Актуальность современных решений технологий автоматизации

     Глава 1 Изучение технологий автоматизации
1.1 Актуальность современных решений технологий автоматизации
     Современные требования к комфорту, безопасности и гибкости к существующим системам управления интеллектуальных зданий постоянно возрастают. С технологическим развитием систем автоматизации, помимо обеспечения удобства возникают вопрос каким образом обеспечить энергосбережение, так как это является одним из основополагающих условий в создании интеллектуальных зданий. Еще немаловажным процессом создания системы является внедрение мобильных приложений с мобильным доступом.
     Встает следующая задача – обеспечить комфорт и безопасность, обеспечить энергосбережение, иметь возможность для модернизации, а так же иметь экономически целесообразную стоимость.
     Имея такой набор требований в существующей системе можно сказать, что она не потеряет своей актуальности за ближайшие десятилетия.
     Но стоит отметить, что в мире существуют множество производителей, которые предоставляют широкий ряд решений при проектировании или построении интеллектуальных зданий. Чаще всего производитель работает с определенным протоколом, то есть набором правил и соглашений, которые используются для передачи сигналов. Чтобы все устройства правильно и стабильно функционировали нужно выбирать оборудование совместимое друг с другом.  На схеме 1 приведено разделение технологий, наиболее часто применяемых в России и Европе.







     
     
     
     
     
     Схема 1 – Протоколы связи, используемых в «Умных домах»
     Рассмотрим протоколы, которые получили наибольшее применение:
     Один из первых протоколов домашней автоматизации, X10 разработан в 1975 году. Он появился, как проводная  система. Для связи модулей сети X10 используется обычная домашняя электрическая сеть. Протокол обладает низкой скоростью( 0,75 секунды на команду). В сети X10 может передаваться только одна команда в конкретный момент времени. Важный недостаток – данный протокол некорректно работает с электроприборами с потреблением до 50 Вт, так как используется амплитудная модуляция.
     Universal Powerline Bus (универсальная проводная шина, UPB) – проводной протокол связи. Отличие от X10 в том, что используется импульсная модуляция для передачи цифровых данных между устройствами UPB по домашней электропроводке.
     Insteon – Данная архитектура разработана в 2001 году инженерами компании «SmartLabs». Одна из надежных и пользующаяся большим спросом сетевая технология управления домом. Это единственная технология, которая одновременно использует и беспроводной радиоканал и сетевую электрическую линию в здании. Благодаря этому достигается надежность и стабильность системы. Insteon пришла на замену устаревшей технологии X10, полностью заменив ее по своим характеристикам, но поддержка протокола а продуктах Insteon осталась. Сеть Insteon – это одноранговая сеть с интегрированными дублирующими каналами связи( радио-канал и сетевая линия). Нет никакой необходимости в таблицах маршрутизации, каждое устройство в сети получает сообщение одновременно, независимо, пришло оно по радио-каналу или каналу электрической сети.
     KNX – коммуникационная шина, широко используемая для автоматизации зданий, использующая полный спектр различных сред передачи информации в системах управления зданиями: витая пара, ЛЭП, РЧ-каналы и Ethernet IP.Различные каналы передачи данных могут быть легко соединены между собой с помощью переходных KNX - устройств. К шинам могут подключаться как сенсоры, так и исполнительные механизмы, необходимые для контроля оборудования, управляющего зданием, в частности, систем освещения, безопасности, энергопотребления, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т. д. Все эти функции могут осуществляться, контролироваться и отслеживаться через единую общую систему, без использования каких-либо дополнительных центров управления. В мире существует более 1000 компаний-членов Ассоциации KNX, которые предлагают почти 7000 групп KNX-сертифицированных продуктов для различных приложений.
     Z-Wave – беспроводной протокол домашней автоматизации, работающий на частоте  868,42 МГц для Европы, 908,42 МГц для США, но данные радиочастоты запрещены для России ГКРЧ, поэтому используется диапазон 869 МГц, который относится к нелицензируемым частотам. Z-Wawe Альянс выпускает более 1000 различных совместимых устройств, предоставляя широкий диапазон опций при домашней автоматизации. Z-Wawe представляет собой полностью беспроводную технологию, в основе которой лежит ячеистая сеть. Каждое устройство является как приемником, так и передатчиком. Благодаря этому увеличивается надежность сети, поэтому при выходе из строя одного устройства, сигнал пойдет через соседнее. Зона покрытия расширяется простым добавлением новых устройств, которые могут работать как повторители сигналов. В сети Z-Wave не нужны дополнительные репиторы (повторители) сигналов, достаточно, чтобы элемент с протоколом Z-Wave находился в радиусе действия соседнего устройства. Так же система потребляет крайне мало энергии, что довольно важно для устройств, работающих на батареях.
     ZigBee – это беспроводной стандарт связи, работающий по стандарту IEEE 802.15.4. Система использует ячеистую структуру для увеличения радиуса действия и обеспечения надежности передачи сигналов. Однако большинство ZigBee-модулей, сделанных разными производителями, зачастую плохо работают друг с другом, поэтому этот вариант может быть не лучшим решением, если требуется полная совместимость оборудования. Главными положительными сторонами  данной технологии являются: максимальная скорость передачи данных(теоретически 250 кбит/с), безопасность соединения(используется шифрование AES-128), а так же длительность автономной работы.
     Wi-Fi самая распространенная из рассматриваемых технологий, поэтому неудивительно, что большое количество производителей стало создавать устройства «Умного дома», работающие по этому стандарту. Если у вас есть уже беспроводной роутер, то нет необходимости в узле доступа для связи совместимых устройств. Главные достоинства применения Wi-Fi: повсеместное использование, дешевизна Wi-Fi – модулей, а так же простота создания Wi-Fi – сетки. Тем не менее, у данного протокола есть существенные недостатки: сильные влияния помех, энергопотребление, конкурирование устройств. При большой плотности Wi-Fi точек, работающих в одном, либо соседних каналах, они мешают друг другу, а это очень сильно сказывается на качестве соединения. В «Умных домах» могут быть сотни датчиков, которые должны работать безотказно на протяжении долгого времени, следовательно, Wi-Fi  не рационально использовать для автоматизации, так как это особенности самой технологии.
     BLE – сокращение от Bluetooth Low Energy(Bluetooth с низким потреблением энергии). Существует огромное количество устройств, поддерживающих данный протокол: от велосипедных замков, до ламп и акустических систем с док-станциями. Часто он используется и в домашней автоматизации, но обычно не в качестве основного протокола. Достоинство BLE в том, что он не использует большого количества энергии, но в то же время главный недостаток – это довольно ограниченный радиус действия по сравнению с другими сетевыми протоколами, поэтому он не подходит для устройств, которые постоянно должны оставаться в сети, например, устройства системы безопасности и датчиков движения.
     Таким образом, для создания единой автоматизированной системы управления домом, квартирой или офисным помещением лучше всего выбирать устройства, работающие по протоколу KNX, так здесь используются физические линии связи, то есть провода, которые обеспечивают гарантированную доставку сигналов с наименьшим влиянием помех, поэтому данный протокол распространен в автоматизированных зданиях и на производстве.  Достоинство в наилучшем качестве и надежности KNX-системы, а недостатки – это сложность монтажа и весьма высокая стоимость. При выборе бюджетной и небольшой системы фаворитом выступает Z-Wave при низкой стоимости устройств, простотой установки, гибкостью, маштабируемостью.


1.2 Основные требования к системе
Автоматизированное здание представляет собой единую систему управления системами безопасности (контроль доступа, видеонаблюдение, системы охраны), телекоммуникационными системами (Интернет, телевидение), инженерными системами (электроснабжение, теплоснабжение, газоснабжение, водоснабжение).  Автоматизированное управление перечисленными системами – главная задача интеллектуального здания. 	Важно не только расставить всевозможные датчики, которые будут считывать информацию, а так же обеспечить процесс решения в случае обнаружения проблемы, а так же исправления возникших проблем в процессе работы системы. Далее будет рассмотрены услуги, которые может нам предоставить система интеллектуального здания.

1.3 Услуги системы автоматизации. Положительные и отрицательные стороны
		1.3.1 Управление светом общие сведения
	Управление светом является одной из основных систем интеллектуального здания.
	Обычный нам способ с помощью выключателя на стене зажечь свет постепенно уходит в прошлое. Выключатель весьма удобен, когда у  вас одна-две группа светильников, а в современной гостиной таких групп может быть более десяти. 
	Создавая сценарии можно весьма сократить количество выключателей, вплоть до одного диммера. Диммер -  это электронное устройство, которое предназначено для изменения электрической мощности, с помощью которого можно как раз таки регулировать уровень яркости в помещении. Принципиально диммер представляет собой регулирующийся (подстраивающийся) резистор.
Но в сценарии входят, конечно же, еще датчики света,  движения, таймеры, которые обрабатывают поступающую информацию и отправляют на ПЦУ (пульт центрального управления). С помощью последних можно добиться того, что свет будет включаться с заданной яркостью и заданной задержкой, на основании того, сколько людей в помещении и какое время суток. 
Так же наружное освещение может включаться с помощью датчиков расстояния и датчиков присутствия, что тоже является элементом безопасности интеллектуального здания, так как при вторжении на территорию непрошеных гостей, система присылает оповещение на ПЦУ и смартфоны и одновременно включается запись с камер видеонаблюдения.
Основным достоинством системы является не только комфортное освещение, а так же экономия электроэнергии.

1.3.2 Управление микроклиматом
	Микроклимат в здании фундаментально важен, так как от температуры и влажности зависит не только комфортное нахождение, но и  здоровье пользователя системы интеллектуального здания
	Система управления микроклиматом индивидуально задает температуру в каждом помещении и поддерживает ее на заданном уровне. Основными элементами данной системы являются кондиционеры и вентиляция. Ежедневно выполняют энергосбережение, так как теперь не нужно будет проветривать помещение, когда, например, зимой система отопления работает интенсивно или включать обогреватель, когда требуется понизить температуру. Так же в управлении микроклиматом существуют сценарии. Например, ночной режим, режим комфорт, режим охрана, когда дома никого нет.  Конечному пользователю нужно всего один раз задать нужную ему  температуру через смартфон или ПЦУ и все будет бесперебойно работать.
	Управление климатом реализовать не так трудно как кажется, так как регулированием температурой может быть интегрирован уже существующий кондиционер, так что это так же может существенно сэкономить средства пользователей.
	Не нужно забывать, что регулировка температуры это не основная задача системы,  так как она еще реализует управление теплыми полами, а при наличии в здании двух котлов, например, переключит в ночное время газовый котел на электрический, что опять говорит об экономии средств.

1.3.3 Управление электроприводами
	Использование в системе автоматизированного здания различных электроприводов позволяют сделать жилище более комфортным, безопасным, а так же престижным. С помощью управляемых двигателей можно закрывать двери, жалюзи, ворота, окна и многое другое. А с помощью электромагнитных клапанов предоставляется возможность перекрывать газоснабжение или водоснабжение. Это снова повышает безопасность здания, так как при неприятных ситуациях, например, случилась протечка, а система автоматически перекроет воду. Несложно представить, сколько денег это может сэкономить.
А сколько возможностей открывается в интеллектуальном здании для детей или людей с ограниченными возможностями, ведь одним нажатием на кнопку пульта  или с помощью смартфона  можно открыть дверь, ворота и т.д.

1.3.4 Охранная сигнализация
	Система охраны интеллектуального здания оповестит обо всех событиях, которые происходят во время отсутствия хозяев. Проинформирует о том, кто звонил в дверь, кто подходил к зданию, а так же кто проник в него.

1.3.5 Аварийная сигнализация
	При возникновении аварийных ситуаций система не только оповестит пользователя, но и максимально устранит источник неприятностей. При утечке дыма перекроет газ, при протечке воды перекроет ее, а при возникновении задымлении оповестит не только хозяев, но и аварийные службы.
1.3.6 Дистанционное управление
Система дистанционного управления позволяет производить мониторинг с помощью смартфона удаленно в любое время дня из любой точки мира. Так же предоставляется возможность управлять зданием, так же как и с ПЦУ, который  располагается внутри дома.
1.4 Сравнение устойчивости протоколов автоматизации
     Система интеллектуального здания может применяться для решения любых задач, связанных с эксплуатацией помещений.
     Технология автоматизированного здания заключается в применении  различных автоматизированных подсистем с целью повышения безопасности, энергосбережении, экономии финансов и повышение комфортабельности.
     Одной из важнейших особенностей является непосредственное взаимодействие подсистем интеллектуального здания для получения информации по обнаружению, исправлению и оповещению на разнообразные ситуации, которые могут произойти.

1.4.1 Анализ безопасности протоколов системы интеллектуального здания
На сегодняшний день существует достаточно много протоколов, которые могут использоваться в системе автоматизированных зданий. Данные протоколы чаще всего являются разработкой компаний производителей, которые предоставляют нам элементы автоматизации.
Еще не существует стандартов для организации сетевого взаимодействия устройств, составляющих систему интеллектуального здания. Если применять технологии построения ЛВС является бесперспективным, в связи с избыточностью. Технологии интеллектуального здания должны соответствовать следующим требованиям:
* Высокая надежность и безопасность передачи данных
* Низкое потребление электроэнергии
* Простота монтажа и обслуживания
* Невысокая стоимость
Существует еще немаловажная особенность системы – это отсутствие необходимости в большой скорости передачи. Если сравнивать беспроводные и проводные сети, то для многих пользователей важным фактором является простота монтажа и обслуживания сетевых устройств.  На рынке производители предоставляют потребителю множество конкурентоспособных проводных сетей, называемых Power Line Communication (PLC). Данные технологии можно применять в том случае, если здание электрифицировано. Таким образом, можно построить как проводную,  так и беспроводную систему с применением технологий: X10, Insteon, KNX для обеспечения проводной связи, и BLE, Z-Wave и ZigBee для реализации беспроводной связи.
1.4.2Стек протоколов Z-Wave
Z-Wave – запатентованный стек протоколов, разрабатываемый и поддерживаемый Z-Wave Alliance. На данный момент это один из наиболее перспективных протоколов для применения в сфере построения систем «умного дома».
Для Z-Wave определены следующие уровни, соответствующие модели OSI: 
* Физический уровень
* Канальный уровень. На данном уровне реализуется контроль целостности и адресация устройств в зоне прямой видимости. Возможна многоадресная и широковещательная рассылки
* Сетевой уровень. Спецификации протокола Z-Wave определяют алгоритм маршрутизации одноадресных пакетов, служащий для передачи данных между устройствами, находящимися вне прямой досягаемости. Все постоянно работающие узлы сети участвуют в пересылке пакетов между другими участниками сети. Маршрут следования пакета определяется перед его отправкой узлом-источником. При невозможности найти нужный узел по известным отправителю маршрутам, существует механизм поиска узла по всей сети путём посылки специального пакета Explorer Frame всем узлам сети.
* Транспортный уровень. На данном уровне Z-Wave обеспечивает подтверждение доставки и повторную отправку в случае потери пакета во время передачи. Для этого каждый узел, участвующий в пересылке, подтверждает факт получения сообщения.  Для уменьшения загрузки сети в Z-Wave используется механизм "молчаливых подтверждений": узел А, передавший пакет следующему узлу Б на пути следования пакета, в случае успешной передачи может определить факт дальнейшей отправки пакета узлом Б путём прослушивания эфира. При использовании такого механизма подтверждение отправляется только после достижения пакетом конечного узла назначения
* Сеансовый уровень. Используется только при включенном шифровании для установления сеансового ключа. 
* Прикладной уровень. Спецификация Z-Wave определяет алгоритм интерпретации получаемых на прикладном уровне команд. Данный уровень описан набором классов команд. Для некоторых классов существует несколько вариантов интерпретации команд, которые зависят от класса устройства
1.4.2.1 Атаки на сети Z-Wave
Критичные компоненты системы автоматизации, такие, как замки, на данный момент используют шифрование AES-128. Однако, шифрование является расширением стандарта, и ранние устройства не поддерживают его. Более того, как показано в работе [5], ряд устройств могут иметь уязвимости в реализации протокола обмена ключами, что позволяет получать к ним доступ с использованием ключа по умолчанию – 00000000000000000000000000000000h. 
    Существует ряд решений для облегчения управления системой «умного дома» на основе протокола Z-Wave. Одним из таких решений, сертифицированных Z-Wave Alliance является Z-Way. Основным предоставляемым инструментом для взаимодействия с системой является веб-интерфейс и используемый им API. При этом не предоставляются механизмы аутентификации и шифрования данных. В таком случае атакующий может выполнять произвольные действия с системой «умного дома» после компрометации локальной сети
    1.4.3Стек протоколов ZigBee
ZigBee — открытый стандарт беспроводной связи для систем автоматизации. Стандарт состоит из спецификаций сетевых протоколов верхнего уровня — уровня приложений и сетевого уровня [6]. Сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде и физического уровня, регламентируются стандартом IEEE 802.15.4. 
Уровень приложений определяет объект устройства ZigBee, уровень поддержки приложений и уровень интерфейса разработки приложений. 
    Интерфейс разработки приложений содержит описание определяет стандартные типы данных, дескрипторы обнаружения служб, форматы пакетов. Всё это позволяет быстро разрабатывать простые профили на основе атрибутов. Объекты приложений – программные модули, управляющие устройствами ZigBee в конечных точках.
Подуровень поддержки приложений отвечает за предоставление данных приложениям и профилям устройства ZigBee. Подуровень также управляет присоединением устройств в сети ZigBee и хранит данные о них. 
Сетевой уровень выполняет функции управления сетевыми адресами и маршрутизации. В его задачи также входят: 
* запуск сети; 
* присвоение сетевых адресов; 
* добавление и удаление сетевых устройств; 
* маршрутизация сообщений; 
* применение политики безопасности; 
* осуществление поиска маршрутов. 
    Физические уровни определяются стандартом IEEE 802.15.4: 15
* Уровень управления доступом к среде отвечает за надежную связь устройства с непосредственными соседями, помогает разрешать коллизии
   * Физический уровень обеспечивает интерфейс к физической среде передачи. Физический уровень состоит из двух уровней, работающих в разных диапазонах частот.
Поставщик услуг безопасности обеспечивает механизмы безопасности для сетевого уровня и уровня приложений при использовании шифрования. 
1.4.3.1 Атаки на сети ZigBee 
Сети ZigBee могут функционировать в режимах, подразумевающих работу без шифрования. Стандартный уровень безопасности не обеспечивает безопасность распространения ключа сети. 
Существует механизм монотонно увеличивающихся счётчиков, предназначенный для предотвращения атак повтора. Однако, реализация механизма может вызывать проблемы в работе сети, что приводит к необходимости сброса счётчиков вручную. Без включения данной опции атака повтора является тривиальной [7]. 
Атаки повтора и получения ключа из перехваченного трафика реализованы на практике в фреймворке KillerBee, предназначенном для анализа сетей ZigBee. 


.......................