смартфон или планшет. Теперь давайте поговорим о том, как установить его своими руками. Не беспокойтесь: вам не понадобятся ни помощь электрика, ни монтажные инструменты, ни провода, ни специальные технические знания. Если вам под силу запрограммировать, скажем, микроволновую печь с таймером отсрочки, то вы без труда справитесь и с установкой набора Switching Lite.

К входящим в комплект умным накладным реле можно подключать электрические обогреватели мощностью до 3 кВт. Их вполне хватит, чтобы прогреть комнаты дачного дома средних размеров за два-три часа. Готовы попробовать? Начинаем!

Схема управления отопительными приборами через Интернет в загородном доме

Примерное время на подключение

Максимум 1 час.

Что потребуется

Стартовый комплект Switching Lite

2. Интернет-подключение и маршрутизатор Wi-Fi (не входит в комплект). Если в вашем дачном поселке нет стационарного интернет-подключения, подумайте о покупке мобильного интернет-маршрутизатора со встроенным Wi-Fi.

Начинаем сборку системы дистанционного включения электроприборов через Интернет

1. Установите на смартфон или планшет бесплатную программу Z-wave Home Mate.

Для мобильных устройств Apple ее можно скачать на сервисе itunes.apple.com, а для Android-устройств — на play.google.com. Владельцам планшетов Android подойдет версия Z-wave Home Mate, обладателям смартфонов — Z-wave Home Mate (Phone).

1. Внимательно прочитайте инструкции к мобильному приложению, контроллеру Z-Wave и реле.

Инструкции на русском языке можно скачать здесь:

Эти документы удобнее распечатать заранее, чтобы не читать с экрана смартфона — ваше мобильное устройство понадобится для выполнения настроек.

1. Подключите контроллер Z-Wave к WiFi-маршрутизатору.

Процедура проста. Если коротко, то запустите мобильное приложение, отсканируйте камерой смартфона QR-код на тыльной стороне контроллера и введите заводской пароль и имя пользователя, указанные в инструкции. Затем перейдите в экран со списком устройств и нажмите на название контроллера. Подробнее см. . А поможет вам еще быстрее справиться с задачей.

Важно! После подключения обязательно смените заводской пароль контроллера Z-Wave. Смена пароля - стандартная процедура безопасности для любого умного устройства, подключаемого к интернету.

1. Подключите реле к контроллеру.

Для этого в приложении выберите пункт “Добавить устройство” (Include device): на 60 секунд контроллер перейдет в режим поиска нового устройства. Затем включите новое реле в розетку. Контроллер определит его и добавит в сеть. Название реле отобразится в общем списке подключенных устройств. Попробуйте включить/выключить реле через приложение.

Важно! При первом добавлении нового устройства контроллер должен находиться от него на расстоянии не более 1 м. После успешного добавления в сеть реле можно будет подключить в любую розетку, удаленную от контроллера не более чем на 30 м.

1. Подключите обогреватели к умным реле и попробуйте управлять ими через приложение.

Получилось? Ваша система готова к работе! Теперь, выезжая из дома на дачу, просто запустите программу на смартфоне и дистанционно включите отопление. В приложении можно запрограммировать розетки так, чтобы они начинали и заканчивали работу автоматически в заданное время.

К умным розеткам можно подключать не только обогреватели, но и другие бытовые электроприборы. А главное — комплект Switching Lite станет основой вашего будущего умного дома. В отличие от устройств, использующих для управления мобильную сеть GSM и SMS-сообщения, систему на основе технологи Z-Wave легко расширять. Просто докупайте датчики движения, температуры, открытия и закрытия дверей и окон, протечки воды, сигнализации и т.п. Причем вам не придется приобретать SIM-карту для каждого модуля, как того требуют GSM-продукты. А удобное и интуитивно понятное приложение Z-wave Home Mate поможет управлять вашим умным домом без лишних хлопот.

В результате продвижения современных технологий каждый человек может превратить своё жилье в «умный дом». Так, координация отопления своего домовладения при помощи интернет-связи или сотовой сети GSM становится всё более популярной. Ручная регулировка температуры при обогреве помещения не всегда является эффективной. Применяемые в некоторых домах термостаты, работающие в автоматическом режиме, на сегодняшний день также становятся неактуальны из-за ограниченности функционала.

Преимуществом в применении GSM-администрирования является то, что проблем с организацией такого контроля не возникает при использовании любого отопительного оборудования. Практически все имеющиеся на рынке модификации подобных агрегатов способны выполнять дополнительные задачи. Они могут дистанционно передавать информацию на мобильный телефон домовладельца и менять параметры температур в помещении. Для реализации подобных функций применяются механизмы, оснащенные GSM-контроллером. Он представляет собой многоцелевой контролирующий элемент, включенный в структуру «умного дома» с автоматизацией привычных функций.

Благодаря развитию новых технологий у домовладельцев появилась возможность осуществлять контроль и дистанционное управление отоплением загородного дома посредством сотовой сети GSM или же через интернет

Основной задачей контролирующего модуля является передача данных, а также их регулирование при помощи GSM связи.

Это приспособление предоставляет такие возможности при координации функций отопления:

• дистанционная регулировка температуры радиаторов или настройка параметров работы котла;
• удаленный прием и отправка сообщений о состоянии теплоснабжения;
• сообщения о протечке в трубах (эта функция доступна в дорогих модификациях);
• включение вспомогательных гаджетов для усиления безопасности и т. д.

Такие возможности позволяют контролировать отопительную функцию даже на расстоянии в сотни килолитров. По сути, устанавливаяGSM-контроллер, владелец дома получает универсальный пульт дистанционной координации теплоснабжения.

Внимание! Для выполнения представленных функций применяется не только контроллер. Корректная работа агрегата возможна при адаптации прочего оборудования под модуль, поддерживающий глобальный стандарт цифровой сотовой связи, а также наличии покрытия мобильной сети.

Элементы системы управления отоплением

Блок регулирования отопления представляет собой совокупность элементов, объединенных в единую цепь. Их подбор становится ключевым для обеспечения эффективности работы системы. Элементы могут отличаться характеристиками. Основным показателем их эффективности становится возможность формирования многосторонней коммуникации между контрольным блоком, владельцем и отопительными элементами.

Основой системы является специальный электронный блок, имеющий 1 или несколько слотов (гнезд) для установки обычных SIM – карт сотовой связи

Практически любой GSM комплекс функционирует при участии одних и тех же элементов, которые могут различаться лишь базовой комплектацией и ресурсами контроллера.

Типовая комплектация элементов системы GSM координации отоплением:

• соединительные провода;
• несколько температурных измерителей;
• GSM контроллер;
• определитель протечек;
• сканер электронных ключей;
• механизм контроля доступа;
• антенна приема и трансляции сигнала GSM;
• аккумуляторная батарея;
• ethernet-адаптер, обеспечивающий взаимодействие с другими элементами;
• колодки, предназначенные для подсоединения к котлу;

Блок управления «ТР-102»

Для примера рассмотрим одну из самых популярных на сегодняшний день модификаций GSM систем. Основным её предназначением является поддержка температуры в 4 зонах. Она проходит в цикличном режиме благодаря терморегулятору. При этом производится отображение текущей области администрирования.

Дистанционно управлять самыми простыми энергонезависимыми теплогенераторами, не имеющими электронных систем, не выйдет

Блок ТР-102 выполняет такие функции:

• блокирование контроля ненужных участков;
• цикличная поддержка температурного режима в 4 тепловых зонах;
• отображение информации на интегрированном индикаторе со светодиодами;
• настройка агрегата при помощи компьютера или клавиш на передней панели блока;
• перенос информации о регулируемых зонах на компьютер по открытому коммуникационному протоколу;
• сохранение конфигураций после сбоев питания или при несанкционированном входе в систему;

Представленный блок регулировки отопления не зависит от перебоев с напряжением. Дополнительным преимуществом этой системы является биметаллический датчик для терморегуляции, который программируется пользователем.

Условия применения блока ТР-102:

• хранение производится при температуре от -45 до +70 °C;
• эксплуатация возможна при температуре от -35 до +55 °C;

При этом норма атмосферного давления должна быть от 84 до 106,7 кПа, а влажность воздуха соответствовать 30–80%.

Методы управления отоплением

Удаленное регулирование может отличаться методом переноса данных. Ключевым тут может стать стандартный функционал передающей панели, а также возможности телефона самого владельца. Получение информации через СМС – это самое простое, что должен выполнять прибор. Существуют модификации блоков регулирования, которые имеют интегрированный модуль для сообщений, отправляемых для контроля и настройки функций. Такие сообщения имеют определенный формат. Подобный метод координации функций котла считается наиболее распространенным.

В обычном режиме автоматизированный узел управления системы отопления действует как выносной пульт с терморегулятором и следит за поддержанием в помещениях установленной температуры

Важно! Эффективное дистанционное администрирование теплоснабжения можно осуществлять, зная уровень погрешности показателей. Стоит учитывать, что полученные в сообщении сведения могут отличаться от реальных.

Погрешности в показателях систем:

• электронные модификации температурных измерителей на ±0,5° C;
• запорно-регулирующая арматура – от 0,2° C до 0,5 °C.

Устройства контроля отопления

Программаторы и терморегуляторы

Ключевыми частями системы регулировки отопления являются терморегуляторы и программаторы. Они представляют собой электронные устройства, в некоторых модификациях оснащенные пультом управления, который помогает производить контроль над функционированием котла. Кроме того, такое устройство позволяет синхронно менять показатели в двух подключённых компонентах.

Кроме того, дополнительной функцией программаторов является регулировка при помощи СМС с сотового телефона или команд, передаваемых через интернет.

Подходящую для себя модификацию этого устройства можно выбрать по набору основных характеристик, к которым может относиться:

Управление через интернет происходит таким же образом, только по другому каналу связи между домовладельцем и электронным блоком в доме

• удаленная связь между компонентами при помощи радиопередатчиков;
• работа радиаторов (в зависимости от настроек) может быть в комфортном, нормальном или экономичном режиме;
• количество подключенных контуров можно увеличить при подсоединении дополнительных модулей;
• управление отоплением по мобильному телефону;
• передача данных при помощи СМС и т. д.

Эти функциональные особенности делают представленные элементы довольно удобными и востребованными.

Зональные устройства

Такие элементы контроля теплоснабжения устанавливаются непосредственно на радиаторы и котлы. В этом случае регулировка системой осуществляется через интернет-связь. Эти приборы представлены электронными терморегуляторами. Они способны менять температуру воды в каждой отдельной батарее или системе в целом. Отличия этих терморегуляторов заключаются в простоте установки и доступной цене. При этом трудоемкость устройства системы снижается, тем более что они не требуют отдельного шкафа для управления. Зональные устройства позволяют использовать нескольких терморегуляторов, которые подсоединяются к одному регулирующему блоку.

Модули дистанционного контроля отопления

Обеспечить функцию удаленного контроля теплосети могут специальные модули, входящие в комплектацию с запорно-регулирующей арматурой и программаторами.

Количество дополнительных функций приборов ограничено числом подключаемых датчиков и исполнительных реле самого электронного блока управления отоплением

Интернет-управление

Контроль при помощи интернет-блока удобен так же, как и управление СМС. Он отличается такими возможностями:

• инсталляция в смартфон, ноутбук или иной гаджет специфических программных комплексов;
• простой интерфейс, который легко совмещается с ОС «Андроид» или Windows;
• в отличие от СМС блоков, сняты ограничения на число подключаемых пользователей;
• регулирование параметров осуществляется там, где имеется доступ к интернету (для этого не нужно использовать роуминг).

Специалисты советуют при выезде за рубеж не применять функции роуминга для регулировки теплоснабжения через GSM-систему, так как это может быть чревато большими финансовыми затратами. В таком случае правильным решением будет поручить контроль отопительной системы знакомым, которым вы доверяете.

Контроль над работой отопительных радиаторов можно производить при помощи устройств местного значения, представленных механическими регуляторами температуры. Они не могут подключаться к электронным элементам управления. Единственным их преимуществом является низкая стоимость.

Схема GSM управления отоплением «умный дом»

Обычно систему удается установить самостоятельно. Для этого требуется проверка состояния и анализ возможности уже имеющегося оборудования. Важно также правильно подобрать недостающие компоненты. Обычно, совокупность устройств регулирования построена из одиночного блока, который является связующим звеном между всеми составляющими теплоснабжения.

Системы регулирования, построенные на контроле температуры теплоносителя, работают независимо от текущих условий

Он должен устанавливаться с соблюдением следующих условий:

1. Блок контроля должен размещаться на расстоянии не более 300 метров от пользователя. Для увеличения дистанции приобретаются радиоуправляемые модификации, подключается координация через интернет или сотовый телефон.
2. Применение контроллера на основе плат управления теплоснабжением обеспечивает установку дополнительных функций.
3. Производится тщательный подбор локации в доме для монтажа контрольного блока.

Управление системой кондиционирования

Кроме контроля теплоснабжения, GSM устройства позволяют осуществлять удаленное управление системой кондиционирования. Это производится с участием модулей ИК или Wi-Fi (требуется подсоединение к телефону или персональному компьютеру), а также GSM контроллеров.

Управление при помощи интернета

Летом в качестве инструментов охлаждения часто применяют кондиционеры или системы, состоящие из нескольких блоков. Так, в обычных квартирах можно понизить температуру в короткие сроки, применив функцию «турбо». Но в зданиях, где, к примеру, размещены серверы, должно быть круглосуточное охлаждение воздуха. Бесперебойное функционирование мощного оборудования провоцирует выделение тепла. В такой ситуации требуется постоянный мониторинг микроклиматических показателей в помещении, отведенном под данную технику. Такие процессы невозможно осуществлять вручную. Для этого существует дистанционное регулирование. Оно производится при помощи устройств удалённого контроля показателей в помещении.

Наиболее прогрессивным и эффективным считается погодозависимое регулирование, поскольку оперативно позволяет реагировать на изменение окружающих условий

В случае когда интернет-сеть присутствует на объекте, блок удалённого регулирования функциями комплекса кондиционирования можно запускать при помощи гаджетов, работающих на основе ОС Android или iOS. Такими устройствами выступают климатические модули, рассчитанные для взаимодействия с современными кондиционерами. Они предоставляют возможность дистанционного регулирования режима работы. Для этого в гаджет инсталлируется специальная программа для GSM связи. В общую схему терморегуляции включается ноутбук, телефон или персональный компьютер и переходник, подключаемый к кондиционеру. Для передачи информации в качестве дополнительного компонента для дистанционного контроля системы кондиционирования может выступать Wi-Fi или инфракрасный протокол.

СМС-управление

Удаленное координирование параметров домашних кондиционеров комфортнее всего осуществлять при помощи сообщений. Это не только удобно, но и выгодно. Используемые приборы можно выключать дистанционно для экономии электроэнергии. Такие технологии применяются в устройствах, входящих в «Умный Дом». GSM контроллеры подходят для помещений, где отсутствует интернет-сеть. В таком случае для корректной работы применяются термодатчики. Режимы работы регулируются при помощи программного обеспечения, которое инсталлируется как в блоки управления, так и в устройства связи. Таким образом, можно менять мощность работы компрессора, быстроту вращения двигателя вентилятора и т. д.

Управление при помощи компьютера

Для промышленных систем лучше всего подходит компьютерное управление VRF-кондиционерами, производимое по сети. В этом случае применяются протоколы удаленной связи.

При подсоединении модуля дистанционного контроля можно решить такие проблемы:

• излишний расход электроэнергии;
• круглосуточный климатический контроль;
• снижение срока эксплуатации оборудования;
• расход человеческих ресурсов и т. д.

Кроме того, позитивным моментом применения GSM координирования систем кондиционирования является обеспечение комфортных условий для работников и посетителей офисов, развлекательных центров и т. д.

Интернет вещей (IoT, Internet of Things) является многообещающим направлением, как уверяют аналитики. Одним из главных трендов IoT является автоматизация жилья или, как любят выражаться маркетологи, создание «умного дома».

Оставим в покое словесные упражнения и рассмотрим конкретный проект.

Постановка задачи

Я живу в собственном доме недалеко от Москвы. Помимо очевидных плюсов подобного варианта проживания, имеются свои нюансы. Если в многоквартирном доме большинство коммунальных задач берет на себя управляющая компания, то в собственном доме их приходится решать самостоятельно.

Одной из таких задач для меня стала необходимость дистанционного мониторинга и управления системой отопления. Справедливо утверждение, что в средней полосе России отопление зимой это не вопрос комфорта, но выживания. Согласно многократно подтвержденному эмпирическому закону, все неприятности случаются в самое неподходящее время. Более чем за десятилетие опыта жизни в собственном доме я тоже убедился в справедливости этого закона.

Но если, например, отказ насоса водоснабжения в 30-ти градусный мороз еще как-то можно пережить, то выход из строя отопительного котла превращается в катастрофу. В такой мороз нормально утепленный дом выстужается менее чем за сутки.

Мне приходится часто отлучаться из дома на длительное время, в том числе и зимой. Поэтому возможность дистанционного мониторинга состояния системы отопления и ее управления стала для меня актуальной задачей.

В моем доме система отопления имеет два котла, солярный (увы, газа нет и не предвидится) и электрический. Данный выбор обусловлен не только вопросами резервирования, но и оптимизации расходов на отопление. По ночам, за исключением суровых морозов, работает электрокотел, так как в доме установлен двухтарифный электросчетчик. Мощности этого котла вполне хватает для комфортной ночной температуры (18-19 градусов). Днем же в работу вступает солярный котел, поднимающий температуру до 22-23 градусов. В таком режиме система отопления работает уже несколько лет и позволяет сделать вывод об экономичности данного варианта.

Понятное дело, что ежедневные ручные переключения режимов работы системы отопления не самое разумный выбор, поэтому принято решение автоматизировать этот процесс и, заодно, предусмотреть возможность дистанционного управления.

Техническое задание

Следуя привычке разработчика, первым делом я систематизировал требования к создаваемой системе управления и накидал для себя нечто похожее на техническое задание.

Вот краткий перечень основных требований к проектируемому решению:

• контролировать температуру в доме и на улице
• обеспечивать три режима выбора отопительных котлов (подробнее чуть ниже)
• обеспечивать дистанционный мониторинг состояния системы и ее управление

Первоначально в списке было еще несколько пунктов, но потом они оказались исключенными в силу разных причин. Например, я планировал оснастить систему экраном с индикацией текущих параметров и возможностью управления через тачскрин. Но это мне показалось не нужным дублированием дистанционного управления через Интернет. Конечно, можно придумать вполне жизненные ситуации, когда локальная индикация и управление необходимы. Не спорю, но не стоит забывать, что эта возможность потребовала бы дополнительного усложнения и удорожания системы.

В алгоритм управления системой отопления заложен сценарий апокалипсиса, связанный с полным отключением электроснабжения. Понятное дело, в этом случае не приходится рассуждать о дистанционном управлении. Но находящиеся в доме могут несколькими простыми манипуляциями перейти в аварийный режим отопления. Достаточно переключить один внешний четырехполюсный тумблер и запустить резервный бензиновый электрогенератор. Это обеспечит работу солярного котла в автономном режиме. На практике такое случалось уже пару раз, когда ледяные дожди приводили к массовому обрыву проводов ЛЭП.

Современные котлы отопления, как правило, имеют выносные блоки управления, подключаемые обычным двужильным проводом. Чтобы не влезать в заводские схемы управления, было решено коммутировать собственно эти провода. Разрыв провода, осуществляемый обычным электромеханическим реле, приводит к остановке работы котла.

Метод обеспечения безопасности IoT

Начитавшись страшилок про последствия взлома умных домов, я решил подстраховаться и минимизировать возможность внешнего взлома. Кто-то скажет, дескать, кому нужно взламывать именно твой умный дом. Соглашусь, вероятность минимальна, но наблюдая регулярные попытки хакинга своих вебсерверов, я решил действовать по принципу: лучше переспать, чем недоесть. Шутка.

Для этого я отказался от распространенной парадигмы, когда центральный сервер является инициатором управления распределенными умными датчиками (устройствами). Было решено использовать классическую схему клиент-сервер, где клиентом выступает умный датчик.
Выбор такой архитектуры не всегда возможен в IoT, но в данном случае вполне допустим, так как системы отопления обладают достаточно большой инерционность. Даже наличие возможности мгновенного и произвольного изменения установок в системе, например, значения температуры в помещении, не приводит к мгновенному достижению заданных параметров.

Передача инициативы в обмене данными на сторону умного датчика позволяет практически полностью исключить его взлом посторонними лицами. Ведь датчик воспринимает только ответ от сервера на свой запрос. Теоретически можно перехватить такой запрос и подменить ответ, но эта угроза минимизируется, например, протоколом https. Если нет желания поднимать в датчике этот протокол, то есть вариант с вычислением контрольных сумм с учетом параметров, априори неизвестных злоумышленнику. Но данный криптографический вопрос выходит за рамки рассматриваемой темы.

Если на запрос не был получен ответ сервера, умный датчик, выждав определенный тайм-аут, продолжает работать в ранее установленном режиме.

В качестве сервера было решено создать небольшой веб-сайт с базой MySQL, который развертывался на домене третьего уровня одного из моих сайтов. Сайт был написан с использованием адаптивной верстки, что позволяет комфортно работать со смартфона.
Для обмена информацией с сервером был выбран пятиминутный период.

Отчасти этот выбор обусловлен одним нюансом работы электрокотла. Для исключения закипания воды в колбе нагревателя от остаточного тепла ТЭНов, используется так называемый выбег котла. Другими словами, после выключения ТЭНов циркулярный насос продолжает работать некоторое время. В моем котле по умолчанию стоит выбег в течение 4 минут, хотя его можно увеличить и на более продолжительное время. Поэтому пятиминутный интервал обмена вполне укладывался в логику работы отопительной системы. Да и более частый обмен данными не давал никакой пользы, лишь приводил к увеличению числа записей в базе сервера.

Алгоритм работы

Работа умного датчика, получившего название метеомодуль, не содержит ничего необычного. В цикле опрашиваются датчики температуры и влажности. Это продолжается примерно 4,5 минуты. Затем происходит формирование GET-запроса к серверу и обрабатывается полученный ответ. В итоге период (главный цикл) получается длительностью примерно 5 минут. Здесь не требуется идеальная точность, на практике период оказался меньше на несколько секунд, что приводит к постепенному сдвигу. При идеальном пятиминутном периоде в сутки передавалось бы 288 отсчетов, реально их оказывается 289-290. Это совсем не сказывается на работе системы.

Основной скетч программы с подробными комментариями приведен в листинге. В силу обширного объема кода я не стал публиковать реализации используемых подпрограмм. В листинге оставлены диагностические сообщения для вывода в терминал.

Основной скетч программы

/* * Sketch Meteo Control Mega2560 * ver. 13.0 * упрощенный алгоритм автоматики день - солярка, ночь - электрика. Начальный порог 21 градус, шаг - 0,5 градуса * обмен с сервером по http 1.0 */ // libs #include #include "DHT.h" // wired connections // подключение таймера через шину I2C, адрес на шине 104 #define DS3231_I2C_ADDRESS 104 // define #define HYSTERESIS 0.5 // гистерезис порога температуры, градусы #define LONG_CYCLE 9 // продолжительность цикла измерений, 9 - около 5 мин с учетом времени обмена с сервером #define SHORT_CYCLE 13 // продолжительность малого цикла измерений, 13 сек. с учетом времени сбора данных с датчиков малый цикл получается около 30 сек #define DAY_BEGIN 6 // начало дневного тарифного периода #define DAY_END 22 // конец дневного тарифного периода #define MIN_INTERVAL 3000 // интервал чтения датчиков температуры 3 сек #define PIN_DHT_IN 23 // вход датчика температуры и влажности внутри AM2301 #define PIN_DHT_OUT 22 // вход датчика температуры и влажности снаружи AM2301 #define DHTTYPE DHT21 DHT dhtin(PIN_DHT_IN, DHTTYPE); DHT dhtout(PIN_DHT_OUT, DHTTYPE); #define RELAY_E 25 // выход управления реле электрокотла #define RELAY_D 24 // выход управления реле солярного котла #define LED_R 27 // LED RGB #define LED_G 29 // LED RGB #define LED_B 31 // LED RGB #define LED 13 // внутренний светодиод #define LEAP_YEAR(_year) ((_year%4)==0) // для вычисления високосного года // vars uint32_t workTime; // время работы котла с момента включения реле float hIn; // влажность внутри float tIn; // температура внутри float hOut; // влажность снаружи float tOut; // температура снаружи float tModule; // температура внутри метеомодуля float tInSet; // установленное значение температуры внутри float tOutSet; // установленное значение температуры снаружи. В текущей версии не используется. Параметр оставлен для развития byte seconds, minutes, hours, day, date, month, year; byte del; // счетчик большого цикла, считает декрементом малые циклы char weekDay; byte tMSB, tLSB; float temp3231; static byte monthDays = {31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31}; uint32_t unixSeconds; // метка времени UNIX uint16_t timeWorkElectro; // время работы (сек) электрокотла между сеансами обмена с сервером uint16_t timeWorkDiesel; // время работы (сек) солярного котла между сеансами обмена с сервером uint32_t unixSecondsStartCycle; // метка времени UNIX начала цикла между сеансами обмена с сервером int modeWork; // режим работы метеомодуля, 0 - auto, 1 - ручное-выключено, 2 - ручное-электро, 3 - ручное-солярка, 4 - полуавтомат-электро, 5 - полуавтомат-солярка byte typeBoiler; // тип рабочего котла, 0 - котлы не работают, 1 - электро, 2 - солярный char statusBoiler; // статус работающего котла для сервера char unit = "1"; // id модуля char mode; // метка режима работы метеомодуля для сервера String message; // строка для отправки на сервер char ans; // символ из буфера String answerServer; // исходная строка ответа сервера String tInSer; // строка от сервера = порог температуры внутри String tOutSer; // строка от сервера = порог температуры снаружи String timeSer; // строка от сервера = установка времени char datetime; // массив для установки времени модуля void setup() { Serial.begin(115200); // выставляем скорость COM порта для терминала Serial.println("Start setup()"); Serial.println("Meteo Module. Ver.13.0 Unit Number: " + String(unit)); pinMode(LED, OUTPUT); //LED flash pinMode(LED_R, OUTPUT); //LED_R pinMode(LED_G, OUTPUT); //LED_G pinMode(LED_B, OUTPUT); //LED_B // инициализация внешнего таймера Wire.begin(); //set control register to output square wave on pin 3 at 1Hz Wire.beginTransmission(DS3231_I2C_ADDRESS); // 104 is DS3231 device address Wire.write(0x0E); Wire.write(B00000000); Wire.write(B10001000); Wire.endTransmission(); // устанавливаем порог температуры по умолчанию tInSet = 21; tOutSet = -15; // включаем наружний термометр pinMode(PIN_DHT_OUT, INPUT_PULLUP); dhtout.begin(); // включаем внутренний термометр pinMode(PIN_DHT_IN, INPUT_PULLUP); dhtin.begin(); // задаем пины управления котлами на выход pinMode(RELAY_E, OUTPUT); pinMode(RELAY_D, OUTPUT); modeWork = 0; // автоматический режим // котлы в состоянии выключено relayElectroSwitchOff(); relayDieselSwitchOff(); timeWorkElectro = 0; // сбрасываем время работы котлов timeWorkDiesel = 0; unixSecondsStartCycle = 0; // сбрасываем начальное время работы котлов typeBoiler = 0; Serial.println("All Boilers Off"); digitalWrite(LED_G, HIGH); // включаем зеленый цвет RGB-светодиода. Исходное состояние, котлы выключены //инициализация serial 1 is to esp8266 Serial1.begin(115200); //скорость передачи в модуль ESP8266 Serial1.setTimeout(1000); while (!Serial1); String startcommand = "AT+CWMODE=1"; // модуль ESP8266 в режиме клиента Serial1.println(startcommand); Serial.println(startcommand); delay(2000); del = 0; // сброс счетчика большого цикла } void loop() { Serial.print("Start loop(). "); // диагностический вывод текущего времени get3231Date(); // получаем текущее время unixSeconds = timeUnix(seconds, minutes, hours, date, month, year); // UNIX-метка в секундах Serial.print("Current datetime: "); Serial.print(weekDay); Serial.print(", "); if (date < 10) Serial.print("0"); Serial.print(date, DEC); Serial.print("."); if (month < 10) Serial.print("0"); Serial.print(month, DEC); Serial.print("."); Serial.print(year, DEC); Serial.print(" - "); if (hours < 10) Serial.print("0"); Serial.print(hours, DEC); Serial.print(":"); if (minutes < 10) Serial.print("0"); Serial.print(minutes, DEC); Serial.print(":"); if (seconds < 10) Serial.print("0"); Serial.println(seconds, DEC); // сбор данных с датчиков Serial.println("Getting temperature and himidity"); getSensors(); // подготовка сообщения для отправки на сервер collectServerData(); // БЛОК ОБМЕНА С СЕРВЕРОМ И ИНИЦИАЛИЗАЦИИ // отправка данных на сервер и прием управляющей строки Serial.println("Send data to server"); connectServer(); // анализ управляющей строки и установка новых режимов controlServer(); // БЛОК УПРАВЛЕНИЯ КОТЛАМИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСТАНОВЛЕННОГО РЕЖИМА switch(modeWork){ case 0: // автоматический режим Serial.println("Current Mode: Auto"); autoMode(); break; case 1: // ручной режим Serial.println("Manual Mode"); manualMode1(); break; case 2: // ручной режим Serial.println("Manual Mode"); manualMode2(); break; case 3: // ручной режим Serial.println("Manual Mode"); manualMode3(); break; case 4: // полуавтоматический режим Serial.println("Semi Auto Mode Electro"); semiAutoMode4(); break; case 5: // полуавтоматический режим Serial.println("Semi Auto Mode Diesel"); semiAutoMode5(); break; } del = LONG_CYCLE; // устанавливаем счетчик большого цикла while (del > 0) { Serial.print("Start short cycle #"); Serial.println(del); // отображение номера малого цикла mDelay(SHORT_CYCLE); // сбор данных с датчиков Serial.println("Getting temperature and himidity"); getSensors(); del--; // декремент счетчика в большом цикле } }

Как я упоминал выше, в метеомодуле предусмотрено три режима работы:

• автоматический
• полуавтоматический
• ручной

В автоматическом режиме метеомодуль по встроенным часам реального времени выбирает какой котел включить в то или иное время. В часы льготного тарифа на электроэнергию запускается электрокотел.

В первоначальном варианте системы предусматривалась возможность работы электрокотла так же в дневной период, чтобы сэкономить солярку. В этом варианте метеомодуль отслеживал продолжительность работы электрокотла днем. Если в течение часа не удавалось достичь заданной температуры в доме, то электрокотел отключался и после паузы на выбег, в работу включался солярный котел.

По опыту первой зимы такой вариант был убран. Причина заключалась в недостаточной мощности электрокотла, который не мог в относительно сильные морозы (ниже -10 градусов) обеспечить достижение заданной комфортной температуры. Поэтому было решено днем в автоматическом режиме однозначно запускать солярный котел.

Полуавтоматический режим подразумевает жесткий выбор того или иного котла с поддержанием автоматической регулировки его работы по датчикам температуры метеомодуля. Этот режим оказался полезным в нескольких случаях. Во-первых, при выходе одного котла из строя принудительно задается работа другого котла вне зависимости от времени суток. Во-вторых, в слабые морозы и оттепели можно круглосуточно включать в работу электрокотел, или, наоборот, в очень сильные морозы запускать только солярный котел.

Ручной режим я практически не использую. Он подразумевает не только выбор конкретного котла для работы, но и передачу управления им штатному выносному блоку. Другими словами, котел будет управляться заданными температурными параметрами на этом блоке. Метеомодуль в таком режиме продолжает работать только как станция мониторинга температуры и влажности.

В своем запросе к серверу метеомодуль передает пакет данных, который включает информацию о текущем состоянии котлов (какой котел выбран, работает или нет), текущее локальное время метеомодуля, продолжительность работы котлов в предшествующий пятиминутный период, текущую температуру и влажность внутри и снаружи дома. Так же в запрос включен идентификатор метеомодуля. В моем случае это излишне, но привычка проектировать под масштабирование дала о себе знать.

После отправки запроса метеомодуль ожидает ответ сервера в течение 20 секунд. Полученный ответ парсится с помощью регулярных выражений. В ответе сервера присутствует четыре параметра:

• пороговое значение температуры внутри дома
• пороговое значение температуры снаружи дома
• заданный режим работы
• время первоначальной установки для часов реального времени модуля

В текущей версии пороговое значение наружной температуры не используется. Эта возможность была предусмотрена для реализации выбора шаблонов отопления, в зависимости от температуры «за бортом». Возможно, эту функцию когда-нибудь реализую.

Последний параметр требуется довольно редко. Я его задавал лишь дважды. При первоначальном запуске модуля и после замены батарейки в модуле часов реального времени. Если временные установки не требуют изменения, то этот параметр равен нулю.

После разбора ответа от сервера, обнуляются текущие счетчики времени работы котлов. Ведь предыдущее значение уже было отправлено на сервер. При сбросе учитывается время паузы на ожидание ответа от сервера.

Надо заметить, что передаваемое время работы котла имеет оценочное значение. По этому параметру нельзя судит, скажем, о потребленной электроэнергии. Это связано с особенностями работы котлов отопления. Например, при достижении температуры в котле 80 градусов происходит его выключение, но продолжает работать циркулярный насос. При снижении температуры теплоносителя до 60 градусов, котел снова включается в работу. Метеомодуль лишь измеряет суммарное время, которое потребовалось котлу для достижения температурного порога внутри дома.

После достижения заданной температуры котел отключается, а метеомодуль продолжает с периодичностью 30 секунд считывать температурные показатели. При снижении температуры более чем на 0,5 градуса, котел отопления вновь включается в работу. Такая величина гистерезиса была подобрана опытным путем, с учетом инерционности работы системы отопления.

Для визуальной индикации работоспособности метеомодуля в подпрограмму задержки между циклами измерения температуры, добавлено мигание встроенным светодиодом.

Хочу отметить, что выбор режима работы котла происходит в конце пятиминутного периода. При первоначальном включении модуля или при его перезагрузке по умолчанию устанавливается автоматический режим.

Реализация

Для воплощения идеи я использовал то, что оказалось под рукой. Было решено построить метеомодуль с применением модулей Arduino. В качестве процессорной платы была взята Mega 2560, оставшаяся от предыдущих экспериментов. Эта плата заведомо избыточна для данной задачи, но она была в наличии. К тому же к ней был шилд макетирования, на котором разместились почти все остальные модули. Это часы реального времени DS3231 и WiFi-модуль ESP8266(01). Был куплен блок коммутации с двумя реле для раздельного управления электрическим и солярным котлами.

В качестве источника питания использован имевшийся компьютерный блок питания. Как известно, в таком блоке достаточно широкий выбор вторичного питающего напряжения. Там есть +5В и, что особенно важно при работе с WiFi-модулем ESP8266, +3,3В. К тому же эти блоки очень надежны, принимая во внимание непрерывный характер работы метеомодуля.

На рисунке представлена схема коммутации плат. Принципиальная схема не рисовалась в виду ее очевидности. На рисунке есть RGB-светодиод для визуальной индикации режимов работы метеомодуля. Зеленый цвет показывает, что котлы выключены, красный означает работу солярного котла, голубой – электрического. У меня под рукой не оказалось резисторов на 220 Ом, поэтому RGB-светодиод был подключен напрямую к выходам платы, без токоограничивающих резисторов. Каюсь, был не прав, но шел на риск осознанно. Ток потребления каждого вывода светодиода составляет всего 20 мА, выход платы позволяет подключать до 40 мА. За три года эксплуатации пока проблем не было.

В качестве датчиков температуры были использованы DHT21 (AM2301). Первоначально для измерения температуры внутри дома использовал датчик DHT11, но у него очень плохая точность измерения и, по невыясненной причине, библиотека DTH.h некорректно работала при использовании в схеме двух разных типов датчиков. Но так как замена DHT11 в силу его чрезмерной погрешности была очевидна, то я не стал разбираться с проблемой библиотеки.

Цифры в квадратиках означают номера проводов, подключающие внешние устройства к основной плате.

Вся схема была собрана в навесном металлическом щитке, используемом для монтажа электропроводки. Выбор такого корпуса так же был связан с тем, что имелось под рукой.

Но тут меня ожидал вполне предсказуемый сюрприз. При полностью закрытой дверце корпус щитка экранировал WiFi сигнал. Пришлось дверцу оставлять приоткрытой, так как не было желания искать другой подходящий корпус и все заново перемонтировать. Вот и живу уже три года с приоткрытой дверцей.

Сервер управления

Вебсервер, используемый для мониторинга и управления написан на чистом PHP и имеет адаптивную верстку. Первоначально была задумка написать приложение для Андроид, но от этой идеи отказался, так как все равно сервер был бы необходим.

После авторизации становятся доступны несколько страниц с информацией. Это текущее состояние системы по последнему полученному запросу от метеомодуля, таблица значений в текущем часе и графическое представление сводной информации за произвольный период времени. Так же есть страница с выбором настроек для управления метеомодулем.

На момент написания статьи метеомодуль был уже отключен, ведь отопительный сезон завершился. Поэтому все параметры на главной странице сайта актуальны на момент выключения. Внимательный читатель заметит, что это было 2 мая.

В качестве примера графиков приведены значения на 25 января 2018 года. Гистограммы показывают время работы котлов.

Страница установки параметров

Как я уже упоминал, это решение для мониторинга и управления системой отопления частного дома уже отработало три отопительных сезона. За это время было всего два зависания, вызванных долговременным пропаданием канала к Интернет. Причем зависал не весь метеомодуль, а только WiFi-модуль ESP8266.

В целом, функционал системы меня полностью устраивает, но учитывая явную избыточность примененной платформы, подумываю о его расширении.