Разработка автоматической системы беспроводного управления светового шоу на базе контроллера

Оператор-хореограф будет вести работу непосредственно с секвенсером, следовательно данная программа, должна обладать простотой использования, позволять работу с несколькими каналами, работать в такт с музыкой, иметь способность сохранять проект в буфер. Секвенсер Vixen v 2.1.1.0 устраивает всем данными требованиям (таблица 2.3).

Рисунок 2.5 - рабочее окно секвенсера Vixen v 2.1.1.0

Таблица 2.3 - Требования программатора Vixen v 2.1.1.0

Поддерживаемые ОС	Windows XP/Vista/7/8
Платформа	x86/x64
Процессор	От 500 МГц
Оперативная память	От 256 Мб
Видео- карта	100 Мб
Свободное место на диске	56 Мб

Разобрав программные обеспечения используемые в работе можно сделать вывод что в данной системе, приемлемым является использование персонального компьютера с следующими характеристиками

Таблица 2.4 - Минимальные характеристики ПК;

Тип	Ноутбук/ ПК
Операционная система	Windows XP/Vista/7/8
Платформа	x86/x64
Частота процессора	От 2200 МГц
Размер оперативной памяти	От 1024 Мб
Размер видеопамяти	От 1024 Мб
Свободное место на диске	От 60 гб

2.3.2 Подсистема передачи сигнала

Подсистема передачи сигнала, должна обеспечивать передачу сигнала по беспроводному каналу, на все приемники, согласно командам с подсистемы генерирования сигнала. Таким образом подсистема передачи сигнала представляет собой цифровое устройство передачи сигнала по беспроводному каналу. В качестве цифрового устройства выбирается один контроллер из двух видов: Arduino и Raspberry pi. Характеристики контроллеров приведены ниже (таблицы 2.5 и 2.6).

Таблица 2.5 - Характеристики Arduino

Микроконтроллер	ATmega328
Рабочее напряжение	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	6
Постоянный ток через вход/выход	40мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В	50мА
Флеш-память	32Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	2 Кб (ATmega328)
EEPROM	1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота	16МГц

Таблица 2.6 - Характеристики Raspberry pi

Процессор:	700MHzARM11(Возможен разгон до 1000 МГц).
Память:	512MB SDRAM
Видео:	1080p30
Аудио:	H.264 high-profile decode
Ethernet адаптер	10/100 Мбит (необходим для работы с интернетом
Цифровые Входы/Выходы	7
Аналоговые входы	-
ОЗУ	256 Мб
Тактовая частота	700 МГц

Сравнивая два контроллера можно сделать вывод, что более приемлемым является контроллер Arduino. Так как в данный контроллер пусть и уступает по некоторым пунктам контроллеру Raspberry pi, но в несколько раз лучше в простоте своей реализации и оптимизации. Программирование контроллера Arduino производится в программаторе Arduino IDEпроизводителя контроллера. Помимо всего прочего цена контроллера Arduino, на рынке намного дешевле.

Исходя из сравнения контроллеров Arduino и Raspberry pi, в данной работе реализация системы склоняется к использованию контроллера Arduino.

Таким образом на основание контроллера Arduino сконструируем плату с модулем беспроводной связи. Данная модификация контроллера будет называться Freakduino.

Freakduino- платформа Arduino совместимым беспроводным модулем (см. рисунок 2.6). Freakduino плата предназначена для быстрого передачи сигналов по беспроводной связи. Плата использует стандарт IEEE 802.15.4 для недорогой беспроводной связи устройств. Freakduino имеет все функциональные возможности контроллера Arduino с недорогим беспроводным передатчиком. Хараетеристики приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Характеристики Freakduino

Микроконтроллер	ATmega328P
Рабочее напряжение	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	6
Постоянный ток через вход/выход	40мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В	50мА
Флеш-память	32 Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	2 Кб (ATmega328)
EEPROM	1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц
Коммуникация	802.15.4 wireless, USB

Рисунок 2.6 - Плата Freakduino

Freakduino полностью совместима с Arduino IDE и набором инструментов , который предлагает программатор с богатым количеством совесетимого программного обеспечения, открытым исходным кодом. Электрические характеристики и форма разъем также совместимы с оригинальным контроллером Arduino, чтобы плата могла взаимодействовать с большим ассортиментом периферийных устройств Arduino (шилды). Наличие соединения с шилдами и большое число программного обеспечения с открытым исходным кодом позволяет использоваться этот контроллер для многих разнообразных задач.

Также были добавлены улучшения к этой доске, чтобы увеличить ее функциональность. Добавление модуля беспроводной связи на основе стандарта 802.15.4 позволяет осуществлять беспроводное управление устройствами или беспроводной сбор данных с датчиков.

Конструкция контроллера была также оптимизирована. Он потребляет примерно 200 мкА и напряжение 3,0 В, который является напряжением с двух батарей типа АА. При правильном использование питанием, можно пользоваться платой с двух батарей типа АА около месяца.

Модуль беспроводной связи.

Основным дополнением к этой плате является использование беспроводной связи. Беспроводная связь стандарта 802.15.4 является тем же протоколом, что используется модулем XBee и устройством ZigBee. Беспроводной модуль работает при любой частоте контроллера 2,4 ГГц или 900 МГц, все зависит от приобретенной версии. Контроллер содержит стандартный разъем для антенны, который можно обычно найти на любом Wi-Fi адаптере. Разъем антенны RP-SMA. Данный тип антенны был выбран из-за большого диапазона и разнообразного видов антенн данного типа.

Драйвера беспроводного модуля и протоколы полностью открыты и доступны в библиотеке контроллера Arduino . Протокол упрощается до трех основных библиотечных функций, чтобы сделать беспроводую связи как можно более простой. Этими функциями являются:

1) Инициализация;

2) Передача;

3) Получение.

Это позволяет легко использовать беспроводную связь для создания сети типа peer-to-peer (равный- равный), где каждое устройство может связываться с любым другим устройством в диапазоне беспроводной связи.

Есть также много преимуществ в использования стандарта связи 802.15.4. Сигнал способен преодолевать большие расстояния и проникать сквозь толстые стены. Есть большое разнообразие антенн в различными размерами, формами. Всесторонние антенны, такие как стандартные антенны на Wi-Fi адаптерах дают умеренный диапазон и позволяют осуществить передачу сигнала во всех направлениях. Направленные антенны так же может быть фиксированным для значительного улучшения связи.

Некоторые преимущества использования стандарта IEEE 802.15.4 заключаются в надежности передачи данных. Т.е. автоматический повтор передачи данных означает, что, если приемник не принимает сигналы, то передатчик повторяет отправку пакета до некоторого максимального числа, указанного пользователем. Автопроверка адресов и контрольной суммы означает, что беспроводной модуль делает большую часть тяжелой работы, чтобы обеспечить прибытие пакета данных неповрежденными и пользователю не приходилось делать ручную фильтрацию.

Передатчик также используется аппаратный ускоритель шифрования AES-128. AES-128 является сильным стандарт шифрования используемый многими государственными учреждениями для защиты коммуникаций, особенно беспроводных коммуникаций. Система также поддерживает датчик РЧ сигналов окружающей среды. Библиотека Chibi реализованная для данной системы включает в себя поддержку AES-128 шифрования, а также генерации случайных чисел с помощью аппаратных устройств.

Стандарт 802.15.4 также используется для многих протоколов связи, включая Zigbee и 6LoWPAN, Freakduino можно настроить в качестве беспроводного сниффера (программно-аппаратное устройство, предназначенное для перехвата и последующего анализа, либо только анализа сетевого трафика) и используется в сочетании с Wireshark, чтобы сформировать беспроводной анализатор сетевого трафика, на основе 802.15.4. Это приложение очень полезно для отладки программного обеспечения или для тестирования безопасности связи на основе стандарта 802.15.4.

Все программное и аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом, все регистры и все функции доступны для пользователя. Это позволяет пользователем удобном создавать прототипы и использовать платформу.

Питание

Есть три варианта для подачи питания на устройство. Наиболее распространенным является через USB, однако плата может также получать питание через внешний адаптер, подключенный к гнезду DC jack. Это особенно полезно, когда необходимо больше мощности, которую не может предоставить соединение по USB. Наконец третий вариант, когда плата может быть получать питание от батареи.

Разъем USB обеспечивает до 500 мА тока на 5В и может напрямую питать плату. Это удобно, когда устройство напрямую подключено к ПК.

Для современных конструкций с более высокими требованиями, такие как двигателей или светодиоды высокой мощности, используется внешний адаптер постоянного тока DC jack. Адаптер должен подавать напряжение не менее 6 В и максимум 14В.

Вид питания определяется положением перемычки. Маркировка на перемычки указывают, используется ли USB питание или адаптер постоянного тока DC jack.

На плате имеется корпус для двух батарей (см. рисунок 2.7). Корпус батареи для размещен на нижней стороне платы. Это удобно, так как батареи установлены непосредственно на плате и позволяют ее использование в труднодоступных местах.



Рисунок 2.7 - Отсек батареи Freakduino

Существует также регулирование напряжения в цепи. Это необходимо потому, что напряжение батареи варьируется в зависимости от типа аккумулятора и количество оставшегося заряда. Регулирование напряжения стандартных щелочных или перезаряжаемых никель-металлогидридных батарей, позволяет генерировать стабильный выход 5V. Кроме того, можно контролировать напряжение батареи через один из аналоговых входных контактов. В сочетании его с беспроводной связью, можно получить раннее предупреждение, когда батарея начинает понижаться.

На плате существует выключатель питания, который позволяет выбирать внешний источника питания либо питание от аккумулятора. Переключатель также может быть использован в качестве выключателя, если линий внешнего питания или батареи нет.

Существует также 2-контактный DIP-переключатель на плате, позволяющий включать и отключать светодиодные индикаторы. Если плата питается от внешнего источника, то оба светодиода способны гореть, но когда плата питается от батареи, светодиоды приведут к ее быстрому истощению. Переключатель DIP позволяет пользователю легко отключать светодиоды при работе от батареи.

На плате Freakduino присутствую разъемы, перемычки и переключатели (см. рисунок 2.8):

1) PowerInputJumper. Перемычка используется для выбора вида питания платы между кабеля постоянного питания или USB питание;

2) MainPowerSwitch. главный выключатель питания палаты, позволяет выбрать способ питания между внешними линиями или встроенного аккумулятора. Когда аккумулятор не подключен , переключатель будет также служить в качестве положение включателя с внешней линии;

3) LEDEnableSwitch. DIP- переключатель используется для включения или отключения основных LED индикаторов питания от 5 В или 3,3В. Светодиоды могут потреблять ненужное питание во время работы от батареи , так что переключатель DIP позволяет пользователю включить / выключить их при необходимости;

Рисунок 2.8 - Разъемы, переключатели и перемычки платы Freakduino

4) External Antenna Connector. Разъем для внешней антенны, является разъемом вида RP-SMA;

5) Battery Connector. Разъем для дополнительной батареи. Устанавливается только в определенных случаях;

6) VoltageConverterOutputDisable. Используется только при программировании платы, чтобы предотвратить столкновения в SPI. Эта перемычка редко используются и только тогда, когда мигает загрузчик.

Из-за наличия трех способов питания платы, включатели powerswitch и powerjumper должны быть настроены на нужный вход. Чтобы легко это настроить ниже продемонстрирована быстрая справочная таблица о том, как настроить входную мощность. Позиции в таблице (см. таблицу 2.8) соответствуют меткам на плате.

Таблица 2.8- Способы питания платы

	Главный выключатель питания	Потребляемая мощность
USB	USB/DC	USB PWR
DC jack	USB/DC	DC PWR
Батарреи	BATT	Ignored

2.3.3 Объект управления

Для работы системы объект управления должен выполнять следующие функции:

1) принимать управляемые сигналы с приемника;

2) обрабатывать сигналы;

3) подавать питание на включение освещения.

Исходя из функций объекта управления вытекает, что это некий приемник беспроводного сигнала, управляющий питанием на освещение в зависимости от сигнала управления. Для осуществления беспроводной связи было решено сконструировать приемник таким образом, чтобы его корпус крепился к человеку и осуществлял действия заданные им с передатчика.

Так как функциями приемника являются принятие и обработка беспроводного сигнала c передатчика, понятно что приемником будет плата сконструированная на базе передатчика Freakduino.

Так как объект управления помимо принятия и обработки беспроводного сигнала, должен управлять питанием на включение освещения на костюмах, следует что данная плата должна содержать аккумуляторные батареи для питания самой платы и устройств освещения. Данная плата получила название Illuminado.

Illuminado является некой модернизацией платы Freakduino и требует изменений как в техническом плане так и в программном. Главным изменением является то, что Illuminado, должно управлять питательным сигналом на устройства освещения расположенных на костюмах.

В данной системе в качестве устройств освещения принимается холодный неон (электролюминесцентный провод). тонкий медный провод, покрытый люминофором (кристаллофосфором), который светится под действием переменного электрического поля, используя явление электролюминесценции. Применяется очень широко для декорации автомобилей, зданий, в аварийных огнях, игрушках, одежде и т. д. В отличие от гирлянд, представляющих собой линию светящихся точек, электролюминесцентный провод светится весь, по всей своей длине и на все 360 градусов вокруг себя. Провод тонок и гибок, что позволяет использовать его даже в декорации одежды.

Электролюминесцентный провод состоит из 5 частей. Первое- это медная сердцевина 1- проводник, покрытый люминофором 2 (кристаллофосфором). Очень тонкий провод 3 обвивает люминофор, покрывающий медную сердцевину, и электрически изолирован люминофором от неё. Данный "бутерброд" из центрального медного провода, люминофора и обвивающей тонкой проволоки помещён внутрь прозрачной ПВХ изоляции 4. Поверх ПВХ изоляции может быть тонкий слой цветной ПВХ плёнки 5 (см. рисунок 2.9). Между сердцевиной и тонким обвивающим проводом прикладывается напряжение порядка 12 вольт. Провод можно представить в виде коаксиального конденсатора с ёмкостью порядка 3 нФ/м. Быстрая зарядка-разрядка такого конденсатора заставляет светиться люминофор между обкладками. Данное явление носит название предпробойной электролюминесценции твёрдых тел.



Рисунок 2.9 - Электролюминесцентный провод

Реализация системы казалось бы простой пока не появилась необходимость питать холодный неон, тот самый что должен был бы включаться или выключаться в тот момент в который хочет оператор.

Для питания неона необходимы совсем другие параметры напряжения, напряжение должно быть 12 В, а Freakduino, может работать без внешних источников питания с 2 батареями типа AA.

Для реализации этой задачи было принято решение сконструировать плату Illuminado (см. рисунок 2.10), с более мощными параметрами питания, включающая в себя дополнительные потенциометры, для подачи сигналов на устройства освещения и инверторы, которые бы могли преобразовывать напряжение с 3 батарей типа АА 4,5В, в напряжение 12 В.

Рисунок 2.10 - Illuminado

Сборка платы как и Freakduino осуществлялась на базе обычного контроллера Arduino, который требовал небольших изменений с целью получения необходимого результата. Illuminado имеет 6 каналов для включение питания на устройствах освещения.

Основным достоинством объекта управления является непрерывное питание электролюминесцентный провода размером 30 м, в течение часа, за счет трех батарей типа АА, данную способность предоставляют инверторы, подсоединенные к цепи питания.

2.4 Программная часть

Во время разработки системы одним из основных аспектов является программная часть, которая подразумевает программирование цифровых устройств, в данной системе это Freakduino и Illuminado.

Программная часть системы для отлаженной работы системы выполнялась в программаторе разработчика контролеров Arduino IDE. Данный программатор позволяет создавать программный код для программируемых контроллеров на основе языка С++. Это позволяет легко и просто ориентироваться в программировании контроллера.

Для работы системы была написана библиотека chibiArduino. Библиотека chibiArduino необходима для подключения протокола стандарта 802.15.4 к платформе Arduino. Стек был разработан таким образом, чтобы быть простым, легким в использовании, а так же иметь очень небольшой объем памяти. Характеристики стека составляют около 300 байт ОЗУ и 3,8 Кб из флэш-памяти.

Chibi был создан как инструмент, который познакомит людей с беспроводной связью и сетей датчиков. Есть целый ряд протоколов для беспроводных коммуникаций и сетей, но большинство из них являются сложными со сложными функциями. В отличие от этого, стек позволяет просто отправлять и получать небольшие объемы данных, не зная многих сложностей протокола.

Для простоты работы Chibi опирается в основном на три функции: инициализации, отправка и получение. Есть и другие функции, доступные для управления, однако только с основной функции инициализации, настроенной по умолчанию позволяет начать управление по беспроводной связи.

Традиционно, беспроводные стеки связи требуют определенную операционную систему или сложную машину управления соединениями. Однако, так как в настоящее время многие беспроводные микросхемы включают функции, позволяющие решить такие вещи, как автоматической загрузки и прерываний, они могут использоваться без определенной операционной системы или сложной машины управления. Это значительно упрощает реализацию протокола стека, а также уменьшает количество системных ресурсов, таких как флэш-памяти и оперативной памяти, используемой для осуществления связи.

Библиотека chibiArduino также интегрирована с командной строкой, которая опционально может использоваться внутри эскиза Arduino. Пользовательские команды могут быть интегрированы в командной строке, вызывать пользовательские функции в интерактивном режиме с терминала. Это полезно для конфигурирования таких узлов как установки адреса или канала. Это также является полезным для управления данными, принимаемого из узла.

В данной работе программное обеспечение для контроллеров программировалась модульным способом. Заголовочным файлом является файл chibi.h. Chibi.h необходим для того чтобы подключить к программе типы данных, структуры, прототипы функций и перечислимые типы используемые в другом модуле. Данный вариант программирования позволяет упростить программный код основной программы используемой для приемника и передатчика.

Основные программы загружаемые в передатчик и приемник описаны в листинге данной работы (см приложение В).

3. Безопасность жизнедеятельности

3.1 Анализ условий труда персонала в лаборатории

В данной дипломном проекте проводится автоматизация беспроводного светового шоу на базе контроллера Arduino. Дипломная работа включает в себя работы по проектированию и конструкции плат, программирование контроллера и его интеграцией с ПО.

Предлагаемая автоматизация беспроводного светового шоу на базе контроллера Arduino предусматривает небольшое количество персонала для работы системы, ее поддержание и создание.

В основе создания данной системы лежит разделение персонала по работе с системой. В зависимости от обязанностей выполняемых персоналом для достижения автоматизации устанавливаются должностные инструкции (таблица 3.1)

Таблица 3.1 - Должностные инструкции сотрудников

Должности	Должностные обязанности
Инженер- проектировщик	1) Конструирование плат приемника и передатчика системы на базе контроллеров Arduino; 2) Программирование приемника и передатчика, а так же их интеграция с ПО; 3) Проведение профилактических работ для эффективной работы системы.
Оператор-хореограф	1) Ответственен за постановку; 2) Осуществляет установку команд на включение света в определенный момент времени; 3) Производит подготовку передатчика к работе.
Танцор	1) Танцует во время работы системы согласно постановке; 2) Осуществляет правильное соединение приемника к костюму.

К группе физически-вредных промышленных факторов во время проведения работ системы:

- слабое освещение при работе инженера-проектировщикав лаборатории, приводящее к утомлению глаз и потере чувствительности зрения. Для проведения работ без нанесения вреда органам зрения, необходимо поддерживать освещенность в помещении на уровне 300 лк, разряд зрительных работ III в [9];

- не соблюдение техники безопасности и гигиены при работе на ПК, согласно СанПиН РК № 1.01.004.01Гигиенические требования к организации и условиям работы с видеодисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами;

-не соблюдение правил электробезопасности электрической цепи приемника (12 В), согласно СТ РК 12.1.013-2002 электробезопасность.

Исходя из анализа производственных факторов влияющих на персонал во время работы системы, выделяются три вида работ необходимых для благоприятной работы персонала: предоставление должного освещения, осуществление техники безопасности во время работы за ПК, электробезопасность во время работы с приемником.

В создания благоприятных условий труда важное значение имеет рациональное освещение и цветовое оформление. Неудовлетворительное освещение и цветовое оформление затрудняет проведение работ, ведет к снижению производительности труда и работоспособности глаз и может являться причиной несчастных случаев и заболеваний их.

Освещенность в помещении должна быть такой, чтобы работающий длительное время мог вести наблюдение за всеми операциями без напряжения и утомления зрения, и при этом сохранялась нормальная работоспособность глаз.

В основном в рабочих помещениях, применяется боковое естественное освещение. Рабочие комнаты и кабинеты имеют естественное освещение.

Но для максимального использования рабочего времени, чтобы не зависеть от времени года и погодных условий, в помещениях установлено совмещенное освещение. При этом дополнительное искусственное освещение применяется не только в темное, но и в светлое время суток.

Род работ в лаборатории инженера-проектировщика относится к высокой точности, IIIв. Так как работы проводятся в лаборатории для проведения работ без нанесения вреда органам зрения, необходимо поддерживать освещенность в помещении на уровне 300 лк. Так же для оптимального естественного освещения, необходимо подобрать площадь световых проемов (окон) в помещении.

3.2 Расчет системы производственного освещения

Расчет системы производственного освещения для лаборатории проводится согласно параметрам помещения. Длина помещения L- 4 м, ширина помещения B- 3,5 м, высота помещения H- 3 м. Коэффициенты отражения помещения: с_пот= 70%, с_ст= 50%, с_пол= 30%, род работ IIIв. Норма освещенности E_min=300 лк.

Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как правило, естественное освещение. Расчет естественного освещения заключается в определении площади световых проемов. Ширине помещения до 12 м, применяется боковое одностороннее освещение.

Общую площадь окон определяем по формуле для бокового освещения.

(3.1)

где S₀ - площадь световых проемов при боковом освещении, м²;

S_п - площадь пола помещения, м²;

S_n=4*3,5=14 м² ,

е_н - нормируемое значение КЕО;

K_з - коэффициент запаса по таблице 3.11 [1]: K_з=1,2;

з₀ - световая характеристика окон. Принимают по таблице 3.2 [1];

Необходимые расчеты для нахождения з₀.

l=3,5-1=2,5 м,

где l - глубина помещения, при одностороннем освещении.

При двустороннем освещении глубиной помещения считается

расстояние от наружной поверхности стены до середины помещения.

L/l=4/2,5=1,6?2 м. (3.2)

Высота от уровня условной рабочей поверхности до верха окна

h_расч1=3+1-l=2 м,

l/ h_расч1=2,5/2=1,25?1 м. (3.3)

Используя значения, полученные в формулах (3.2) и (3.3), определим по таблице 3.2 [9] з₀=8,5;

ф₀ - общий коэффициент светопропускания

ф₀= ф₁ * ф₂ * ф₃ * ф_4*ф_5, (3.4)

где ф₁ - коэффициент светопропускания материала определим по таблице 6 [9]: для стеклопакета ф₁=0,8;

ф₂ - коэффициент, учитывающий потери света в стальных переплетах определим по таблица 7 [9]: для одинарных открывающиеся ф₂=0,75;

ф₃ - коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях, при боковом освещении равен 1 по таблице 8 [9];

ф₄ - коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах по таблице 3.6 [9]: для жалюзей ф₄=1;

ф_5- коэффициент, учитывающий потери света в защитной сетке, устанавливаемой под фонарями, принимают равным 0,9.

Тогда ф₀ = 0,8*0,75*0,9*1*1=0,54

r₁ - коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения и подстилающего слоя, прилегающего к зданию, см. таблицу 3.9 [9].

Необходимые расчеты для нахождения r₁:

Расстояние от расчетной точки до наружной стены составит 2 м Отношение расстояния расчетной точки от наружной стены к глубине помещения

2/2,5=0,8.

Отношение глубины помещения l к высоте от уровня условной рабочей поверхности и верха окна

l/hрасч=2,5/2=1,25.

Cредневзвешенный коэффициент отражения потолка, стен и пола

(3.5)

Используя значения, полученные в формулах (3.2) и (3.3): L/l?2, l/ h_расч1?1, а также полученные выше значения, определим по таблице 3.9[9]

r₁=1,4 .

К_зд - коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями по таблице 3.8 [1]

К_зд =1,52.

Нормированные значения КЕО e_N для зданий располагаемых в различных районах следует определять по формуле (15) [9]

e_N = e_H * m_N = 2 * 0,7 = 1,4, (3.6)

где N - номер группы обеспеченности естественным светом по таблице 3.1 [9] N=4;

e_H= 2 значения КЕО по таблице 3.12 [9] для разряда зрительной работы IIIв;

m_N =0,7 коэффициент светового климата, (ориентация световых проемов в наружных стенах зданий: СВ, СЗ) таблица 3.1 [9]. Подставим все значения в расчетную формулу (3.1)

(3.7

Тогда длина окна будет равна

S_ок/2= 2,005 мю

Таким образом, площадь светового проема составляет 4,01 м². Следовательно в лаборатории дл обеспечения благоприятными условиями персонала, необходимо использовать световые проемы площадью четыре квадратных метра.

Расчет освещения методом коэффициента использования светового потока.

Рассматриваемый метод заключается в определении значения коэффициента з, равного отношению светового потока, падающего на поверхность, к полному потоку осветительного прибора.

В практике расчетов значения коэффициентов з находится из таблиц, связывающих геометрические параметры помещения (индекс помещения) с их оптическими характеристиками (коэффициент отражения стен сст, потолка с_пот, пола с_пол).

В качестве источника света выбираем люминесцентную лампу ЛД30-1 мощностью 30 Вт и световым потоком, равным F=1960 лм по таблице 2-12 [10].

Необходимое количество светильников определяется по формуле (4.1)

 (3.8

где E_min- минимальное нормативное освещение для данного разряда работы (III в), 300 лк (для работы высокой точности);

S- площадь помещения, 14 м²; к- коэффициент запаса, 1.2;

z- поправочный коэффициент светильника равный 1.2 по табл.3.11[9];

F- световой поток одной лампы, 1960 лм; n- количество ламп в светильнике, 2;

з - коэффициент использования осветительной установки, определяется в зависимости от показателя помещения и коэффициента отражения от стен и потолка.

Индекс помещения определяется по формуле

(3.9

где a,b - соответственно длина 4 и ширена 3,5 помещения, м; h- расчетная высота подвеса.

Определение расчетной высоты подвеса

h_расч=H-(h_р.п+h_св), (3.10

где h_св - высота свеса светильника; Н- высота потолка.

h_расч=3-(1+0)=2 м.

По формуле (3.4).

На основании показателя помещения, который равен 0,93 и коэффициентов отражения потолка р_п=70% и стен р_ст=50% (т.к. потолок и стены покрашены в светлый цвет) определяем коэффициент использования осветительной установки по таблице 5.12[10]: з = 35% =0.35.

Тогда по формуле (3.6) необходимое количество светильников будет равна

Остаточное принимаем парное количество светильников 4 штук, которые размещены в 2 ряда.

Расстояние между светильниками

^LA,B^=--l--*--hрасч, (3.11)

где л - отношение расстояний между соседними светильниками или рядами светильников к высоте их установки над освещаемой поверхностью.

В длину LA=3*0,67=2м.

В ширину LB=3*0,58=1,75м.

Расстояние от стены до светильника (lA,B)

lA=0.5* LA=0,5*2=1 м,

lB=0.5* LB=0.5*1,75=0,875м.

Рисунок 3.1 - Схема расположения светильников

Таким образом для обеспечения персонала лаборатории освещением в 300 лк, необходимо использовать четыре светильника ЛД30-1 (см. рисунок 3.1), расположение которых показано на рисунке 1. Данное количество светильников обеспечит нужную освещенность и предотвратит все возможные нагрузки на зрительную деятельность персонала.

3.3 Правила техники безопасности и гигиены при работе на ПК

Персональный компьютер -- электроприбор. От прочих электроприборов он отличается тем, что для него предусмотрена возможность длительной эксплуатации без отключения от электрической сети. Кроме обычного режима работы компьютер может находиться в режиме работы с пониженным электропотреблением или в дежурном режиме ожидания запроса. В связи с возможностью продолжительной работы компьютера без отключения от электросети следует уделить особое внимание качеству организации электропитания.

1. Недопустимо использование некачественных и изношенных компонентов в системе электроснабжения, а также их суррогатных заменителей: розеток, удлинителей, переходников, тройников. Недопустимо самостоятельно модифицировать розетки для подключения вилок, соответствующих иным стандартам.

2. Все питающие кабели и провода должны располагаться с задней стороны компьютера и периферийных устройств. Их размещение в рабочей зоне пользователя недопустимо.

3. Запрещается производить какие-либо операции, связанные с подключением, отключением или перемещением компонентов компьютерной системы без предварительного отключения питания.

4. Компьютер не следует устанавливать вблизи электронагревательных приборов и систем отопления.

5. Недопустимо размещать на системном блоке, мониторе и периферийных устройствах посторонние предметы: книги, листы бумаги, салфетки, чехлы для защиты от пыли. Это приводит к постоянному или временному перекрытию вентиляционных отверстий.

6. Запрещается внедрять посторонние предметы в эксплуатационные или вентиляционные отверстия компонентов компьютерной системы.

Длительная работа с компьютером может приводить к расстройствам состояния здоровья. Кратковременная работа с компьютером, установленным с грубыми нарушениям гигиенических норм и правил, приводит к повышенному утомлению. Вредное воздействие компьютерной системы на организм человека является комплексным. Параметры монитора оказывают влияние на органы зрения. Оборудование рабочего места влияет на органы опорно-двигательной системы. Характер расположения оборудования в компьютерном классе и режим его использования влияет как на общее психофизиологическое состояние организма, так и им органы зрения.

Монитор рассматривают в основном как источник вредных излучений, воздействующих прежде всего на глаза. Сегодня такой подход считается недостаточным. Кроме вредных электромагнитных излучений (которые на современных мониторах понижены до сравнительно безопасного уровня) должны учитываться параметры качества изображения, а они определяются не только монитором, но и видеоадаптером, то есть всей видеосистемы в целом.

1. Монитор компьютера должен удовлетворять следующим между-народным стандартам безопасности:

- по уровню электромагнитных излучений -- ТСО 95;

- по параметрам качества изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства и др. ) -- ТСО 99.

2. На рабочем месте монитор должен устанавливаться таким образом, чтобы исключить возможность отражения от его экрана.

3. Расстояние от экрана монитора до глаз пользователя должно составлять от 50 до 70 см. Оптимально, размещение монитора на расстоянии 1,5 D от глаз пользователя, где D -- размер экрана монитора, измеренный по диагонали.

4. Важным параметром является частота кадров, которая зависит от свойств монитора, видеоадаптера и программных настроек видеосистемы. Для работы с текстами минимально допустима частота кадров 72 Гц. Для работы с графикой рекомендуется частота кадров от 85 Гц и выше.

В требования к рабочему месту входят требования к рабочему столу, посадочному месту (стулу, креслу), Подставкам для рук и ног. Несмотря на кажущуюся простоту, обеспечить правильное размещение элементов компьютерной системы и правильную посадку пользователя чрезвычайно трудно.

Так как оператор-хореограф и инженер проводят за компьютером много времени, обучить их правильной гигиене труда на достойном примере очень важно, чтобы полезные навыки закрепились на всю жизнь. Это не просто требование гигиены, а требование методики.

1. Монитор должен быть установлен прямо перед сотрудником и не требовать поворота головы или корпуса тела (см. рисунок 3.2).

Рисунок 3.2- Расположение монитора

2. Рабочий стол и посадочное место должны иметь такую высоту, чтобы уровень глаз пользователя находился чуть выше центра монитора (см. рисунок 3.3).



Рисунок 3.3- Расположение высоты монитора

3. Если при правильной установке монитора относительно уровня глаз выясняется, что ноги пользователя не могут свободно покоиться на полу, следует установить подставку для ног, желательно наклонную (см. рис. 3.4).

4. Клавиатура должна быть расположена на такой высоте, чтобы пальцы рук располагались на ней свободно, без напряжения, а угол между плечом и предплечьем составлял 100° -- 110°. При использовании обычных письменных столов добиться одновременно правильного " положения и монитора, и клавиатуры практически невозможно.

Рисунок 3.4- Схема работы за компьютером

5. При длительной работе с клавиатурой возможно утомление сухожилий кистевого сустава. Во избежание чрезмерных нагрузок на кисть желательно предоставить рабочее кресло с подлокотниками, уровень высоты которых, замеренный от пола, совпадает с уровнем высоты расположения клавиатуры.

6. При работе с мышью рука не должна находиться на весу. Локоть руки или хотя бы запястье должны иметь твердую опору. Если предусмотреть необходимое расположение рабочего стола и кресла затруднительно, рекомендуется применить коврик для мыши, имеющий специальный опорный валик.

3.4 Электробезопасность

При работе системы учитывать электробезопасность стоит учитывать для персонала работающего с приемниками системы. Непосредственную работу с приемниками осуществляют танцоры и инженер-проектировщик.

Напряжение 12 Вольт по правилам общей техники электробезопасности считается безопасным для жизни человека. То есть при прохождении тока через ткань человека с приложенным напряжением в 12 Вольт не приведет к гибели человека, а просто начнет сокращать мышцы. На самом деле мало приятного, когда попадаешь под напряжение, поэтому следует остерегаться касания открытых контактов к телу при включенном оборудование.

Для обеспечения электробезопасности при работе в 12 Вольт необходимо учитывать правильные работы при спаивание контактов, их изоляция согласно общим правилам изоляции и электробезопасности.

светомузыка автоматизация контроллер программный

4. Технико-экономическое обоснование

4.1 Технологическое описание процесса

Цель экономической части дипломной работы - при помощи всесторонней оценки, анализа и расчетов доказать экономическую целесообразность и техническую возможность разработки и реализации конкретной системы автоматизации.

В экономической части дипломной работы необходимо сформулировать цели проекта, выбрать альтернативные варианты осуществления капитальных вложений, обеспечивающие единство целей, на основе сравнительного анализа возможных вариантов объективно определить наиболее рациональный, рассчитать технико-экономические показатели проектируемого участка производства.

Таким образом, преимущества которые может дать внедрение автоматизации в систему:

1) снижение стоимости;

2) точность регулирования;

3) снижение затрат труда.

Для разработки автоматической системы беспроводного светового шоу был приняты следующие задачи и цели:

1) связь между костюмами и оператором должна быть беспроводной;

2) должно быть достаточное питание;

3) создание ПО для включения костюмов.

На основание поставленных задач были рассмотрены два варианта реализации системы. В данной дипломной работе рассматриваются два варианта разработки автоматизированного светового шоу. Первый вариант: «Разработка автоматической системы беспроводного светового шоу на базе контроллера Arduino», второй вариант: «Разработка автоматической системы беспроводного светового шоу на базе контроллера Raspberry pi».

4.2 Определение затрат в системах автоматизации

Вариант разработки системы на базе контроллера Arduino.

Для осуществления беспроводной связи использовались контроллеры компании Arduino, в связи с тем, что они являются свободно программируемыми и их коды полностью открыты производителем, цена и качество данных контроллеров приемлемы.

.(4.1)

Выражение в скобках является основными затратами необходимыми для приобретения оборудования.

, (4.2)

где - затраты на оборудование и заработную плату работникам принимающих участие в создание системы;

- затраты на оборудование необходимое для реализации системы

З_зп - заработная плата сотрудника.

Заработная плата рассчитывается по формуле

, (4.3)

где Ч - количество человек; М - количество месяцев необходимое на реализацию задачи; - заработная плата в месяц; 1,21 - коэффициент включающий в себя социальные и пенсионные отчисления;

В создании системы принимает участие один сотрудник: инженер-проектировщик. Рассчитаем затраты на заработную плату и оборудования необходимого для работы над системой.

Среднестатистическая заработная плата инженера проектировщика в месяц Рассчитаем заработную плату в процессе работы над системой по формуле (4.3)

, тг.

Произведем расчет затрат на оборудования необходимого для автоматизации системы. Состав оборудования необходимого для инженера проектировщика представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Оборудование инженера-проектировщика

Наименование	Количество	Стоимость, тг
Компьютер	1	60 000
Изоляционные материалы	1	5 000
Паяльник	1	5 000
Рабочий стол	1	15 000
	итого	85 000

Исходя из данных таблицы 4.1 и заработной платы инженера проектировщика, рассчитаем общие затраты необходимые персоналу для создания системы.

, тг.

К основным производственным затратам помимо , та же относится затраты на оборудование необходимое для реализации самой системы и затраты на пуска наладочные работы .

Перечень оборудования необходимого для создания системы представлены в таблице 4.2.

К пуско - наладочным работам относится подключение программируемого контроллера к программатору Arduino IDE, загрузку программного кода во все контроллеры и его подключение к программному обеспечению Vixen необходимого для работы оператора.

Исходя из выше перечисленного, пусконаладочные работы требуют затраты на программатор и программное обеспечение. Программатор является бесплатной программой компилятором, предоставляемой компанией разработчиком контроллеров Arduino.

Программное обеспечение Vixen, является запатентованным ПО, которое необходимо приобрести согласно лицензионному соглашению. Следовательно к затратам пуска наладочным работ следует отнести стоимость программного обеспечения Vixen, стоимость которого 18 000 тг, а так же 5% от стоимости оборудования автоматизации т.е.

, тг.

Таким образом основные производственные фонды равны

, тг.

Амортизация - процесс постепенного переноса стоимости основных средств на производимую продукцию. Норма амортизации -- это установленный годовой процент возмещения стоимости изношенной части основных средств.

Согласно статье 120 НК РК нормы амортизационных отчислений делятся на четыре группы по фиксированным активам. Система автоматического управления светового шоу относится к четвертой группе, норма амортизации которой равна .

Следовательно издержки на автоматизацию равны.

, тг.

Одним из показателей затрат является заработная плата персонала обслуживающего систему автоматизации. Работник обслуживающий является оператор-хореограф. Заработная плата обслуживающего персонала рассчитывается по формуле (4.3)

, тг.

Таблица 4.2- Оборудование системы на базе контроллера Arduino

Наименование	Ед.	Кол.	Цена за ед., тг	Общая цена, тг
Контроллер Arduino	шт	6	8000	48000
Шейлд беспроводной связи	шт	6	4 000	24000
Шейлд потенциометр	шт	5	1 000	5000
Инвертор	шт	15	1000	15000
Батареи АА	шт	15	100	1500
Защитные блоки	шт	5	500	2500
UTP кабель	м	10	75	750
Холодный неон	м	150	700	105000
Костюмы	шт	5	7 000	35000
			Итого	236750

Данную заработную плату получается обслуживающий персонал в год. - затраты на потребляемую мощность рассчитываются по формуле

, (4.4)

где Р_у- потребляемая мощность;

Т_м - число часов использования установленной мощности.

В системе автоматизации светового шоу, средняя электрическая мощность потребляемая всеми устройствами , а время работы системы 24 часа в год. Исходя из этого произведем расчеты затрат на электричество в год

, тг.

- прочие расходы. Затраты, косвенно связанные с производством продукции, работ, услуг, не входящие в себестоимость продукции. Прочие расходы рассчитываются как 30% от заработной платы обслуживающего персонала. Таким образом в год примерно равняются:

, тг.

- затраты необходимые на ремонт оборудования. Рассчитывается как 15% от амортизационных отчислений

, тг.(4.5)

Для реализации системы автоматического управления световым шоу, необходимо привлечь начальные инвестиции на сумму равную . Необходимо взять кредит сроком на . Срок погашения кредита вычисляется исходя из нормы амортизационных отчислений, как срок службы оборудования

.(4.6)

Таким образом рассчитывается ежегодные выплаты по кредиту

,

где Р- процентная ставка банка равная 12% Таким образом:

, тг.

Подставляя все просчитанные затраты выше в формулу (4.1) получим затраты на реализацию системы.

Вариант разработки системы на базе контроллера Raspberry pi.

При разработке системы на базе контроллера Raspberry pi, необходимо произвести перерасчет затрат, т.к. цена данных контроллеров дороже по отношению к Arduino и требуют больших знаний в программирование данных контроллеров.

,

где - затраты на оборудование и заработную плату работникам принимающих участие в создание системы;

- затраты на оборудование необходимое для реализации системы

- заработная плата сотрудника. Заработная плата рассчитывается по формуле (4.3)

, тг,

, тг.

К основным производственным затратам помимо , та же относится затраты на оборудование необходимое для реализации самой системы и затраты на пуска наладочные работы .

Перечень оборудования необходимого для создания системы представлены в таблице 4.3.

К пуско-наладочным работам относится подключение программируемого контроллера к программатору Python, загрузку программного кода во все контроллеры и его подключение к программному обеспечению Vixen необходимого для работы оператора.

Исходя из выше перечисленного, пусконаладочные работы требуют затраты на программатор и программное обеспечение. Программатор является бесплатной программой компилятором.

Таблица 4.3- Оборудование системы на базе контроллера Raspberry pi

Наименование	Ед.	Кол.	Цена за ед., тг	Общая цена, тг
Контроллер Raspberry pi	Шт	6	10000	60000
Шейлд беспроводной связи	Шт	6	7 000	42000
Шейлд потенциометр	Шт	5	1 500	7500
Шейлд COM порт	Шт	6	2 000	12000
Инвертор	Шт	15	1000	15000
Батареи АА	Шт	15	100	1500
Защитные блоки	Шт	5	500	2500
UTP кабель	М	10	75	750
Холодный неон	М	150	700	105000
Костюмы	Шт	5	7 000	35000
			Итого	281250

Программное обеспечение Vixen, является запатентованным ПО, которое необходимо приобрести согласно лицензионному соглашению. Следовательно к затратам пуска наладочным работ следует отнести стоимость программного обеспечения Vixen, стоимость которого 18 000 тг, а так же 5% от стоимости оборудования автоматизации т.е.

, тг.

Таким образом основные производственные фонды равны

, тг.

Следовательно издержки на автоматизацию равны

, тг.

Заработная плата обслуживающего персонала рассчитывается по формуле (4.3)

, тг.

Данную заработную плату получается обслуживающий персонал в год. - затраты на потребляемую мощность рассчитываются по формуле (4.6)

,

Где Р_у - потребляемая мощность;

Т_м - число часов использования установленной мощности; Затрат на электричество в год

, тг.

- Прочие расходы в год примерно равняются:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

, тг.

- затраты необходимые на ремонт оборудования

, тг.

Срок службы оборудования следующим образом

Таким образом рассчитывается ежегодные выплаты по кредиту

,

где Р- процентная ставка банка равная 12%.

, тг.

Затраты на реализацию системы.

Исходя из расчетов двух вариантов реализации системы, видно что явного экономического эффекта, с точки зрения затрат, одной системы по отношению к другой нет.

Следовательно выбор приемлемой системы выбирается исходя из простоты реализации системы. В данном случае это разработка автоматической системы беспроводного светового шоу на базе контроллера Arduino, т.к. данный вариант не требует большего количества человеческих ресурсов и знаний в создание системы.

Заключение

В ходе выполнения работы было проанализировано понятие светомузыки ее эстетические и психофизиологические основы. В работе на основе понятий света и музыки формируется понятие светомузыки и ее описание на техническом уровне. Так как понятия света, музыки и танца являются явлениями разной природы, их сочетание на материальном уровне было невозможным, но на уровне психологическом эти явлении гармонируют как одно целое.

Существует мнение, что светомузыка - это и есть то искусство, в котором не только возможно, но просто необходимо использовать принципы автоматики, в данной работе рассматривается вариант разработки автоматической системы беспроводного светового шоу.

На основании понятий о светомузыке рассматривается реализация системы на техническом и на программном уровне. Был проведен подробный анализ существующих систем.

Одна из основных задач охраны труда заключается в обеспечении безопасности труда человека, т.е. создание таких условий труда. На основе расчетов было решено, что в лаборатории инженера проектировщика необходимо установить четыре светильника типа ЛД30-1. Так же для обеспечения необходимой освещенности лаборатории необходимо учесть окно с одной стороны площадью четыре квадратных метра.

В ходе выполнения работы были учтены не маловажные аспекты охраны труда, это правила техники безопасности и гигиены при работе на ПК, а так же электробезопасность персонала.

На базе расчетов затрат на разработку системы доказана экономическая целесообразность и техническая возможность разработки и реализации системы. На основание оценки и анализа системы, системы разработана оптимальным образом исходя из критериев минимальных затрат, качества и простоты реализации.

Таким образом в данной работе была разработана совершенно новая система автоматического управления беспроводным световым шоу с оптимальным решением задач безопасности персонала и оптимальными затратами на ее реализацию.

Список литературы

1. Айзенберг Ю.Б. и Др. Дом Света -- центр светотехнической пропаганды. -- «Светотехника», 1975.- № 7.- С. 1--3.

2. Ашкенази Г.И., Шкап Л.Ц. Некоторые вопросы цветомузыки.-- «Сценическая техника и технология», 1971.- № 3--4.- С. 28--31.

3. Берман В. Цвет и музыка Скрябина. -- «(Зоветский экран», 1973.- № 15.- С. 11.

4. Воплощенные мечтания рыцарей электроники. -- «Техника -- молодежи», 1973.- № 4.- С. 20--23.

5. Галеев Б.М. Рассказ о видимой музыке. -- В кн.: Панорама. Вып. 1, М.: «Молодая гвардия», 1967.- С. 128--138.

6. Галеев Б.М. Скрябин и Эйзенштейн.--«Волга», 1967.- № 7.- С. 150--162.

7. Галеев Б.М. Скрябин и развитие идеи видимой музыки.-- В кн.: Музыка и современность. Вып. 6.- М.: «Музыка», 1969.- С. 77--141.

8. Галеев Б.М. Светомузыка и техника. -- «Радио», 1969.- № 9.- С. 21--22.

9. Абдимератов Ж.С., Мананбаева С.Е. Безопасность жизнедеятельности. Методические указания к выполнению раздела «Расчет производственного освещения» в выпускных работах для всех специальностей. Бакалавриат. - Алматы: АИЭС, 2009.

10 Справочная книга для проектирования электрического освещения. Под ред. Г.М. Кнорринга.- Л.: «Энергия», 1976.-384 с.

11...