Анализ разработки системы "Умный дом"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ разработки системы "Умный дом"

П.В. Копылова

Научный руководитель:

А.Н. Игнатов, к.т.н., профессор

Содержание

• Аннотация
• Введение
• 1. История развития "Умного дома"
• 2. Разработка "Умного дома"
• 2.1 Панель контроля
• 2.2 Модуль коммутации
• 2.3 Модуль "Измеритель"
• Заключение
• Литература

Аннотация

В данной работе главный акцент сделан на анализе конкретной технологичной разработке системы "Умный дом". В настоящее время развитие в digital сфере является наиболее перспективным направлением. А также вызывают большой интерес - новые разработки в области smart electronics, как для инженеров, производителей крупных компаний электроники и программного обеспечения, так и для обыденных пользователей.

Ключевые слова: умный дом, автоматизация, устройство, интеллект, технологии, модуль, команда, программа, датчик, управление

In this work the main emphasis is on the analysis of specific technological development of "Smart Home" system. Currently, the development in the digital sphere is the most promising direction. And also cause of considerable interest to the new developments in the field of smart electronics for engineers, the large companies producing electronics and software, and for everyday users.

Keywords: smart home, automation, device, intelligence, technology, module, command, program, sensor, control

Введение

С давних пор человек пытался усовершенствовать то место, где он живет. Независимо от обстоятельств, люди научились приспосабливаться к любым условиям, создавали все более новые технологии в строительстве. Жилище эволюционировало по мере того, как эволюционировал человек, а со временем они только улучшались. Цифровые технологии преобразили окружающий нас мир, многие вещи стали автоматизированными. Нам не нужно задумываться, как поступает свет, вода и отопление в наш дом. В современном ритме жизни, при нехватке времени, человек пытается все больше упростить повседневную рутину.

Тут и приходит на помощь устройство "Умный дом" - это совокупность решений для автоматизации обыденных действий. В этой работе я буду рассматривать работу системы "интеллектуальный дом" с использованием двух модулей и панели контроля. На самом деле их может быть намного больше, так как устройство позволяет это сделать. Данная системы разработана для моей квартиры, все датчики и модули также имеют соответствующее расположение.

1. История развития "Умного дома"

Впервые "Умные дома" начали делать в США. Одни из первых таких домов стали дома двух богатых американцев в середине XX века, которые были оборудованы электроникой. В наше время это стало обычным делом и все привыкли к таким приборам как, микроволновая печь, кондиционер, стиральная машина или телевизор с дистанционным управлением. В качестве комплексного решения задачи стали появляться интеллектуальные здания, в основе которых лежала структурированная кабельная сеть. С ее помощью можно было коммутировать и пользоваться одним и тем же кабелем для потребностей системы безопасности, АТС, компьютерных сетей и др. Затем появились мультиплексированные системы каналов связи, которые позволяли передать одновременно по одному проводу разную информацию. Благодаря быстро развивающейся информатике эти работы ускорились. К тому времени стало понятно, что проекты кабельных систем зданий устаревают еще до окончания строительства. Так как данное направление сразу зарекомендовало себя как сверхприбыльное, в него были вложены немалые инвестиции.

Так возникала идея создания "умных домов". Впервые эту задачу решали компания Leviton и X10 USA в 1978г. [1]

2. Разработка "Умного дома"

Рис. 1. Расположение модулей в квартире

Система "умного дома" состоит из: модуля "Измеритель" и модуля "Коммутации", а также "Панели контроля" с которой осуществляется управление.

2.1 Панель контроля

здание управление автоматический

Панель контроля - основное звено в системе "Умный дом", которое используется для обращения ко всем модулям. Структурная схема системы "Умный дом" представлена на рисунке №2. Команда (в виде цифр от 0000000000 до 4294967295) на сервер приходит через Интернет со смартфона или ПК, также в случаях аварийной работы возможна работа непосредственно через панель управления, которая также служит локальным сервером. Панель контроля построена на Arduino MEGA 2560, к ней подключён методом "один в один" интернет модуль W5100(версия 3) и индикаторный экран 16х 2.

Интернет модуль используется для выхода в интернет, имеет слот для SD-карты, на которой будут храниться также данные о работе системы. Модуль "Панель контроля" показан на рисунке №3.

Модуль принимает сигнал от панели управления и выполняет назначенную команду.

Допустим, для включения света нам необходимо отправить несколько команд - 0111000010 (запрос на открытие канала связи), где

первая пара цифр - ID моего устройства (от кого);

2-я пара - ID модуля "Коммутации", который управляет светом в комнате (кому);

3-я пара - задаем тип команды "Канал связи" (тип команды); следующей тройкой цифр открываем его (значение команды); последняя цифра будет не задействована в данном виде запроса.

Модуль отвечает на запрос - 0011000010 (в котором разрешается открытие канала), где

первая пара цифр - ID панели контроля;

2-я пара - какой модуль прислал ответ;

третья команда 0111010000 - выключает свет, на нее, модуль присылает ответ 0011010000, что говорит об успешном выполнении команды.

Четвертая команда 0111000020 - закрытие канала связи, модуль присылает в ответ команду 0011000020, которая означает подтверждение закрытия канала связи.

Открытие канала связи необходимо для того, чтобы проверить пользуется ли кто-нибудь в данный момент системой, а также проверить состояние модулей.

Рис. 2. Структурная схема системы "Умный дом"

Рис. 3. Панель контроля (управления) системой "Умный дом"

2.2 Модуль коммутации

Показан на рисунке №4. Данный модуль служит для коммутации нагрузки высокой мощности. Питание на все составляющие модуля подается с компактного БП HLK-PM01. "Мозгом" данного модуля является NODE MCU к цифровому выводу D3 подключен сигнальный провод реле KY-019. Через протокол I2C подключен аналого-цифровой преобразователь ADS-1015, служит для расширения количества аналоговых выводов NODE MCU. На вывод АЦП А 0 подключен индикатор сетевого напряжения, на вывод А 1- датчик тока ACS-712. Он служит для замера переменного тока в цепи, необходим для замера потребляемой мощности, предотвращения перегрузки и короткого замыкания. [3]

1. Коммутировать нагрузку (до 5 кВт) в цепи переменного напряжения 220В;

2. Отправлять текущее значение тока;

3. Отправлять текущее значение напряжения;

4. Предохраняет устройство от короткого замыкания, перенапряжения, также отключает нагрузку, когда напряжение слишком мало;

5. Может сохранять небольшие фрагменты значений тока от времени и отправлять их на панель контроля.

Помимо классической схемы есть несколько дополнительных схем с различным количеством и видами коммутационных устройств. Он может быть использован в питание электроплиты. Этот модуль практически ничем не отличается от классического, в исключении от еще одного реле, которое подключено на цифровой вывод D4 NODE MCU.

Основное отличие от предыдущих модулей в том, что коммутацией нагрузки занимается шилд L298N и использован другой блок питания на 12 В, который питает L298N (LED-лампы). К NODE MCU шилд подключен к цифровым выводам D5, D6, D7. Так как в шилд встроен стабилизатор напряжения на 5 В, питание NODE MCU взято с него. Данный модуль помимо основных функций позволяет управлять светодиодными RGB лампами и настраивать любой цветовой диапазон. [3]

Рис. 4. Модуль "Коммутации"

2.3 Модуль "Измеритель"

Показан на рисунке №5. Этот модуль является автономным, так как питание организовано от четырех литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650. Два из них подключены последовательно, два параллельно. В итоге имеем напряжение 7,4 В и ток 6800 мАч. Чего вполне достаточно для работы данного модуля продолжительное время. После аккумуляторов на схеме расположен стабилизатор напряжения на 5 В, от которого питаются все датчики и NODE MCU, которым и осуществляется управление данным модулем. В него входит 4 датчика. Датчик температуры DHT22 подключен на цифровой вывод D4. По документации датчика, сигнальный провод должен быть подключен через резистор на 10 кОм, к "+" питания. Датчик служит для измерения температуры и влажности окружающей среды. Инфракрасный датчик движения HC-SR501 подключается на цифровой вывод D3. Датчик газа и дыма MQ-2 подключен на аналоговый вывод А 0, напряжение на его выходе будет меняться пропорционально уровню газа и дыма в окружающей среде. На модуле датчика есть встроенный потенциометр, который позволяет настроить чувствительность этого датчика в зависимости от того, насколько точно нужно регистрировать уровень дыма или газа. В момент обнаружения движения, датчик подает сигнал в NODE MCU, которая в свою очередь отправляет эти данные на "Панель управления".

Часы реального времени ZS-042 подключены по I2C. Выводы D1, D2 NODE MCU. В данной схеме нужны для контроля времени и даты, что необходимо при записи логов и работы модуля в целом. Например, для включения света в половину яркости в ночное время.

1 из выводов герконового датчика ИО-102-11М подключен на "+" питания, второй - на цифровой вывод D5 NODE MCU, а также подключен на "-" питания через резистор на 1 кОм, для предотвращения короткого замыкания. Контролирует открывание/закрывание дверей для включения света и сигнализации. [3]

Рис. 5. Модуль "Измеритель"

Заключение

В завершении моей работы можно подвести итог, разработка технологии "Умный дом" является очень перспективной на сегодняшний день. Очень многие компании начинают в ней свое развитие. Для программирования всех модулей можно использовать ARDUINO IDE, а также прошивать непосредственно сам микроконтроллер. В ходе подбора компонентов, я сравнивала цены различных модулей. К примеру, если взять модуль "Умная розетка" от компании "Мегафон" ее стоимость на рынке составит от 1500 до 2500 тысяч рублей. Плюс к этому в ее функционал не входит защита от короткого замыкания и перегрузки. В то время как стоимость модуля "Коммутации" разработанного в моем курсовом проекте составит около 700 рублей. [2]

Плюс моей системы в том, что она может расширяться и включать в себя до 99 модулей, но если есть необходимость, при изменении алгоритма, мы можем значительно увеличить их число. Эта система может быть легко перенастроена на другой вид работы. В ходе разработки было создано гораздо больше модулей - модуль контроля и автоматического полива растений, модуль непосредственного включения электроприборов. Программно можно реализовать охранную сигнализацию и модуль контроля вентиляции (вытяжки). Так как моя разработка требует усовершенствования, пока она не подходит для массового коммерческого производства, но ее вполне можно использовать в каждом доме.

Литература

1. Энергоаудит, теплоучет и энергосбережение, [Электронный ресурс] // Умный дом. URL: http://efarostov.ru/istoriya_ymnogo_doma.htm / (дата обращения: 11.10.17)

2. Умный дом [Электронный ресурс] // СМС розетка Мегафон. URL: http://proumnyjdom.ru/umnyj-dom/sms-rozetka-megafon.html (дата обращения: 16.10.17)

3. Электротехнический портал // Электронные компоненты. URL: http://datasheet.su/view/catalogue/ (дата обращения: 11.10.17)

Размещено на Allbest.ru