Реферат на тему магістерської роботи

Розробка і дослідження алгоритмів управління модуля енергозбереженням системи "розумний будинок"

Вступ
1 Актуальність теми
2. Мета і завдання дослідження, заплановані результати
3. Обзор исследований и разработок
3.1 Огляд міжнародних джерел
3.2 Огляд національних джерел
3.3 Огляд локальних джерел
4. Розробка пристрою
Висновки
Література

Вступ

З початку нового тисячоліття людство крокує в епоху нових технологічних відкриттів, одним з яких є побутова автоматизація. Час сучасної людини має величезну цінність і такі системи автоматизації як "розумний будинок" істотно економлять цей життєво-важливий ресурс. Включити кондиціонер, вимкнути світло в вітальні, активувати нічну сигналізацію - це лише маленький перелік дій, які можна покласти на систему "розумного будинку". Але такі пристрої мають один мінус - велику ринкову вартість. Тому розробка відносно дешевої системи, з аналогічними можливостями отримує все більше актуальності.

1. Актуальність теми

З 2010 року такі системи як "розумний дім" отримали великого розголосу в сучасному суспільстві, бо вони допомагають заощадити пару важливих ресурсів людського життя   - час і гроші. Інноваційні розробки подібного роду спрямовані не тільки на підвищення зручності життя, але і на поліпшення енергозбереження приміщень. Простим прикладом такої автоматизації служить освітлення вашого холодильника. Коли дверцята відкриті - освітлення активно, дверцята зачинені - освітлення вимикається. Таким чином можна виключити неефективне використання електроприладів і опалювальних систем, а якщо врахувати, що ціна на енергоресурси постійно зростає - це дозволить   отримати істотну економію як енергії, так і грошових коштів.

Більш сучасні проекти будинку майбутнього передбачають наявність цілої системи модулів, розташованих по всьому будинку. Кожен пристрій є повноцінним комп'ютером, об'єднаним в загальну мережу. Практично кожен крок власника контролюється цією системою. Завдяки пристрою можна налаштувати навколишнє оточення на свій смак і практично миттєво змінити інтер'єр. Ще один варіант передбачає практично повне виключення людини від управління харчовими запасами. Все здійснюється автоматично [1].

2. Мета і завдання дослідження, заплановані результати

Метою роботи є розробка модуля енергозбереження системи "розумний дім", а також розробка і дослідження алгоритмів системи, які   дозволяють збільшити економію ресурсів.

Необхідно розробити пристрій "розумного будинку" з мінімальними грошовими витратами, але організувати при цьому повну функціональність фірмових аналогів. При цьому важливою метою роботи є можливість аналізувати енергоспоживання приміщення в реальному часі і управляти джерелами споживання енергії дистанційно, за допомогою Інтернету.

Проектування модульних систем обробки даних в технології "розумний будинок" є багатоетапним процесом і вимагає ретельного вивчення їх функціонування, а також має бути направлено на економічність реалізації, надійність, гнучкість, розширюваність систем. На сьогоднішній день виробники та реалізатори технології "розумний дім" приділяють цьому недостатньо уваги. Однак слід зазначити, що контроль і моніторинг всіх елементів є ключовою ланкою для коректної роботи системи в цілому [2].

Ще однією задачею є організація веб-ресурсу, який послужить сполучною ланкою між користувачем і апаратною частиною системи. Веб-ресурс повинен мати інтуїтивно зрозумілий інтерфейс з простим управлінням системою, можливістю аналізу енергоспоживання в реальному часі, а також з доступом до статистики використання електроприладів в приміщенні.

Такий ресурс повинен мати систему захисту. Для цього необхідно встановити модуль авторизації користувача. Це дозволить уникнути злочинного втручання в важливі дані веб-ресурсу [3].

3. Огляд досліджень і розробок

На даний час існує безліч розробок і досліджень, пов'язаних з такими системами автоматизації, як "розумний дім". Але внаслідок того, що розробка "розумних будинків" проводитися комерційними структурами - інформація про всі результати і технологіях знаходиться в закритому доступі. Це ускладнює пошук документації по даній темі.

3.1 Огляд міжнародних джерел

У світі є безліч публікацій про основні принципи роботи автоматизації приміщень. Але всі вони мають сугубо-інформаційний характер.

Публікація 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. Стаття з великою кількістю інформації як про технологічну частину системи, так і про апаратну і програмну частини системи [4].

Публікація 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 Стаття щодо інноваційної технології відстеження відвідувачів "розумна підлога" [5].

3.2 Огляд національних джерел

На вітчизняних ресурсах так само зустрічаються статті по даній темі. Крім величезної маси журналів з саморобними системами автоматизації приміщень від радіолюбителів, зустрічаються і наукові публікації.

Публікація 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» Стаття про можливі апаратні витрати під час побудові системи автоматизованого приміщення [6].

Публікація Кусакин И.И., Михайлов Д.М. - Программно-аппаратный комплекс автоматизированного контроля целостности инфраструктуры жилых помещений для социального обеспечения // Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Стаття щодо використання системи "розумна будинок" в соціальній сфері [7].

3.3 Огляд локальних джерел

В рамках Донецького Національного Технічного Університету (ДонНТУ) робіт в області розробок систем "розумний дім" знайдено не було, проте є кілька робіт, які тісно пов'язані з даною темою.

Робота магістра ДонНТУ Каховського Дениса Андрійовича. Дослідження закономірностей формування погодних параметрів на території міста Донецька. Розробка візуальних методів оцінки стану погоди [8]. У роботі описана відправка кліматичних показників на портативний пристрій за допомогою баз даних PHP.

Робота магістра ДонНТУ Миронюка Максима Володимировича. Розробка моделі взаємодії контролерів на основі інтерфейсу ZigBee [9]. У роботі описується взаємодії контролерів на основі інтерфейсу ZigBee, який часто використовується в системах автоматизації житла.

Перелічені роботи мають велику теоретичну базу, яку можна застосувати в даній розробці. Однак в моїй темі необхідно більш детально ознайомитися з методиками передачі даних між пристроєм і користувачем.

4. Розробка пристрою

Проектування системи можна розділити на 2 частини: апаратну і програмну.

Апаратна частина системи буде представлена платформою Arduino (рис.1) з розширеннями і фізичними модулями. Arduino - це інструмент для проектування електронних пристроїв, які більш тісно взаємодіють з навколишнім фізичним середовищем, ніж стандартні персональні комп'ютери. У даній роботі буде використана версія платформи Arduino UNO - найпопулярніша версія базової платформи Arduino з USB-інтерфейсом і можливістю підключення великої різноманітності плат розширення. Ця платформа призначена для фізичних розрахунків (physical computing) з відкритим програмним кодом, побудована на простій друкованої плати з сучасної середовищем для розробки програмного забезпечення [10].

Рисунок 1 - Зовнішній вигляд платформи Arduino UNO

Arduino використовує мікроконтролер Atmega328, котрий має 32 Кб флеш пам'яті. Цього буде цілком достатньо для виконання покладеного на платформу завдання. Решта обробки буде розподілена на веб-ресурс.

Мікроконтролери Arduino відрізняються наявністю попередньо прошитого в них завантажувача. За допомогою цього завантажувача користувач завантажує свою програму в мікроконтролер без використання традиційних окремих апаратних програматорів і з'єднується з комп'ютером через USB-інтерфейс [11].

Для здійснення дистанційного керування пристроєм, необхідно підключити пристрій до мережі Інтернет. В ході проектування буде використана плата розширення Arduino Ethernet.

Так як система повинна бути універсальною і інтуінівно зрозумілою будь-якій групі користувачів, то необхідно використовувати неінвазивний метод підключення системи до електромережі приміщення. Для визначення загального енергоспоживання приміщення буде використаний датчик змінного струму CST-013-000 100A (рис.2) з зовнішнім підключенням (монтаж відбувається поверх силового проводу). Такі ж датчики будуть використані для визначення роботи електроприладів.

Рисунок 2 - Зовнішній вигляд датчика змінного струму CST-013-000

Управління приладами здійснюється з використанням плат реле Arduino Relay 10A, з напругою живлення 5В, що відповідає напрузі живлення використовуваного мікроконтролера. Електрична схема Arduino Relay 10A представлена на рис. 3. На реле будуть надходити сигнали за допомогою радіоканалу на частоті 433 МГц. Такий метод підключення дозволяє позбавитися від використання схем узгодження, організувати повністю дистанційне керування, а також спрощує початкову   установку системи в будь-яке приміщення.

Рисунок 3 - Електрична схема Arduino Relay 10A

Набір датчиків для кліматичного моніторингу приміщення підбирається індивідуально, залежно від поставленого завдання і параметрів приміщення, але стандартно в системі використовуються датчики температури.

З метою автоматизації системи, а так само що б запобігти людський фактор - система повинна відстежувати наявність людей в приміщенні. У житлових будинках ця функція буде реалізована перевіркою наявності ключа в замковій шпарині вхідних дверей. При відсутності ключа протягом 30 хвилин, система відключить всі увімкнені прилади освітлення.

Програмна частина системи представлена в програмному коді мікроконтролера (Arduino скетч) і веб-ресурсі, який дозволить дистанційно керувати системою "розумний будинок" і проводити аналіз всіх показників системи. Веб-ресурс повинен мати систему захисту. Для цього необхідно встановити модуль авторизації користувача. Це дозволить уникнути злочинного втручання в важливі дані веб-ресурсу.

У роботі буде використано інструменти СУБД phpMyAdmin. Вони дозволять зручно передавати дані між об'єктами системи, захистити дані за допомогою авторизації і зберігати всі показники в базі даних веб-ресурсу, з метою їх подальшого використання. Решта обробки даних будуть реалізовані за допомогою PHP та JavaScript.

Алгоритм буде аналізувати кліматичні показники приміщення, автоматично регулюючи опалювальні прилади або ж рекомендувати користувачу дистанційно провести зміни в системі, а так само запобігати використанню освітлювальних приладів, якщо в приміщенні немає людей.

Важливе значення матиме інтерфейс користувача. Він повинен бути максимально інтуїтивно зрозумілий і простий для звичайного користувача. Сайт управління системою буде доступний як на стаціонарних ПК, так і на будь-яких видах портативних пристроїв. Приклад роботи інструменту управління представлений на рис. 4. Для зручного представлення інформації - будуть використані таблиці показників датчиків, денні діаграми температур і т.д.

Рисунок 4 - Демонстрація роботи інтерфейсу управління

(анімація: 19 кадрів, 7 циклів повторення, 190 кілобайт)

Висновки

Розроблювальна система управління виключить ймовірність того, що використовувані в даний час прилади споживатимуть електроенергію. Це дозволить поліпшити енергозбереження використовуваного приміщення і отримати економічну вигоду. А також дасть можливість з будь-якої точки світу здійснювати моніторинг стану приміщення, такі як температура приміщення, загальне електроспоживання і наявність активних електроприладів.

В даний час робота не закінчена. Йде стадія апаратного проектування системи "розумний дім". Ознайомитися з повним текстом даної роботи можна буде у мого наукового керівника Завадської Т.В. після мого захисту магістерської роботи в липні 2017р.

Література

1. Умный дом, все об автоматизированном жилье и его устройстве - «Проекты дома будущего», [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 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, [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 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, [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 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», [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 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», [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 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, [Електронний ресурс]. - Режим доступу: masters.donntu.ru/2013/fknt/kakhovskiy

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

10. Офіційний сайт Ардуіно, [Електронний ресурс]. - Режим доступу: arduino.ru/About

11. Вікіпедія - вільна енциклопедія, стаття "Arduino", [Електронний ресурс]. - Режим доступу: ru.wikipedia.org/wiki/Arduino