НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ
СІКОРСЬКОГО"
Факультет електроніки
(повна назва інституту/факультету)
Кафедра акустичних та мультимедійних електронних систем
(повна назва кафедри)
"До захисту допущено"
Завідувач кафедри
__________ С.А. Найда
(підпис)
(ініціали, прізвище)
"
" червня 2021 р.
Дипломна робота
на здобуття ступеня бакалавра
зі спеціальності
171 Електроніка
(код і назва)
на тему:
“ Електронні системи розумного будинку з підвищеною ефективністю”
Виконав: студент IV курсу, групи ДВ-72
(шифр групи)
Калінін Денис Валентинович
(прізвище, ім’я, по батькові)
(підпис)
Керівник доц. каф. АМЕС, к.т.н., доц. Швайченко В.Б.
(посада, вчене звання, науковий ступінь, прізвище, ініціали)
(підпис)
Консультант
(назва розділу) (посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище,
ініціали)
(підпис)
Рецензент доц. каф. ЕПС, к.т.н., с.н.с. Терлецький О.В.
(посада, вчене звання, науковий ступінь, прізвище, ініціали)
(підпис)
Засвідчую, що у цій дипломній роботі немає запозичень з праць
інших авторів без відповідних посилань.
Студент
(підпис)
Київ – 2021 року
15
2
Національний технічний університет України
"Київський політехнічний інститут імені І. Сікорського"
Інститут (факультет)
Факультет електроніки
(повна назва)
Кафедра акустичних та мультимедійних електронних систем
(повна назва)
Рівень вищої освіти – перший (бакалаврський)
Спеціальність
171 Електроніка
(код і назва)
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри
__________
С.А. Найда
(підпис)
(ініціали, прізвище)
"___"_____________2021 р.
ЗАВДАННЯ
на дипломну роботу студенту
Калініну Денису Валентиновичу
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи Електронні системи розумного будинку з підвищеною ефективністю керівник роботи Швайченко В. Б. доц., к.т.н., доц.
,
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) затверджені наказом по університету від "24" травня 2021 р. №1316-с
2. Термін подання студентом роботи 4 червня 2021 р.
3.
Вихідні дані до роботи Апаратно-програмне забезпечення електронних систем «розумного будинку»
4.
Зміст роботи Розрахунок та розробка ефективної системи
«розумного будинку» з автономним джерелом електроенергії, яка буде керуватися сучасними електронними пристроями
5. Перелік ілюстративного матеріалу (із зазначенням плакатів,
презентацій тощо) презентація з наведеними результатами роботи, порівняльні таблиці, рисунки с компонентами електронних систем
15
червня
3 6. Консультанти розділів роботи
Розділ
Прізвище, ініціали та посада консультанта
Підпис, дата завдання видав завдання прийняв
7. Дата видачі завдання 12 квітня 2021 р.
Календарний план
№ з/п
Назва етапів виконання дипломної роботи
Термін виконання етапів роботи
Примітка
1
Написання першого розділу
15.05.2021 виконано
2
Написання другого розділу
22.05.2021 виконано
3
Написання третього та четвертого розділів
29.05.2021 виконано
4
Підготовка матеріалів до друку та оформлення пояснювальної записки
1.06.2021 виконано
5
Підготовка та оформлення презентації для доповіді
5.06.2021 виконано
Студент
Д. В. Калінін
(підпис)
(ініціали, прізвище)
Керівник роботи
В. Б. Швайченко
(підпис)
(ініціали, прізвище
Консультантом не може бути зазначено керівника дипломної роботи.
4
РЕФЕРАТ
Дипломна робота бакалавра складається з пояснювальної записки та мультимедійної презентації. Пояснювальна записка виконана на 67 сторінках формату А4, містить 28 рисунків та 3 таблиці.
В дипломній роботі розроблено електронну систему управління «розумним будинком» з підвищеною ефективністю, яка дозволяє переглядати показання з датчиків, керувати побутовими приладами та освітленням.
Актуальність теми. «Розумний будинок» – це сучасний інструмент підвищення рівня комфорту і життя людини, а оскільки більшість процесів керується електронікою і відбувається автоматично, то це робить актуальним вивчення і вдосконалення таких технологій.
Мета дипломної роботи полягає в розрахунку розробці ефективної системи
«розумного будинку» з автономним джерелом електроенергії, яка буде керуватися сучасними електронними пристроями.
Об’єктом дослідження є процеси в електронних системах «розумного будинку».
Предмет дослідження: ефективність роботи «розумного будинку» з автономним джерелом живлення.
Методи дослідження – в дипломній роботі бакалавра використовувалися методи програмного моделювання, методи теоретичного дослідження (ідеалізація, уявний експеримент).
РОЗУМНИЙ
БУДИНОК,
КОНТРОЛЕР,
ДАТЧИК,
СИГНАЛІЗАЦІЯ,
СИСТЕМА КЕРУВАННЯ, ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА, ІНВЕРТОР
5
ABSTRACT
The bachelor's thesis consists of an explanatory note and a multimedia presentation.
The explanatory note is made on 67 A4 pages, contains 28 figures and 3 tables.
In the thesis, an electronic control system "smart home" with high efficiency, which allows you to view readings from sensors, control appliances and lighting.
Actuality of theme. "Smart home" is a modern tool to increase the level of comfort and human life, and because most processes are controlled by electronics and occur automatically, it makes it important to study and improve such technologies.
The purpose of the thesis is to calculate the development of an effective system of
"smart home" with an autonomous source of electricity, which will be controlled by modern electronic devices.
The object of research is the concept of "smart home".
Subject of research: the efficiency of a "smart home" with an autonomous power supply.
Research methods – in the bachelor's thesis methods of program modeling, methods of theoretical research (idealization, imaginary experiment) were used.
SMART HOUSE, CONTROLLER, SENSOR, ALARM, CONTROL SYSTEM,
WIND POWER PLANT, INVERTER
6
ЗМІСТ
РЕФЕРАТ...........................................................................................................................4
ABSTRACT........................................................................................................................5
ВСТУП ...............................................................................................................................8
РОЗДІЛ 1. ОСОБЛИВОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ «РОЗУМНИЙ БУДИНОК»...................... 10 1.1 Поняття, концепція і основні можливості «розумного будинку» ...................... 10 1.2 Методи та засоби підвищення ефективності «розумного будинку» .................. 17 1.2.1 Освітлення .......................................................................................................... 17 1.2.2 Система клімат-контроль ................................................................................... 20 1.2.3 Системи безпеки і відеоспостереження ............................................................ 21 1.2.4 Контроль протікання води і витоку газу ........................................................... 23 1.2.5 Штучний інтелект в розумному будинку .......................................................... 24
РОЗДІЛ 2. АВТОМАТИЗОВАНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ОБ'ЄДНАННЯ І УПРАВЛІННЯ
СИСТЕМАМИ «РОЗУМНОГО БУДИНКУ» ................................................................ 27 2.1 Аналіз готових рішень системи «розумний будинок» ........................................ 27 2.2 Вибір технологій і комплектуючих для проекту «розумного будинку» ............ 33 2.2.1 Технології зв’язку Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave ....................................... 33 2.2.2 Вибір комплектуючих ........................................................................................ 36 2.3 Вітрогенератор з контролем для живлення електроприймачів «розумного будинку» .......................................................................................................................... 41
РОЗДІЛ 3. РЕАЛІЗАЦІЯ КЕРУВАННЯ СИСТЕМОЮ «РОЗУМНИЙ БУДИНОК» НА
БАЗІ КОНТРОЛЕРА ARDUINO .................................................................................... 46
7 3.1 Архітектура і алгоритм роботи системи керування ............................................ 46 3.2 Вибір апаратних засобів ........................................................................................ 48 3.3 Програмна реалізація системи керування ............................................................ 52
РОЗДІЛ 4. Особливості експлуатації вітроенергетичної електростанції………………………………………..……………...57 4.1 Підготовка перед початком експлуатації ВЕУ…………………………………..58 4.2. Організація процесу роботи на вітроенергетичній установці ............................ 60
ВИСНОВКИ .................................................................................................................... 63
ЛІТЕРАТУРА .................................................................................................................. 65
8
ВСТУП
В сучасному світі більшість повсякденних завдань спрощені або автоматизовані, і з кожним роком ця тенденція зростає. У побут сучасної людини щільно увійшли електроніка і технології віддаленого управління. Популярність автоматизованих систем, таких як «розумний будинок», обумовлена прагненням людини до комфорту і зручності. Додатковою привабливістю є безпека, будь то протипожежна система або сигналізація з дистанційним оповіщенням.
«Розумний будинок» є сучасним інструментом підвищення рівня комфорту і життя, так як частина процесів відбувається автоматично, а решту можна керувати віддалено, що робить її актуальною для вивчення і вдосконалення. Характерною рисою «розумного будинку», на відміну від інших методів формування життєвого простору, в більшій мірі є авангардний шлях комунікації людини і житлового простору, що відрізняється можливістю завдання бажаної ситуації за допомогою передачі інструкції автоматичній системі, яка, відповідно до визначеного заздалегідь алгоритму, зумовлює і перевіряє режими функціонування всіх електричних і
інженерних систем.
З загальноприйнятої тенденції розвитку соціуму загалом, і технічних систем зокрема, випливає, що для поліпшення особистого життя і підвищення ефективності роботи інженерних систем необхідним є впровадження систем домашньої автоматизації, які використовують сучасні електронні пристрої, програмне забезпечення, допоміжне обладнання і т. п. Крім того, не варто забувати, про необхідність врахування достоїнств і недоліків існуючих і проектованих систем.
Метою цієї дипломної роботи бакалавра є розробка електронної системи управління «розумним будинком» з підвищеною ефективністю, яка дозволяє переглядати показання з датчиків, керувати побутовими приладами та освітленням.
Живлення будинку передбачається від альтернативного джерела енергії –
9 вітрогенератора. Система передбачає можливість управління з web-браузера або мобільного додатка.
Завдання, які були вирішені в рамках дипломного проектування: аналіз
існуючих систем і готових рішень, проектування і розробка системи.
Практична значимість. Запропонований програмно-апаратний комплекс, що керується електронними пристроями, може використовуватися для контролю стану мікроклімату будинку, для управління автоматичним поливом, освітленням, сигналізацією.
10
РОЗДІЛ 1. ОСОБЛИВОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ «РОЗУМНИЙ БУДИНОК»
У цьому розділі будуть розглянуті існуючі технології «розумних будинків» і аналоги, які виконують такі ж або схожі завдання. У проаналізованих системах буде виявлено достоїнства і недоліки.
1.1 Поняття, концепція і основні можливості «розумного будинку»
«Розумний будинок» – це житловий будинок сучасного типу, організований для проживання людей за допомогою автоматизації і високотехнологічних пристроїв [1].
Під цим терміном слід розуміти систему, яка забезпечує безпеку та ресурсозбереження (в тому числі і комфорт) для всіх користувачів. Саме поняття було сформульовано Інститутом інтелектуальної будівлі у Вашингтоні (округ
Колумбія) в 1970-х роках: це дім, що забезпечує продуктивне й ефективне використання робочого простору [2].
Зі збільшенням обчислювальної здатності гаджетів концепція «розумний будинок» отримала своє логічне продовження – систему «Інтернет речей», згідно з якою була проведена первинна стандартизація та визначені основні правила та рекомендації до побудови готового продукту на рівні як системи загалом, так і окремих компонентів. Незважаючи на відносну новизну, вже зараз існує декілька десятків різних рішень.
«Розумний будинок» повинен вміти розпізнавати конкретні ситуації, що відбуваються в будівлі, і відповідним чином на них реагувати. Одна з систем може управляти поведінкою інших по заздалегідь виробленим алгоритмам. Основною особливістю інтелектуальної будівлі є об'єднання окремих підсистем в єдиний керований комплекс (див. рис. 1.1). Важливою особливістю і властивістю
«розумного будинку», яка відрізняє його від інших способів організації життєвого
11 простору, є те, що це найбільш прогресивна концепція взаємодії людини з житловим простором, коли людина однією командою задає бажану обстановку, а вже автоматика відстежує режими роботи всіх інженерних систем і електроприладів [2].
У цьому випадку виключається необхідність користуватися кількома пультами при перегляді телебачення, десятками вимикачів при управлінні освітленням, окремими блоками при управлінні вентиляційними і опалювальними системами, системами відеоспостереження та сигналізації, воротами і іншим. У smart-будинку достатньо одним натисканням на настінній клавіші або пульті дистанційного керування (ДК) чи сенсорній панелі, вибрати один зі сценаріїв, і будинок сам налаштує роботу всіх систем, відповідно до побажань господаря, часу доби, погоди, зовнішньої освітленості [3].
Концепція інтелектуальної будівлі містить в собі такі положення [3]:
Створення інтегрованої системи управління будівлею - системи з можливістю забезпечення комплексної роботи всіх інженерних систем будівлі: освітлення, опалення, вентиляції, кондиціонування, водопостачання, контролю доступу та багатьох інших.
Відсутність обслуговуючого персоналу і передача функцій контролю і прийняття рішень підсистемам інтегрованої системи управління будівлею. У ці підсистеми і закладається «інтелект» – алгоритм дій у відповідь на зміну параметрів датчиків системи та інші події типу позаштатних ситуацій.
Реалізація механізму негайного відключення і передачі, при необхідності, управління людині будь-якою підсистемою інтелектуальної будівлі. Разом з цим людині повинен надаватися зручний і однаковий доступ до управління і відображення всіх підсистем і частин «розумного будинку».
Забезпечення коректної роботи окремих підсистем в разі відмови загальної керуючої системи або інших частин системи.
Мінімізація вартості обслуговування і модернізації систем будівлі, що має забезпечуватися застосуванням загальних стандартів у побудові підсистем,
12 автоматичне конфігурування і виявлення нових пристроїв і модулів при їх додаванні в систему.
Наявність в будівлі прокладеною комунікаційного середовища для підключення до неї пристроїв і модулів. Поряд з цим, можливість використання в якості комунікаційного середовища в системі управління різних типів фізичних каналів: слабкострумові лінії, силові лінії, радіоканал.
Система «розумний дім» включає в себе наступні об'єкти автоматизації [5]:
• управління освітленням;
управління електроприводами;
клімат-контроль;
управління системою вентиляції;
централізоване управління системами на кшталт домашнього кінотеатру;
мультирум;
системи відеоспостереження;
охоронно-пожежна сигналізація (ОПС);
системи контролю доступу;
контроль електричних навантажень і аварійних станів;
управління інженерним обладнанням з сенсорних панелей;
сервер управління.
13
Рисунок 1.1 – Концептуальне зображення системи «розумний будинок»
Інтелектуальна будівля має багато переваг. Система управління дозволяє власникам створювати скільки завгодно складні процедури функціонування, тому що всі виконавчі елементи можуть працювати злагоджено і спільно. Звідси випливає реалізація ресурсозберігаючих процедур [6]:
1. контролю доступу та забезпечення безпеки;
2. обліку і контролю практично всіх параметрів систем і оперативне реагування на їх критичні зміни (реакція є комплексною і миттєвою;
3. віддаленого контролю і управління будівлею, тому що всі інформаційні та керуючі канали зв'язку в такій системі є цифровими.
Одним дотиком можна перетворити порожнє житло на затишний гостинний будинок: буде включено освітлення, встановлено комфортний мікроклімат, опустяться штори, наповниться ванна. Можна не встаючи розігріти вечерю – тільки
її хтось заздалегідь повинен поставити на плиту. Керувати домашнім кінотеатром, а також аудіо- та відеоапаратурою можна за допомогою сенсорних панелей [6].
Використовуючи спеціальні світлорегулятори, можна не лише змінювати яскравість лампи при включенні, а й час, за який буде досягнута ця яскравість.
Функція постійного контролю освітленості, призначена, здебільшого, для офісних
14 приміщень, дає можливість підтримувати задану освітленість робочої поверхні незалежно від того, чи світить сонце, чи небо вкрито хмарами. Автоматичне включення зовнішнього освітлення, в залежності від часу доби і присутності людей, не тільки забезпечить додатковий комфорт, але може і відлякувати непрошених гостей. Для цього використовуються датчики світла (рис. 1.2).
Рисунок 1.2 – Датчик світла
Система постійно вимірює температуру індивідуально в кожній кімнаті і підтримує її на заданому рівні, керуючи безпосередньо клапанами радіаторів або заслінками кондиціонера, а також, при необхідності, автоматично включає або вимикає вентиляцію [4]. Крім того, система допомагає економити кошти завдяки різним режимам роботи: комфортний режим, нічний режим, режим «нікого немає в будинку». Зміна режимів відбувається за розкладом або за командою. Досить лише один раз задати температуру на дисплеї сенсорної панелі в кімнаті для кожного з режимів. Система опалення/кондиціонування вимкнеться автоматично для заощадження енергії, якщо вікна кімнати будуть відкриті для провітрювання. Для таких задач може використовуватися контролер рис. 1.3.
15
Рисунок 1.3 – Контролер для управління температурою Овен ТРМ 32
У літню пору панелі жалюзів автоматично повертаються під певним кутом і запобігають потраплянню всередину кімнати зайвого сонячного світла, не зменшуючи світлового потоку. Тим самим вони перешкоджають нагріванню приміщення і допомагають економити електроенергію, що витрачається кондиціонером.
«Розумний будинок» відзвітує про всі події, які відбувалися в ньому за час відсутності господарів: хто і коли приходив, скільки часу знаходився в будинку, їхні обличчя і дії [5]. При несанкціонованому проникненні в будинок система повідомить власника по телефону і викличе охорону. При виникненні аварійних ситуацій
(наприклад, протікання води), smart-будинок не тільки проінформує відповідну службу, а й здійснить необхідні заходи по локалізації аварії (припинить подачу води).
Під час відсутності господаря будинок може імітувати звичний спосіб життя, включаючи вечорами світло і музику, тим самим створюючи ефект присутності.
Система «розумний дім» забезпечує механізм централізованого контролю та
інтелектуального управління в житлових, офісних або громадських приміщеннях [7].
Загальна схема системи управління виглядає наступним чином [7]:
16 1. центральний процесор управління/головний блок управління;
2. датчики (температури, освітленості, задимленості, руху та ін.);
3. керуючі пристрої (димери, реле, інфрачервоні (ІЧ) емітери та ін.);
4. інтерфейси управління (кнопкові вимикачі, пульти ІЧ, радіопульт, сенсорні панелі, web/wap інтерфейс);
5. власна мережа управління, що об'єднує вищевказані елементи;
6. керовані пристрої (світильники, кондиціонери, компоненти домашнього кінотеатру та ін.);
7. допоміжні мережі (Ethernet, телефонна мережа, дистрибуція аудіо і відеосигналу);
8. програмне забезпечення проекту.
Основна функція центрального процесора – управління підпорядкованими йому пристроями з використанням наступних інтерфейсів: Ethernet, RS-232, RS- 485, IR, аналогових і цифрових входів/виходів та ін. Також центральний процесор управління містить багатозадачну операційну систему, інструментальні засоби програмування і, в деяких випадках, web-сервер. Датчики розташовуються в певних місцях квартири, які безпосередньо або через проміжні пристрої зв'язані єдиною мережею. Інтерфейси управління здійснюють загальне управління системами
«розумного будинку» [6].
Загальний алгоритм роботи системи «розумний будинок» [8]:
• По власній мережі управління інформація від датчиків або інтерфейсів надходить до центрального процесора управління.
• Програмне забезпечення центрального процесора обробляє отриману
інформацію і генерує команди для керуючих пристроїв.
Команди надходять як з власної мережі, так і по допоміжної. Способи генерації команд, а також форма і склад відображуваної інформації про стан систем закладається на етапі розробки програмного забезпечення з урахуванням вимог проекту.
17
1 2 3 4