XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

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.

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]

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.

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 16х2.

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 ктонибудь в данный момент системой, а также проверить состояние модулей.

Рис. 2. Структурная схема системы «Умный дом»

Рис. 3. Панель контроля (управления) системой «Умный дом»

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 А0 подключен индикатор сетевого напряжения, на вывод А1- датчик тока ACS-712. Он служит для замера переменного тока в цепи, необходим для замера потребляемой мощности, предотвращения перегрузки и короткого замыкания. [3]

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

Отправлять текущее значение тока;

Отправлять текущее значение напряжения;

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

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»

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 А0, 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

Энергоаудит, теплоучет и энергосбережение, [Электронный ресурс] // Умный дом.

URL: http://efarostov.ru/istoriya_ymnogo_doma.htm/ (дата обращения: 11.10.17)

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

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

Код для цитирования: Скопировать