РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МОДУЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕМ СИСТЕМЫ "УМНЫЙ ДОМ"
Каховский Д.А., Завадская Т.В.
ГОУВПО "Донецкий национальный технический университет" кафедра компьютерной инженерии
E-mail: Harbinger1994d@yandex.ru
Аннотация
Каховский Д.А., Завадская Т.В. Разработка и исследование алгоритмов управления модуля энергосбережением системы "умный дом". Спроектирована аппаратная часть модуля энергосбережения системы "умный дом". Разработаны алгоритмы анализа энергетического потребления помещения и его климатических показателей в реальном времени.
Общая постановка проблемы
В современной тенденции перехода на альтернативные источники электроэнергии, а так же, учитывая высокую стоимость энергетического сырья, появилась проблема неэффективного использования электроприборов и отопительных систем. В связи с высокой стоимостью и труднодоступностью фирменных систем автоматического управления электропитанием жилых помещений, появилась задача разработки относительно дешевой системы "умный дом", с возможностью дистанционного управления и мониторингом состояния в режиме реального времени. Важная цель работы - реализовать систему "умный дом" с минимальными материальными затратами.
Исследования
Проектирование системы можно разделить на 2 части:
Аппаратную.
Программную.
Аппаратная часть системы будет представлена платформой Arduino (рис.1) с расширениями и физическими модулями. Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств, более тесно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры. В данной работе будет использована версия платформы Arduino UNO – самая популярная версия базовой платформы Arduino с USB-интерфейсом и возможностью подключения большого разнообразия плат расширения. Эта платформа предназначена для физических расчетов (physical computing) с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для разработки программного обеспечения [1].
Рисунок 1 - Внешний вид платформы Arduino UNO
Arduino использует микроконтроллер Atmega328, который имеет 32 Кб флеш памяти. Этого будет вполне достаточно для выполнения возложенной на платформу задачи. Остальная обработка будет распределена на веб-ресурс.
Микроконтроллеры Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика. С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов и соединяется с компьютером через USB-интерфейс [2].
Для осуществления дистанционного управления устройством, необходимо подключить устройство к сети Интернет. В ходе проектирования будет использована плата расширения Arduino Ethernet.
Так как система должна быть универсальна и интуинивно понятна любой группе пользователей, то необходимо использовать неинвазивный метод подключения системы к электросети помещения. Для определения общего энергопотребления помещения будет использован датчик переменного тока CST-013-000 100A (рис.2) с внешним подключением (монтаж происходит поверх силового провода). Такие же датчики будут использованы для определения работы электроприборов.
Рисунок 2 - Внешний вид датчика переменного тока CST-013-000
Управление приборами осуществляется с использованием плат реле Arduino Relay 10A, с напряжением питания 5В, что соответствует напряжению питания используемого микроконтроллера. На реле будут поступать управляющие сигналы по средствам радиоканала на частоте 433 МГц. Такой метод подключения позволяет избавиться от использования схем согласования, организовать полностью дистанционное управление, а так же упрощает начальную установку системы в любое помещение.
Набор датчиков для климатического мониторинга помещения подбирается индивидуально, в зависимости от поставленной задачи и параметров помещения, но стандартно в системе используются датчики температуры.
В целях автоматизации системы, а так же что бы предотвратить человеческий фактор – система должна отслеживать наличие людей в помещении. В жилых домах эта функция будет реализована проверкой наличия ключа в замочной скважине входной двери. При отсутствии ключа в течении 30 минут, система отключит все включенные приборы освещения.
В итоге на аппаратную часть возложена задача опроса всех типов датчиков, передача управляющих сигналов по радиоканалу, а так же отправка полученных данных на веб-ресурс, с целью мониторинга и дальнейшей обработки.
Программная часть системы представлена в программном коде микроконтроллера (Arduino скетч) и веб-ресурсе, который позволит дистанционно управлять системой "умный дом" и проводить анализ всех показателей системы.
Веб-ресурс должен иметь систему защиты. Для этого необходимо установить модуль авторизации пользователя. Это позволит избежать злоумышленного вмешательства в важные данные веб-ресурса. Схема обмена информацией системы с веб-ресурсом представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема обмена данными
В работе будет использованы инструменты СУБД phpMyAdmin. Они позволят удобно передавать данные между объектами системы, защитить данные при помощи авторизации и хранить все показатели в базе данных веб-ресурса, с целью их дальнейшего использования. Остальные обработки данных будут реализованы с помощью PHP и JavaScript.
Алгоритм будет анализировать климатические показатели помещения, автоматически регулируя отопительные приборы или же рекомендовать пользователю дистанционно провести изменения в системе, а так же предотвращать использование осветительных приборов, если в помещении нет людей.
Важное значение будет иметь интерфейс пользователя. Он должен быть максимально интуитивно понятен и прост для обычного пользователя. Сайт управления системой будет доступен как на стационарных ПК, так и на любых видах портативных устройств.
Для удобного представления информации - будут использованы таблицы показателей датчиков, дневные диаграммы температур и т.д.
Выводы
Разрабатываемая система управления исключит вероятность того, что неиспользуемые в данный момент приборы будут потреблять электроэнергию. Это позволит улучшить энергосбережение используемого помещения и получить экономическую выгоду. А так же даст возможность из любой точки мира осуществлять мониторинг состояния помещения, такие как температура помещения, общее электропотребление, и наличие активных электроприборов.
Литература
1. Официальный сайт Ардуино/ Интернет-ресурс. – Режим доступа: http://arduino.ru/About
2. Википедия - свободная энциклопедия, статья "Arduino"/ Интернет-ресурс.– Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
3. Сообщество "Arduino, AVR, и просто интересные проекты" Интернет-ресурс.– Режим доступа: http://devicter.blogspot.com/