English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В последние десятилетия, развитие микроэлектроники и информатики привело к бурному росту телекоммуникационных технологий. По состоянию на 2018 г., согласно данных аналитического агентства «We Are Social», количество пользователей глобальной сети Интернет достигло 4,021 млрд. человек и продолжает расти. С распространением смартфонов, планшетных компьютеров и др. мобильных устройств, широкое развитие получили технологии беспроводного доступа в Интернет посредством мобильных сетей связи, либо локальных сетей Wi-Fi. В результате этого, а также появлению облачных вычислений, освоению программно-вычисляемых сетей и развитию технологий межмашинного взаимодействия, получила практическое развитие концепция Интернета вещей.

1. Актуальность темы

Концепция Интернета вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.

То есть, говоря проще, Интернет вещей — это некая сеть, связывающая окружающие нас вещи. Под вещами понимается все что угодно, любое устройство либо машина, от легкового автомобиля, до «умного» дома со всем своим содержимым.

Освещение, садовый полив, отопление, кондиционирование, контроль над потреблением электроэнергии, охранная и пожарная сигнализация все эти процессы давно автоматизированы, но теперь все «вещи» управляющие этими процессами могут быть объединены в единую вычислительную сеть. Итого, в самом ближайшем будущем, мы возможно увидим холодильники контролирующие кол-во продуктов и «дозаказывающие» их по мере необходимости в Интернет-магазине, предварительно опрашивающих другие кухонные приборы об их потребностях в продуктах, лекарства с идентификационной меткой напоминающие нам о том, что их пора принять и т.д. Все то, что пока встречается лишь в рассказах писателей-фантастов в ближайшее время может стать, а где-то уже становится реальностью.

В данной дипломной работе, будут рассмотрены все достоинства и недостатки, а также исследовано и собрано самое простое, но, тем не менее, важное устройство, имеющее отношение к Интернету вещей — Wi-Fi реле для управления теплым полом.

2. Цель и задачи работы, планируемые результаты

разработка реле с беспроводным управлением, на базе микроконтроллера ESP 8266, в частности модуля ESP-01, для дистанционного управления теплым полом с помощью беспроводной технологии Wi-Fi и всемирной сети Internet .

Основные задачи работы:

  1. Подбор оборудования.
  2. Моделирование принципиальной схемы в среде Proteus.
  3. Разработка 3-D модели корпуса.
  4. Разработка алгоритма управления теплым полом.
  5. Написание программы для микроконтроллера.

3. Разработка аппаратной части устройства

В 2014 году, на тот момент времени никому не известный, китайский производитель «Espressif Systems» выпускает на рынок микроконтроллер ESP 8266 c интерфейсом Wi-Fi (рис.1). Особенностью микроконтроллера, помимо Wi-Fi является отсутствие флеш-памяти в SoC, поэтому пользовательские программы выполняются из внешней флеш-памяти поддерживающей интерфейс SPI. Но главным достоинством этого микроконтроллера, позволившим ему стать весьма популярным и получить широкое распространение — была его цена. Она, на момент его появления на рынке, оказалась необычайно низкой.

Внешний вид платы esp-01

Рисунок 1 – Внешний вид платы esp-01

3.1 Выбор оборудования

В данном проекте будет использован модуль ESP-01 так как его возможностей вполне достаточно для поставленных задач и при этом он весьма компактен и недорог.

Модуль ESP-01 представляет собой небольшую плату, черного либо темно-зеленого цвета, на которой расположены два основных чипа, это микроконтроллер ESP8266 и флэш-память на 1 Мб. Рядом расположен кварцитовый резонатор и напечатанная антенна. На плате установлены два светодиода, красный и голубой. Красный светодиод, светится когда на модуле есть питание, а синий мигает при выполнении команд (в ESP-01S удален красный светодиод, из-за постоянного потребления электроэнергии). Для подключения модуля ESP-01, предусмотрено восемь выводов (два ряда по четыре вывода, шагом 2.54 мм), два из которых являются цифровыми входами-выходами, поддерживающими широтно-импульсную модуляцию.

Для реализации основной функции беспроводного реле - коммутации, нам необходимо подобрать дополнительное оборудование, в частности реле. Так как в рамках этого проекта есть ограничения в габаритах, то были рассмотрены два варианта: малогабаритные электромеханические реле и твердотельные реле.

Учитывая тот факт, что напряжение на ножках микроконтроллера 3,3 В а реле с напряжением питания 3 В найти в продаже весьма затруднительно. То предпочтительным вариантом было бы твердотельное реле, представляющее собой оптосимистор (симистор под управлением оптопары), например OMRON G3MB-202P (см. рисунок 2). Хотя по паспорту управляющее напряжение на этом реле 5 В, опытным путем установлено, что реле стабильно срабатывает даже при напряжении 2,5 В. К сожалению модельный ряд данных реле ограничен по току нагрузки 3 А, а это при наличии в наше время большого количества мощных бытовых потребителей (кондиционеров, мультиварок, электрочайников и т.д.) бывает уже недостаточно.

Внешний вид OMRON

Рисунок 2 – Внешний вид твердотельного реле OMRON

Следующим кандидатом стало механическое реле Songle SRD-5VDC-SL-C (рис. 3), так как оно позволяет коммутировать нагрузку до 10А, имеет две пары силовых контактов, одна — нормально-замкнутая (NC), вторая – нормально-разомкнутая (NO). К недостаткам данного типа реле можно отнести механический износ контактов, что ограничивает количество и частоту коммутаций.

Внешний вид реле Songle SRD-5VDC-SL-C

Рисунок 3 – электромеханическое реле Songle SRD-5VDC-SL-C

Ещё одним распространённым вариантом твердотельного реле является модуль SSR-25DA (рис 4), который имеет хорошие эксплуатационные характеристики, такие как хороший диапазон управляющего напряжения(3-32В), высокий рабочий ток нагрузки (до 25А, но есть модели и на больший ток) удобный корпус для крепления к радиатору и невысокую цену (около 400р).

Внешний вид реле Songle SRD-5VDC-SL-C

Рисунок 4 – Твевдотельное реле SSR-25DA

Однако от использования в данном проекте данного модуля решено было отказаться в виду больших габаритных параметров, и было принято решение сделать свою версию твердотельного реле на базе симисторной оптопары и силового симистора. Твердотельные реле имеют такие преимущества как высокая механическая надежность в виду отсутствия механических контактов и намного выше ресурс включения/выключения, а также высокую частоту переключений. Однако такое устройство не лишено недостатков, из-за использования полупроводниковых компонентов такое устройство подвержено нагреву, который увеличивается при увеличении нагрузки.

В качестве силового симистора был выбран BTA140 в корпусе ТО220, который имеет такие характеристики как: рабочее напряжение до 800В и рабочий ток до 25А, что в теории позволит коммутировать мощности до 20кВт (при использовании специализированного охлаждения).

3.2 Разработка принципиальной схемы электрических соединений

Схема будет включать в себя несколько основных узлов, а именно: узел питания микроконтроллера и оптопары, узел микроконтроллера с необходимой обвязкой и транзистором и силовой узел, состоящий из силового симистора и снабберной цепи.

Узел питания низковольтной части представлен на рисунке 5, он включает в себя преобразователь напряжения, варистор, плавкий предохранитель и выходной конденсатор.

Принципиальная электриеская схема питания устройства

Рисунок 5 – Принципиальная электрическая схема питания устройства

Варистор в данной схеме выполняет защитную функцию. Он защищает преобразователь от бросков высокого напряжения. При повышении напряжения выше определенного напряжения сопротивление варистора резко снижается и закорачивает цепь питания и выводит из строя плавкий предохранитель, защищая этим действием всю остальную схему от повышенного напряжения сети.

Низковольтный узел представлен на рисунке 6

Низковольтная часть схемы

Рисунок 6 – Низковольтная часть схемы

Данный узел представлен Wi-fi модулем ESP-01, являющимся главным управляющим элементом устройства, семисторной оптопарой moc3063, необходимой для управления силовым симистором и гальванической развязки цепи управления от силового напряжения, биполярным транзистором 2n2222, необходимым для обеспечения протекания через светодиод оптопары необходимого тока, что напрямую микроконтроллер сделать не может в виду собственных ограничений. Также в схеме предусмотрена подтяжка нужных выводов к земле или питанию для корректной работы, а также тактовая кнопка, необходимая для перевода устройства в режим программирования или местным управлением процессом коммутации.

Силовая часть схемы представлена на рисунке 7

Силовая часть схемы

Рисунок 7 – Силовая часть схемы

Силовая часть схемы состоит из опротпары с симисторным выходом, силового симистора, плавкого предохранителя, снабберной цепи и силовых винтовых клеммников.
Оптопара получая управляющий сигнал открывает оптосимистор в момент нулевого напряжения на нем (zero crossing), который в свою очередь открывает силовой симистор коммутирующий полезную нагрузку.
Снабберная цепь необходима для работы устройства на активно-индуктивную нагрузку, компенсируя реактивную мощность индуктивной составляющей нагрузки.

3.3 Моделирование силовой части схемы

Полученную ранее схему необходимо предварительно проверить на работоспособность, прежде чем запускать производство печатной платы. Для этих целей был использован программный комплекс Proteus.

Для проверки работоспособности схемы была собрана имитационная модель (рис. 8).

Имитационная модель устройства в Proteus

Рисунок 8 – Имитационная модель устройства в Proteus

В данной схеме в виду отсутствия в базе моделей модели симистора ВТА-140 был использован его аналог ВТА26 с такими же силовыми параметрами.
В качестве управляющих сигналов с микроконтроллера используется генератор импульсов амплитудой 3.3В, что соответствует логическому напряжению ESP-01.
В результате моделирования были получены осциллограммы управляющего напряжения и напряжения на нагрузке (рис. 9).

Осциллограммы напряжения управления и нагрузки

Рисунок 9 – Осциллограммы напряжения управления и нагрузки

На осциллограмме можно увидеть как при подаче управляющего напряжения (синяя линия) нагрузка начинает питаться сетевым напряжением (жёлтая линия), а при прекращении подачи управляющего сигнала напряжение на нагрузке пропадает. Можно сделать вывод, что схема работает корректно и переходить к разводке печатной платы.

4. Разработка печатной платы

Создание печатной платы производилось в среде EasyEDA. Главными требованиями к печатной плате было максимальное отдаление силовой цепи от управляющей и одностороннее исполнение, для более экономичного производства небольших количеств (можно изготовить при помощи ЛУТ), а также компактность. Полученная плата приведена на рисунке 10.

Разработанная печатная плата

Рисунок 10 – Разработанная печатная плата

На плате можно заметить особо широкие силовые дорожки, что позволит проводить большее количество тока при меньшем нагреве дорожки. Также можно заметить, что силовая часть и низковольтная максимально разведены друг от друга, что обеспечит защиту от пробития низковольтной цепи высоковольтной. Помимо этого можно обратить внимание на положение на плате силового симистора, он расположен гранью к стенке будущего устройства, что в последствии позволит легко использовать радиатор.

Выводы

В ходе выполнения данного проекта была разработана принципиальная схема с твердотельным реле для управления теплым полом базе микроконтроллера ESP 8266, для дистанционного управления с помощью беспроводной технологии Wi-Fi.

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2023 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Gilbert Ndayisenga, Omar Gatera, Charles Kabiri, Janvier Niyitegeka, Delphine Bampire, Sophonie Harerimana, "IoT Based Household Water Consumption Management System", 2022 IEEE PES/IAS PowerAfrica, pp.1-4, 2022.
  2. Manoj Saini, Shagufta Khan, Vipul Dutt Mishra, Manav Mehra, Deeksha Singh, Gopal Sengar, "IoT Based Hybrid EV Charging System with Data Processing", 2022 International Conference on Intelligent Controller and Computing for Smart Power (ICICCSP), pp.1-5, 2022.
  3. A. V. Zinkevich, "ESP8266 Microcontroller Application in Wireless Synchronization Tasks," 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2021, pp. 670-674.
  4. P. Macheso, T. D. Manda, S. Chisale, N. Dzupire, J. Mlatho and D. Mukanyiligira, "Design of ESP8266 Smart Home Using MQTT and Node-RED," 2021 International Conference on Artificial Intelligence and Smart Systems (ICAIS), 2021, pp. 502-505.
  5. Jevgenijs Telicko, Andris Jakovics, "Power efficient wireless monitoring system based on ESP8266", 2022 IEEE 63th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), pp.1-6, 2022.
  6. Falia Innocentia Ananda Sunarko, Epyk Sunarno, Diah Septi Yanarati, Eny Kusumawati, "Smart DC Home for Energy Saving with Android-Based Real-Time Energy Monitoring", 2022 International Electronics Symposium (IES), pp.156-161, 2022.
  7. S. S. Pakalapati, G. G. Chary, A. K. Yadaw, S. Kumar, H. K. Phulawariya and R. Kumar, "A prosthetic hand control interface using ESP8266 Wi-Fi module and Android application," 2017 International Conference on Innovations in Information, Embedded and Communication Systems (ICIIECS), 2017, pp. 1-3
  8. Ivan Vaccari, Maurizio Aiello, Federico Pastorino, Enrico Cambiaso, "Protecting the ESP8266 Module from Replay Attacks", 2020 International Conference on Communications, Computing, Cybersecurity, and Informatics (CCCI), pp.1-6, 2020.
  9. Ziyu Wan, Yunkai Song, Zhuli Cao, "Environment Dynamic Monitoring and Remote Control of Greenhouse with ESP8266 NodeMCU", 2019 IEEE 3rd Information Technology, Networking, Electronic and Automation Control Conference (ITNEC), pp.377-382, 2019.
  10. Thongchai Pornchaiyasutthi, Tanapat Anusas-amornkul, "A Model for Victim-Rescuer Communications under Collapsed Structures using Node MCU ESP8266", Proceedings of the 2019 2nd International Conference on Electronics, Communications and Control Engineering - ICECC 2019, pp.34, 2019.
  11. P. S. B. Macheso, T. D. Manda, A. G. Meela, J. S. Mlatho, G. T. Taulo and B. M'mame, "Environmental Parameter Monitoring System Based on NodeMCU ESP8266, MQTT and Node-RED," 2022 International Conference on Computer Communication and Informatics (ICCCI), 2022, pp. 1-4.
  12. P. Srivastava, M. Bajaj and A. S. Rana, "IOT based controlling of hybrid energy system using ESP8266," 2018 IEEMA Engineer Infinite Conference (eTechNxT), 2018, pp. 1-5
  13. Farah Khaliq Baloch, Ghulam E Mustafa Abro, Waheed Ali Laghari, Zubair Adil Soomro, Asif.A. Rahimoon, Rahul Kumar, "Controlling and Monitoring of Hybrid Power System Using an Android Application", 2022 IEEE 5th International Symposium in Robotics and Manufacturing Automation (ROMA), pp.1-5, 2022.
  14. M. D. Bhujbal, M. G. Unde, "Real Time Monitoring and Security of Solar Power Plant Using IoT", 2022 IEEE India Council International Subsections Conference (INDISCON), pp.1-5, 2022.
  15. Ashim Mondal, Md Jishan Ali, Pallav Dutta, "IoT Enabled Smart Solar Panel Monitoring System Based on Boltuino Platform", 2022 IEEE International IOT, Electronics and Mechatronics Conference (IEMTRONICS), pp.1-7, 2022.
  16. Ivan Vaccari, Maurizio Aiello, Federico Pastorino, Enrico Cambiaso, "Protecting the ESP8266 Module from Replay Attacks", 2020 International Conference on Communications, Computing, Cybersecurity, and Informatics (CCCI), pp.1-6, 2020.
  17. Fatih Ertam, Ilhan Firat Kilincer, Orhan Yaman, Abdulkadir Sengur, "A New IoT Application for Dynamic WiFi based Wireless Sensor Network", 2020 International Conference on Electrical Engineering (ICEE), pp.1-4, 2020.
  18. Jihen Souifi, Yassine Bouslimani, Mohsen Ghribi, Azeddine Kaddouri, Tobie Boutot, Hsan Hadj Abdallah, "Smart Home Architecture based on LoRa Wireless Connectivity and LoRaWAN® Networking Protocol", 2020 1st International Conference on Communications, Control Systems and Signal Processing (CCSSP), pp.95-99, 2020.
  19. Киричек, Р. В. Революция в мире Интернета вещей: возможности применения Wi-fi модуля ESP8266 в облаке / Р. В. Киричек, А. И. Хлызов // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании : IV Международная научно-техническая и научно-методическая конференция: сборник научных статей в 2 томах, Санкт-Петербург, 03–04 марта 2015 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2015. – С. 325-330. – EDN UNVOTH.
  20. Кучерявый А.Е. Интернет Вещей. Электросвязь. 2013. № 1. С. 21-24. EDN: PVTCFH
  21. Росляков А.В., Ваняшин С.В., Гребешков А.Ю., Самсонов М.Ю. Интернет вещей. -Самара: ПГУТИ, ООО «Издательство Ас Гард», 2014. -340 с. - 978-3-8443-5087-6. ISBN: 978-3-8443-5087-6 EDN: UEPYVZ
  22. Яранцев, Р. О. Методы беспроводного обмена информацией между компонентами системы "умный дом" с применением микроконтроллеров ESP8266 / Р. О. Яранцев // Новые информационные технологии в научных исследованиях : материалы XХI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов, Рязань, 16–18 ноября 2016 года / Рязанский государственный радиотехнический университет. – Рязань: Рязанский государственный радиотехнический университет, 2016. – С. 313. – EDN WZSDFB.
  23. Худяков, С. В. Использование микроконтроллера ESP8266 01. Программирование с помощью Arduino IDE / С. В. Худяков, С. Г. Самохвалова // Постулат. – 2016. – № 12(14). – С. 9. – EDN XSBKRZ.
  24. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino /Freeduino. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. С. 13 - 29. EDN: QMWOMN
  25. Белов А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. М.: ЭКОМ, 2010. С. 7 - 60.
  26. Абдрахманов, В. Х. Разработка средств автоматизации с использованием Wi-fi модулей ESP8266 и LPWAN технологий / В. Х. Абдрахманов, К. В. Важдаев, Р. Б. Салихов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2017. – Т. 13. – № 4. – С. 98-108. – EDN YSIQRX.
  27. Моисеев, Д. Н. Беспроводной контроль научного оборудования и мониторинг датчиков по Wi-Fi с помощью модуля ESP8266 / Д. Н. Моисеев // Автоматика и программная инженерия. – 2018. – № 1(23). – С. 9-19. – EDN UOPSWK.
  28. Поправкин, А. П. Разработка системы дистанционного управления роботом на базе Wi-Fi модуля ESP8266 ESP-12E / А. П. Поправкин, Н. В. Шевченко // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. – 2018. – № 1. – С. 37. – EDN LSKFCK.
  29. Группа стандартов WiFi IEEE 802.11 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wi-life.ru/texnologii....
  30. NODEMCU_DEVKIT_V1.0.PDF [Электронный ресурс]. -Режим доступа:https://github.com/nodemcu/nodemcu-devkit....
  31. Маркевич, А. А. Сеть из микроконтроллеров ESP8266 для системы управления / А. А. Маркевич, Р. Н. Белокопытов // Modern Science. – 2020. – № 4-1. – С. 363-365. – EDN DUPFUU.
  32. Шварц М. Интернет вещей с ESP8266. [Текст] / М. Шварц. - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2018. -192 с.
  33. Беспроводные сети Wi-Fi. - М.: Интернет-университет информационных технологий, Бином. Лаборатория знаний, 2013. - 216 c.
  34. Росс, Д. Беспроводная компьютерная сеть Wi-Fi своими руками (+ CD-ROM) / Д. Росс. - М.: Наука и техника, 2015. - 384 c.
  35. Жиганов, А. И. Разработка автоматизированной беспроводной системы управления IOT устройствами с использованием микроконтроллера ESP8266 и модели информационного обмена "издатель - подписчик" / А. И. Жиганов, П. В. Кожевников, В. Н. Князев // Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы : сборник научных статей IV ежегодной межвузовской научно?практической конференции, Пенза, 15 марта 2017 года. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2017. – С. 146-148. – EDN ZCZEEJ.
  36. Hersent, O. The Internet of Things: Key Applications and Protocols / Olivier Hersent, David Boswarthick, Omar Elloumi. - Chichester, UK: Wiley, 2012. - 370 c.
  37. Boyd, B. Building Real-time Mobile Solutions with MQTT and IBM MessageSight / Bryan Boyd, Joel Gauci, Michael P. Robertson et all. - USA: IBM Redbooks, 2014. - 264 с.