Реферат по теме магистерской работы

Разработка и исследование алгоритмов управления модуля энергосбережением системы «умный дом»

Введение
1 Актуальность темы
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
3. Обзор исследований и разработок
3.1 Обзор международных источников
3.2 Обзор национальных источников
3.3 Обзор локальных источников
4. Разработка устройства
Выводы
Литература

Введение

С начала нового тысячелетия человечество шагает в эпоху новых технологических открытий, одним из которых является бытовая автоматизация. Время современного человека имеет огромную ценность и такие системы автоматизации как «умный дом» существенно экономят этот жизненно-важный ресурс. Включить кондиционер, выключить свет в прихожей, активировать ночную сигнализацию - это лишь маленький перечень действий, которые можно возложить на систему «умного дома». Но такие устройства имеют один минус - большую рыночную стоимость. Поэтому разработка относительно дешевой системы, с аналогичными возможностями получает все большую актуальность.

1. Актуальность темы

С 2010 года такие системы как «умный дом» получили большую огласку в современном обществе, ведь они помогают сэкономить одни из самых важных ресурсов человеческой жизни - время и деньги. Ведь инновационные разработки подобного рода направлены не только на повышение удобства жизни, но и на улучшение энергосбережения помещений. Простым примером такой автоматизации служит освещение вашего холодильника. Когда дверца открыта - освещение активно, дверца закрыта - освещение выключается. Таким методом можно исключить неэффективное использование электроприборов и отопительных систем, а если учесть, что цена на энергоресурсы постоянно растет - это позволит получить существенную экономию как энергии, так и денежных средств.

Более современные проекты дома будущего предусматривают наличие целой системы модулей, расположенных по всему дому. Каждое устройство является полноценным компьютером, объединенным в общую сеть. Практически каждый шаг владельца контролируется этой системой. Благодаря устройству можно настроить окружающую обстановку на свой вкус и практически мгновенно изменить интерьер. Еще один вариант предусматривает практически полное исключение человека от управления пищевыми запасами. Все осуществляется автоматически [1].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка модуля энергосбережения системы «умный дом», а так же разработка и исследование алгоритмов системы, позволяющих увеличить экономию ресурсов.

Необходимо разработать устройство «умного дома» с минимальными денежными затратами, но организовать при этом полную функциональность фирменных аналогов. При этом важной целью работы является возможность анализировать энергопотребление помещения в реальном времени и управлять источниками потребления энергии дистанционно, по средствам Интернет.

Проектирование модульных систем обработки данных в технологии умный дом является многоэтапным процессом и требует тщательного изучения их функционирования, а также должно быть направлено на экономичность реализации, надежность, гибкость, расширяемость систем. На сегодняшний день производители и реализаторы технологии «умный дом» уделяют этому недостаточно внимания. Однако следует отметить, что контроль и мониторинг всех элементов являются ключевым звеном для корректной работы системы в целом [2].

Еще одной задачей является организация веб-ресурса, который послужит связующим звеном между пользователем и аппаратной частью системы. Веб-ресурс должен иметь интуитивно понятный пользовательский интерфейс с простым управлением системой, возможностью анализа энергопотребления в реальном времени, а также с доступом к статистике использования электроприборов в помещении.

Такой ресурс должен иметь систему защиты. Для этого необходимо установить модуль авторизации пользователя. Это позволит избежать злоумышленного вмешательства в важные данные веб-ресурса [3].

3. Обзор исследований и разработок

На данное время существует множество разработок и исследований, связанных с такими системами автоматизации, как «умный дом». Но вследствие того, что разработка «умных домов» проводиться коммерческими структурами - информация обо всех результатах и технологиях находится в закрытом доступе. Это усложняет поиск документации по данной теме.

3.1 Обзор международных источников

В мире есть множество публикаций об основных принципах работы автоматизации помещений. Но все они имеют сугубо-информационный характер.

Публикация S.Helal, W.Mann, H.El-Zabadani, J.King; Y.Kaddoura, E. Jansen - The Gator Tech Smart House: a programmable pervasive space // IEEE Xplore Digital Library. Статья с большим количеством информации как о технологической части системы, так и о аппаратной и программной частях системы [4].

Публикация Robert J. Orr, Gregory D. Abowd - The smart floor: a mechanism for natural user identification and tracking // CHI EA '00 CHI '00 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems, ACM New York, NY, USA ©2000 Статья о иновационной теххнологии отслеживания посетителей «умный пол» [5].

3.2 Обзор национальных источников

На отечественных ресурсах так же встречаются статьи по данной теме. Кроме огромной массы журналов с самодельными системами автоматизации помещений от радиолюбителей, встречаются и научные публикации.

Публикация Волшин М.Е., Найбауэр Д. Ю., Тутов И.А. - Система «умный дом» в современном мире. // XII Всероссийская научно-практическая конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» Статья о возможных аппаратных затратах при построении системы автоматизированного помещения [6].

Публикация Кусакин И.И., Михайлов Д.М. - Программно-аппаратный комплекс автоматизированного контроля целостности инфраструктуры жилых помещений для социального обеспечения // Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Статья о использовании системы «умный дом» в социальной сфере [7].

3.3 Обзор локальных источников

В рамках Донецкого Национального Технического Университета (ДонНТУ) работ в области разработок систем «умный дом» найдено не было, однако есть несколько работ, которые тесно связаны с данной темой.

Работа магистра ДонНТУ Каховского Дениса Андреевича. Исследование закономерностей формирования погодных параметров на территории города Донецка. Разработка визуальных методов оценки состояния погоды [8]. В работе описана отправка климатических показателей на портативное устройство посредствам баз данных PHP.

Работа магистра ДонНТУ Миронюк Максим Владимирович. Разработка модели взаимодействия контроллеров на основе интерфейса ZigBee [9]. В работе описывается взаимодействия контроллеров на основе интерфейса ZigBee, который часто используеться в системах автоматизации жилья.

Перечисленные работы имеют большую теоретическую базу, которую можно применить в данной разработке. Однако в моей теме необходимо более детально ознакомиться с методиками передачи данных между устройством и пользователем.

4. Разработка устройства

Проектирование системы можно разделить на 2 части: аппаратную и 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 [10].

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 [11].

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. Электрическая схема Arduino Relay 10A представлена на рис. 3. 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 также упрощает начальную установку системы в любое помещение.

Рисунок 3 - Электрическая схема Arduino Relay 10A

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.

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.

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. Пример работы инструмента управления представлен на рис. 4. Для удобного представления информации - будут использованы таблицы показателей датчиков, дневные диаграммы температур и т.д.

Рисунок 4 - Демонстрация работы интерфейса управления

(анимация: 19 кадров, 7 циклов повторения, 190 килобайт)

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 также даст возможность из любой точки мира осуществлять мониторинг состояния помещения, такие как температура помещения, общее электропотребление и наличие активных электроприборов.

В данный момент работа не окончена. Идет стадия аппаратного проектирования системы «умный дом». Ознакомиться с полным текстом данной работы можно будет у моего научного руководителя Завадской Т.В. после моей защиты магистерской работы в июле 2017г.

Литература

1. Умный дом, все об автоматизированном жилье и его устройстве - «Проекты дома будущего», [Электронный ресурс]. – Режим доступа: smarthouse2.ru

2. Атрощенко В.А. К вопросу формирования данных систем управления умного дома / Атрощенко В.А., Кошевая С.Е., Серикова М.В. // Журнал «Современные проблемы науки и образования»

3. Каховский Д.А. Разработка и исследование алгоритмов управления модуля энергосбережением системы «умный дом» / Каховский Д.А., Завадская Т.В.// Материалы Международной научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Компьютерная и программная инженерия – 2016», Донецк

4. S.Helal, W.Mann, H.El-Zabadani, J.King; Y.Kaddoura, E. Jansen - The Gator Tech Smart House: a programmable pervasive space // IEEE Xplore Digital Library, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: asasni.cs.up.ac.za

5. Robert J. Orr, Gregory D. Abowd - The smart floor: a mechanism for natural user identification and tracking // CHI EA '00 CHI '00 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems, ACM New York, NY, USA ©2000, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: dl.acm.org

6. Волшин М.Е., Найбауэр Д. Ю., Тутов И.А. - Система «умный дом» в современном мире. // XII Всероссийская научно-практическая конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», [Электронный ресурс]. – Режим доступа: earchive.tpu.ru

7. Кусакин И.И., Михайлов Д.М. - Программно-аппаратный комплекс автоматизированного контроля целостности инфраструктуры жилых помещений для социального обеспечения // Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», [Электронный ресурс]. – Режим доступа: mn.mephi.ru

8. Каховский Денис Андреевич - Исследование закономерностей формирования погодных параметров на территории города Донецка. Разработка визуальных методов оценки состояния погоды. // Автореферат магистерской работы, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: masters.donntu.ru/2013/fknt/kakhovskiy

9. Миронюк Максим Владимирович - Разработка модели взаимодействия контроллеров на основе интерфейса ZigBee. // Автореферат магистерской работы, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: masters.donntu.ru/2013/fknt/mironyuk

10. Официальный сайт Ардуино, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: arduino.ru/About

11. Википедия - свободная энциклопедия, статья «Arduino», [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki/Arduino