Программное обеспечение информационно-управляющей системы для "Умного дома"

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

Курсовой проект на тему:

“Программное обеспечение информационно-управляющей системы для Умного дома”

Выполнил: Бондарьков Д.П.

группа ИУ3-101

Москва, 2013



Введение

Значительная часть электроэнергии в любом здании затрачивается на освещение. Зачастую используются устаревшие лампы накаливания, потребляющие много электроэнергии. При этом мы часто освещаем пустые помещения и не выключаем свет днём, когда и так ярко. Данная проблема требует комплексного подхода. С одной стороны - замена осветительных приборов, с другой - усовершенствование самого подхода к освещению.

В помещениях зачастую устанавливается слишком большое количество ламп и часто эти лампы в сумме дают неоправданно высокий уровень освещенности, не нужный для человека при обычных условиях, а иногда даже мешающий его деятельности.

Необходимо для начала задать требования к системе и разобраться, что такое уровень освещенности и каким он должен быть при различных условиях.



Требования к системе

- Система должна обеспечивать в помещении оптимальный уровень освещенности.

- Система должна учитывать время суток и освещенность в помещении, и, в зависимости от этого, при необходимости, его изменять.

- Система должна знать, находятся ли люди в помещении, соответственно вести их подсчет.

- Система должна быть экономной.

- Пользователь должен иметь возможность управлять системой в зависимости от потребностей.

- Система должна иметь несколько сценариев работы.

- Пользователь должен иметь возможность дополнять систему в зависимости от нужд.

Уровень освещенности

Видимые лучи, посылаемые источником света, называются световым потоком (ф), за единицу измерения которого принят люмен (Лм). Если световой поток встречает на своем пути какую-либо поверхность, то эта поверхность получает определенную освещенность, измеряемую в люксах (Лк), причём 1 Лк = 1 лм/м2.

Плотностью светового потока (L) определяется яркость излучающей свет поверхности независимо от того, сама ли она излучает свет (первичный излучатель), либо только отражает или пропускает световые лучи (вторичный излучатель, например, освещенные поверхности стен, пола, потолка).

Освещённость помещения определяется освещенностью горизонтальной поверхности на высоте 0,85 м от уровня пола (примерно на уровне верха стола). Помещение может иметь различную освещенность (E).

Отношение Емин/Еср служит для оценки равномерности освещения (табл. 1).

Средняя освещенность Eср поверхности является результатом действия прямого и отраженного (от потолка, стен и пола) световых потоков. Рекомендуемая освещенность приведена в табл. 1. [6]

Требования к освещенности при различных видах производственной деятельности с учетом типа помещений

Таблица 1. Уровни номинальной освещённости по DIN 5035 [7]

Освещенность жилых помещений

Уровень	Номинальная освещенность, Е, лк.	Вид деятельности, соответствующий уровню освещенности по DIN 5035
1	15	Ориентация при временной остановке
2	30
3	60	Работа с крупными деталями с высокой контрастностью
4	120
5	250	Работа с деталями средней крупности со средней контрастностью
6	500
7	750	Работа с мелкими деталями с низкой контрастностью
8	1000
9	1500	Работа с очень мелкими деталями с очень низкой контрастностью
10	2000
11	30000	Особые случаи, например освещение операционного поля
12	50000 и более

Таблица 2. Уровни освещённости жилых помещений [7]

Назначение помещения	Рекомендуемая освещенность, лк.
Лестничная клетка	60
Прихожая	60
Жилые комнаты	120 - 250
Кухня	250
Ванная	250
Подвал, чердак	60



Как итог можно определить, что для большинства офисных помещений достаточной является освещенность в 120 - 250 лк, складских помещений - 60 - 120 лк, производственных помещений - 120 - 500 лк.

Энергосбережение.

Причина перехода на энергосберегающую продукцию. Сравнение и простой математический расчет экономии и выгода от покупки в долгосрочной перспективе.

Сегодня многие говорят о новых энергосберегающих технологиях. Что в ближайшее время традиционные «лампочки Ильича» доживают свой Век и наступает новая эра, а точнее электротехническая светодиодная революция.

Этот вопрос поднялся на государственный уровень. Начиная с Президента, который дал поручение государственным корпорациям «Росстехнологии» и «Роснано», внедрить энергосберегающие технологии, ввиду того, что электроэнергия расходуется не эффективно и пришло время сломать стереотипы и шагнуть в ногу со временем. Будут построены заводы, в короткий срок, на территории России, где будут производить светодиодную продукцию и уже существуют лаборатории по их изготовлению, хотя их очень мало и стоимость пока высока, по сравнению со светодиодами из стран Азии.

Что же нам предлагают современные технологии и Государство в лице этих технологий? В чем особенности светодиодных ламп? И в чем преимущества их, перед обыкновенными лампами накаливания? Попробуем взглянуть на это своими глазами, не вдаваясь особо в политику и технологический процесс производства, а посмотрим на готовый продукт глазами потребителей.

На российском рынке эта продукция существует уже несколько лет. И широкий резонанс это дало только тогда, когда у нас все идут отголоски финансового кризиса. Что стоимость энергоносителей повышается и часто не обосновано. Государство, наконец-то обратило внимание на современные новинки. Хотя люди, которые следят за новыми технологиями всегда в теме и первыми начинают их применять, получая выгоду сразу, не ожидая спада цен в ходе конкурентной борьбы за покупателей, к этому времени, эти люди уже окупают свои расходы. Да, на раннем этапе это покажется дорогим удовольствием, но есть свои преимущества и практически нет минусов. Но вскоре, можно убедиться, плюсов гораздо больше и всему сопутствует абсолютная выгода.

Сравнение.

Лампы накаливания потребляют номинал своего обозначения плюс пять или семь процентов потерь. Получается, что лампа, потребляющая 75Вт, на самом деле потребляет 78Вт, а может и больше. Ко всему еще, всего 95% электричества превращается в тепло и только 5% в свет, это очень маленькая цифра, мало того, это тепло повышает опасность возгорания. А постепенное испарение вольфрамовой проволоки быстро выводит лампочку из строя, также она легко бьется, а внутри ее вредные вещества. Что не сказать о новых лампах, у которых нет мерцания, а только равномерный свет, нет и вредоносных веществ, и еще, они очень прочные и практически не греются.

Сравним, лампочку 75Вт с аналогом светодиодной лампы. Соответствие аналогу будет всего 10 Вт. Почти в раз 7,5 потребляет меньше, освещаемость лучше, как и КПД . Также лампы 40Вт=5Вт и 15Вт=120Вт соответственно светодиодным аналогам.

Срок службы обычной лампы 1 год, а вот светодиодной 5 лет, но с небольшой оговоркой, если используя ее 10-12 часов в сутки, то можно продлить ее срок службы до 12 лет.

Какие лампы энергосберегающие заменят лампы накаливания:

Энергосберегающая лампа (КЛЛ), Ватт	9	11	15	20	26	45	55	85	105	125	150	200
Лампа накаливания (ЛОН), Ватт	40	60	75	100	130	225	275	425	525	625	750	1000

лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 25 Вт -- 100 °C, 40 Вт -- 145 °C, 75 Вт -- 250 °C, 100 Вт -- 290 °C, 200 Вт -- 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут [6]

нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников. [6]

К примеру, светодиодная лампа мощностью 4Вт и стандартным цоколем Е27 является аналогом лампы накаливания мощностью 75Вт. Ее самой горячей частью является цоколь и за первые 1- минут его температура составила всего 40С и впоследствии не превышала 61С [7]

Расчет выгоды

Возьмем промежуток 5 лет, столько минимум, проработает одна светодиодная лампочка стоимостью в среднем 500 рублей - это за 10Вт. На этот же период нам понадобится 50 ламп накаливания 75Вт по 8,5 рублей каждая и за 50 ламп - это 425 рублей. То есть, одна светодиодная лампа заменит 50 обычных. По цене и не такая большая разница, скажете вы: 500 и 425 руб.

Рассчитываем расход электроэнергии, которую израсходует лампа накаливания и светодиодная лампа за 5 лет. 3750 кВт, столько съедает наша обычная лампочка и только 500 кВт светодиодная. Теперь умножим эти цифры на стоимость 1кВт, моя цифра, на данный момент это 2,4 руб. за кВт, у вас она, повторюсь, может меняться.

Таким образом мы выяснили, что за 5 лет расход электроэнергии обычной лампы 9113-00 руб. и всего 1215-00 руб. светодиодной.

Прибавим расходы на покупку ламп, плюс общую стоимость расхода электроэнергии, за те же 5 лет. У традиционной лампы это 9538-00 руб. и 1715-00 руб. у светодиодной. Теперь, осталось всего лишь рассчитать, сколько экономии при замене одной светодиодной лампы мы получаем? Это цифра ровняется: 7823-00 руб. Вот эта разница в 7,5 раз, даже с небольшим плюсом, экономии на покупку и расходов на электроэнергию.

Не стоит забывать, что на лампы накаливания вводится запрет и их тем самым, постепенно выведут из оборота. Это одна из программ Государственной политики в области электротехнических перспектив.

Расчет суточного, недельного и месячного потребления ламп накаливания и светодиодных ламп.

Если лампочка мощностью в 100 Вт работала на протяжении 1 часа, её работа потребовала 100 Вт·ч энергии, или 0,1 кВт·ч. 40-ваттная лампочка потребит такое же количество энергии за 2,5 часа. Мощность электростанции измеряется в мегаваттах, но количество проданной электроэнергии будет измеряться в киловатт-часах (мегаватт-часах).

График часов пользования лампой показывает среднее время, при котором включается освещение, соответственно тратится энергия.

Дни, в которые электричество не используется вовсе, не учитываются. Среднее дневное время работы за неделю равно 6 часов 42 минуты.

Несложно просчитать энергопотребление ламп накаливания и светодиодных ламп в течение недели, умножив энергопотребление на количество часов:

	Накаливания (ВТ/ч)	Светодиодная (Вт/ч)
пн	600	80
вт	300	40
ср	450	60
чт	750	100
пт	225	30
сб	600	80
вс	450	60
	Накаливания	Светодиодная
	75Вт	10Вт

Из графика ясно видно преимущество использования светодиодной лампы.

Выгоду от простого выключения света и типичный режим работы датчиков в зависимости от дневного освещения можно видеть на изображении (свет включен только когда люди находятся в помещении):

Если же применить ещё и диммирование, то получается следующая картина (еще большая экономия, яркость искусственного освещения регулируется в зависимости от естественного):

Среди минусов можно отметить что при ярком солнце, отдельных облаках и сильном ветре, может оказаться так, что датчик постоянно щелкает светом.

Варианты использования системы.

Система должна быть направлена как на удобство пользователя, так и на уменьшение потребления электроэнергии. Но что должно волновать человека, который задумается о внедрении такой системы? Ниже - несколько примеров:

Экономия электроэнергии заключается не только в замене ламп, но и в целом комплексе мер: использование светильников с высоким КПД, замена энергозатратного оборудования на энергоэффективное и так далее. Чтобы начать существенно экономить, кроме энергосберегающих ламп, было бы неплохо купить новый холодильник или стиральную машину.

Энергопотребление также можно значительно сократить, если свет будет включаться лишь в присутствии человека, а выключаться по уходу. В среднем время работы лампы можно сократить в полтора раза. Здесь необходимо учитывать индивидуальные факторы, зависящие от места освещения и от потребностей человека.

Человек может сидеть практически целый день на рабочем месте, а может перемещаться по зданию между кабинетами, в зависимости от типа работы. Соответственно время работы лампы будет разным.

Если брать частное помещение, например ванную комнату или спальню, то энергопотребление будет иным и, скорее всего, отличаться в меньшую сторону, так как в спальне свет включают, как правило, перед сном, а в ванной комнате по потребности.

Соответственно, было бы крайне удобно и целесообразно, в целях экономии электроэнергии, использовать освещение лишь тогда, когда это необходимо и выключать, если в помещении никого нет. Для этого можно использовать датчик движения.

Есть несколько вариантов исполнения системы автоматического включения/выключения освещения. Во-первых, свет в помещении может включаться по сигналу с датчика, когда тот засек движение. Это самый простой сценарий, так как не нужна практически никакая интеллектуальная программная составляющая. Котроллер принимает сигал с датчика движения и включает свет через реле.

Информационно-управляющая система

умный дом программный освещенность

В проекте представлена совокупность программных и аппаратных решений для реализации взаимодействия пользователя с домашними электронными устройствами на расстоянии. В частности - управление светодиодом с помощью Android-коммуникатора или планшета. Диод будет подключен к плате Arduino. Плата имеет расширение ZigBee, которое позволяет в дальнейшем вместо диода использовать любые осветительные, нагревательные и иные электроприборы, питающиеся от сети 220В (понадобится релле).

Для этого нам необходимо создать базу данных, в которой будет храниться информация о состоянии светодиода, программу, которая обрабатывает эту информацию на компьютере, и приложение для телефона/планшета, с помощью которого реализуется управление.

В качестве основной среды разработки был выбран processing, так как это новый, стремительно развивающийся и интересный язык.

Processing [3]-- открытый язык программирования, основанный на Java. Представляет собой лёгкий и быстрый инструментарий для людей, которые хотят программировать изображения, анимацию и интерфейсы. Используется студентами, художниками, дизайнерами, исследователями и любителями, для изучения, прототипирования и производства.

Он создан для изучения основ компьютерного программирования в визуальном контексте и служит альбомным программным обеспечением (имеется в виду то, что каждый *.pde файл визуальной оболочки Processing'а представляет собой отдельное изображение или анимацию, и т. д.) и профессиональным производственным инструментом.

Processing -- это открытый проект, инициированный Беном Фраем и Кейси Ризом. Он родился из идей, изученных в The Aesthetics and Computation Group в MIT Media Lab. Программирование для Android или processing выполняет все те же основные функции, что и Processing для десктопа - 2D и 3D визуализацию; манипулирование данными, изображениями и типами - кроме того, можно использовать в коде вызов стандартных API-функций Android прямо в проекте. Processing контролирует экран, на котором выполняется отрисовка.

Рис.8

Интерфейс компилятора крайне простой, но удобный. На панели инструментов только самое необходимое - запуск/остановка компиляции проекта (скетча), запуск/остановка приложения, сохранение, переключение между кроссплатформенными режимами (Android/Java), включение Serial Monitor - очень полезного встроенного текстового визуализатора реального времени.

MySQL

Существует ряд специализированных программ, позволяющих управлять базами данных, такие, как Oracle, FireBird или MySQL.

ORACLE, к примеру, предназначен для больших проектов. Он сложен в освоении и рассчитан скорее на крупные предприятия, чем на частный сектор пользователей.

MySQL можно скачать вместе с веб-сервером и интерпретатором PHP в пакете Denwer (или, например - TopServer), затем достаточно установить - и все будет работать. Лично я пользовался для администрирования и запуска SQL-кода средством SQLyog. Все очень просто и легко. Создавать, изменять и удалять объекты можно с помощью кликов мышью. Для начинающего пользователя данная система - идеальна. По умолчанию пользователь имеет имя root и пустой пароль. Поэтому обязательно надо создать нового пользователя и задать ему необходимые привилегии и пароль. Все настройки осуществляются базе mysql. В качестве системы управления базой данных будет использоваться MySQL.

MySQL - свободная система управления базами данных.Он является решением для малых и средних приложений. Входит в состав серверов WAMP, AppServ, LAMP и в портативные сборки серверов Денвер, XAMPP. Обычно MySQL используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удалённые клиенты, однако в дистрибутив входит библиотека внутреннего сервера, позволяющая включать MySQL в автономные программы.

Гибкость СУБД MySQL обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы типаMyISAM, поддерживающие полнотекстовый поиск, так и таблицы InnoDB, поддерживающие транзакции на уровне отдельных записей. Более того, СУБД MySQL поставляется со специальным типом таблиц EXAMPLE, демонстрирующим принципы создания новых типов таблиц. Благодаря открытой архитектуре и GPL-лицензированию, в СУБД MySQL постоянно появляются новые типы таблиц.

В качестве графического интерфейса для работы с базой данных я использовал SQLyog [4], поскольку в нем есть все необходимые функции, потребление оперативной памяти минимально, по сравнению с аналогами, такими, как GUI, за счет упрощенного интерфейса.

SQLyog -- это графический интерфейс пользователя для системы реляционных баз данных MySQL. Отличается от других интерфейсом широким спектром возможностей, гибкостью в настройке и простотой.

SQLyog

Главные функции SQLyog:

Конструктор запросов (доступен в BETA версии)

Умное автозавершение

Интеллектуальное дополнение кода

Туннелирование HTTP и HTTPS

Туннелирование SSH

Инструмент миграции в виде wizard.

Синхронизация Структуры/Данных [4]

Полноценная поддержка Юникода.

Окно подключения SQLyog к базе данных выглядит следующим образом:

Рис.9

Интерфейс весьма нагляден и удобен:

Рис.10

Программная часть

На веб-сервере при помощи MySql Server создаем БД с таблицей led. Таблица led содержит 2 поля - id и status. Она содержит одну запись с актуальным состоянием светодиода.

Далее пишется скрипт led.php, он вызывается с телефона и передает информацию о состоянии светодиода для базы данных.

Идея состоит в том, что программа-обработчик получает данные с устройств, подключенных к Arduino, и отправляет их в таблицы базы данных проекта. Эту информацию в дальнейшем можно просмотреть из любого места с помощью Android-устройства. Программа, которая может быть написана на том же Processing или при помощи SDK for Eclipse, контактирует с сервером и интерпретирует в удобный для пользователя графический вид.

Итак, нам нужен домашний сервер. На нем будет постоянно работать программа (можно даже назвать ее - демон), посылающая запросы к БД и при изменении находящейся там информации, посылающая на COM-порт с ардуино соответствующую команду. Программа написана на языке processing.

Затем необходимо написать программу для Arduino [5].

Задача ардуино состоит в прослушивании того, что программа-демон на домашнем сервере посылает на COM-порт, к которому и подключена ардуино (хотя фактически подключение идет по USB-кабелю, но компьютер распознает его как последовательный порт). После получения каких-либо данных с компьютера, контроллер по первому символу переданной информации распознает код команды. Далее в зависимости от кода и следующей за ним информации выполняется включение/выключение светодиода.

Написание приложения для Android

Как уже говорилось ранее, приложение можно написать как на языке processing, так и в среде разработки Eclipse. Визуализацию проще делать при помощи SDK for Eclipse, а привязку к кнопкам - в processing. Но для отладки приложения в любом случае необходим SDK. Ниже представлен фрагмент кода, вызывающий скрипт led.php, управляющий светодиодом:

public void changeLED()

{

Try

{

URL url1 = new URL("http://domenID.ru/led.php");

HttpURLConnection urlConnection = (HttpURLConnection) url1.openConnection();

try

{

InputStream in = new

BufferedInputStream(urlConnection.getInputStream());

}

finally {

urlConnection.disconnect();

}

}

catch (Exception e)

{

}

}

Запуск приложений через эмулятор крайне долог и зачастую требует дополнительной отладки, но проверить большинство приложений, как правило, не составляет труда. Проще же открыть только что написанное приложение непосредственно с самого телефона/планшета. Processing сам подгоняет изображение под размер экрана, что существенно упрощает дальнейшую отладку.

Внешний вид приложения может быть разработан специально как для частных домов, так и для офисов и предприятий, в зависимости от потребностей. Ниже приведен пример красочной реализации визуальной составляющей приложения, ориентированного на конкретного пользователя:



Выводы

В данной работе мною был разработан план передачи информации внутри системы автоматизированного дома, представлен пример управления системой конечным пользователем и описана экономическая выгода от внедрения системы в целом.

В ходе работы были выявлены некоторые трудности в технической составляющей, такие, как оптимизация взаимодействия протоколов, отладка приложения под Android и необходимость создания базы данных непосредственно на веб-сервере.

В результате можно сказать, что выбранная комбинация программных и аппаратных решений является наиболее простой и доступной. Конечному пользователю нет необходимости пользоваться услугами сторонних специалистов по автоматизации, что, безусловно, сказывается на затратах. В дальнейшем, программная часть будет реализована в виде дистрибутива для персонального компьютера и .apk-приложения для мобильного устройства, без необходимости дополнительной настройки, что позволит ориентироваться не только на людей, знакомых с программированием, но и на простых пользователей.

Размещено на Allbest.ru

...