Комплексная система управления бытовыми устройствами и процессами по технологии "Умный дом"

Введение 4
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Обзор существующих систем управления «умный дом» 7
1.2. Алгоритмы обработки данных 11
1.3. Постановка задачи 17
2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ 18
2.1. Отопительный контур 18
2.2. Системы освещения 26
2.3. Анализ требуемого оборудования 29
2.4. Подбор оборудования для центрального модуля системы 30
2.5. Подбор периферийного оборудования 33
2.6. Экономическая составляющая системы 51
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ 54
3.1. Среда разработки Arduino 54
3.2. Программная реализация основного модуля 58
3.3. Программная реализация периферийных модулей 62
3.4. Программная реализация технического ПО 68
3.5. Программная реализация передачи данных 70
Заключение 75
Список используемой литературы 77

Весь текст будет доступен после покупки

Обустройство собственного жилья всегда остается актуальной идеей для человечества как в настоящее время, так и в ближайшем будущем. Удобство от проживания оказывает влияние на многие психологические факторы для множества людей, позволяя человеку чувствовать себя уютно и комфортно. Но, с другой стороны, это накладывает на индивидуума такие темы для переживания, как безопасность жилья, его сохранность, а также расходы на жилищно-коммунальные услуги.
Основной проблемой безопасности является возможность неконтролируемого проникновения в помещение с различными целями, такие как хищение или хулиганство. Кроме того, в случае проживания более одного человека, у владельца помещения может появиться желание быть осведомленным о том, кто и в какое время посещал жилье. Помимо этого, в многоквартирных домах остро стоит вопрос о возможном причинении ущерба соседним квартирам в силу возможности затопления или пожара из-за оставленных электроприборов.
С развитием технического прогресса такие направления деятельности, как автоматизация производства и управление техническими системами, позволили увеличить качество и удобство проживания человека, разработать новые эффективные методы и технологии для контроля над собственным жилищем. Повышение комфорта также параллельно исполняет функцию снижения себестоимости проживания без больших капитальных вложений, за счет уменьшения расхода электроприборов, что может быть обеспечено при помощи внедрения различных систем домашней автоматизации, а также при помощи создания единой системы управления жилищным хозяйством. Для этого в современном активно развивающемся мире используются системы, именуемые для простоты «умный дом».
Практически все люди используют новшества научно-технического прогресса в целях уменьшения затрат, силы и времени. Одна из популярных и развивающихся в Интернете вещей тенденций и технологий на сегодня является «Smart-Home Internet of Things» (умный дом интернета вещей) - SH-IoTs, которая предназначена для максимально комфортной жизни людей посредством использования современных высокотехнологических средств. В современном понятии системы умного дома интернета вещей SH-IoTs, как правило, вкладывают автоматизацию бытовых, рутинных действий. Например, при возгорании в комнате с установленными специальными датчиками система умного дома обесточит все электроприборы в данном помещении и т.д. [1]. Но, система IoTs (интернет вещей) предполагает в себя возможность управления локальным процессом извне, что может нарушить информационную безопасность, и даже привести к значительным повреждениям. В силу этих факторов, понятия «умный дом» и «интернет вещей» отождествлять некорректно.
Важной системой для рассмотрения будет являться освещение. Причиной этого является то, что свет не только отвечает за комфортабельность, но также является мощным эстетическим фактором, который подчеркивает стиль и архитектурные изыски жилого помещения. Существует множество способов настройки приемлимой и эффективной работы данной системы. Но речь пойдет не о банальной установке энергоэффективных ламп, а о создании световых сценариев и автоматизации освещения. Когда автоматика берет на себя контроль управлением освещением, хозяин может забыть о таких вещах как выключатели, ведь система самостоятельно включает свет при его приближении и отключает, как только он уходит.
Вечером свет уходит в теплые тона, что снизит нагрузку на глаза и будет более комфортно для восприятия, днем же – в холодные и нейтральные.
Для работы данной системы необходимо использовать датчики движения, датчики освещенности и светодиодные лампы с поддержкой работы с разной температурой свечения [2].
Чтобы здание стало умным, технические системы и компоненты должны быть объединены в сеть, либо друг с другом, либо с интернетом, а процессы должны быть оцифрованы.
Для оцифровки здания существуют различные причины. Зачастую инициатором является внедрение новой техники, которая необходима в связи с реконструкцией или модернизацией. При установке новых датчиков и подключении к сети с помощью имеющейся технологии, функция или эффективность установки теперь может контролироваться в цифровом виде [3].
В данной работе будет рассмотрена реализация умного дома при помощи компонентов, доступных большинству, как в плане стоимости, так и сложности установки. В качестве сред разработки ПО были выбраны язык программирования Python 3.0, связка HTML+CSS+JS(DOM) и среда Arduino IDE.
Одной из основных задач данной работы является реализация алгоритмов управления отдельно взятым примером жилого помещения, а также взаимодействие всех микроконтроллеров с верхним уровнем управления для вывода информации конечному пользователю системы.

Весь текст будет доступен после покупки

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Обзор существующих систем управления «умный дом»
В настоящее время происходит бурное развитие интернета вещей и автоматизации инженерных решений в домах и квартирах. Это способствует тому, что эффективное управление оборудованием и ресурсами, такими как электричество, отопление и другие, активно внедряется в нашу повседневную жизнь. И порой привычные нам вещи начинают функционировать самостоятельно, управляемые от систем, под названием «Умный дом». На рынке существуют различные системы, от уже полностью сконфигурированных с интуитивным управлением, до гибких систем, позволяющих настроить под необходимую задачу. [1] Однако, каждая из предоставленных на рынке систем обладает как своими преимуществами, так и недостатками.
На данный момент самые популярные устройства умного дома используют технологии Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и Z-Wave. У каждой из технологий есть свои плюсы и минусы, и никто не запрещает использовать их вместе, компенсируя недостатки каждой. Но для разных задач и разных типов умных устройств используются разные технологии.
Например, в бытовой технике (телевизор, холодильник и кофеварка) обычно используют Wi-Fi или Bluetooth, которые также есть в любом телефоне. Причина — этой техникой пользуются, даже не имея полноценной системы умного дома. Для автоматизации освещения и климата больше подходят встраиваемые модули ZigBee или Z-Wave, так как они специально разработаны для интеграции с существующим световым и климатическим оборудованием. Но для их полноценной работы нужен специальный хаб. [2]

Весь текст будет доступен после покупки

1. Шерчков, А. В. Анализ существующих технических решений "умный дом" // Молодежный вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2020. № 22. С. 153-155.
2. Habrahabr [Электронный ресурс] URL : https://habr.com/ru/company/mvideo/blog/499706/ (дата обращения 13.04.2022)
3. Hikvision [Электронный ресурс] URL : https://www.smarthomepoint.com/zigbee-zwave-wifi-bluetooth-comparison/ (дата обращения 14.04.2022)
4. Econet [Электронный ресурс] URL : https://econet.ru/articles/117634-umnyy-dom-razvitie-i-tendentsii (дата обращения 14.04.2022)
5. Helal S. et al. The gator tech smart house: A programmable pervasive space //Computer. 2005. Т.38. №. 3. С. 50-60.
6. Rajabzadeh A., Manashty A. R., Jahromi Z. F. A mobile application for smart house remote control system //arXiv preprint arXiv:1009.5557. 2010.
7. Ahmed M. A., Kang Y. C., Kim Y. C. Communication network architectures for smart-house with renewable energy resources //energies. 2015. Т.8. №.8. С. 8716-8735.
8. Кивокурцев, А. Л. Особенности датчиков первичной информации, алгоритмов ориентации современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем // Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России : сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 50-летию Иркутского филиала МГТУ ГА, Иркутск, 17–19 мая 2017 года. – Иркутск: Московский государственный технический университет гражданской авиации, Иркутский филиал, 2017. С. 79-87.
9. Савин, В. Н. Алгоритмы компьютерной постобработки результатов лазерного сканирования / В. Н. Савин, М. В. Шадрин, В. А. Степанов // Информатика и прикладная математика. 2015. № 21. С. 110-114.
10. Рубанов, В. Г. Теория автоматического управления (математические модели, анализ и синтез линейных систем) : учебное пособие для студентов вузов / В. Г. Рубанов ; Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. – Белгород : Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2010. 125 с.
11. Csorgo S., Mielniczuk J. The smoothing dichotomy in random-design regression with long-memory errors based on moving averages //Statistica Sinica. 2000. С. 771-787.
12. Hansun S. A new approach of brown’s double exponential smoothing method in time series analysis //Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering. 2016. Т. 4. №. 2. С. 75-78.
13. Otoplenie [Электронный ресурс] URL : https://otoplenie.site/otoplenie/obogrevateli/obogrevatelnye-pribory.html (дата обращения 03.05.2022)
14. Евдокимов, К. А. Использование вихревого теплогенератора для горячего водоснабжения и системы теплого пола в помещениях / К. А. Евдокимов, Р. А. Байбаков // Наука, образование, общество: тенденции и перспективы: : Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 5 частях, Москва, 28 ноября 2014 года / ООО "АР-Консалт". Москва: Общество с ограниченной ответственностью "АР-Консалт", 2014. С. 40-41.
15. Акулов, К. А. Газовые настенные отопительные котлы / К. А. Акулов, П. А. Матанцев // Нефтегазовый терминал : сборник научных статей Международной научно-технической конференции, Тюмень, 17–20 ноября 2015 года / Под общей редакцией С.Ю. Подорожникова. Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2015. С. 15-18.
16. Саенко, А. В. Настенные газовые конденсационные котлы. Их виды и особенности / А. В. Саенко // Наукосфера. 2021. № 5-1. С. 165-170.
17. Motlagh N. H. et al. An IoT-based automation system for older homes: A use case for lighting system //2018 IEEE 11th Conference on Service-Oriented Computing and Applications (SOCA). IEEE, 2018. С.1-6.
18. Сыпалова, А. С. "Умный дом". Управление освещением / А. С. Сыпалова, Л. С. Кривобок // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2020. № 3. С. 114.
19. Желтикова, Е. В. Экологические критерии комфортности жилья / Е. В. Желтикова // Безопасность городской среды : Материалы V Международной научно-практической конференции, Омск, 21–23 ноября 2017 года / Под ред. Е.Ю. Тюменцевой. Омск: Омский государственный технический университет, 2018. С. 217-219.
20. Warren J. D., Adams J., Molle H. Arduino for robotics //Arduino robotics. Apress, Berkeley, CA, 2011. С. 51-82.
21. Barrett S. F. Arduino microcontroller processing for everyone! //Synthesis Lectures on Digital Circuits and Systems. 2013. Т. 8. №. 4. С. 1-513.
22. Богунов К. В. Организация беспроводной передачи данных на базе платы Arduino //Студент: наука, профессия, жизнь. 2020. С. 359-364.
23. Губенко М. А. Исследование программных фильтров для уменьшения шума аналого-цифрового преобразователя контроллера arduino //Современные тенденции естественно-математического образования: школа-вуз. 2020. С. 24-34.
24. Kodali R. K., Sahu A. An IoT based weather information prototype using WeMos //2016 2nd International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I). 2016. С. 612-616.
25. Wahyuni R. et al. Home security alarm using Wemos D1 and HC-SR501 sensor based telegram notification //Journal of Robotics and Control (JRC). 2021. Т. 2. №. 3. С. 200-204.
26. 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.
27. 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.
28. Каримов А. Р. Исследование и принцип работы температурного датчика на полупроводниковых терморезисторах //АВТОМАТИКА И ЭЛЕКТРОННОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2016. С. 177-181.
29. RadioProg [Электронный ресурс] URL : https://radioprog.ru/post/744 (дата обращения 13.03.2022)
30. EltechBook [Электронный ресурс] URL https://eltechbook.ru/princip_raboty_rele.html (дата обращения 13.03.2022)
31. Панюшкин, Н. Н. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов "Автоматизированные технологии и производства" / Н. Н. Панюшкин. – Издание 2-е, исправленное. – Воронеж : Воронежская государственная лесотехническая академия, 2005. 130 с.
32. ПРИНТ ЮГ [Электронный ресурс] URL : http://www.print-yug.ru/st_005.html (дата обращения 13.03.2022)
33. Гаврилова, Т. В. Что такое среда программирования Arduino IDE? / Т. В. Гаврилова, А. Н. Григорьева // Актуальные научные исследования в современном мире. 2021. № 5-2(73). С.63-64
34. Худяков, С. В. Использование микроконтроллера ESP8266 01. Программирование с помощью Arduino IDE / С. В. Худяков, С. Г. Самохвалова // Постулат. 2016. № 12(14). С. 9.
35. Y?ld?z S., Burunkaya M. Web based smart meter for general purpose Smart Home systems with ESP8266 //2019 3rd International Symposium on Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies (ISMSIT), 2019. С. 1-6.
36. Шатуновский, В. Л. Проектирование устройств для дистанционного мониторинга и управления в системах локальной автоматизации на базе микроконтроллерных плат, типа "Arduino" и "ESP" : Учебное пособие по микроконтроллерной технике для студентов вузов, Электронное текстовое издание / В. Л. Шатуновский. – Санкт-Петербург : Издательство «Наукоемкие технологии», 2021.
37. Smullen C. W., Smullen S. A. AJAX application server performance //Proceedings 2007 IEEE SoutheastCon. 2007. С. 154-158.
38. Sud K. Asynchronous JavaScript //Practical hapi. – Apress, Berkeley, CA, 2020. – С. 21-33.
39. W3 Schools [Электронный ресурс] URL : https://www.w3schools.com/xml/xml_http.asp (дата обращения 20.05.2022)
40. Exponenta [Электронный ресурс] URL : https://docs.exponenta.ru/R2021a_nmtnew/curvefit/smoothing-data.html (дата обращения 17.05.2022)
41. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. – М.: Наука, 1974.
42. Baguzin.ru Анализ временных рядов [Электронный ресурс] URL : https://baguzin.ru/wp/analiz-vremennyh-ryadov/ (дата обращения 16.05.2022)
43. 3D DIY [Электронный ресурс] URL : https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/rfid-modul-rc522/ (дата обращения 17.05.2022)
44. Dewanto S. A. et al. MFRC522 RFID technology implementation for conventional merchant with cashless payment system //Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2021. Т. 1737. №. 1. С.012012.
45. MicroSin Утилиты для программатора USBasp с графическим интерфейсом [Электронный ресурс] URL : http://microsin.net/programming/avr/gui-software-for-usbasp-based-usb-avr-programmers.html (дата обращения 17.05.2022)
46. Медведев, С. И. Программирование микроконтроллеров семейства AVR / С. И. Медведев, Л. А. Белокопытова // Конкурс лучших студенческих работ : сборник статей VII Международного научно-исследовательского конкурса, Пенза, 05 февраля 2021 года. – Пенза: "Наука и Просвещение" (ИП Гуляев Г.Ю.), 2021. С. 17-20.
47. Botirov, O. X. O. AVR Studio development environment for AVR and Arduino microcontrollers / O. X. O. Botirov, D. B. Q. Eshmurodova, V. N. Qalandarov // Инновационное развитие: технический и технологический аспекты : сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции, Тюмень, 10 октября 2019 года. – Тюмень: Общество с ограниченной ответственностью "Агентство международных исследований", 2019. P. 10-12.
48. Partridge C., Hughes J., Stone J. Performance of checksums and CRCs over real data //ACM SIGCOMM Computer Communication Review. 1995. Т. 25. №. 4. С. 68-76.
49. Золотов, В. Ю. Алгоритм вычисления контрольной суммы CRC: описание алгоритма и программная реализация / В. Ю. Золотов, А. Р. Каплуненко // Наукосфера. 2020. № 4. С. 93-95.
50. Рид, Ричард. Основы теории передачи информации / Ричард Рид ; [пер. с англ. М. В. Бойко]. - М. [и др.] : Вильямс, 2005 (СПб. : ГПП Печ. Двор). 293 с.

Весь текст будет доступен после покупки