Практическая работа 1 система умный дом. Куценко К. Умный дом творческий проект.ppt - Проект "Умный дом". Система кондиционирования и отопления

Практическая работа № 1 СИСТЕМА «УМНЫЙ ДОМ»

Аппаратное и программное обеспечение: компьютер с установ­ленной операционной системой Windows или Linux, подключенный к Интернету.

Цель работы: научиться находить ресурсы по заданной теме и при­менять их на практике.

План работы:

1. В операционной системе Windows или Linux, используя браузер, найти информацию об «Умном доме» с помощью одной из по­исковых систем.

2. В операционной системе Windows или Linux в текстовом редак­торе создать отчет о найденной информации об «Умном доме».

3. Выполнить зачетное задание.

Задание № 1. Поиск информации об «Умном доме» с помощью поисковой системы.

Для поиска информации об «Умном доме» выполните следующие действия.

1. В операционной системе Windows или Linux в браузере открой­те стартовую страницу одной из поисковых систем, например http://google.ru.

2. Найдите определение, что такое «Умный дом». Для этого в строку поиска введите фразу «Определение Умный дом»

3. Откройте в новой вкладке страницу сайта ru.wikipedia.org/wiki/ Умный_дом. Для этого щелкните мышью по гиперссылке Умный дом - ВикипедиЯ. Прочитайте об «Умном доме» на стра­нице Википедии.

4. Вернитесь на страницу поиска http://google.ru, не закрывая те­кущую вкладку.

6. Вернитесь на страницу поиска http://google.ru, не закрывая теку­щую вкладку, и измените поисковый запрос на «Купить Умный дом».

7. Посмотрите самостоятельно информацию о системе «Умный дом» на 2 - 3 найденных сайтах. Каждый сайт открывайте в новой вкладке, не закрывая остальные вкладки.

Ознакомьтесь самостоятельно с примерами других «умных» систем или приборов. «Умный свет» - это система управления освещением этажей многоэтажного дома, коридоров гостиниц и офисов. Свет включается, когда в помещении появляется человек, выключается свет автоматически там, где человека уже нет. «Умная плита» имеет массу датчиков, которые непрерывно следят за приготовлением блюда. Плита сама распознает момент, когда нужно снижать температуру нагрева. При включении нагревается только та часть варочной поверхности, которая находится под дном посуды, посуду можно передвинуть, «кон­форка» сама направится вслед за ней и продолжит нагревание.

Задание № 2. Создание отчета в текстовом редакторе о найденной информации об «Умном доме».

Для создания отчета выполните следующие действия.

1. Откройте текстовый редактор OpenOffice.org Writer. По центру страницы введите название отчета «Умный дом».

2. Скопируйте определение «Умного дома» в текстовый редактор OpenOffice.org Writer с сайта ВикипедиЯ. Для этого перейдите в брау­зере на открытую вкладку Умный дом - ВикипедиЯ и выделите мы­шью первый абзац статьи. Скопируйте выделенный абзац с помощью контекстного меню.

3. Вернитесь в текстовый редактор и вставьте скопированный абзац после заголовка. Для этого можно воспользоваться командой Вставка кон­текстного меню. Выровняйте вставленный абзац по ширине (рис. 1.4).

4. Сохраните созданный тестовый файл под именем «Умный дом» с расширением.doc.

5. Вставьте в текстовый редактор таблицу «Различие систем “Умный дом” в Европе и в России». Заполните ее, используя информацию со страницы сайта ВикипедиЯ.

6. В текстовом файле создайте подзаголовок «Возможности:» и, ис­пользуя информацию, размещенную на сайте http://www.eskd72.ru/, скопируйте их в отчет об «Умном доме».

7. Измените поисковый запрос в браузере так, чтобы найти сайты компаний, которые занимаются проектировкой и монтажом системы «Умный дом».

8. В текстовом файле создайте подзаголовок «Сравнение систем “Умный дом”» и заполните таблицу, используя найденную инфор­мацию.

Вставка картинки выполняется следующим образом. В окне брау­зера вызовите контекстное меню у картинки и выберите пункт меню Копировать изображение.

Вернитесь в текстовый редактор, установите курсор в нужную ячейку таблицы и с помощью контекстного меню вставьте рисунок.

При вставке картинки в таблицу настройте обтекание изображения. Для этого воспользуйтесь командой контекстного меню Обтекание - Оптимальное обтекание.

После этого автоматически изменится ширина строки таблицы и картинка будет полностью помещаться в ячейку таблицы.

Заполните оставшуюся часть таблицы самостоятельно

Зачетное задание.

1.Предусмотрите элементы системы «Умный дом» для помещений вашей квартиры (дома): система охраны входа, система управления освеще­нием, система управления бытовыми приборами, система управления температурой в помещениях (подачей отопления), система управления кондиционерами в помещениях, другое.

2.Вставьте фотографии соответствующих элементов системы (с сайтов) в план помещений вашей квартиры (дома).

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет заочного обучения

Кафедра инженерной психологии и эргономики

Дисциплина: Общая теория систем

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

Система «Умный дом»

Введение

Под «умным» домом подразумевается система, которая обеспечивает безопасность и ресурсосбережение.

Комплекс датчиков непрерывно отслеживает работу всего оборудования и, благодаря взаимодействию всех систем, дает возможность сократить затраты на содержание дома и повысить безопасность, надежность и комфортность, а также бережет силы своих хозяев, выполняя за них ежедневную, рутинную работу.

Наиболее востребованной системой является система освещения и теплоснабжения. Вторая наиболее востребованная система - система безопасности. Третьей важной системой является домашний кинотеатр. Важно еще на стадии проектирования учесть различные системы и проложить для них кабели.

В простейшем случае система должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Кроме того, от автоматизации нескольких подсистем обеспечивается синергетический эффект для всего комплекса.

Это проще понять, если представить, например, что система отопления никогда не сможет работать против системы кондиционирования. А отопление осуществляется не только по погоде, но и с учётом целого ряда других факторов. От силы ветра, по предсказанию, от времени суток (ночью комфортная температура меньше).

Исходя из этого, важной задачей является разработка сценария «Умного дома», т.е. запрограммированное поведение системы «умного дома» для определенного события. Для этого создается «библиотека сценариев», т.е. варианты - «никого нет», «вечеринка», «гость», «праздник», «утро», «вечер», «отпуск» и т.д. Так же необходимо учесть необходимость гибкого изменения сценариев.

Сценарий «Умного дома» будет включаться в ответ на запрограммированное действие - нажатие на кнопку пульта, сигнал с датчика движения, команда компьютера, срабатывание таймера и т.д. В данный момент на стадии разработки «Умного дома» - система распознавания речи.

После завершения работ по проектированию, установке и программированию системы в доме, Вы получаете в руки монитор с сенсорным экраном размером не более экрана ноутбука. На нем, в удобной форме, представлены все необходимые средства управления домом. Системой допускается управлять даже через Интернет.

1. Модель состава системы

1 Определение входов и выходов исследуемого объекта

Исследуем систему, абстрагируясь от её внутреннего состава, как нечто целое, взаимодействующее со средой на своих входах и выходах. Для этого используем метод «черного ящика». Данный метод позволяет предсказать поведение системы на этапе разработки, определить риски не затрачивая большие финансовые и трудовые ресурсы.

Главной целью системы «умный дом» является уменьшение затрат на содержание дома, дополнительные цели - минимальное участие человека, а так же неуловимая цель - комфорт человека, находящегося в доме. Существенные связи системы с объектами окружающей среды - человек, средства телекоммуникации и телеметрии.

Выходы модели описывают результаты деятельности системы, а входы - ресурсы и ограничения.

Графической модели «черный ящик» системы «умный дом» показан на рисунке 1.

Приведем способы устранения недостатков системы «умный дом»:

для предотвращения коррозии необходимо поддерживать в помещении оптимальные или допустимые параметры микроклимата, а так же производить профилактику средств телеметрии находящихся на улице;

необходимо обеспечить эффективное заземление, для предотвращения выхода из троя автоматики при попадании молнии, а так же включить в систему устройства защитного отключения, отрабатывающие при возникновении короткого замыкания;

необходимо обеспечить регулярное техническое обслуживание для исключения возможности загрязнения контроллеров и центральной системы управления и как следствия выхода из строя.

Рисунок 1. Модель «черный ящик» системы «умный дом».

2 Анализ состава объекта

Рассмотрим внутреннюю составляющую модели «черного ящика», от которой мы абстрагировались выше. Для этого необходимо построить модель состава системы. Она ограничивается снизу тем, что считается элементом, а сверху - границей системы. При детальном рассмотрении можем разбить систему «умный дом» на подсистемы, которые в свою очередь разбиваются на элементы. Данное разбиение субъективно и зависит от степени детализации рассмотрения системы. Ниже на рисунке 2 представлена модель состава системы «умный дом».

Рисунок 2. Модель состава системы «умный дом»

1.3 Назначение и характеристики составных элементов объекта

Модем - устройство для связи между компьютером(управляющим всей системой умного дома) и пользователем за пределом дома.

Мини-компьютер - предназначен для выполнения вычислений, управления автономной работы «умного дома», а так же для управления компонентами системы человеком. Должен обладать запасом оперативной памяти для анализа больших объемов телеметрии, а так же хорошим ресурсом процессора для обработки данных телеметрии в кратчайшие сроки.

Концентратор - необходим для сосредоточения всех сигналов от контроллеров. Хватит концентратора на 8 портов.

Пульт управления - предназначен для управления сценариями «умного дома». Должен обладать большим запасом времени автономной работы и достаточным радиусом действия. Подойдет планшет или телефон с установленным программным обеспечением. Что позволит унифицировать элемент.

Универсальный блок управления -необходимый для сбора параметров телеметрии, передачи на мини-компьютер и включения исполняющих блоков, выбирается относительно выполняемых задач, легко программируется под необходимую задачу.

Циркуляционный насос - необходим для циркуляции горячей воды отопления по дому, выбирается относительно объемов и этажности отапливаемого помещения.

Кондиционер - выполняет функцию как приточной так и вытяжной вентиляции, увлажняет воздух, поддерживает заданную температуру.

Обогрев водостоков - нагревательный элемент для поддержания ливневой системы в работоспособном состоянии в зимние месяцы.

Газовый котел - обеспечивает необходимую температуру воды для обогрева дома.

Устройство отключения воды - необходимо для аварийного отключения подачи воды.

Устройство отключения подачи газа - необходимо для аварийного отключения подачи газа.

Устройство защитного отключения электричества(эл-ва) - необходимо для аварийного отключения подачи электричества.

Регулировка яркости - необходимо для регулирования яркости освещения до более комфортного в данный момент.

Метеорологический датчик - необходим для определения метеорологических параметров окружающей среды.

Сумрачный датчик - определяет степень освещенности и передает информацию контроллеру.

Датчик температуры - определяет температуру в помещении и передает информацию контроллеру.

Датчик утечки CO2 - определяет наличие в воздухе угарного газа и передает об этом информацию контроллеру.

Датчик утечки воды - определяет утечку воды при прорыве труб или запорной арматуры и передает об этом информацию контроллеру.

Датчик перегрузки системы - определяет и передает информацию о перегрузке системы электроснабжения дома, для аварийного отключения.

Датчик движения - определяет нахождение в пределах датчика движения и передает информацию, для включения(отключения) освещения.

2 Модель структуры системы

1 Определение элементов и связей между ними

Для того что бы система функционировали и выполняла возложенные на неё задачи необходимо правильно соединить все детали между собой, или, говоря в обще, установить между элементами определенные связи - отношения. Перечень существенных связей между элементами системы называется моделью структуры системы. Связь, с точки зрения структуры системы, формирует эту самую структуру.

Модель структуры системы рассматриваемой системы «умный дом» представлена в таблице 1

Таблица 1 - Модель структуры системы «умный дом»

2 Анализ связей между элементами системы

Для связей направленных в одну стороны, к примеру датчик - универсальный блок управления выбираем двухжильную медную пару, этого хватит для того чтобы передать информацию от датчика к блоку управления.

Для связей же двухсторонних не связанных с передачей большого объема информации подходит четырехжильная медная витая пара.

Для обмена информацией между блоком управления и концентратором используем сетевой кабель, который позволяет передавать данные большее количество информации.

Чтобы передать сконцентрированный поток информации подойдет оптоволокно, оно позволит быстро передать всю информацию.

Представленные связи являются динамическими. Так же следует отметить, что элемент «концентратор» по сути, является связью между универсальными блоками управления, которые собирают информацию и передают миникомпьютеру и обратно, когда миникомпьютер передает свою реакцию на переданные ему параметры.

Структурная схема системы

1 Разработка структурной схемы устройства

Структурная схема устройства это объединение модели «черный ящик», модели состава системы и структуры системы. По сути мы раскрываем черный ящик и переходим от модели «входов-выходов» к «живой» модели в которой имеет значение состав системы и взаимодействие всех элементов системы, а не только взаимодействие системы с окружающей средой.

В структурной схеме системы отражается состав системы и связи, а так же отображается направление этих связей, что отражает зависимость блоков системы друг от друга.

Перед моделированием внутренней структуры, то есть перед тем как набрать и связать друг с другом компоненты, необходимо определить и понять, зачем эти компоненты нужны (чтобы не включать лишних компонентов и связей между ними). Исходя из этого, вначале должны быть прописаны функции компонентов, затем прописывается последовательность функций компонентов, необходимая для проявления интегративного свойства системы.

Таким образом, все предыдущие построенные модели вели нас к построению осмысленной структурной схемы системы «умный дом» отбросив все ненужные элементы и подсистемы.

Структурная схема системы «умный дом» представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема системы «умный дом»

3.2 Разработка иерархической структуры устройства

Работу всей системы регулирует миникомпьютер. Он является основным элементом системы, отвечающим за логику и обработку информации. В свою очередь миникомпьютер реагирует на показания датчиков переданных ему и соответственно принимает решения на включение тех или иных исполняющих блоков, а так же реализует заложенные в него сценарии поведения системы.

Универсальный блок управления во всех представленных подсистемах обрабатывает переданную от датчиков информацию и передает её дальше на миникомпьютер, который и примет решение о действии. Универсальный блок в свою очередь после того, как примет ответ от миникомпьютера по обработанным данным датчика будет реализовывать принятое решение миникомпьютера(к примеру, открывает электрозадвижку и включает газовый котел, пока не повысится температура в доме).

Для реакции на окружающую среду нам необходимо фиксировать изменения среды, для этого предназначены датчики(температурный датчик, датчик утечки газа, датчик утечки воды и т.д.) Именно датчики реагируют на изменения среды и дают информацию, на основании которой происходит построение логики миникомпьютера.

Управление системой может быть описано с помощью следующих страт: реакция датчиков на изменение окружающей среды -> формирование сигнала от универсального блока управления к миникомпьютеру -> принятие решения миникомпьютером и формирование ответного сигнала -> принятие сигнала универсальным блоком управления -> реализация логики.

4. Описание работы системы

Подсистема безопасности контролирует утечку воды, утечку угарного газа и перегрузку системыкак и в подсистеме климатической все данные собранные от датчиков передаются к миникомпьютеру, который в свою очередь обрабатывает их и принимает решение о отключении подачи воды, газа или электричестваумный дом подсистема

Подсистема управления освещением собирает информацию о количестве света, а так же о присутствии человека и в зависимости от собранной информации мини компьютер при помощи регулятора яркости освещения, позволяет подобрать максимально комфортный и экономически выгодный режим освещения.

Пульт управления позволяет вмешиваться в автоматизированное управление домом и выставить желаемые параметры, к примеру, повысить температуру в доме. А так же при помощи пульта можно запрограммировать дом на определенные сценарии. К примеру, к определенному времени повышать температуру в доме, таким образом, удастся экономить ресурсы на отопление, когда в доме никого нет и достигать комфортной температуры, ко времени, когда по плану домой должны вернуться хозяева. Так же можно задавать сценарии освещения: вечеринка, отдых, отпуск и т.д. Единственная подсистема недоступная к управлению дистанционно это система контроля безопасности, она должна функционировать автономно для избежания человеческого фактора.

Заключение

Разработанная в курсовом проекте система экономически выгодна, а так же вполне легка в реализации. По ходу выполнения данной работы мною были выявлены и доработаны слабые стороны системы.

Благодаря поэтапному проектированию от модели «черный ящик» до построения структурной схемы системы были учтены все нюансы системы.

На начальном этапе при проектировании модели «черный ящик» были поставлены цели и задачи, которые должна выполнять система, что позволила сконцентрироваться на определенных её функциях и пренебречь другими, задать уровень детализации и абстрагирования. Это позволило не тратить время на проработку не нужных и не существенных деталей для выбранного уровня детализации.

Далее определив состав системы, мы смогли сконцентрироваться на том, из чего состоит система, на её отдельных подсистемах и элементах. Далее определив связи, мы получили целостную и вполне работоспособную, относительно выбранного уровня детализации.

В итоге мы практически подтвердили важность построения моделей «черный ящик», состав системы, структура системы и структурная схема системы для экономии времени ресурсов и более тщательной проработке системы с выбранным уровнем детализации, что позволяет спроектировать более качественную и совершенную систему, но необходимо помнить что ошибка, совершенная на более раннем этапе, будет более серьезно отражаться на конечно системе.

Список используемой литературы

Гулякина Н.А. Общая теория систем [Электронный ресурс]: электронный учебно-методический комплекс. - Мн.: БГУИР, 2007 (Кафедра интеллектуальных информационных технологий)

Эргатические системы. Пособие по дисциплине «Эргатические системы» для студ. всех форм обуч. спец.1-58 01 01 Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий и 1-40 05 01-09 Информационные системы и технологии (в обеспечении промышленной безопасности). / Л.П. Пилиневич, Н.В. Щербина, К. Д. Яшин. - Минск: БГУИР, 2015. - 92 с.

Аннотация: Данная лекция посвящена введению в тематику умного дома. В ходе лекции выявляются отличия умного дома от обычного, вводится ряд первоначальных понятий и даются теоретические знания по кабельным системам, используемым при создании умного дома. В лекции собран материал необходимый для обеспечения целостной охранной системы для загородного дома. Важнейшей особенностью Умного дома является его преимущество в экономическом плане. Вы не только сэкономите на электричестве и теплоснабжении, но и значительно облегчите ряд стандартных операций.

Презентацию к данному разделу лекции Вы можете скачать .

Понятие Умный дом (с англ. intelligent house ) было сформулировано в 1970-х годах в Вашингтоне в Институте Интеллектуального здания . Если обратиться к дословному переводу, то слово " intelligent " означает "разумный".

Спрос на Умный дом в России растет с каждым днем. Понятно, что этот Умный дом должен быть красивым, комфортным, удобным, надежным, Умный дом должен быть послушен воле своего умного владельца, а главное - Умный дом должен интуитивно реагировать на действия хозяина, предугадывать поведение и мысли хозяина, контролировать и вести дела, когда хозяин отсутствует. Конечно, все это утрировано, но доля правды в этом есть и не малая. Таким образом, Умный дом - это идеи, и их осуществление, в функциях подобранной для этого техники и аппаратуры . Все оборудование, которое входит в понятие " Интеллектуальное Здание " или " Умный дом ", отличается от обычных выключателей, розеток, ламп, как старый телевизор с ручкой переключения каналов отличается от современного, оснащенного пультом дистанционного управления. Так, например, по своему внешнему виду интеллектуальный выключатель практически не отличается от обычного. Зато одним нажатием клавиши можно не только включить - выключить, но и изменить яркость. Теперь не нужно тянуть несколько проводов и ставить несколько выключателей, чтобы включать группами лампы в люстре или встроенные в потолок или стену группы светильников Интеллектуальный выключатель отличается и от диммеров (устройств плавной регулировки яркости света ) тем, что светом можно управлять не сходя с места, например, удобно устроившись у домашнего кинотеатра, или с книгой в кровати. Достаточно, чтобы рядом находилась розетка, в которую подключен многоканальный выключатель – мини контроллер . Это устройство позволяет управлять одновременно несколькими группами светильников. В принципе, контроллер с таким же успехом может управлять и другими электроприборами – кофеваркой, нагревателем, утюгом. Какую схему расчета затрат на использование Интеллектуального Здания не применяй – система окупится . Окупится сторицей, потому, что ущерб от кражи, пожара, утечки газа или нападения на Ваш дом гораздо больше, чем Вы вложите в оснащение дома системой Интеллектуального здания .

На слайде 5 вы можете посмотреть наглядную схему умного дома.

Перейдем к датчикам и устройствам. Вы можете посмотреть классификацию и фотографии на слайдах 7 – 16.

При построении системы " Умный дом " для передачи сигналов управления выключателям с интеллектуальной начинкой могут использоваться уже проложенные провода от розеток и светильников, хотя, конечно, гораздо удобнее и функциональнее в период эксплуатации или наращивания системы иметь проложенный в момент строительства наравне с другими инженерными сетями специальный кабель , именуемый также шиной. Наличие шины в дальнейшем позволит насыщать систему всем, что покажется необходимым без существенных затрат на перепроектирование и последующие ремонтные работы. Еще более высокий уровень комфорта обеспечат датчики движения. Если установить такой датчик, свет может включаться сам при приближении человека на расстоянии 6-8 метров. Через определенное время датчик выдаст сигнал на выключение света ( интервал может регулироваться от 1 до N-ого количества минут). Удобство подобного устройства очевидно – не придется нашаривать ночью выключатель в туалете или в ванной комнате. Помимо прочего, датчик можно запрограммировать на включение света, когда стемнеет, или на включение дежурного освещения. Датчик можно разместить перед входом в дом – конечно же удобно, что крыльцо будет освещено, стоит лишь подойти на определенное расстояние . Весомый плюс – датчики могут работать автономно от батареек, поэтому не придется прокладывать дополнительные провода.

Повысит уровень комфортности и позволит сэкономить теплоносители электромагнитный клапан, который не только сможет включить воду по Вашему указанию в виде нажатия кнопки на пульте, или просто в определенное время. Но он же может воду и выключить - стоит врезать его в систему отопления, и он будет включать поток теплоносителя (это ведь может быть и не вода, а, например, Тосол, или другая специальная жидкость) только когда станет прохладно. Поставив клапана в каждой комнате, можно будет задавать температурный режим отдельно для каждой комнаты. Если в городе это и не очень актуально, то для домов с отоплением на солярке экономия может быть значительной. Чтобы осуществить удаленное управление приборами необходим телефонный контроллер , который можно использовать и как обычный контроллер - он позволяет управлять 10 приборами по телефону и 8 приборами с кнопок. Доступ к управлению защищен кодом. Установив в котельной ряд датчиков и контроллер , владелец получит такие возможности, как: включение / выключение котла не только вручную, но и по программе, а также дистанционно - по телефону, например. Кроме того, контроллер будет следить и за давлением газа (если котел газовый), и за наличием солярки, и за давлением жидкости - ведь обычно в системе стоит автоматический клапан выпуска воздуха, а с воздухом уходит и водяной пар - давление в системе падает, а контроллер вовремя даст команду клапану добавить воды в систему. Он же будет следить и за давлением воды в системе водоснабжения, и за уровнем воды в скважине, и за температурой трубопровода. Все это возможно при условии установки необходимого количества датчиков, с помощью которых контроллер собирает информацию.

Контроллер может существенно облегчить задачу полива газона. В этом случае, оснастив систему полива датчиками влажности, дождя и температуры, хозяин сможет не беспокоиться о том, что если дождя не было, то газон будет полит, как положено, после захода солнца. Если погода жаркая – то полив будет произведен еще и перед восходом. Этот же

Предварительный просмотр:

Фестиваль творческих открытий и инициатив «Леонардо»

Научно-исследовательская работа

« Проект «Умный дом» в среде Arduino »

Подготовил:

Ливенский Вадим Николаевич,

обучающийся 6 класса

Руководитель работы:

Мельникова Татьяна Александровна,

учитель информатики

МОУ «Мантуровская СОШ»

Курск, 2017

Введение

С каждым годом тема «Умный дом» завоевывает все большую и большую популярность и, как в свое время автомобиль, интеллектуальное жилище становится не роскошью, а необходимостью. Из прежних игрушек умная автоматика перерастает в неотъемлемую часть современного дома. И с каждым годом система управления становится все сложнее и сложнее. Эта тема заинтриговала нас своей способностью делать пребывание в собственном жилище наиболее комфортным и безопасным.

Главной целью в нашей научной работе на тему «Умный дом» является исследование и рассмотрение возможности современной интеллектуальной системы управления зданием в доступной и понятной для школьников форме.

Гипотеза: Если изучить возможности системы «Умный дом», то можно реализовать их в среде Arduino на основе программного кода.

Цель: Ознакомиться с возможностями системы "Умный дом" и реализовать применение элементов системы в среде Arduino.

Задачи исследования:

• собрать необходимую информацию, посвященную комплексной системе управления "Умный дом";
• создать свой аналог элементов управления системы в среде Arduino.

Объект исследования: беспроводная связь (среда Arduino) на основе программного кода .

Предмет исследования:

• процесс управления двигателем;
• процесс управления климатом и отоплением и другими устройствами, которые можно подключить к общей системе.

Методы исследования: сбор материала по теме, его анализ и обработка.

1. Понятие умный дом

Заглянем в прошлое. В давние времена жильём для человека были места созданные природой. У древних людей были дома, в пещерах. Дома даже есть на деревьях, из камней. Есть дома на севере. Это – ЧУМЫ, из кожи оленей. Существуют дома в скалах. Это очень необычно и интересно. Потом с развитием методов обработки материала, когда люди научились делать топоры и пилы - дома стали строить из дерева. Дома стали деревянные. А ведь в сказках тоже мы наблюдаем различные дома. Знаменитая избушка на курьих ножках. Замки королей и царевичей. Чем больше люди придумывали материалы и способы их строительства, тем больше рождались новые дома. Кирпичные, многоквартирные. Сейчас у людей много накоплено знаний, и они стремятся к чему-то новому. Из простых домов люди стали делать умные дома.

Умный дом (англ. intelligent building) - жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт (в том числе безопасность), и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопи-тельными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и прочим.

По оценкам аналитиков рынок умного дома активно развивается. К 2020 году общий объем мирового рынка достигнет $51.77 млрд. В период с 2013 по 2020 года среднегодовые темпы роста рынка будут на уровне 17.74% . Основными игроки в этой отрасли за рубежом - Siemens AG (Германия), Schneider Electric SA (Франция),TELETASK (Бельгия), ABB Ltd. (Швейцария), компания Ingersoll-Rand PLC (Ирландия), Tyco International Ltd. (Швейцария), Emerson Electric Co. (США), Legrand С.А. (Франция), Crestron Electronics, Inc. (США) , Lutron Electronics, Inc. (США), Control4 Corporation (США), и др.

Объемы российского рынка значительно скромнее. В 2012 году объем рынка у нас в стране превысил 56 млн. евро или 2,3 млрд. рублей. В 2013 году по предварительным оценкам рынок вырос на 30% - до 65 млн. евро или почти 3 млрд. рублей. К 2017 году его общий объем может достигнуть 176 млн. евро или 7,9 млрд. рублей .

Концепция «умного дома», родившаяся в семидесятых годах прошлого века, была ориентирована, прежде всего, на экономию электроэнергии. В основе концепции лежало размещение в жилом доме различных датчиков, определявших, находится ли кто-нибудь в помещении, что позволяло включать и выключать свет в зависимости от наличия людей в комнате. По мере развития высоких технологий, концепция стала обрастать дополнительными возможностями.

Сегодня система «умный дом» осуществляет управление освещением , отоплением и вентиляцией, охраной и видеонаблюдением, аудио- и видеоаппаратурой, бытовой техникой, климатом в зимнем саду, поливом газона и очисткой бассейна, открытием форточек и ворот, перекрытием газа и воды в случаях аварии и т.д. Участие людей при этом сводится к минимуму.

Интеллектуальный дом хорош тем, что предлагает разумный подход к использованию энергоресурсов. Для оптимизации расходов на освещение в подсобных помещениях дома возможна установка датчиков движения, которые автоматически включают свет только в присутствии человека. Или, например, система отопления следит за тем, чтобы в ночные часы и во время отсутствия хозяев температура в доме понижалась. А система вентиляции будет включаться только периодически, с заданными временными интервалами. При этом надо помнить о том, что кроме существенной экономии денег бережное использование энергии привносит существенный вклад в решение проблем экологии. Система "умный дом" может оказать неоценимую услугу и спасти от солидных трат в случае протечек воды, утечки газа или возгорания, благодаря установленным датчикам утечки воды, датчикам затопления, детектору дыма. Ведь случайная авария может стать причиной испорченного имущества и загубленного ремонта. Интеллектуальные системы учета и контроля энергоресурсов смогут не только перекрыть воду или газ, но и вовремя сообщить о случившемся хозяину. И, конечно же, не будем забывать об охранной сигнализации, которая в случае нарушения общественного порядка позволяет передать вызов в отделение милиции.

Микроклимат «умного дома» с высокой точностью отслеживает параметры воздуха в помещениях и корректирует ее в соответствии с программой или согласно командам пользователя. Централизованное управление кондиционерами, системой отопления гарантирует комфортные условия для проживания в любое время года. Система включает принудительную вентиляцию или открывает окна для проветривания помещений.

В общих чертах, система состоит из следующих элементов:

• Специальный контроллер или компьютер (управляет всей системой)
• Множество датчиков (передают информацию контроллеру)
• Исполнительные устройства (по команде контроллера управляют различными объектами, например гаражными воротами)
• Источники питания (обеспечивают бесперебойное электроснабжение для всех элементов системы)
• Линии связи (соединяют между собой все вышеперечисленные устройства)

Система работает следующим образом. К контроллеру подключено множество датчиков и исполнительных устройств. В качестве линий связи могут быть использованы: отдельно проложенные провода, существующая электропроводка или радиоканал. Пользователь настраивает алгоритм работы контроллера под свои требования. Сотни раз в секунду контроллер опрашивает датчики, следящие за состоянием всех систем «умного дома». После опроса этих датчиков система анализирует ситуацию и в зависимости от установок, заданных ей пользователем, принимает то или иное решение. Исполнительные модули и системы получают команды и включают-выключают соответствующие устройства: освещение, систему охраны, кондиционирование воздуха, отопление, подачу воды и т.д.

Кроме автоматического режима система управляется и автономно, например, с помощью «умного» обучаемого пульта. Универсальным пультом дистанционного управления можно управлять не только телевизором и домашним кинотеатром. С его помощью легко активировать любую функцию «умного дома»: задать различные сценарии освещения , открыть и закрыть ворота, поставить дом на охрану и т.д.

Больше всего впечатляет то, что управлять системой можно,– через интернет (используя электронную почту) или мобильную связь (используя SMS-сообщения). Сидя на работе, например, можно дать команду подготовиться к вашему возвращению домой - включить систему "климат-контроля" , подогреть пол, разогреть сауну и т.п.

Важно отметить, что все инженерные подсистемы «умного дома» должны иметь возможность работать в автономном режиме. В случае, если какая-то из подсистем вышла из строя, то и вся система не сможет исправить проблему, поскольку «умный дом» является надстройкой над остальными инженерными системами.

Самые "умные" здания мира

Первым «интеллектуальным» зданием в мире стал «дом трона» японского профессора Кена Сакамуры в Токио, построенный в конце 1980-х годов. Датчики погоды открывали окна, когда дул свежий бриз, и включали кондиционер, когда становилось жарко; если радио играло слишком громко, окна автоматически закрывались, чтобы не потревожить соседей; если звонил телефон, компьютер снижал звук аудиосистемы, и так далее.

Самым известным и дорогим на сегодня ($100 млн.) стал дом, построенный в США для человека по имени Билл Гейтс, знаменитого создателя корпорации Microsoft. Это многоэтажная вилла, оснащенная самым "продвинутым" оборудованием. В здании осуществляется компьютерный контроль и управление всем инженерным оборудованием, поддерживается оптимальный микроклимат в каждом помещении. При входе в жилище каждый посетитель получает специальный электронный значок, который обеспечивает подключение ко всем информационным службам дома. В дальнейшем этот значок сообщает датчикам, где находится гость, для того, чтобы дом смог выполнить все его пожелания. В темное время суток каждого сопровождает движущаяся световая волна, при этом, чем дальше светильник находится от человека, тем меньше его яркость.

Все стены оборудованы встроенными телевизионными экранами. С помощью того же универсального пульта управления на экраны выводятся любые изображения из огромного архива картин, видеозаписей, фильмов и телепрограмм. Системы автоматического управления климатом , освещением , телефонами и множеством других электронных устройств доведены до логического совершенства, но при этом человек не становится «рабом» электронного «мозга» своего дома, поскольку в любой момент может вернуться к традиционному «ручному» управлению - рядом с электронными панелями мирно уживаются и «старомодные» выключатели.

2. Выполнение эксперимента.

В разработке проекта «Умный дом» использовалась Arduino 1.8.1

Программа Arduino - марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники , ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE ) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат , продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

Программы Arduino можно использовать для выполнения базовых команд, таких как создание вспышек LED-устройств, или комплексных функций, таких как передача данных по Интернету. Для определенных приложений доступны различные схемы Arduino.

Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. В концепцию Arduino не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно.

Язык программирования

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC ).

Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

• setup() : функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.
• loop() : функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Описание системы

Для электронной схемы «Умный дом» использовались следующие элементы:

Проекты "умных" домов предполагают постройки жилого типа, которые оборудованы с помощью высокотехнологичных устройств и автоматизации.

Общее описание

Под вышеупомянутым выражением стоит понимать систему, обеспечивающую ресурсосбережение и безопасность, а также комфорт для каждого пользователя. В самом простом случае она имеет способность распознавать определенные ситуации, которые происходят в доме, а также соответствующим образом реагировать на них. Таким образом, одна из систем способна управлять поведением других по выработанным алгоритмам. Это проще понять, если удастся представить, что система отопления не функционирует против системы кондиционирования. Отопление дома осуществляется по погоде и с учетом множества других факторов. Среди последних можно выделить силу ветра и время суток. Например, ночью наиболее комфортная температура меньше, чем днем. Данную концепцию можно назвать наиболее прогрессивной при взаимодействии человека с жилым пространством. Проекты "умных" домов исключают необходимость использования сразу нескольких пультов, выключателей и отдельных блоков управления. Это касается просмотра телевизионных передач, управления освещением, а также системами охранной сигнализации и видеонаблюдения.

Технологии

Проекты "умных" домов могут быть созданы на основе нескольких или одного протокола/ платформы. С их помощью связываются в единую сеть подсистемы дома. LanDrive, например, является самой доступной на сегодня платформой для шинных распределенных систем управления, сюда можно отнести уличное и внутреннее освещение, электроприборы, силовые нагрузки, кондиционирование, контроль доступа, а также протечки воды. Помимо прочего, есть возможность управлять видео- и аудиотехникой, рольставнями, насосами, домашними кинотеатрами, жалюзи, шторами и двигателями. Наиболее часто такая система используется в составе именно умного дома, однако в последнее время ее все чаще можно встретить в качестве части системы сбережения и учета энергоресурсов, контроля доступа пожарно-охранных систем.

TELETASK - это протокол/шина, которая предназначается для домашней автоматизации помещений и зданий, где владелец находится достаточно продолжительное время. Сюда можно отнести гостиницы, коттеджи, офисы и квартиры. Протокол управления X10 предназначается для автоматизации контроля за электроприборами. Сигнал подается с помощью проводов или в радиодиапазоне. Среди недостатков можно выделить низкую скорость передачи информации, возможность проблемы ложного срабатывания, а также отсутствие обратной связи. 1-Wire - это технология, позволяющая связать приборы и датчики в единую сеть, управление которых производится с помощью персонального компьютера. Для передачи информации в данной сети применяются один провод. Отличается данная технология простотой монтажа и низкой стоимостью.

Система кондиционирования и отопления

Проекты "умных" домов предполагают наличие систем кондиционирования, отопления и вентиляции. С помощью данной технологии можно обеспечивать постоянную температуру, интенсивность поступления свежего воздуха и заданный уровень влажности. Помимо прочего, технология способна экономить энергию за счет экономного применения использования температуры внутренней среды. Могут иметь место быть механизмы автоматического закрытия и открытия окон для поступления теплого и холодного воздуха в определенное время суток. Управление происходит через сеть кондиционирования.

Система освещения

Рассматривая задачи проекта «Умный дом», можно выделить наиболее высокую степень комфорта проживания человека. Среди прочих технологий можно выделить систему освещения, которая контролирует уровень света. Данная технология используется и для экономии электроэнергии. Добиться такого эффекта возможно за счет использования Среди подсистем можно выделить автоматику для выключения и включения света в определённые промежутки суток, датчики движения, автоматику для закрытия открытия ставней, а также регулировки прозрачности специальных стекол.

Система электропитания

Цель проекта «Умный дом», помимо вышеназванных задач, состоит еще и в бесперебойном питании системы электричества. Это достигается за счет переключения на альтернативные источники. Среди подсистем можно выделить промышленные ИБП, а также дизель-генераторы.

Система безопасности

Сюда можно отнести контроль доступа внутрь здания, видеонаблюдение, слежение за системами методом удаленного контроля, пожарно-охранную сигнализацию. Система обеспечивает защиту от протечек, возникновение которых блокирует водоснабжение при заливе помещения. Проведение монтажных работ предполагает наличие специальных датчиков и кранов, которые способны детектировать проблемные ситуации. Хозяин может использовать систему удаленного информирования по ситуации в доме, на объекте или в квартире. Управление можно производить с помощью телефона.

Подъезд к дому

Готовый проект "умного" дома обязательно должен предполагать встречу хозяина методом использования соответствующих технологий. Таким образом, освещение должно быть задействовано над воротами или входной дверью. Управление есть возможность осуществлять с помощью датчиков движения, а также радиобрелоков. Последний вариант позволяет включить освещение еще до подъезда машины.

Внутренний двор

Когда составляется проект по технологии «Умный дом», то создается план территории двора. Управление может производиться сразу тремя способами, а именно: с помощью датчиков, по графику или посредством выключателей. Есть необходимость добавить возможность управления от сигнализации. «Умный» дом имеет возможность указать на группы освещения и время их использования. Например, до 23:00, в случае обнаружения движения, система может задействовать основное освещение на полную яркость. Тогда как после указанного времени интенсивность может быть снижена на 50%. Если хозяин прибыл после 24:00, то во дворе могут загораться только лишь дорожки.

Вход в дом

Составляя проект "Умный дом" (7 класс сложности), вы можете учесть наличие контроллера, который может быть в одном или нескольких экземплярах. Он необходим для обработки информации, поступающей с экрана домофона. С человеком можно будет переговорить по любому телефону, так как каждый аппарат подключен к микро-МТС. Если дома никого нет, то изображение гостя будет немедленно отправлено на электронную почту, после чего хозяин сможет решить, пустить ли посетителя внутрь или оставить его без внимания. Отключение сигнализации будет происходить методом набора секретного кода по телефону.

Прихожая

Если вами рассматривается проект на тему «Умный дом», то нельзя не обратить внимание на систему этой части дома ночью включается автоматически. Технология избавляет хозяин от необходимости задействовать разного рода кнопки. В продаже можно найти всевозможные устройства автоматизации, они позволят проанализировать, из какой комнаты и в каком часу человек вышел в прихожую. При этом свет включается на необходимый уровень яркости. Плавное включение не приводит к частому перегоранию ламп, продлевая срок их службы. Подобные системы наиболее часто устанавливаются в проходных зонах или помещениях, которые используются достаточно редко. Функциональный и творческий проект «Умный дом» предусматривает в прихожей наличие полезного приспособления, который отвечает за выключение всего освещения постройки методом нажатии всего лишь одной кнопки. После того как она будет задействована, не придется производить обход всей территории для проверки света. Помимо прочего, нажатие данной кнопки способно вызвать выключение некоторых розеток, к которым наиболее часто подключаются пожароопасные устройства по типу утюгов.

Гостиная

Творческий проект «Умный дом» гарантирует комфортное нахождение в самом главном помещении постройки. Речь идет о гостиной, в которой должно быть много света. Здесь достаточно часто устанавливается домашний кинотеатр. Здесь наиболее часто устанавливают до 10 групп освещения. Рядом с выключателями света целесообразно расположить которые отвечают за определенную световую сцену. Для примера можно рассмотреть заблаговременно записанную последовательность действий, которая называется макросом. Если семейство решило посмотреть кино, то для этого необходимо будет усесться на диван и нажать всего лишь одну кнопку. Шторы при этом закрываются, определенные группы света приглушаются, а остальные и вовсе выводятся из действия. Первые две минуты подсветка работает на 50%, тогда как по истечении этого времени она гаснет полностью. Когда составляется творческий проект "Умный дом" (7 класс), технология которого может предполагать наличие всех вышеописанных систем, то программирование обеспечивается с помощью пульта дистанционного управления. Посредством данного инструмента возможно управлять всей техникой.

Спальня

Это помещение должно быть одним из самых уютных. Однако и здесь имеет место быть автоматизация. Иногда хозяин ложится в кровать для того, чтобы почитать книгу, но через некоторое время понимает, что есть необходимость выключить свет, а также приглушить его в других помещениях. Подобные рейды перед сном нельзя назвать приятными, однако совершать их все же приходится. С системой «Умный дом» можно будет забыть об этом, так как в спальне наиболее часто располагается кнопка, которая выводит из действия все остальное освещение в доме. Для этого можно использовать радиовыключатель, который укрепляется на стене и имеет толщину в 7 миллиметров. Фиксация данного элемента может быть осуществлена на любой поверхности, в том числе, на спинку кровати. С помощью данного выключателя можно управлять шторами и освещением самого помещения.

В спальне целесообразно установить еще одну систему автоматизации, которая будет отвечать за температуру. Во время сна специалисты рекомендуют поддерживать ее уровень в пределах от 14 до 18 градусов. Утром вылезать из-под одеяла при прохладном внутреннем климате совсем не хочется. Система «Умный дом» способна решить данную проблему. После отбоя столбик термометра постепенно достигает необходимой отметки, а ближе к пробуждению поднимается до комфортной во время дневного бодрствования. Летом за это будет отвечать кондиционер, тогда как в зимнее время - электромагнитный клапан. Он корректирует поток теплоносителя в отопительной системе. Когда составляется творческий проект "Умный дом" (7 класс), технология которого может предусматривать наличие всех систем, описанных в статье, то спальня наиболее часто снабжается специальной сенсорной панелью, отвечающей за освещение. Ее можно использовать еще и в качестве будильника. На панели время подъема может быть установлено, например, на 8:30. В 8:15 в спальне может загораться основное освещение с интенсивностью в 30% от обычного уровня яркости. В 8:30 освещение достигает стопроцентной яркости, в то же время могут автоматически открываться шторы.

Ванная комната

Если вы рассматриваете проект на тему: «Умный дом» (7 класс сложности), то необходимо позаботиться и технологичной ванной. С помощью данной системы будет удобно управлять теплыми полами. Достаточно часто потребители задаются вопросом о том, зачем управлять данной системой, если она обладает собственным регулятором температуры. Ответить на этот вопрос можно приведением факта, который указывает на высокое потребление электроэнергии теплыми полами. Большую часть времени система не используется, а если отключить ее на ночь, то экономия окажется значительной. "Умный" дом без посторонней помощи самостоятельно будет выключать и включать систему. Ее можно настроить на суточную автоматическую регулировку. Включить такие полы можно будет даже по телефону, сидя в офисе, или по дороге домой из машины. Особенно удобно, если управление полами будет производиться вместе с будильником. Например, отключение может быть произведено в 23:00, а включение - за час до пробуждения.

Заключение

Если вы решили выбрать для своего жилья проект «Умный дом», проблемная ситуация вам будет не страшна. В случае необходимости технология система позволит отключить водоснабжение и подачу газа, а также электроэнергии, что очень удобно для обеспечения безопасности. Понемногу данные системы частично входят в нашу жизнь. Например, во многих частных домах уже установлены современные системы освещения, работающие за счет датчиков движения.