Умный дом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЧАЙКОВСКИЙ ТЕХНИКУМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ»

Техническое отделение

Курсовой проект

По дисциплине микропроцессорные системы

На тему «Умный дом»

Студентки группы 4-2301ВК:

Лаврухиной Анны Александровны

Преподаватель технических дисциплин:

Пушкарев Андрей Валерьевич



Введение

Современный человек предъявляет очень высокие требования к комфортности среды обитания:

1. Эстетические (дизайн и стиль интерьера, ландшафта, красота и функциональность окружающих предметов);

2. Климатические (тепло, холод, чистый воздух);

3. Общебытовые (вода, газ, электричество, радио, телевидение, интернет, телефонная связь, наличие кухонных машин и систем гигиены саун и ванн);

4. Требования к безопасности и контролю за ней (безопасность жилища, хозяев дома и их близких);

5. Требования к надежности сложных систем (компьютеры, домашние кинотеатры, посудомоечные, стиральные машины, СВЧ-печи и др.)

В результате инженерное оснащение квартир и коттеджей неуклонно усложняется, и растет количество устройств, участвующих в формировании этой среды. Возлагать на хозяина жилья управление всеми системами становится неудобно, невыгодно и небезопасно. Комплексная система управления жилищем «умный дом» берет на себя всю рутинную работу по решению этой запутанной задачи, оставляя человеку только принятие главных, «базовых» решений.

Целью курсовой работы является изучение систем умный дом и технологий их реализации.

Для решения поставленной цели можно выделить ряд задач:

1. Понятие системы «Умный дом» и принцип действия системы;

2. Технологии системы умный дом.

3. Реализация системы «Умный дом» на базе (с использованием технологии).



Понятие системы «Умный дом» и принцип действия системы

Само понятие "умный" дом (англ. smart house) не такое уж молодое. Оно возникло в США в начале 70-х годов прошлого века, в недрах "Института интеллектуальных зданий". На тот момент под умным домом подразумевалось "здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства…".

Однако годом рождения современного "умного" дома можно считать 1978-й год. В этом году в США компании Х10 USA и Leviton разработали и внедрили в производство технологию управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети.

Распространение эти разработки получили в то время лишь на территории Северной Америки, ибо были рассчитаны на работу при напряжении 110 В и частоту сети 60 Гц. Тем не менее, именно этим фирмам человечество обязано появлением "невероятных чудес прогресса" - автоматически открывающихся дверей, включающегося по хлопку света и прочих "фокусов", которыми состоятельные американцы удивляли своих гостей, а голливудские фильмы - весь остальной мир.

Для конца 70-х годов технология X10 (именно такое название закрепилось и сохранилось за ней и поныне) являлась, конечно, революционной. Однако она была рассчитана на поддержку всего шести управленческих команд и, в основном, использовалась для управления электроосвещением. Но людям хотелось большего. "Умный" дом должен был становиться все "умнее".

Чтобы ускорить процесс развития подобных технологий их разработчики создали Альянс Электронной Промышленности (Electronic Industries Alliance). В 1992 году это привело к появлению стандарта шины бытовой электроники (Consumer Electronic Bus, CEBus). Ныне CEBus - открытый стандарт. Это означает, что производить оборудование для "умных" домов может любая компания, чья продукция будет соответствовать необходимым техническим требованиям. Сегодня коммуникационный протокол CEBus предусматривает передачу управляющего сигнала по проводам бытовой электросети, витой паре, коаксиальному кабелю (вид электрического кабеля, предназначенный для передачи высокочастотных сигналов), в радиочастотном или инфракрасном диапазоне.

В рамках комплексного подхода к проектированию можно определить следующий перечень инженерных систем современного дома:

1. Электроснабжение;

В современных домах, в особенности коттеджах, используется различное электрическое оборудование это - системы вентиляции, водоочистки в бассейнах, различные осветительные приборы, антиобледенительные системы для крыш и дорог.

Всё это оборудование потребляет значительное количество электроэнергии, а сети, зачастую, не выдерживают подобную нагрузку. Система даёт возможность организовать систему приоритетов.

Протестировав всё включенное в сеть оборудование и, обнаружив, что резерв исчерпывает свои возможности, она отключит прибор, которому был присвоен низший приоритет.

2. Освещение;

Подсистема освещения включает в себя следующие возможности управления:

1. Включение/выключение света при снятии/постановке системы на полную охрану;

2. Включение/выключение различных источников света по таймеру;

3. Управление освещением по датчикам движения, с установкой времени задержки на выключение света. Такое управление освещением устанавливается в основном в «проходных» помещениях (тамбур, коридор и пр.), при появлении в зоне датчика движения человека свет включается. Через заданный интервал времени после того как датчик перестал «видеть» человека, свет выключается;

4. Сценарное освещение управляет всеми источниками света согласно заданному Вами алгоритму (настройка сценарного освещения производится только через компьютер). Сценарным освещением можно управлять как с ИК-пульта, так и с помощью обыкновенных выключателей, подключенных к системе "Мастер". При этом, по Вашему желанию, эти выключатели можно перепрограммировать согласно Вашему образу жизни. Также возможно управление большим количеством различных источников света с помощью двух выключателей;

5. Управление различными источниками света через ИК-пульт;

6. Управление различными источниками света по датчикам освещенности;

7. Включение/выключение различных источников света через пульт системы;

8. Включение/выключение различных источников света через компьютер;

3. Газоснабжение;

Контроль утечки газа предназначен для своевременного отключения подачи газа и информирования при возникновении данной аварийной ситуации, что позволяет снизить ущерб от возможного взрыва и возгорания помещения (дома) и как следствие -- спасти вашу жизнь.

Расположенные в местах возможной утечки газа датчики подадут сигнал системе, которая включит сигнализацию, вентиляцию, и выключит электроэнергию, оставив только аварийное освещение. При возникновении аварии система проинформирует Вас о возникшей аварии, дозвонившись по телефонной линии и голосом сообщив о причине вызова, а также отправит тревожное SMS-сообщение.

При срабатывания датчика утечки газа или датчика пожара -- поступает сигнал на порт системы. Порт формирует сигнал на главный блок системы. Главный блок выдает команду на клапаны перекрытия газа и на автодозвон. Клапан перекрывает газ. Автодозвон в это время производит дозвон по обозначенным Вами телефонам и голосом или SMS сообщает о случившейся аварии. В памяти системы записывается информация о произошедшем, а также все предпринятые системой меры. Эту информацию Вы сможете просмотреть на пульте системы или на своем компьютере.

4. Отопление (радиаторами, воздухом, “теплые полы”);

Система позволяет управлять отоплением нескольких помещений (до 512). Температурный диапазон измерения и регулировки заданных температур от 0 до 125°С (сауна).

Каждое помещение работает по отдельной недельной программе, где можно задать режим управления отоплением в рабочие и выходные дни. Сутки разбиты двумя временными установками -- условно названными «ночь»/«день» и «день»/«ночь».

Система обрабатывает сигналы от подключённых датчиков и включает (выключает) подключённые источники тепла (эл. тёплые полы, ИК-панели, эл. конвекторы), в зависимости от значения текущей температуры, доводя тем самым температуру в помещении до заданной.

Во главе стоит главный блок (MAIN), обмен информацией его с портом и с пультом осуществляется через общую шину SST-BUS. Датчики температуры и источники тепла подключаются к порту, который ведёт с ними обмен информацией (принимает сигналы от датчиков и включает или выключает источники тепла).

Сохранение в памяти заданных параметров неограниченно долго даже при выключенном сетевом напряжении.

5. Водоснабжение (в том числе системы очистки воды и устранения протечек);

Расположенные в местах возможной протечки воды (на полу под раковиной, ванной, стиральной машиной и проч.) датчики вовремя «обнаружат» протечку воды в системе водоснабжения или отопления.

Получив сигнал от подключённых датчиков протечки воды системы водоснабжения, система заблокирует подачу воды до устранения причин протечки и проинформирует Вас о возникшей аварии, дозвонившись по телефонной линии и голосом сообщив о причине вызова, а также отправит тревожное SMS-сообщение. В случае протечки система управления водоснабжением заблокирует подачу воды электромагнитными клапанами либо отключит работу насоса.

6. Вентиляция и кондиционирование;

За температурой и свежестью в доме следит кондиционер и датчики температуры. Они поддерживают в каждой комнате дома оптимальную температуру. При этом стоит заметить, что в «Умном доме» кондиционер никогда не будет работать одновременно с обогревателем, разве что пол может оставаться тёплым. Это, а также замедление или вовсе прекращение работы всей системы во время отсутствия хозяев, помогает значительно сберечь электроэнергию. Вентиляция и кондиционирование в «Умном доме» подчиняется воле хозяина даже по Интернету или при помощи мобильного телефона. Либо настраивается таймер таким образом, чтобы к определенному времени система вентиляции и кондиционирования снова включалась, и к приходу хозяев воздух уже будет прогрет или охлаждён, а также чист и свеж.

7. Канализация;

8. Система видеонаблюдения и охранно-пожарная сигнализация;

Система мгновенно приведёт в действие существующую противопожарную систему, отключит вентиляцию, чтобы поток воздуха не способствовал возгоранию, электричество и газ. А если хозяина нет дома, голосом сообщит о случившемся, дозвонившись по телефону, а также отправит тревожное SMS-сообщение. Система также включит сирену и внешний световой сигнал, чтобы предупредить соседей о случившемся и уберечь от опасности.

Последовательность действий системы при возникновении возгорания:

1. Информация о возгорании и о времени его возникновения заносится в протокол сообщений;

2. Информация о датчике, зафиксировавшем возгорание, заносится в протокол сообщений;

3. Выключается электроэнергия и электророзетки;

4. Перекрывается подача газа;

5. Выключается вентиляции;

6. Включается система дымоудаления;

7. Включается внешний сигнал «ПОЖАР»;

8. Производится дозвон по определенным пользователем номерам при возгорании;

9. Выключается режим контроля возгорания.

9. Контроль доступа и охрана периметра;

Контроль проникновения в помещение:

Позволяет контролировать внутренние помещения в доме или квартире. Получив сигнал о проникновении, система проинформирует Вас о возникшей аварии, дозвонившись по телефонной линии и голосом сообщив о причине вызова, а также отправит тревожное SMS-сообщение, включит сирену и внешний световой сигнал, чтобы отпугнуть воров.

Датчики движения, которые включат аварийную сигнализацию в случае взлома в Ваше отсутствие, могут также установить внешний контроль проникновения, оставаясь внутри дома (квартиры), заблокировав при этом участок (или двери и окна).

1. Периметральный контроль:

Позволяет установить внешний контроль проникновения, оставаясь внутри дома (квартиры), заблокировав при этом участок (или двери и окна).

2. Имитация присутствия:

При длительном Вашем отсутствии система по заданному вами графику будет включать свет, музыку, раздвигать шторы, создавая иллюзию вашего присутствия.

3. Имитация присутствия животных:

Данная функция отпугнет случайного воришку, при нажатии на кнопку звонка в квартире раздастся грозный лай собаки.

4. Ограничение доступа:

В системе предусмотрен 3-х уровневый доступ к управлению системой (условно хозяин, член семьи и гость), ограничивая круг лиц, полностью управляющих системой.

5. Тревожная кнопка:

Функция тревожной кнопки может использоваться Вами по-разному, в зависимости от Вашего образа жизни:

1. Если в доме часто остается один ребенок, это не всегда весело, да и родителям беспокойно. В этом случае, при возникновении непредвиденной ситуации ребенку достаточно только нажать на кнопку и Вы тут же об этом узнаете, т.к. система дозвонится Вам по телефону и голосом сообщит, что необходима Ваша помощь. Тревожную кнопку в данном случае надо располагать в детской, или в место поблизости, чтобы ребенок мог легко до нее дотянуться.

2. Если в доме есть тяжело больной, то в данном случае достаточно изменить номера телефонов, записанных в системе, на телефоны лечащего врача, медсестры или просто соседки, которые во время окажут помощь, или смогут дозвониться в скорую помощь.

3. Если Вы опасаетесь вторжения непрошенных гостей, то тревожная кнопка позволит сообщить без видимых внешних проявлений Вашим доверенным лицам, которые могут что-то предпринять, о «нестандартной» ситуации в Вашем доме. В данном случае размещение тревожных кнопок в доме надо заранее продумать и разместить из вблизи двери на полу, в санузле или на самой двери, чтобы иметь возможность незаметно ее нажать. Сообщение в данном случае должно быть кратким, но понятным, и, конечно, необходимо заранее предупредить абонентов, которые будут принимать сигнал тревоги о виде сообщения.

10. Телефонная связь (АТС и микросотовая сеть);

Возможны следующие способы организации телефонной связи:

1. Традиционная аналоговая телефонная сеть;

2. IP-телефония;

3. Микросотовая связь на базе станции DECT;

4. Система связи на базе мини-АТС.

Первые три способа предполагают существенные ограничения по емкости и доступным функциям. В подавляющем большинстве случаев при организации систем связи используют цифровые или аналоговые мини-АТС. Они позволяют организовать единую систему телефонной связи внутри жилого или офисного помещения и могут служить для связи с внешними телефонными линиями, для маршрутизации внешнего вызова к любому внутреннему абоненту, а также для внутренней связи без выхода на внешнюю линию.

Использование мини-АТС предполагает подключение ограниченного количества городских номеров (иногда одного) к большому количеству внутренних абонентов, что дает значительную экономию денежных средств. К тому же, мини-АТС позволяет организовать гибкую, многофункциональную систему связи с возможностью интеграции с другими системами здания.

11. Телевидение (эфирное, спутниковое, кабельное);

Распределение эфирного и спутникового ТВ с одного источника сигнала (антенна вещательного ТВ, ресивер спутникового ТВ) в любое помещение, где есть телевизоры и управляющие устройства. Совсем необязательно иметь в каждой комнате антенну эфирного или спутникового вещания или точку выхода в Интернет -- централизованное распределение сигнала решает эти проблемы, так как все приемники располагаются в одном месте, но управление ими -- из любого.

Прием вещательного телевидения

Сигнал вещательного телевидения с антенны поступает в систему «Мультирум», а далее распределяется между различными комнатами с телевизорами, ТВ-тюнерами и управляющими устройствами.

Прием спутникового телевидения

Сигнал спутникового телевидения с антенны поступает в систему «Мультирум», а далее распределяется между различными комнатами с телевизорами, ТВ-тюнерами и управляющими устройствами.

Прием/передача цифровых потоков данных (Internet)

Помимо управления, с сенсорных панелей или с телевизора возможен выход в Интернет, просмотр электронной почты, прием сообщений, что делает «Умный дом» практичной, многофункциональной системой.

Управление спутниковыми ресиверами из различных помещений

Централизованное распределение видеосигнала подразумевает расположение всех принимающих устройств в одном месте, управление которыми может осуществляться из любого помещения дома или квартиры (через шину, радиосвязь или ИК-команды).

Управление отображением на телевизоры с видеокамер

Сигнал с камер видео-охраны не обязательно смотреть только на предназначенных для этих целей мониторах. Видеонаблюдение можно вести и с любого другого устройства, подключенному к видеоконцетратору и системе «Мультирум». Сигнал с видеокамеры транслируется на определенный настроенный телевизионный канал, доступный к просмотру и управлению в любой комнате дома.

12. Система “мультирум” (аудио и видео трансляции) и домашний кинотеатр;

Мультирум (Multiroom) - система распределения аудио и видео сигналов от различных источников в несколько отдельных зон, удаленных помещений.

В определенном месте вашего дома концентрируется вся техника, которая может являться источником аудио и видео - это может быть, например, спутниковый TV-тюнер, радио, компьютерный сервер с цифровыми данными, IPad, DVD чейнджер и тому подобное. Все источники подключаются к специальному ресиверу - с ним связываются все зоны, в которых следует выводить музыку или изображение.

Таким образом, нет необходимости во всех комнатах устанавливать свои источники звука и видео. Сигналы из Multiroom по специальным каналам распределяются по всему дому, и из каждого подключенного к системе помещения можно выбрать один из доступных источников данных.

13. “Центральный пылесос”;

В стенах дома располагаются специальные герметичные трубопроводы, присоединенные к силовому агрегату (его можно расположить в гараже, техническом помещении, на балконе, в кладовке). За счет этого удаления во время уборки не слышно шума. Итак, трубопроводы подсоединены к силовому агрегату, а в квартире они обозначаются специальными пневматическими розетками. При желании навести порядок следует только подсоединить шланг к розетке, и все! Никаких усилий и сухого пыльного воздуха: мощная всасывающая сила идеально чистит любую поверхность. Частички грязи, пыли и пуха по трубопроводам отравляются в специальный отсек. Центральные пылесосы обладают мощностью в пять раз превышающей мощность стандартного переносного пылесоса, а время уборки сокращается в 2-3 раза.

14. Обогрев внешних поверхностей (система “ледостай”);

Кабельные системы обогрева, стаивания льда и снега устанавливаются практически в любом месте, которое необходимо содержать чистым от снега и льда. На поверхность, подлежащую защите от снега и льда на старый асфальт или бетон укладывается греющий кабель. Сверху кабель засыпается песком либо заливается бетоном. Затем укладывается облицовочное покрытие.

15. Холодильные камеры и винные погреба;

Оптимальная относительная влажность в помещениях для хранения вин 65-80% способствует сохранению необходимой плотности и эластичности пробок в бутылках, предотвращающих проникновение большого количества воздуха в вино. Если влажность в помещении, где будет расположен винный погреб, отличается от расчетной, то в этом помещении необходимо производить увлажнение воздуха. Уровень относительной влажности отслеживает входящий в состав увлажнителя контроллер, который анализирует состояние датчика влажности. Для поддержания необходимой свежести воздуха в помещениях винного погреба наши специалисты могут предложить проект и монтаж системы приточно-вытяжной вентиляции. Наряду с вентиляцией помещения, необходимо не забывать о воздухораспределении, воздух равномерно должен распределяться по помещению, а не попадать струей на бутылки и стеллажи. Отсутствие света при хранении в винном погребе благоприятно сказывается на мягкой выдержке вина. Уровень освещенности отслеживает контроллер, который анализирует состояние датчиков освещенности в помещениях винного погреба. Для поддержания необходимых температурных параметров в помещениях винного погреба устанавливаются датчики температуры и контроллер для управления климатической системой.

16. Система общего управления “умный дом”;

Дистанционный пульт «Умный Дом» заменит пульты управления от разных видео-, аудиоустройств.

Связь между помещениями:

Возможность селекторной связи внутри одного дома.

Входной звонок:

Войдя в дом, гости запустят воспроизведение Вашей любимой мелодии, нажав на входной звонок.

Подсистема средств общения «умного дома»

Управление через Internet:

Для управления и настройки дома из офиса, машины и т.д. программа системы «Умный Дом» позволяет с помощью электронной почты передавать необходимые команды. Для этого основная программа разделяется на два независимых модуля, один из которых находится в доме и ждет команд. Другой же находится вместе с Вами на Вашем рабочем компьютере.

Дистанционное управление:

Для удобства управления бытовыми устройствами в доме, был создан пульт дистанционного управления, позволяющий совмещать в себе управление телевизором, видеомагнитофоном, музыкальным центром, спутниковым ресивером.

Он так же позволяет включать и отключать: осветительные приборы, управляемые электрические розетки, различные сценарии освещения. При помощи комбинаций нескольких кнопок -- открыть ворота, поставить дом на охрану и совершить много других различных действий…

Контроль и управление всем домом посредством пульта системы «Умный Дом»:

Настенный пульт -- основной пульт системы, позволяющий вам полноценно работать со всеми функциональными возможностями системы. Предназначен для ввода информации в систему и её отображения.

При входе в умный дом вы с помощью него снимаете систему с охраны, а уходя из дома -- устанавливаете систему на охрану. Вы можете просмотреть протокол сообщений о событиях, произошедших за Ваше отсутствие, ввести номера телефонов, по которым будет производиться дозвон в аварийных ситуациях и.т.д.

Управление посредством КПК Palm:

Различными режимами и устройствами в умном доме можно управлять с миниатюрного и приятного по дизайну жидкокристаллического экрана Touch Screen. Эта возможность реализована на базе карманных персональных компьютеров (КПК) семейства Palm, подключаемого к «Умный Дом». В месте с возможностью управления умным домом Вы получаете отличный электронный органайзер и не только…

Управление с компьютера (РС):

Дружественная для пользователя программа, работающая в среде операционной системы Windows, позволяет включать и выключать определённые режимы системы «Умный Дом», а также производить настройки её работы, читать и выводить на печать протокол сообщений.

Технологии системы «Умный дом»

умный дом проектирование управление

Технология 1-Wire

На текущий момент имеется множество технологии управления электропитанием. Самая, простая, популярная и недорогая в реализации, это 1-wire от компании Maxim/Dallas. Технология 1-wire далеко не нова и известна уже около 10 лет. 1-wire широко применяется как в быту, так и в промышленных системах.

Преимущества 1-wire:

1. Простая и понятная архитектура сети;

2. Низкие требования к кабелям;

3. Большая протяженность линии;

4. Низкая стоимость и простота компонентов;

5. Открытый протокол и доступное ПО для программирования;

6. Возможность в определенных ситуациях обходиться без питания.

Недостатки:

1. Низкая скорость передачи данных;

2. Обязательное наличие мастера, ведущего сети.

Устройства обмена данными это пассивные элементы цепи. Компоненты 1-wire не могут без специального запроса посылать в сеть данные. 1-wire устройства не могут общаться друг с другом без «активного» ведущего. Элементы сети являются всегда ведомыми. Мастер в сети 1-wire только один. Он инициирует, контролирует и управляет работой сети и подключенных к сети устройств. В зависимости от используемого программного обеспечения, мастер 1-wire линии может по-разному работать со своими подопечными, но только он в конечном итоге может опросить состояние конкретного элемента, а также послать запроса на получение от этого элемента какой-либо информации. Например, если необходимо в режиме реального времени выводить значение температуры с множества датчиков, то мастер сети в цикле будет по очереди опрашивать эти датчики. Отвечать мастеру по сети может только одно устройство. В качестве мастера может выступать МК (микроконтроллер), который может при соответствующем ПО напрямую включаться в сеть 1-wire к одному из своих портов ввода-вывода. Мастером может выступать также ПК (персональный компьютер), использующий специальные элементы сопряжения, позволяющие соединять 1-wire с COM-портом или USB-портом компьютера, такие как DS9097 или DS9490.

Технология Ethernet

Ethernet - очень распространенный стандарт. Он очень хорошо документирован. Существует огромное количество контроллеров, микропроцессоров, отдельных чипов, готовых устройств со встроенным Ethernet. Порт Ethernet интегрируется в бытовую технику, телевизоры, плееры, ресиверы, не говоря уже о компьютерах. Минимальная скорость передачи данных составляет 10/100 Мбит/с, что более чем достаточно для любых задач домашней автоматизации. Технология Ethernet обладает хорошей помехозащищенностью и надежностью при немалой для дома длине сегментов. В технологию заложены все необходимые механизмы разрешения "коллизий", контроля целостности передачи данных. Устройства для "умной" организации сети (коммутаторы, маршрутизаторы) продаются в любом магазине практически за копейки. Фактически Ethernet сейчас является если и не главным, то одним из основных стандартов для организации высокоскоростного обмена информации между различными устройствами как дома, так и в офисе. Кроме этого, меня в технологии Ethernet интересовал не только и не столько физический уровень модели данных, сколько сетевой и транспортный. Не секрет, что Ethernet чаще всего используют вместе с протоколами TCP/IP.

Умный Дом - это набор простых устройств, поддерживающих TCP/IP, SNMP, SMTP и Web-интерфейс на базе протокола HTTP, доступных для управления, программирования и контроля с любого стандартного клиента (компьютера, планшетного ПК, нетбука, коммуникатора, телефона) как по локальной сети, так и через Интернет, 3G/GPRS, Wi-Fi и т.д. При этом управлять устройствами можно как напрямую, так и посредством специального контроллера (сервера), который бы мог сделать такое управление более комфортным, включая продвинутые возможности Web-интерфейса (Ajax, Flash). Это очень важный момент, так как в Ethernet нет обязательного мастера сети и все устройства могут общаться друг с другом напрямую и остаются доступными для управления в случае каких-то неполадок с основным контроллером.

Многие крупнейшие в мире компании, предлагающие системы домашней автоматизации, постепенно переводят линейки своих продуктов на технологии Ethernet и TCP/IP, так как это удобно, быстро, относительно дешево и просто. Кроме того, розетки, разъемы, кабели UTP/STP/FTP, стойки, аксессуары, коробы, инструмент - все это доступно в любой точке мира, что позволяет недорого и быстро разворачивать системы какой угодно сложности.

Топологией современных сетей на базе Ethernet является звезда. Это означает, что необходимо к каждому устройству вести свой кабель. В этом есть определенный недостаток, так как в доме с уже готовой отделкой такая автоматизация выглядит затруднительной.



Технология X-10

X10 -- это международный открытый индустриальный стандарт, применяемый для связи электронных устройств в системах домашней автоматизации. Стандарт X10 определяет методы и протокол передачи сигналов управления электронными модулями, к которым подключены бытовые приборы, с использованием обычной электропроводки или беспроводных каналов.

Стандарт X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics (Гленротс, Шотландия) для управления домашними электроприборами.

Для связи модулей сети X10 используется обычная домашняя электрическая сеть. Закодированные цифровые данные передаются c помощью радиочастотного импульса вспышки частотой 120 кГц, длительностью 1мс и синхронизированы с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. За один переход через нуль передаётся один бит информации. Приёмник так же формирует окно ожидания вблизи перехода напряжения через 0. Размер окна -- 200 мкс. Наличие импульса вспышки в окне -- логическая «1», отсутствие -- логический «0».

Сами модули сети обычно просто вставляются в розетку, хотя существуют более сложные встраиваемые модули, например заменяемые розетки, выключатели и пр.

Относительно высокая несущая частота не позволяет сигналу распространяться через трансформаторы или между фазами в многофазных сетях и сетях с расщеплённой фазой. Для сетей с расщеплённой фазой для передачи сигнала с фазы на фазу может использоваться обычный конденсатор, но для многофазных сетей и тех сетей с расщеплённой фазой, где простого конденсатора мало, необходимо использовать активный повторитель. Но при передаче сигнала с фазы на фазу необходимо учитывать вышеназванное условие -- передача бита начинается при пересечении нуля. Именно по этой причине, при переходе с фазы на фазу, сигнал сдвигается на 1/6 цикла.

Ещё одним важным моментом является возможность блокирования сигналов за пределами действия сети, чтобы, например, модули одной сети X10 не влияли на сеть X10 в соседнем доме. В таких случаях для блокирования сигналов используется индуктивный фильтр.

Передаваемый по сети пакет состоит из адреса и команды, отправляемых контроллером управляемому модулю. Более сложные контроллеры также умеют опрашивать такие же управляемые модули об их статусе. Этот статус может быть достаточно простым («включено» или «выключено»), указывать числовое значение (текущее значение яркости, температура или данные с других датчиков).

Вне зависимости от среды передачи (электрическая сеть или радиосигнал), пакеты X10 состоят из:

1. 4 бита -- код дома;

2. 4 бита -- код модуля (может быть задано несколько модулей);

3. 4 бита -- команда.

Недостатки:

1. Протокол X10 очень медленный. Около 3/4 секунды занимает передача адреса устройства и команды. Это может быть незаметным при использовании настольного контроллера, но может стать ощутимым при использовании двусторонней связи или при управлении через интеллектуальный контроллер (например, подключённый к компьютеру), особенно при использовании какого-либо сценария для управления несколькими устройствами.

2. В сети X10 может передаваться только одна команда в конкретный момент времени. Если в одно и то же время будет вестись передача двух и более команд, это вызовет коллизии: команды не будут корректно приняты или же будут выполнены неверные действия.

3. Устройства защитного отключения могут ослаблять сигнал настолько, что он не будет прочитан.

4. Некоторые блоки питания, используемые в современной аппаратуре (компьютерах, телевизорах, ресиверах), могут «съедать» проходящие мимо команды сети X10. Это происходит из-за использования конденсаторов на входе блоков питания, которые создают низкое сопротивление для высокочастотного сигнала, сглаживая сигнал. Для подобных устройств существуют входные фильтры, которые позволяют пакетам X10 беспрепятственно проходить мимо подобных устройств.

5. Некоторые модули X10 некорректно работают (или не работают вообще), если управляют устройством с низкой потребляемой энергией (менее 50 Ватт), например, флуоресцентными лампами.

Реализация системы «Умный дом». Умный дом на базе ПК

Важным элементом системы является центральный блок управления. Компьютер обеспечивает универсальность, гибкость, расширяемость, простоту в использовании. С помощью компьютера можно решать огромное количество совершенно различных задач в рамках одной системы. Большое количество доступного программного обеспечения, библиотек, Фреймворков, позволяют наделить систему обширнейшей функциональностью. В компьютере есть практически все для аппаратного и программного объединения различных элементов в единую систему. Современное движение производителей оборудования к использованию широко распространенных протоколов и стандартов (RS232, USB, Ethernet, TCP/IP, Wi-Fi), принятых в компьютерном мире, значительно облегчает интеграцию блоков и создание системы Умного Дома. Умный Дом нужно понимать не только как управление коммуникациями, климатом и оборудованием, сколько средой для обмена и трансформации данных, медиа-сервером, контент-сервером, чем-то таким, что не только помогает экономить энергоресурсы и повысить комфорт, но и средством развлечения и общения, позволяющим качественно изменить уровень жизни. Создание на базе ПК Умного Дома из программно-аппаратных средств, оснащенных Web-интерфейсом, является перспективным и интересным занятием, в котором может участвовать не один разработчик-пользователь.

Web-сервер домашней автоматизации - это всего лишь интерфейс, а не основное ядро системы. Ядром системы является комплекс скриптов, работающих постоянно или запускаемых по расписанию, через cron, которые записывают результаты своей работы в базу данных. Например, каждые 5 минут запускается PHP-скрипт, который опрашивает все датчики температуры и записывает полученные данные в соответствующие таблицы БД. Программы, которые запущенны постоянно - это, например, скрипт-сервер дискретных датчиков 1-wire, скрипт управления отоплением, скрипт управления аэрацией, программа для видеонаблюдения, сервер 1-wire сети owfs, сервер синтеза речи и т.д. Скрипты, написанные для Web нужны для отображения состояния систем, модулей и управления "ядерными" программами и процессами.

Умный дом на базе контроллера. Общая информация. Преимущества и возможности MegaD-328

1. Децентрализация:

При использовании контроллера все элементы Умного Дома работают сами по себе. Они могут обмениваться информацией, посылать друг другу команды, но никакого единого центра, который бы собирал всю информацию и принимал решение, нет (рис 1). Учитывая это обстоятельство, а также то, что вычислительные ресурсы отдельных элементов очень невелики, в децентрализованных схемах невозможно реализовать какие-либо интеллектуальные алгоритмы управления. Как правило это очень примитивные схемы, которые с натяжкой можно назвать по-настоящему Умным Домом. Преимущество децентрализованного подхода только в том, что при выходе из строя одного или нескольких элементов, все остальные системы будут работать. Например, если сломался холодильник, это не означает, что вы не сможете воспользоваться микроволновкой.

2. Централизация:

Все элементы системы подчиняются главному управляющему элементу (контроллеру, компьютеру, серверу (рис 2)). Все события стекаются в единый центр, и только главный компьютер принимает решение что делать, что включить, а что выключить. Такой подход является наиболее перспективным с точки зрения реализации интеллектуальных алгоритмов, а также позволяет программировать систему централизованно. И чем большими ресурсами обладает компьютер, чем он мощнее, тем больше потенциал у системы. Такой Умный Дом способен не только управлять инженерными системами, безопасностью, освещением, но и взять на себя многие ресурсоемкие мультимедийные задачи, видеонаблюдение, распознавание речи, образов и многое другое. В прошлом в качестве главного элемента, как правило, выступал какой-либо маломощный контроллер, но сегодняшние реалии все чаще заставляют применять более производительное оборудования. Сегодня в качестве такого "умного" контроллера скорее используют компьютер, сервер. Именно он позволяет создавать красивые, функциональные и удобные Web-интерфейсы, с помощью которых пользователь общается с Умным Домом посредством коммуникаторов, планшетов, iPad'ов, персональных компьютеров, ноутбуков как из дома, так и из-за его пределов. Но у централизации есть один очень неприятный недостаток. Как только возникает проблема с сервером, абсолютно вся система перестает работать.



MegaD-328. Некоторое совмещение подходов

Модуль MegaD-328 является устройством, которое может работать как в децентрализованной схеме, так и в централизованной. Например, к одному подключены кнопки и светильники. Пользователь посредством Web-интерфейса настраивает устройство таким образом, чтобы при нажатии на кнопку, включались те или иные светильники или другие подключенные приборы. При этом существует возможность удаленного управления подключенными нагрузками и изменения логики работы с помощью встроенного в MegaD-328 Web-интерфейса.

Когда же в системе есть сервер, в котором заложены все интеллектуальные алгоритмы, MegaD-328 при нажатии на кнопку сообщает об этом событии ему и внимательно слушает ответ. Если сервер приказал включить или выключить те или иные потребители, MegaD-328 незамедлительно выполняет эти команды. Сервер также по собственной инициативе (по заложенному в программе алгоритму) или по команде пользователя может послать любую команду для включения и выключения приборов. Таким образом, пользователь может работать через свой iPhone, HTC или Samsung с красивым Web-интерфейсом сервера, а сервер в свою очередь будет передавать команды устройствам MegaD-328 по сети Ethernet (рис 3).

Но и это еще не все. MegaD-328 может всецело подчиняться серверу, но как только произойдет сбой и сервер исчезнет из сети, MegaD-328 при возникновении события (например, нажатия кнопки-выключателя света) будет самостоятельно переключать лампы в зависимости от настроек по умолчанию, которые заданы пользователем (рис 4).

Иными словами логику устройства можно выразить так: есть сервер - работаем с ним, нет сервера - работаем сами. Пользователь всегда может рассчитывать на интеллектуальное управление со стороны сервера, но при возникновении аварии ключевые функции по-прежнему будут работать (рис 5).

Сеть Ethernet

Модуль MegaD-328 оснащен интерфейсом Ethernet со скоростью передачи данных 10Мбит/с. На этом сайте и в форуме присутствует масса информации о различных шинах, которые применяются в Умных Домах. Это, прежде всего, 1-wire, а также X-10, RS-485+Modbus, KNX и многое другое. В чем же преимущество сети Ethernet и сфера ее применения?

1. Распространенность;

Для работы с любой специализированной шиной необходим адаптер, преобразователь. Вы не сможете работать с 1-wire без, например, преобразователя USB-1wire (DS9490R). MegaD-328 просто подключается обычным сетевым кабелем, доступном в любом магазине, к серверу, к компьютеру или в локальную сеть и с ним можно работать (управлять, настраивать) сразу без какого-либо дополнительного оборудования или манипуляций.

2. Надежность;

Стандарт Ethernet десятилетиями зарекомендовал себя как очень надежная среда для передачи данных. Низкая чувствительность к помехам, встроенный механизм борьбы с коллизиями. Недостаток любой шины заключается в том, что при ее повреждении, все элементы, находящиеся за повреждением, перестают работать. В случае Ethernet 10/100Base-T топология сети представляет собой звезду. И если в одном из лучей возникают проблемы, это никак не сказывается на работе остальной части сети.

3. Скорость;

Большинство шин работают на скорости в несколько десятков или сотен килобит. MegaD-328 работает на скорости в 10Мбит/с, что позволяет добиться моментальной реакции системы на любые события. При нажатии на выключатель, свет зажигается так, как будто бы выключатель подключен непосредственно к лампе, а не к контроллеру, который успевает сообщить о нажатии на сервер и получить в ответ указания центральной управляющей системы.

4. Отказ от схемы мастер-слейв и использование протокола TCP/IP;

Но самой важной особенностью построения Умного Дома на технологии Ethernet является возможность применения отработанных сетевых протоколов, позволяющих строить абсолютно любые по своей гибкости системы управления. В технологии 1-wire, как и в большинстве других, применяется подход "мастер-слейв"(рис 6).

Есть один ведущий (мастер) и множество подчиненных, ведомых элементов (слейвов). Подчиненный может послать сообщение в сеть ТОЛЬКО по запросу от мастера. Самостоятельно, без запроса ни один ведомый элемент ничего в сеть "сказать" не может. А теперь представим, что в нашей сети десятки, а то и сотни элементов. Некоторые элементы, такие как выключатели, датчики движения, всевозможные считыватели требуют моментальной реакции системы. Для реализации этой задачи мастер обязан опрашивать элементы системы очень часто - несколько раз в секунду! Этот процесс называется "поллингом" и создает приличную нагрузку и на шину, которая и без того, не является быстрой. Для решения этой проблемы придумывают всевозможные алгоритмы типа "Conditional Search ROM" (в 1-wire), разделение шины на несколько (для медленных датчиков одна, для поллинга, другая, для исполнительных третья).

Но с MegaD-328 такой проблемы нет, так как контроллер сам способен сообщить серверу или других сетевым устройствам о нажатой кнопки без какого-либо запроса.

В качестве сетевого и транспортного протокола в MegaD-328 используется TCP/IP, а это открывает огромные возможности. Во-первых, все современные устройства поддерживают TCP/IP и не требуется никакого дополнительного ПО для работы с контроллером. Во-вторых, применение TCP/IP позволяет маршрутизировать, выделять, выставлять приоритеты и делать любые операции сообщениями между MegaD-328 и пользователем. Вместо постоянного поллинга, контроллер не только может сам сообщить о срабатывании входа, но и послать управляющий сигнал другому MegaD-328. Несколько таких устройств могут общаться друг с другом и без сервера! Это крайне важно в системах безопасности. К примеру, датчик протечки у нас подключен к одному модулю, а клапан или кран с сервоприводом к другому. Случилась аварийная ситуация и сервер не отвечает и тогда MegaD-328, к которому подключен датчик протечки, сам отправляет по сети команду управления на перекрытие воды(рис 7). Ничего подобного с традиционной шиной и схемой мастер-слейв не получится.

5. Протокол HTTP и Web-интерфейс;

MegaD-328 работает со стандартном Ethernet по протоколом TCP/IP на сетевом и транспортном уровне. В Умного Дома все данные передаются по протоколу прикладного уровня HTTP. Это тот самый протокол, который обеспечивает работу всемирной паутины. Такой подход позволяет управлять контроллером MegaD-328 через обычный браузер. Для того, чтобы управлять MegaD-328 с сервера не требуется никакого специфического ПО, достаточно самых распространенных программ curl, wget и прочее. Практически во всех языках программирования, если необходимо создавать собственное ПО, есть поддержка протоколов TCP/IP и HTTP. Сообщения от MegaD-328 также передаются по протоколу HTTP. Это позволяет установить на сервер (на Windows, Unix или любой другой) Web-сервер, например Apache и обрабатывать сообщения от контроллеров любым удобным языком программирования: PHP, ASP, Perl и т.д.



Сравнительный анализ

При рассмотрении двух систем «Умного дома» на базе ПК и на базе контроллера, было выявлено ряд отличий этих систем друг от друга.

На базе ПК важным элементом является центральный блок управления. С помощью ПК можно решить множество различных задач в рамках одной системы. И. благодаря программному обеспечению, библиотекам, Фреймворкам, система является многофункциональной.

Безусловно, возможности такой системы определяются программой, однако, в большинстве случаев достаточно обеспечить:

Контроль состояния входных цепей, в качестве которых могут выступать шлейфы сигнализации, датчики системы «Умный дом» (протечки воды, температуры, освещенности и т.п.);

Управление различными исполнительными устройствами, в зависимости от состояния упомянутых цепей, а также по заранее заданному расписанию и дистанционно;

Контроль за состоянием устройств «Умного дома» с возможностью передачи соответствующей информации владельцу системы.

На базе контроллера были рассмотрены два способа работы системы: централизация и децентрализация.

При децентрализации все элементы работают сами по себе, и поломка одного элемента не способствует выходу из строя всех элементов. Они обмениваются информацией и посылают друг другу команды, поэтому на этой базе нет единого центра.

При централизации же, элементы подчиняются главному управляющему элементу (контроллер, компьютер, сервер), соединяясь воедино в центре и главный компьютер решает, что ему делать с элементами. Поэтому при таком подходе «Умный дом» способен решать ресурсоемкие мультимедийные задачи, видеонаблюдение и др. Но при сбое сервера перестает работать вся система.

Плюсы данной системы:

1. Централизованное расположение интеллектуального оборудования в одном или нескольких щитах (поэтажно, поквартирно);

2. Высокие интеллектуальные возможности даже самого простого контроллера, вплоть до использования контроллера Embedded PC, являющегося настоящим промышленным ПК;

3. Возможность использовать для задач Умного Дома дешёвое оборудование с простыми интерфейсами (например, простой выключатель с интерфейсом «сухой контакт»);

4. Возможность использовать любое сложное оборудование с любыми открытыми интерфейсами (LON, EIB (KNX), RS232, RS485, и т.д.).

Минусы данной системы:

1. Централизованное интеллектуальное оборудование: при выходе из строя процессора или программы работы процессора вся подсистема обслуживаемая контроллером парализуется;

2. Высокая стоимость контроллера делает невыгодным его использование для простых задач (например, управление с пяти выключателей пятью группами света).

Поэтому из выше сказанного следует, что целесообразнее использовать систему на базе ПК.



Заключение

В данной работе были раскрыты все задачи, которые ставились перед нами.

Так же в наши задачи входило проведение сравнительного анализа систем «Умный дом» с целью выявления достоинств и недостатков той или иной системы.

Этот анализ показал, что перспективным является система на базе ПК, потому что Умный дом может управлять не только коммуникацией, климатом и оборудованием, но и средой для обмена и трансформацией данных, медиа-сервером, контент-сервером. И при наличии Web-интерфейса система на базе ПК является перспективным и интересным решением, по сравнению с системой на базе контроллера.

Но самому разработчику-пользователю решать, какую систему ему использовать, потому что любая система имеет свои достоинства и недостатки.



Список литературы

1. http://www.ydom.ru/

2. http://www.insyte.ru/ru/smarthome/

3. http://hosm.ru/forum/topic105.html

4. http://www.shouse.by/main/section.do?mainId=7&selId=144

5. http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=2260297 (историческая справка)

6. http://ltdholding.kz/smart-home.html (принцип действия)

7. http://hosm.ru/info/aircontrol.html (вентиляция и кондиционирование)

8. www.intelkey.ru (центральный пылесос)

9. www.elite-systems.ru (связь и АТС)

10. http://www.re-e.ru/glav/system/water/sneg/ (ледостай)

11. http://www.tria-komm.ru/complex.htm (о контроллерах)

12. http://www.benuks.ru/oborud.html#1

13. http://www.elin.ru/iB-Net/?topic=organization



Приложения

Приложение 1

Рис. 1. Схема децентрализованной системы Умного Дома без управляющего контроллера

Рис. 2. Схема централизованной системы Умного Дома с главным компьютером

Рис. 3. Схема использования MegaD-328 без сервера. Управление автоматически и через встроенный Web-интерфейс



Рис. 4. Схема использования MegaD-328 с сервером. Управление нагрузками как напрямую, так и по команде с сервера.

Рис. 5. Схема работы в случае функционирующего сервера и в случае его отказа



Рис. 6. Традиционная схема мастер-слейв. Для работы с кнопками требуется постоянный опрос шины

Рис. 7. MegaD-328 в сети Ethernet сам сообщает об активности входов, посылает и принимает команды от любых устройств в сети



Приложение 2

Презентация

Рис 8. Схема умного дома

Рис 9. Схема умного дома



Рис 10. Схема умного дома

Рис 11. Схема умного дома



Рис 12. Схема умного дома

Рис 13. Схема передачи сигнала по 1-wire

Рис 14.Схема подключения 1-wire устройств к ПК



Рис 13. Схема подключения устройств по Ethernet

Размещено на Allbest.ru