Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

Введение

В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что Интернет и электронные коммуникации прочно и навсегда вошли в нашу жизнь. Информационные технологии в том или ином виде, зримо или незримо присутствуют сейчас в различных аспектах повседневной жизни современного человека; и здесь мы говорим не только о ставших нам уже привычными умных устройствах, таких как смартфоны, планшеты, ноутбуки, компьютеры и т.п., которые способны за 2-3 клика (или тапа) обеспечить более-менее грамотному пользователю доступ практически ко всему объёму оцифрованных знаний человечества, но, в наши дни "умнеть" (т.е. обзаводится средствами обработки информации и каналами связи для взаимодействия с глобальной сетью) начинают и такие, раньше казалось бы, совсем далёкие от цифрового разума вещи, как холодильники, микроволновки, пылесосы, и это не говоря о телевизорах или часах, которые давно обзавелись гордой приставкой "смарт" [1].

В общем, умные вещи и электронные коммуникации между ними (т.н. "интернет вещей") сейчас всё больше воспринимается нами не как эфемерные образы, нарисованные научной фантастикой, а как объективная и повседневная реальность. Однако вокруг нас всё ещё остаётся очень много привычных нам бытовых приборов и прочей техники, которая исправно выполняет свои функции, удовлетворяя наши повседневные потребности, и при этом, сточки зрения уровня развития современных коммуникационных технологий, совсем не является "умной" [1]. Следовательно, возникает резонный вопрос, что же нам делать со всеми этими "неумными" вещами, неужели все они должны отправиться на "свалку истории"…? Таким образом, актуальной задачей является разработка системы, позволяющей дистацнионно управлять вышеописанными устройствами.

1. Актуальность темы

В современном мире все более актуальным становится вопрос удаленного управления бытовыми приборами которые не являются «умными». Следует упомянуть, что дистанционное управление применимо в управлении любой системой, имеющей электронное управление, и доступ к интернету.

Предлагаемая система отличается универсальностью, это означает, что на базе одного контроллера можно построить систему с функциями управления одновременно неколькими бытовыми приборами, а также с возможностью задания (с помощью ПК) и удаленного изменения (через интернет) настроек контроллера.

2. Анализ существующих систем дистанционного управления

Беспроводные технологии прочно вошли в нашу жизнь, и мы уже не представляем, как без них можно обходиться. Wi-Fi, Bluetooth, GPS, WiMAX, DECT, 3G, 4G, NFC и прочие шаманские заклинания помогают нам быстро получать и посылать различную информацию, обмениваться ей.

Все эти технологии имеют свои преимущества и ограничения. Но есть, наверное, одна из них, которая, возможно, была первой массовой беспроводной технологией которая после радиосвязи и телевидения завоевала весь мир. Это, конечно же, сотовая связь стандарта GSM. Этот стандарт - самый распространенный глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи - разработан еще в 80-х годах прошлого столетия группой, которая сейчас носит название Global System for Mobile Communications [4].

В настоящее время есть возможность обмениваться информацией с большей скоростью и, соответственно, пропускной способностью, но если нужен надежный канал для обмена небольшим количеством данных, то стандарт GSM – вне конкуренции. Наверное, все мы попадали в ситуации, когда мобильный интернет не работает, Wi-Fi поблизости отсутствует, некогда популярных интернет-кафе не сыщешь, зато SMS-сообщения бодро бегают туда-сюда. Что мы делаем, прежде всего, когда прилетаем куда-нибудь? Ну, конечно, посылаем СМС-ку «приземлились, все в порядке», и это практически всегда работает [4].

Вот почему устройства, которые предназначены для удаленного управления какими-либо процессами, или наблюдения за ними, а одним из основных требований к таким устройствам является надежность и безотказность, используют в качестве канала связи GSM. Их принцип действия не отличается от посылки и приема SMS-сообщений вручную, только формированием и расшифровкой этих сообщений занимаются вездесущие микроконтроллеры, а модули GSM, используемые в таких устройствах, порой ничем не отличаются от модулей, используемых в сотовых телефонах.

Точно так же, как и в сотовом телефоне, для выхода устройства дистанционного контроля и управления в сеть достаточно вставить в него SIM-карту с положительным балансом. Компания Мастер Кит предлагает целый ряд модулей, которые реализуют различные функции, используя стандарт GSM для управления. Далее рассмотрим несколько таких модулей, для решения задач удаленного контроля и управления [4].

  1. MA3401 - автономная GSM-SMS сигнализация (рис. 1) с функцией контроля и управления температурой предназначена для круглосуточной непрерывной охраны любых объектов, управления нагрузкой с помощью СМС-сообщений, термостатирования с помощью встроенного датчика температуры, принудительного управления нагрузкой, управления электронным замком по звонку, а также в качестве тревожной кнопки [4].

    Рисунок 1 — Автономная GSM-SMS сигнализация

  2. MA3402 - модуль GSM-SMS (рис. 2) управления с возможностью оповещения предназначен для контроля температуры и управления электроприборами. Модуль позволяет включать и отключать питание по звонку, SMS-команде или расписанию. Имеется режим контроля и оповещения выхода температуры за заданные пределы. Имеет встроенный источник питания 220В. Устройство размещено в корпусе с креплением на DIN рейку [4].

    Рисунок 2 — Модуль GSM-SMS управления с возможностью оповещения

  3. MP718 Laurent-2G – интернет-реле с GSM-модулем (рис. 3) дает возможность подключить к компьютеру через локальную сеть практически любые датчики и исполнительные устройства, будь то проект "Умный дом" или технологический процесс. Даже при отсутствии подключения к интернету, вы можете получить информацию о том, что происходит в компьютерной сети вашего дома или предприятия с помощью отправки управляющих СМС или тоновых команд DTMF [4].

    Рисунок 3 — Интернет-реле с GSM-модулем

  4. MP0207 – просто GSM-розетка (рис. 4). Она позволяет управлять электроприборами через сеть GSM и контролировать температуру помещения, в котором розетка установлена. И это лишь малая часть устройств из возможных способов дистанционного управления, для глобальной системы «Умный дом» [4].

    Рисунок 4 — GSM-розетка

3. Архитектура системы и принцип её функционирования

Основной задачей предлагаемой подсистемы является дистанционное управление любым домашним прибором, где есть инфракрасный приемник (ИК). В состав предлагаемой подсистемы входит: плата Arduino UNO R3, Arduino Ethernet W5100, плата расширения, инфракрасные (ИК) светодиоды, джамперы для Arduino, кабель RG45, мобильное устройство, маршрутизатор и бытовые приборы [1].

С телефона можно отправлять команды на наше устройство в виде запросов в адресной строке браузера. В свою очередь маршрутизатор принимает команды, отправленные с телефона, затем пересылает их наше устройство. С помощью кабеля RG-45 устройство соединено с роутером, который в свою очередь автоматически назначит IP и MAC адрес для нашего устройства. Устройство принимает команды, отправленные с телефона, затем посылает команду на бытовой прибор (к примеру, кондиционер) с помощью инфракрасного передатчика (рис. 5) [1]. В роли ИК передатчика выступает инфракрасный диод. При этом в памяти устройство загружены команды пульта от кондиционера, чтобы устройство понимало, что оно управляет кондиционером, а не каким-либо другим устройством. Так же в память устройства могут быть загружены команды от других бытовых приборов, чтобы можно было легко переключаться на дистанционное управление с одного прибора на другой.

Принцип работы системы

Рисунок 5 — Принцип работы системы
(анимация, 12 кадров, 10 повторений, 84,7 КБ)

3.1 Платформа Arduino

Arduino — это открытая платформа, которая позволяет собирать всевозможные электронные устройства. Устройства могут работать как автономно, так и в связке с компьютером и другими устройствами. Платформа состоит из аппаратной и программной частей, обе чрезвычайно гибки и просты в использовании [5].

В системе рассмотрен микроконтроллер фирмы Arduino модель Uno Rev3 на базе процессора ATmega328 с тактовой частотой 16 МГц, обладающий памятью 32 кБ и 20 контролируемых контактов ввода и вывода [2].

К плате ArduinoUno будет подключаться плата Arduino Ethernet W5100. Плата расширения ArduinoEthernetShield позволяет плате Arduino подключаться к интернету. Она построена на базе ethernet микросхемы Wiznet W5100. Wiznet W5100 обеспечивает сетевой (IP) стек, способный работать и с TCP, и с UDP [3, 8].

Arduino взаимодействует и с W5100, и SD картой с помощью шины SPI (через разъем ICSP). Он расположен на цифровых выводах 10, 11, 12 и 13 на платах ArduinoUno и на выводах 50, 51 и 52 на платах ArduinoMega. На обеих платах вывод 10 используется для выбора W5100, а вывод 4 – для SD карты. Эти выводы не могут использоваться в качестве обычных входов/выходов. На ArduinoMega аппаратный вывод SS (вывод 53) не используется для выбора W5100 или SD карты, но должен продолжать работать, как выход, иначе SPI интерфейс не будет работать. Из-за того, что W5100 и SD карта делят шину SPI, в какой-либо момент времени может быть активен только один из них. Если используется в программе оба периферийных устройства, ответственность за взаимодействие с ними берут соответствующие библиотеки. Но если не используется только одно из этих периферийных устройств, то необходимо явно отменить его выбор [8].

3.2 Платформа Android

Android – это операционная система на базе ядра Linux, которую выкупила в 2005 году компания Google. В 2008 году вышла первая версия операционной системы. Данная ОС предназначена для смартфонов, планшетов и многих других устройств. На данный момент её встраивают в часы, различные навигаторы, приставки и проигрыватели [6].

Сейчас создаётся огромное количество смартфонов и прочих устройств с данной системой. Она завоевала жуткую популярность, поэтому конкурентов у неё почти нет, разве что iOS. Большинство современных брендов они используют Андроид. Если говорить о чистой системе, то можно сказать, что она очень шустрая и производительная. Многие производители, беря за основу эту ОС делают свою оболочку с дополнительными функциями, возможностями и оформлением. У кого-то это получается лучше, и системка летает, а в каких-то устройствах не очень. С помощь операционки у вас есть возможность управлять такими функциями, как Wi-Fi, Bluetooth, NFC, GPS, создавать точки доступа Wi-Fi, то есть делать из своего телефона модем и многое другое. В современные смартфоны встраивают датчики отпечатав пальцев и сканирования радужной оболочки глаза, что позволяет многократно улучшить защиту – всем этим можно управлять с помощью Android [6].

Платформа Anroid выбрана исходя из сравнений с операционной системой iOS. Для реализации проекта дистанционного управления. Приложение на Android обеспечит более простое восприятие системы пользователем в целом, что и существенно облегчит управление бытовыми приборами.

3.3 Разработка ПО

Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста(консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino [1].

Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, предоставляющем широкие возможности для написания скетчей.

Для удобства работы с ИК сигналами необходимо воспользоваться библиотекой "IRremote.h, которая способна правильно распознать 95% протоколов ИК пультов. После всех подготовок можно приступить к считыванию сигнала. В самой библиотеке есть пример для считывания сигнала. После открытия скетча, нажимаем на кнопку загрузить, если все хорошо, то нажимаем на кнопку монитор порта в правом верхнем углу программы arduino [1, 8 ]. Откроется монитор порта, нажимаем на пульте кнопки, на мониторе будут отображаться значения кнопок.

При загрузке скетча используется Загрузчик (Bootloader) Arduino, небольшая программа, загружаемая в микроконтроллер на плате. Она позволяет загружать программный код без использования дополнительных аппаратных средств. Загрузчик (Bootloader) активен в течении нескольких секунд при перезагрузке платформы и при загрузке любого из скетчей в микроконтроллер [7].

4. Достоинства и недостатки системы

Как и любой другой системы, устройства, есть свои достоинства и недостатки, к достоинствам можно отнести следующие:

  1. Простая и удобная среда программирования. Среда программирования Arduino понятна и проста для начинающих, но при этом достаточно гибка для продвинутых пользователей. Она основана на среде программирования Processing, что может быть удобно для преподавателей. Благодаря этому, даже неопытные пользователи, изучающие программирование в среде Processing, смогут легко освоить Arduino;
  2. Универсальное устройство дистанционного управления. С помощью инфракрасного передатчика, можно управлять любым устройством в котором есть инфракрасный приемник, достаточно просто выполнить эмуляцию пульта для конкретной модели;
  3. Кроссплатформенность. Программное обеспечение Arduino работает на операционных системах Windows, Macintosh OSX и Linux, в то время, как большинство подобных систем ориентированы на работу только в Windows [8].

Отрицательными сторонами являются:

  1. Наличие прямой видимости с управляемым устройством;
  2. Устройство соединено с роутером с помощью кабеля, соответственно если роутер и устройство находятся относительно далеко друг от друга, то такого рода соединение окажется весьма неудобным;
  3. Несмотря на то, что устройство является универсальным, для разных моделей управляемых устройств требуется дополнительная эмуляция пульта [8].

Исходя из недостатков, можно сказать что они являются весьма незначительными, что не сильно окажет влияние на работу системы в целом.

Выводы

В ходе анализа задачи построения системы дистанционного управления было выполнено следующее:

  1. Изучен программируемый микроконтроллер Arduino UNO, а также подключаемый модуль Arduino Ethernet W5100;
  2. Изучена среда программирования;
  3. Рассмотрено функционирование устройства;
  4. Проведено объективное сравнение таких платформ как Andoid и iOS, выбор был сделан в пользу Andoid.

В результате исследований был выбрана платформа связи с бытовыми приборами и ее комплектующие, а также операционная система, для реализации поставленной задачи разработки системы дистанционного управления бытовыми приборами.

Список источников

  1. Охрименко, М.А. Архитектура подсистемы дистанционного управления бытовыми приборами для системы «Умный дом» / М.А. Охрименко, Ю.Е. Зинченко, Т.А. Зинченко // 69–я Международная студенческая научно–техническая конференция, Астрахань, 15–19 апреля 2019 года [Электронный ресурс]: материалы / Астрахан. гос. техн. ун–т. — Астрахань: Изд–во АГТУ, 2019.
  2. Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств. [Электронный ресурс] // Arduino Master: сайт. [2019]. – Режим доступа:https://arduinomaster.ru....
  3. Плата Arduino Ethernet W5100: схема, описание, подключение устройств. [Электронный ресурс] // Arduino Master: сайт. [2019]. – Режим доступа:https://arduinomaster.ru....
  4. Дистанционное управление электроприборами. [Электронный ресурс] // Яндекс Дзен: сайт. [2019]. – Режим доступа:https://zen.yandex.ru....
  5. Официальный сайт Ардуино. [Электронный ресурс]. – URL: arduino.ru/About
  6. Официальный сайт Android. [Электронный ресурс]. – URL: android.com
  7. Соммер, У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino / У. Соммер – Philadelphia: SIAM, 2012. – 251 с.
  8. Охрименко М. А. Архитектура подсистемы дистанционного управления бытовыми приборами для системы «Умный дом» (II) / М.А. Охрименко, Ю.Е. Зинченко // Современные тенденции развития и перспективы внедрения инновационных технологий в машиностроении, образовании и экономике: VI Международная научно–практическая конференция, 13–14 мая 2019, г. Азов.