УКР   ENG  
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

За последние 20 – 30 лет системы автоматизированного управления перестали быть модной экзотикой. Вне зависимости от области применения, будь то здание, сборочный цех или поезд метро, целью внедрения таких систем являются снижение эксплуатационных расходов, обеспечение важной информацией, повышение безопасности и комфорта. Но несмотря на то, что журналистов модных изданий сейчас больше интересуют достижения традиционных IT-компаний, прогресс в области автоматики управления может в ближайшем будущем оказать на наше мироощущение не меньшее воздействие, чем появления сотовых телефонов и Internet.

Одним из направлений использования компьютерных технологий являются системы [1] мониторинга и контроля. Их существует огромное множество, отличающихся назначением и функционированием, например, так называемые системы «умный дом», обеспечивающие управление различными процессами жилого или производственного помещения [2]. Развитие данной инфраструктуры находится на крайнем раннем этапе. Компании могут предоставлять свои услуги с весьма завышенными ценами.

Цель исследования

Целью данной работы является разработка web-ориентированной системы мониторинга инфраструктуры «Умный дом», обладающей низкой стоимостью и параметрами, близкими к промышленным системам автоматизации.

Анализ существующих аппаратно-программных средств для реализации веб-ориентированности и мониторинга инфраструктуры «умный дом»

1. Основные конструктивные и технологические характеристики системы «Умный дом»

На данном этапе развития, домашняя автоматизация является чрезвычайно гибкой системой, которую пользователь укомплектовывает и настраивает самостоятельно в зависимости от потребностей. Это означает, что каждый владелец домашней системы автоматизации самостоятельно определяет, какие устройства, и где установить и какие задачи и каким образом они будут выполнять. Общая функциональная схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Общая функциональная схема умного дома

В большей части данных систем, контроллер обменивается иформацией с остальными устройствами системы используя радиосигналы. Одними из распространенных стандартов радиосвязи для умного дома являются ZWave (частота в России 869 МГц) и ZigBee (868 МГц или 2,4 ГГц), Wi-Fi (2,4 ГГц), Bluetooth (2,4 ГГц). Для связи с внешним миром контроллер как правило подключается к интернету.

1.1 Аппаратно-программные средства для реализации веб-ориентированности и мониторинга инфраструктуры «Умный дом»

На сегодняшний день, практически у каждого более-менее крупного производителя умных устройств имеется своя, так называемая, экосистема, внутри которой происходит управление элементами и передача информации внутри. Для пользователя, не являющегося специалистом в области электроники, программирования и микрокомпьютеров, не предоставляется никаких возможностей слияния разных экосистем в одну, свою собственную. Поэтому идея создания программно-аппаратного комплекса для управления домашними умными устройства разных производителей является весьма актуальной.

Одним из направлений использования компьютерных технологий являются системы [1] мониторинга и контроля. Их существует огромное множество, отличающихся назначением и функционированием, например, так называемые системы «умный дом», обеспечивающие управление различными процессами жилого или производственного помещения [2]. Развитие данной инфраструктуры находится на крайнем раннем этапе. Компании могут предоставлять свои услуги с весьма завышенными ценами.

Концепция «Умный дом» предоставляет удобное управление всеми входящими в него системами, а также дает возможность интегрировать их между собой, что не только обеспечивает согласованную работу, но и повышает функциональность каждой из них.

К ряду основных задач домашней автоматизации можно отнести:

1.1.1 Описание предметной области

Система «Умный дом» — это высокотехнологичная система, позволяющая объединить все коммуникации в одну и поставить её под управление искусственного интеллекта, программируемого и настраиваемого под все потребности, и пожелания хозяина.

Несмотря на широкое распространение систем «Умный дом» по всему миру, для большинства населения России эта инновация и по сей день остаётся исключительно термином. Медленное внедрение систем «Умный дом» объясняется многими факторами, один из которых – отсутствие понимания принципа работы подобных технологий и реально получаемой экономической выгоды. Безусловно, отдельные элементы «умных систем», такие как световые датчики движения или датчики протечки воды, уже давно не являются чем-то особенным и повсеместно распространены в домах и квартирах жителей таких мегаполисов, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и Красноярск. Последнее время популярностью среди заказчиков стали пользоваться разнообразные системы безопасности, управления освещением, «мультирум» и «домашний кинотеатр».

Под архитектурой системы умного дома следует понимать совокупность модулей необходимых для её полноценной работы. Данные модули должны быть связанны между собой определённым образом, для обеспечения стабильной и корректной работы всей системы.

В данный момент системы «Умный дом» применяются в различных целях, они позволяют организовать эффективное управление системой освещения, отопления, водо- и электроснабжения, кондиционирования и вентиляции, видео наблюдения. Так же подобные системы позволяют собирать информацию о помещении, в котором размещены с целью дальнейшей обработки и логистики.

Данная система могла бы помочь усовершенствовать практически все методы контроля за помещениями от частных загородных домов, офисов, до типовых многоквартирных домов.

В качестве возможного заказчика для готовой информационной системы «Умный дом», разрабатываемой в данной выпускной квалификационной работе, будет взята типовая организация Жилищно-коммунального хозяйства (в дальнейшем «ЖКХ»).

ЖКХ – это комплекс отраслей экономики, обеспечивающий функционирования всей инфраструктуры в различных поселениях. Данный комплекс в частности занимается обслуживанием различных помещений и объектов города, в том числе и типовых многоквартирных домов.

В общем случае типовой ЖКХ выполняет следующие задачи:

ЖКХ выполняет, как приведённые в списке мероприятия по благоустройству жилых зон, так и множество других.

Следует рассмотреть более детально деятельность департамента городского хозяйства, в свою очередь, данный департамент занимается обеспечением реализации государственной и муниципальной политики в сфере городского хозяйства, направленной на обеспечение надежного, эффективного функционирования и развития жилищного хозяйства, объектов благоустройства, озеленения, сбора, вывоза, переработки и захоронения бытовых и промышленных отходов, сетей тепло, -водо, -газо, электроснабжения, водоотведения, обеспечение экологически благоприятных условий жизнедеятельности населения, в том числе рационального 9 природопользования, охраны окружающей среды в соответствии с общими целями, задачами и программами развития городского округа.

Данный департамент занимается следующими задачами в процессе своей работы:

В частности, внедрение данной информационной системы будет производится на типовом отделе «Энергетики и обращений по вопросам теплоснабжения». Данный отдел выбран в качестве наиболее подходящего подразделения департамента ЖКХ для внедрения разрабатываемой информационной системы.

1.2 Анализ существующих подходов

Одним из самых распространенных путей решения разработки системы домашней автоматизации является использование готовых систем управления «Умным домом». Рассмотрим некоторые из них[4].

Node-Red

Node-Red. Разработан компанией IBM и представляет собой инструмент с открытым исходным кодом, позволяющий создавать приложения путем соединения готовых компонент. В качестве компонент при построении системы могут использоваться устройства, WEB API или онлайн-службы. Существенным недостатком является отсутствие визуализации.

MajorDoMo

MajorDoMo – открытая программная платформа для автоматизации домашних процессов. Является кросплатформенной, но имеет один большой недостаток – ограниченное число решаемых задач. Поддерживает только самые популярные устройства из линейки соответствующей технологии (например, поддерживает только контроллер RaZZbery из всего многообразия контроллеров технологии Z-wave.

NetPing

NetPing - устройства мониторинга серверных комнат и удаленного управления электропитанием. Например, в 2021 г. компания выпустила на рынок NetPing Monitoring Server 90Z02 - контроллер на базе полноценного компьютера с программным обеспечением ОС Linux Ubuntu и системой мониторинга Zabbix. Все ПО уже установлено и предварительно настроенно. Для начала работы с системой мониторинга Zabbix требуется лишь подключить устройство в локальную сеть и произвести подключение и настройку необходимых датчиков. Обычно NetPing Monitoring Server 90Z02 используется для организации системы мониторинга серверных комнат, ЦОД, а также объектов с распределенным коммуникационным и IT-оборудованием.

HomeSapiens

HomeSapiens – интеллектуальная система с голосовым управлением. Также, как и OpenRemote, поддерживает ограниченное количество технологий, такие как Z-wave, Gira, ZigBee, x10, C-Bus[6]. Основной акцент разработчиков направлен на рекламу голосового управления и удобного интерфейса.

Freedomotic

Freedomotic – программное обеспечение с открытым исходным кодом для процессов домашней автоматизации[5]. Является кросплатформенной. Основной задачей разработки системы явилось предоставление энтузиастам возможности самостоятельного создания систем управления «Умным домом», как с использованием самодельного оборудования, так и готовых решений популярных архитектур.

Fibaro

С точки зрения использования web-интерфейса, в качестве примера, также интерес вызывает Fibaro – система домашней автоматизации[5]. Ее особенностью является поддержка только беспроводной технологии Z-Wave. Кроме того, она закрыта для доработки.

1.3 Выбор архитектурной организации системы

Одной из важнейших задач является выбор архитектуры и технологического стека, на котором будет строиться система. При этом важен системный подход, т.е. понимание того, каким образом отдельные технические решения могут быть увязаны друг с другом, а также резервирование возможностей для последующего расширения системы.

На сегодняшний день, имеется значительное количество способов решения поставленных в данной работе задач. Существуют следующие подходы к их решению: выбор готовой системы управления; разработка собственной системы.

С точки зрения функциональной организации применяются проводные, беспроводные и централизованные системы.

При выборе централизованной организации система «Умный дом» работает с помощью специального логического модуля - своего «мозга», наличие которого позволяет собирать и анализировать всю информацию, поступающую с датчиков. После последующей обработки модуль выдаёт исполнительные команды различным исполнительным системам. В качестве такого логического модуля выступает специальный контроллер, на борту которого есть выходы ко всем исполнительным элементам системы. Вся система специально программируется специализированным софтом, который в ходе работы можно дополнять различными изменениями. Уязвимое место централизованной схемы управления — невысокая надёжность[3].

В ходе построения архитектуры системы можно допустить недочеты, которые в дальнейшем невозможно будет исправить. Разработка собственного решения требует больших финансовых и временных затрат, по сравнению с использованием «коробочного» продукта. Также не стоит забывать, что процесс разработки – это очень ответственное занятие, требующее продуманной методологии разработки и четкой организации трудового процесса.

Выводы

С учетом имеющихся преимуществ и недостатков использования готовых систем управления в качестве решения предложено:

использовать готовую платформу для реализации сервера «Умного дома»;

разработать собственные модульные «драйверы» для осуществления взаимодействия с системами и устройствами разного вида.

Список источников

  1. Атрощенко В.А., Кошевая С.Е., Серикова М.В., К вопросу формирования данных систем управления «умного дома» [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15067
  2. Stepanov M.S., Poskotin L.S., Shishkin D.V., Turgut Timur, Muzata A.R., THE USING OF ZIGBEE PROTOCOL TO ORGANIZE THE "SMART HOME" SYSTEM FOR AGED PEOPLE [Электронный ресурс] – Режим доступа: hhttps://elibrary.ru/download/elibrary_47208338_21426827.pdf
  3. Zainal Al Namer, THE ARCHITECTURE OF SMART HOME INTERNET OF THINGS [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_46595149_55050485.pdf
  4. Sakhasheva D.A., WHAT ARE THE BEST OPTIONS FOR A SMART HOME SYSTEM [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_49704615_46623971.pdf
  5. Полищук Е.И., АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ "УМНЫЙ ДОМ" В ИНДИВИДУАЛЬНОМ ЖИЛОМ ДОМЕ [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_38163697_95944344.pdf
  6. Дмитриева Н.Н., ПЛОТНИКОВА О.И., РОМАНОВ М.А., ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ "УМНЫЙ ДОМ" ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МНОГОКВАРТИРНЫХ ДОМОВ [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_30546430_72220742.pdf
  7. Ушкова К.А., ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ "УМНЫЙ ДОМ" В ЭКСПЛУАТАЦИЮ МНОГОКВАРТИРНЫХ ДОМОВ [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_38533087_17967507.pdf
  8. Mada Albany,Enas Alsahafi, Itidal Alruwili, Salim Elkhediri, A review: Secure Internet of thing System for Smart Houses [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050922004707
  9. Afaq Hyder Chohan, Jihad Awad, Chuloh Jung, Adi Irfan Che Ani, Development of smart application for house condition survey [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090447921003968
  10. Kawther Thabit, Safa Ameen Ahmed, Haitham Salman, Building Smart House based on Speech Detection and Recognition System[Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/358093638_Building_Smart_House_based_on_Speech_Detection_and_Recognition_System