Разработка вычислительной системы для автоматизации жилого помещения с использованием системы умный дом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Объединение инженерного оборудования здания в централизованно управляемую систему - это вполне естественный этап в эволюции строительства. Уже давно отопительные системы обеспечивают гибкое регулирование в зависимости от наружной и внутренней температуры, времени суток. В некоторых пределах возможно индивидуальное регулирование. Появление интегрированных систем, часто называемых "умным домом", расширяет возможности повышения комфортности и энергоэффективности зданий.

Экономическим плюсом интегрированных систем является снижение эксплуатационных затрат на энергоносители при одновременном повышении уровня комфорта. Автоматизировать свой дом - это престижно, ведь сейчас это одно из передовых направлений в технике, нацеленных на благоустройство домов и офисов.

В современных интеллектуальных зданиях системы автоматизации и управления зданиями занимают ключевое место, обеспечивая взаимосвязь всего инженерного оборудования и систем здания.

В ряде исследований последних лет показана устойчивая тенденция к возрастанию доли стоимости и объема инженерных систем и систем автоматизации в общей стоимости строительных объектов. Развитие этой тенденции к настоящему моменту привело к качественному изменению места и роли систем автоматизации и управления зданиями с одной стороны и концепции взаимной увязки инженерного оборудования объектов и организационно-технических решений по эксплуатации с использованием систем автоматизации и управления зданиями с другой стороны.

В то же время, системы автоматизации и управления зданиями формируют базу для создания новых сервисов для пользователей в рамках объекта. Это находит выражение в повышении потребительской привлекательности интеллектуальных зданий, выражающейся, в частности, в снижении страховых рисков за счет повышения устойчивости интеллектуальных зданий к различным дестабилизирующим факторам и снижении расходов на эксплуатацию, т. е. в повышении эффективности интеллектуальных зданий по сравнению с традиционными решениями.

Дешевая рабочая сила и энергоносители замедляют продвижение технологий автоматизаций зданий на российский рынок, однако конкуренция на рынке недвижимости делает их все более востребованными.

Вместе с тем, экономический рост последних лет, ведет от избытка электроэнергии в прошлом к ее дефициту в будущем, что, в свою очередь, создает предпосылки более широкого внедрения энергосберегающих технологий и алгоритмов управления, которые, в первую очередь, обеспечиваются системами автоматизации зданий.

Любому человеку в доме важно чувствовать себя комфортно и в безопасности. Именно эти две задачи и есть основные целевые установки, на которые ориентированы системы "Умный Дом". Интеллектуальная автоматика управляет всеми инженерными системами в доме температуру, влажность, освещенность в комнатах и обеспечивает безопасность.

Основные преимущества системы "Умный дом":

1) Комфорт

Задача - максимально освободить время, внимание жителей от повседневного общения с различными инженерными системами (а это вся техника - от водоснабжения до телевизоров). Для этого автоматика в большинстве ситуаций сама управляет приборами, причем разные системы дома могут работать с учетом режимов друг друга.

2) Безопасность.

Современные системы безопасности жилья включают защиту от пожара, вторжения, видеонаблюдение. А также автоматический контроль исправности инженерного оборудования, включая защиту от протечек - техническая сигнализация.

3) Экономия.

Если в умном доме используется управление освещением и климат-контроль, это может привести к экономии тепловой и электрической энергии до 30%.

4) Здоровье

Создание оптимального режима для жизни для каждого члена семьи (например, в детской комнате всегда свежий воздух без сквозняков.) Предотвращение аварийных ситуаций.

В заключение работы необходимо проанализировать полученные результаты и сделать содержательные выводы, о возможности реализации и целесообразности проекта.



1. Техническое задание

1.1 Общие сведения

1.1.1 Наименование системы

Разработка вычислительной системы для автоматизации жилого помещения с использованием системы умный дом

1.2 Назначение системы

Система предназначена для управления инфраструктурой коттеджа.

1.3 Цели создания системы

повышение эффективности использования энергоресурсов: электрической и тепловой энергии , расход газа.

обеспечение комфортных условий проживания в коттедже.

обеспечение противопожарной безопасности.

1.4 Характеристика объекта управления (коттеджа)

Объект представляет собой двухэтажный жилой дом (коттедж).

На первом этаже расположены :

тамбур.

коридор.

санузел.

столовая.

гостиная.

кухня.

лестничный марш.

гараж.

котельная.

На втором этаже расположены :

холл.

санузел.

комната.

3 спальни.

Над вторым этажом расположен технический этаж , в котором

расположены:

аварийная вентиляция.

аккумуляторная.

Высота 1-го этажа 3,090 м.

Высота 2-го этажа 2,680 м.

Общая площадь 1-го этажа 138,28 .

Общая площадь 2-го этажа 94,95 .

Класс конструктивной пожарной опасности С0. [1].

Класс функциональной пожарной опасности Ф 1.4. [1].

Степень огнестойкости дома - 1 [1].

Класс пожарной опасности строительных конструкций К0. [1].

1.5 Требования к системе

Требования к структуре и функционированию системы

В соответствии с назначением и целями в системе управления

должны быть предусмотрены необходимые датчики и исполнительные

устройства.

Требования к датчикам.

Датчики температуры:

диапазон измеряемых температур от 0 °С до +80°С.

точность индикации ±1 °С.

Датчики дыма и тепла:

температура эксплуатации: от минус 0°С до + 80 °С.

группа исполнения датчиков по стойкости к механическим

воздействиям должен соответствовать ГОСТУ 17516.1-90 (2001)[2].

Датчики природного газа.

напряжение питания: 5 В.

датчик природного газа должен соответствовать эксплуатационным характеристикам согласно ГОСТУ Р 52350.29.1-2010 [3].

Требования к расстановке датчиков

тепловые и дымовые датчики должны быть расположены в самых высоких частях помещения. При установке датчиков следует учитывать эффект стратификации. [4].

необходимо исключить установку датчиков вблизи стыка стены и потолка.

установку температурных датчиков необходимо произвести в коридоре по одному на каждом этаже.

установку газоанализаторов произвести в котельной и на кухне.

Требования к системе дымоудаления

клапаны дымоудаления необходимо установить в ответвлениях воздуховодов.

клапан должен быть оснащен дистанционно управляемым приводом.

Требование к системе аварийной вентиляции

Система аварийной вентиляции при аварийных ситуациях должна иметь возможность подключения от независимого источника питания.

Требования к сохранению работоспособности системы

Система должна функционировать при сбое в работе электросети.

Требования к пожарной сигнализации.

При регистрации дыма или пожара система должна обеспечить

звуковое оповещение в коттедже и послать сообщения на телефонные номера в голосовом виде или SMS.

Требование к электротехническому оборудованию.

При аварийном режиме должно быть предусмотрено автоматическое переключение на аккумуляторные батареи.

Входные данные.

Входными сигналами для системы являются сигналы с датчиков :

газа.

дыма.

пожара.

температура в помещениях1-го и 2-го этажа.

Выходные данные.

Выходными данными микропроцессорной системы являются данные для вывода информации на LCD панель.

данные для регулирования температуры.

данные для передачи вызова по смс.

данные для подачи звукового сигнала.

Требования к численности и квалификации персонала

системы и режиму его работы.

Система должна быть автоматизирована, необходимо минимизировать влияние человеческого фактора на ее "повседневную" работу. Квалифицированный персонал необходимо привлекать только для пусконаладочных работ , проведения профилактических и/или ремонтных работ.

Требования к функциям (задачам), выполняемым системой

необходимо в режиме реального времени получать данные об величине температуры в помещении, наличии дыма , природного газа , наличие открытого пламени.

в случае повышенной концентрации дыма должна включиться система аварийной вентиляции , звуковое оповещение и оповещение по смс.

контроль оптимальной температуры с автоматическим включением/отключением батареи отопления на 1-й и 2-й этаж соответственно , отключение газового котла если батареи на обоих этажах отключены , включение/отключение кондиционера.

в случае пожара переход на автономное питание системы, закрытие общего газового вентиля, включение системы аварийной вентиляции, звукового оповещения и по смс.

в случае наличия повышенного уровня природного газа переход на автономное питание системы, закрытие общего газового вентиля, включение системы аварийной вентиляции , звукового оповещения и по смс.

Требования к программному обеспечению

при моделировании использовать среду PROTEUS PROFFESIONAL предназначенный для создания схем электронных устройств, выполненных на микроконтроллерах, а затем их симуляции, которая поддерживает большое количество цифровых и аналоговых моделей устройств.

применение интегрированной отладочной среды Code Vision AVR 1.2.5.8 для написания и отладки прикладных программ для AVR микропроцессоров.

Требования к документации.

Документация должна включать в себя:

пояснительную записку с техническим заданием.

плакат постановки задачи.

структурную схему МПС.

функциональную схему МПС.

схему электрическую принципиальную МПС.

схему работы программы.

плакат моделирования МПС.

графический материал по экономической части.

перечень элементов.

спецификация.



2. Анализ существующего положения

2.1 Патентная проработка технологий умного дома

2.1.1 Технология Z-Wave

Сегодня системы "Умный дом" Z-Wave пользуются огромным успехом. Z-Wave - это запатентованный беспроводной протокол связи, который был разработан для домашней автоматизации. Благодаря , нему возможно осуществлять контроль и управление буквально всем оборудованием Умного дома.

Технология подразумевает использование маломощных и миниатюрных радиочастотных модулей, встраиваемых в бытовую технику и разнообразные приборы, например, в устройства освещения, отопления, в системы контроля доступа и развлекательные системы, кондиционное оборудование.

Рисунок 2.1 Технология Z-Wave

К числу несомненных преимуществ применения технологии относят несколько важных пунктов. Для начала, простоту в установке. Благодаря отсутствию дополнительных проводов, интерьер вашей квартиры или коттеджа останется нетронутым. Другими словами, установка осуществляется без дополнительного ремонта и прокладки проводов.

Плюс - абсолютный контроль за автоматикой жилища при помощи ДУ пульта , Iphone , Ipad , компьютера - и других современных приспособлений. Ну и, разумеется, не стоит забывать о том, что эта передовая технология обладает неограниченными возможностями для будущего расширения функционала.

Итак, с помощью любого мобильного телефона или даже собственного ПК, из любого места возможно дистанционно управлять практически всеми устройствами в своем доме или около него.

Z-Wave открыла новые возможности для тех, кто хочет сделать свою жизнь лучше, удобнее и безопаснее. Имея дистанционный контроль над своим жильем, возможно , к примеру, узнать о том, что ваш ребенок благополучно пришел из школы. Или же о том, что сильный ливень залил ваши полы, пока вы были на работе. Или, что входную дверь своей квартиры вы в этот раз случайно оставили незапертой , оставили включенной духовку или утюг, уехав в отпуск.

Приводить примеры можно бесконечно долго. Но главное, что в сочетании с системой Умного дома, эта технология позволит контролировать и видеть совершенно все, что происходит в квартире или коттедже из любой точки мира. При желании всегда можно внести изменения в эту обстановку, улучшив ее.

Технология может быть с легкостью использована практически ко всем электронным устройствам, что дает действительно безграничные возможности. Напоследок стоит сказать о том, что она работает без интерференции и всяких помех.



Рисунок 2.2 Оборудование Z-Wave

Кроме того, она относится к категории "зеленые", как не только комфортная, но и безопасная передовая технология. Беспроводная Z-Wave для Умного Дома почти что в десять раз дешевле своих кабельных конкурентов.

2.1.2 Технология Х-10

С помощью технологии X10 решаются задачи комфортного управления освещением, компонентами инженерных систем и бытовыми электроприборами. Технология X10 обеспечивает разнообразные способы управления домашним оборудованием в ручном и автоматическом

Рисунок 2.3 Технология Х-10 режимах.

Дополнительный ассортимент мультимедийных и охранных устройств расширяет функциональные возможности базового комплекта X10 по управлению освещением и электроприборами и делает всю линейку еще более привлекательной для самого широкого круга потребителей.

Сеть X10 - это совокупность контроллеров и исполнительных устройств, взаимодействующих друг с другом по электрической сети или радиоканалу. При необходимости дополнительно используются специальные системные устройства, обеспечивающие работоспособность сети X10 в целом.

Технология X10 использует цифровое представление сигналов управления. Информация кодируется двоичным кодом и передается по электрической сети с помощью высокочастотных импульсов. Каждый передаваемый импульс соответствует одному биту информации cj значением “1”. Передача очередного импульса происходит в момент времени, когда сетевое напряжение принимает нулевое значение.

Рисунок 2.4 Передача очередного импульса по технологии X10

Стандартная команда X10 передается в течение, примерно, 50 периодов сетевого напряжения частоты 50Гц или 1 сек.

Большинство передаваемых по сети X10 сообщений содержит, по крайней мере, два информационных поля - адрес устройства, которому эта команда адресована и собственно команду.

Подключенные к электросети устройства X10 принимают передаваемые сообщения, декодируют поле адреса получателя и, если он сов падает с их собственным адресом, выполняют команду.



Рисунок 2.5 Периоды силового напряжения

2.1.3 Технология ZigBee

Система предоставляет широкие возможности по управлению освещением: как в сценарном, так и в оперативном вариантах. Управление освещением основано на сети беспроводных управляющих устройств (так называемых "узлов"). Каждый из таких узлов включает в себя один диммер на 220В, один симисторный коммутатор на 220 В и два универсальных управляющих выхода "с открытым коллектором". Кроме того, узел имеет два входа для снятия информации с каких-либо датчиков. Например, это могут быть датчики присутствия для организации "Умных выключателей". К узлу также подводятся провода от местного выключателя и от диммерной панели.

Один узел может управлять:

одной группой света с возможностью плавного изменения яркости (с диммированием).

одной группой света без диммирования.

двумя дополнительными нагрузками (например, группой розеток и нагревателем).



Рисунок 2.6 Технология ZigBee

В системе может быть до тридцати узлов, то есть можно иметь до тридцати независимых групп света с диммированием, до тридцати групп света без диммирования, и еще можно управлять шестьюдесятью какими-либо электрическими приборами. Также можно снимать информацию с шестидесяти независимых датчиков. Благодаря узлам реализуется как местное управление светом с выключателя и диммерной панели, так и централизованное управление с блока управления системой. Узлы получают различные команды от блока управления "по воздуху", с помощью радиосигналов с частотой 2,4 ГГц. Для передачи команд используется самый современный протокол обмена ZigBee.

Протокол ZigBee - это сетевой протокол. Команды от блока управления на требуемый узел могут передаваться через промежуточные узлы, причем оптимальный путь доставки команд система определяет сама. Это добавляет ей надежности. Если какой-либо промежуточный узел вышел из строя, команды все равно будут доходить через другие узлы. Благодаря сетевой структуре можно передавать команды на большие расстояния при небольшой мощности передатчиков на узлах. Сеть позволяет делать до десяти ретрансляций сигнала между узлами, что означает десятикратное увеличение расстояния. Бывают узлы двух типов: с дальностью до 30 метров и до 100 метров . Благодаря комбинации узлов разных типов можно покрывать достаточно большие площади, в том числе целые многоквартирные дома или большие производственные помещения. Сеть передачи информации закрыта для постороннего проникновения. Вся информация передается в зашифрованном виде, ключи шифрования недоступны и не подбираемы, т.к. имеют длину 128 бит.

Кроме того, благодаря применению современных методов цифрового кодирования сигналов достигается исключительная помехозащищенность передаваемой информации. Конструктивно узлы представляют из себя круглую печатную плату диаметром 60 мм . Узлы могут монтироваться внутрь уже существующих распределительных коробок. Если электромонтаж сделан правильно, в распределительных коробках уже есть все необходимые провода, и для установки узла достаточно просто их к нему подключить. Нужны следующие провода: входящая фаза, ноль, провода групп нагрузок, провода от выключателей и/или от диммерной панели. Оперативное управление светом.

Включить требуемую группу света или изменить ее яркость можно как с обычных настенных выключателей или диммеров, так и более удобным способом: с радиопультов. Имея в руках радиопульт, можно управлять любым светильником в доме, не сходя с места. Также доступны розетки и нагреватели. Сценарное управление светом.

Благодаря сценариям свет может использоваться в самых разных случаях:

1. Для перестройки всех электрических приборов в связи с какой-либо ситуацией (уход из дома, приход, отбой, и т.д.). В этом случае одним действием запускается сразу множество процессов- нужные светильники включаются или выключаются, на других выставляется нужная яркость, включаются или выключаются нужные розетки, включаются или выключаются нужные нагреватели, опускаются или поднимаются жалюзи, и т.д.

2. Совместно с системой охраны. После срабатывания охранных датчиков свет может помочь прогнать злоумышленника. Можно сделать так, что весь свет в доме внезапно начнет угрожающе мигать. Совместно с сиренами и голосом хозяина это вызывает инстинктивное желание как можно быстрее убежать.

3. "Умные выключатели". Свет может включаться только тогда, когда кто-либо находится в помещении. Для этого требуются датчики присутствия. Когда такой датчик срабатывает, система включает заданные группы света на заданное время. Если в течении этого времени датчик больше не срабатывает, свет выключается. Если же датчик продолжает оповещать о присутствии человека, свет продолжает гореть. Всего в системе может быть организовано до 29 таких "Умных выключателей". "Детский свет". Свет в детской комнате может медленно, незаметно для глаз гаснуть. Это помогает спокойно заснуть. Одновременно на время угасания света блокируются местные выключатели и диммеры, т.е. ребенок не сможет самостоятельно включить свет.

5. Световое оповещение о звонках. При входящих телефонных звонках или звонках в домофон могут включаться или начинать мигать заданные группы света. Это может быть актуально либо когда люди отдыхают и недопустимы звонки, либо когда в помещении шумно и эти звонки не слышны. Либо для слабослышащих людей. Можно сделать так, что при разных событиях будут зажигаться разные группы света. Например, при звонках с одних номеров телефонов будет мигать одна группа, при звонках с других номеров - другая.

6. Светлое просыпание. Можно задать совместно с будильником еще и включение или моргание заданной группы света (например, люстры в спальне). В системе имеется десять будильников, которых может хватить на всех обитателей дома.

7. Свет по расписанию. Свет может включаться и выключаться циклически, каждый день в заданное время. Благодаря этому можно подсвечивать подходы к дому только ночью или обеспечить автоматическое включение и выключение подсветки аквариума.

2.2 Достоинства и недостатки, сравнение патентных проработок

Z-Wave.

Специалисты компании Zensys разработали достаточно гибкую и вместе с тем простую технологию для домашней автоматизации, которая доступна людям никогда не державшим в руках паяльник или клавиатуру. В то же время система имеет все необходимое для интеграции с компьютерным управлением. Технология Z-Wave применима как для простых схем из 2-3 элементов, так и для полноценной автоматизации всех систем дома.

Существует масса устройств, поддерживающих технологию Z-Wave. Минусом системы является относительная дороговизна готовых устройств. Таким образом, делать на таких дискретных элементах автоматизацию систем отопления или вентиляции нецелесообразно, так как стоимость такой автоматизации будет выше специализированных решений. Изготавливать самостоятельно модули на базе Z-Wave также невозможно из-за отсутствия в свободной продаже чипов от Zensys. В то же время в некоторых случаях, эта технология вполне может найти свое применение.

X-10.

Основным преимуществом технологии является то, что для организации системы умный дом не нужна прокладка дополнительных кабелей, так как все общение между модулями происходит по уже существующей электрической сети. Достаточно включить устройства в розетку. Таким образом для создания своего Умного Дома не нужны специфические знания в области программирования. Необходимо только купить контроллер Leopard или Ocelot, заменить обычные выключатели на выключатели X10, в обычные патроны вкрутить специальные модули LM15A, купить необходимые модули для управления мощными нагрузками, датчики движения и т.д. Для технологии X10 производится весьма широкий ассортимент модулей почти на все случаи жизни. Преимуществ у технологии X-10 масса, но есть и недостатки. Важным недостатком является относительная "закрытость" системы и сложность интеграции в другие системы дома, но это не главное.

Главные недостатки следующие: относительная дороговизна системы в целом, возможные перебои, связанные с работой электросети (помехи из сети и генерируемые внутри сети - мощные нагрузки, использование в доме 3-х фазной сети), необходимость защиты от управляющих сигналов извне , (например установка подобной системы соседями), ограниченное максимальное количество управляемых групп, отсутствие возможности изменения дизайна управляемых розеток и выключателей, медленная реакция на команды контроллера (около секунды). Безусловно существуют решения многих недостатков и в целом технология X-10 зарекомендовала себя как вполне надежное и современное решение.

Необходимо также сказать, что в системах, строящихся на базе открытых технологий, X-10 используют чаще всего лишь как локальную часть системы, ответственную преимущественно за управление освещением, так как это наиболее простой и быстрый (но, конечно, не самый дешевый) способ управления именно освещением.

ZigBee.

Конечно, скорость в сетях ZigBee невелика, так как эта технология решает задачу передачи коротких сообщений между модулями и для промышленной и домашней автоматизации вполне достаточно. Зато ZigBee позволяет создавать сложные сети различной топологии. Любой узел в сети доступен сразу же после включения. Стандарт ZigBee относят к высоконадежным решениям. В модулях доступны средства шифрования и защиты трафика. Важно, что продукцию стандарта ZigBee производят несколько компаний. Доступны как отдельные микросхемы, так и завершенные модули для интеграции в готовые устройства.

Наиболее известны такие разработчики решений для ZigBee как Freescale Semiconductor, Texas Instruments, Digi International, STMicroelectronic, MaxStream. В настоящее время уже доступно множество готовых систем, где в качестве основы используется ZigBee. Однако, учитывая большое количество открытой документации, программных продуктов, наборов системной логики, готовых модулей, реализующих стандарт (например, популярная серия XB24, XBP24, XBIB), это решение находит свое применение и в системах энтузиастов. Модули XB24 можно сочетать с микроконтроллерами посредством SPI-интерфейса, а связка XB24-XBIB-U подключать к USB-порту компьютера.



3. Описание структуры системы, для которой разрабатывается программное обеспечение

Рисунок 3.1 План 1-го этажа двухэтажного жилого дома (коттеджа)



Рисунок 3.2 План 2-го этажа двухэтажного жилого дома (коттеджа)



Таблица 3.1 Экспликация помещений 1-го и 2-го этажа

Таблица 3.2 Расстановка датчиков и исполнительных устройств

Наименование	Место установки	Кол-во
Температурный датчик.	На 1-м этаже , гостинная.	1
Температурный датчик.	На 2-м этаже , спальня.	1
Датчик газа.	На 1-м этаже кухня, котельная.	2
Соленоидный газовый вентиль.	На 1-м этаже.	1
Соленоидный вентиль на батарею отопления.	На 1-м этаже , котельная.	2
Датчик пожара.	На 1-м этаже в коридоре , в каждой комнате.	7
Датчик дыма.	На 1-м этаже в коридоре , в каждой комнате	7
Датчик пожара.	На 2-м этаже в коридоре , в каждой комнате.	6
Датчик дыма.	На 2-м этаже в коридоре , в каждой комнате.	6
Аварийная вентилятор.	Чердак.	1
Аккумулятор.	Чердак.	1
Блок управления.	На 1-м этаже в коридоре.	1
Система автоматического заряда аккумуляторов.	Чердак.	1
Кондиционер.	На 1-м этаже в коридоре.	1
Кондиционер.	На 2-м этаже , холл.	1
Звуковая сирена.	Лестничный марш.	1
Блок GSM.	На 1-м этаже в коридоре.	1
Реле отключения газового котла.	На 1-м этаже , котельная.	1



4. Выбор, обоснование и пути решения поставленной задачи

4.1 Пути решения поставленной задачи

Чтобы сделать недорогую и в тоже время качественную микропроцессорную систему и удовлетворяло всем требованиям необходимо использовать современное исполнительное оборудование , датчики и микроконтроллер [8].

Исходя из вышеперечисленных патентных проработок , где у них собственно и есть большой недостаток это их цена и невозможность изготавливать модули самостоятельно из-за закрытости системы. В моем же проекте предусматривает использование всех задач, требований. Использование выводов от микросхемы рационально и по максимуму всех.

Исходя из поставленных задач, требований и целей нужно использовать:

оборудования и элементы.

микроконтроллер.

датчики.

исполнительные устройства.

газовый котел и кондиционеры, будем считать что они уже установлены в помещении.

разработать логику работы всей системы что, когда и по каким параметрам включать/выключать [9].

Параметры:

при понижении температуры на 1-м этаже коттеджа меньше 18 градусов включить батарею отопления на этом этаже.

при понижении температуры на 2-м этаже коттеджа меньше 18 градусов включить батарею отопления на этом этаже.

при температуре равным и выше 18 градусов на соответствующем этаже соленоидный вентиль на батарее отопления отключить.

если хотя бы на одном этаже соленоидный вентиль открыт , газовый котёл не выключать.

если оба соленоидных вентиля закрыты - отключить газовый котёл.

при повышении температуры на 1-м этаже коттеджа больше 24 градусов включить кондиционер на этом этаже.

при повышении температуры на 2-м этаже коттеджа больше 24 градусов включить кондиционер на этом этаже.

при срабатывании датчика дыма включить аварийную вентиляцию , вызвать по смс по заданному номеру, включить сирену.

при срабатывании датчика пожара переход на автономное питание системы, закрытие общего газового вентиля , отключение системы аварийной вентиляции , включение сирены и вызов по смс по заданному номеру.

при срабатывании датчика газа переход на автономное питание системы , закрытие общего газового вентиля , включение системы аварийной вентиляции , включение сирены и вызов по смс по заданному номеру.

4.2 Выбор и описание оборудования, систем и программ

Выбор температурного датчика и исполнительных устройств[10].

Современный мировой рынок электронных комплектующих предлагает широкий ассортимент датчиков температуры. Основные отличия между ними состоят в диапазоне измеряемой температуры, напряжении питания, области применения, габаритных размерах, способах преобразования температуры, интерфейсом для взаимодействия с пользовательской управляющей системой. Так исторически сложилось, что на текущий момент одним из самых популярных температурных датчиков является датчик DS18B20 корпорации Dallas Semiconductor.

DS18B20- цифровой датчик температуры с программируемым разрешением преобразования.

Отличительные особенности:

1) Использование интерфейсной шины данных 1-Wire для взаимодействия с управляющей системой; 2) Наличие уникального 64-битного последовательного идентификационного кода, расположенного во внутренней ROM-памяти и предназначенной для многоточечных систем, где необходимо адресовать конкретный датчик; 3) Напряжение питания составляет 3-5,5В, что позволяет использовать его не только в 5-вольновых системах, но и в 3,3 (большинство микроконтроллеров); 4) Диапазон измеряемой температуры составляет -55…+125оС; 5) Точность в ±0,5оС, правда это верно только для диапазона -10…+85оС; 6) Разрешение преобразования определяется пользователем и составляет 9…12 бит; 7) Имеет внутренние регистры триггеров верхнего и нижнего порогов срабатывания с вырабатыванием сигнала тревоги для систем, использующих термостатическую логику работы; 8) Эти датчики програмно совместимы с DS1822 и широко применяются в промышленных термостатических регуляторах, индустриальных системах, в потребительской электронике и других термочувствительных системах.

4.3 Описание и принцип работы устройства

Сам датчик поставляется в трех видах корпусов, в 8-выводном SOIC-е, 8-выводном uSOP-е, и, пожалуй, самым популярном, ТО-92. Для связи с управляющей системой разработчиками была предусмотрена интерфейсная шина 1-Wire. Одним из отличительных особенностей данного устройства следовало бы отметить возможность питания его от самой интерфейсной шины, т.е., другими словами, датчик DS18B20 предусматривает возможность так называемого "паразитного питания". Благодаря внутреннему 64-битному уникальному коду можно построить систему мониторинга температуры на относительно небольшой площади, причем используя всего лишь 1 линию для связи с управляющим устройством.



Рисунок 4.1 DS18B20 в выполненном в корпусе TO-92.

Рисунок 4.2 Внутреннее устройство DS18B20.

1-Wire. [10]. Все больше разработчиков проявляют интерес к этой технологии, что связанно, прежде всего, со значительным расширением номенклатуры однопроводных компонентов.

Ведь в качестве среды для передачи информации по однопроводной линии чаще всего возможно использование обычного телефонного кабеля и, следовательно, скорость обмена в этом случае не велика. Однако, если внимательно проанализировать большинство объектов требующих автоматизации, то более чем для 60% из них предельная скорость обслуживания в 15,4Кбит/сек будет более чем удовлетворительной. А другие преимущества 1-Wire, такие как:

простое и оригинальное решение адресуемости абонентов.

несложный протокол.

простая структура линии связи.

малое потребление компонентов.

легкое изменение конфигурации сети.

значительная протяженность линий связи.

Исключительная дешевизна всей технологии в целом говорит о необходимости обратить самое пристальное внимание на этот эффективный инструмент для решения задач комплексной автоматизации в самых различных областях деятельности.

Основные принципы.

1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной) провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный провод. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной длины однопроводной линии регламентировано разработчиками на уровне 300м.

Основой архитектуры 1-Wire-сетей, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером ,и многочисленными ведомыми. Хотя существует ряд специфических приемов организации работы однопроводных систем в режиме мультимастера.

Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе ее работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire-интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет ~75 узлов сети в секунду.

Благодаря наличию в составе любого устройства , снабженного сетевой версией 1-Wire-интерфейса, уникального индивидуального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor Corp., гарантируется самой фирмой-производителем) , такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом, каждый из однопроводных приборов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций. Однопроводные компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми, лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов, для 1-Wire-интерфейса, асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на линии даже без непосредственной адресации отдельных компонентов, управляют обменом данными в сети и т.д.

Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, которая составляет 15,4 Кбит/сек , была выбрана, во-первых, с учетом обеспечения максимальной надежности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учетом быстродействия наиболее широко распространенных типов микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств однопроводной шины. Это значение скорости обмена может быть уменьшено до любого возможного значения благодаря введению принудительной задержки между передачей в линию отдельных битов данных (растягиванию временных слотов протокола). Или увеличено за счет перехода на специальный ускоренный режим обмена (скорость Overdrive - до 125 Кбит/сек), который допускается для отдельных типов однопроводных компонентов на небольшой по расстоянию, качественной, не перегруженной другими приборами линии связи.

При реализации однопроводного интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства однопроводных компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8В до 6,0В. Альтернативой применению внешнего питания служит, так называемый, механизм "паразитного питания", действие которого заключается в использовании каждым из ведомых компонентов 1-Wire-линии электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, которая аккумулируется специальной, встроенной в прибор емкостью. Кроме того, отдельные компоненты однопроводных сетей могут использовать режим питания по шине данных, когда энергия к приемнику поступает непосредственно от мастера по линии связи, при этом обмен информацией в сети принудительно прекращается.

Соленоидный клапан [12] работает точно также, как и обычный ручной запорный клапан , однако вместо того, чтобы подойти и вручную открыть кран для включения воды, можно включить воду автоматически через соленоидный клапан, либо через таймер или нажатием переключателя, подключенного к клапану.

Соленоидный клапан- это просто электрически управляемый запорный кран. Применять соленоидный клапан можно везде, где нельзя или нету возможности вручную включать или отключать среду.

Рисунок 4.3 Соленоидный вентиль и катушка Danfoss EV225B.



Краткие технические характеристики соленоидных клапанов фирмы Данфосс.

присоединения от G 1/8” до 4”.

различные варианты материалов корпуса: латунь стойкая к кислотам нержавеющая сталь, литейный чугун.

двухходовые и трехходовые версии.

напряжение катушек от 12В постоянного тока до 400В переменного тока.

существуют типы клапанов для работы в системах с нулевым давлением.

Ниже приведена информация, которая поможет правильно подобрать материал уплотнения для различных сред:

Для воды можно использовать такие материалы, как EPDM, NBR или FKM, но следует помнить, что для FKM существует температурное ограничение до 60oC. NBR можно применять при температуре до 90oC, а EPDM может применяться для горячей воды и даже для пара низкого давления с температурой до 140oC.

Для воздуха и масла можно выбрать NBR или FKM.

Для пара высокого давления до 40 ба и 185oC можно применять PTFE.

Краткая характеристика EV225B [13].

Клапан (вентиль) электромагнитный соленоидный EV225B .

Исп. "НЗ" - закрыт, при отсутствии тока. Для воздуха, холодной, горячей воды и пара. Корпус: коррозионностойкая латунь , стойкая к вымыванию цинка. Уплотнения: мембрана - PTFE, седло - нержавеющая сталь. Рабочая температура: ?10… +185 оС. Монтаж на внутренней резьбе. Катушка: 12 B в комплекте со штекером.



Таблица 4.1 Технические характеристики клапана Danfoss EV225B.

Артикул	DN, мм	Резьба, дюймы	Kv, м3/ч	?Pmin, бар	PN, бар
032U300384	10	G ?	2,2	0,2	10
032U300484	15	G Ѕ	2,2	0,2	10
032U300684	20	G ѕ	5	0,2	10
032U300784	25	G 1	6	0,2	10

По вышесказанному температурный датчик выбрали DS18B20 из-за его простоты , доступности , дешевизны и идеально подходящему к микроконтроллеру. Линию выбрали 1-wire. Соленоидный вентиль выбрали Danfoss EV225B , из-за его доступности и идеально подходящему к микроконтроллеру.

4.4 Выбор датчика газа и исполнительных устройств

Виды датчиков утечки газа. [14].

Условно все датчики утечки газа можно разделить на две группы:

проводные и беспроводные.

Исходя из названия категорий, можно сделать вывод о источнике питания устройств. Категория проводных датчиков работает от стандартной электрической сети , беспроводные -- от автономного аккумулятора , установленного непосредственно в приборе.

Делятся датчики утечки газа по методу определения концентрации ядовитого вещества в окружающей среде на следующие группы:

Полупроводниковые.

Каталитические.

Инфракрасные.

Полупроводниковые устройства работают на базе полупроводников и основаны на методе поглощения поверхностью нагретого оксида газа в окружающей среде. Каталитические модели по своей сути представляют усовершенствованную разработку взрывобезопасной лампы. В основе таких приборов лежит горение газа и превращение его в воду и углекислый газ. Инфракрасные датчики определяют концентрацию газа, полосы поглощения которых находятся в диапазоне инфракрасного электромагнитного спектра.

Различают также датчики газа с клапаном и без него. В отдельную категорию можно выделить GSM-устройства.

Особенности проводных и беспроводных датчиков утечки газа.

Проводные устройства питаются от электрической сети в 220В. Многие считают, что такие модели не безопасны, так как при повышении концентрации газа в окружающей среде заряд может стать причиной взрыва. Подобное мнение ошибочно, так как разработаны устройства специальным образом и соответствующее питание ничем не грозит. Преимуществом проводных датчиков утечки газа является невысокая стоимость самих приборов и их обслуживания. Недостатком является высокое потребление энергии, направленной на обеспечение работоспособности сенсоров.

Беспроводные модели питаются от аккумуляторной батареи, что позволяет использовать их практически в любом месте. Все тоже большое потребление энергии не позволяет изобрести подобные устройства для промышленных помещений и складов. Еще одним недостатком беспроводных моделей является более высокая стоимость.

Таблица 4.2 Виды датчиков присутствия газов.

Марка	MQ5B	MQ4	HS-129
Тип технологии	Полупроводниковый	Полупроводниковый	Полупроводниковый
Тип детектируемого газа	Природный газ,	Природный газ,бытовой газ	Природный газ,бытовой газ
Концентрация	5 раз	5 раз	5 раз
Рабочая температура	-10 … 50 °С	-10 … 50 °С	-20…50°С
Цена (руб).	334	224	555

Выбор пал на датчик присутствия газов MQ4 т.к при сравнении датчиков , разница только в цене. Рабочее напряжение: 3…15. В . Принцип работы датчика обнаружения газа основан на свойстве изменения проводимости тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2 при контакте его с определяемым газом. Чувствительность к разного рода газам достигается путем легирования различных присадок в чувствительный слой датчика. Сам чувствительный элемент датчика , состоит из керамической микротубы с покрытием Al2O3 и нанесенного на нее чувствительного слоя диоксида олова. Внутри тубы проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой , до температуры при которой он начинает реагировать на определяемый газ. При попадании газа в датчик происходит абсорбция газа , и в следствие чего сопротивление датчика падает.

Клапан (вентиль) электромагнитный соленоидный EV220B.

Исп. "НО" - открыт , при отсутствии тока; С защитой от гидроудара и фильтром пилотного канала; Для воды, воздуха и др. неагрессивных жидкостей и газов; Корпус: латунь; Мембрана: EPDM; по запросу NBR; Рабочая температура: ?30… +120 оС; Монтаж на внутренней резьбе;

Рисунок 4.4 Соленоидный вентиль и катушка Danfoss EV220B.

Таблица 4.3 Технические характеристики клапана Danfoss EV220B

Артикул	DN, мм	Резьба, дюймы	Kv, м3/ч	?Pmin, бар	PN, бар
032U7117	15	G Ѕ	4	0,3	16
032U7122	20	G ѕ	8	0.3	16
032U7127	25	G 1	11	0,3	16
032U7134	32	G 1ј	18	0.3	16
032U7142	40	G 1Ѕ	24	0.3	16
032U7152	50	G 2	40	0,3	16

4.5 Выбор дымового и теплового датчика

MG-2500 извещатель пожарный комбинированный [15].

Краткое описание

Дымо-тепловой с максимальным тепловым каналом, 60°С, питание 10-30 В, 130 мкА (без базы MG-3500)

Назначение изделия

Извещатель предназначен для обнаружения загораний , сопровождающихся появлением дыма и/или повышением температуры в закрытых помещениях зданий и сооружений различного назначения. При возникновении дыма и/или повышенной температуры извещатель формирует электрический сигнал о возникшем пожаре, регистрируемый приемно-контрольным прибором. Цена 607 руб.

ИП 212/101-3А-A1R Извещатель пожарный комбинированный адресный. [15].

Краткое описание.

Комбинированный (дым/тепло) Leonardo-OT без базы В401L.

Назначение изделия.

Предназначен для работы совместно с АМ-99.

Особенности.

Без базы, совместимость с базами B401L, B401LI.

Цена 644 руб.

ИП212/101-4-А1R Извещатель пожарный комбинированный [14].

Краткое описание.

Извещатель комбинированный "Профи-ОТ" без базы.

Назначение изделия.

Комбинированные извещатели ИП212/101-4-А1R предназначены для обнаружения возгораний в помещениях , различных зданий и сооружений по увеличению оптической плотности среды при её задымлённости, по значению температуры окружающей среды и по скорости ее нарастания, благодаря чему он срабатывает при любом типе возгорания: сопровождающимся задымлением или повышением температуры. В дымовом канале извещателя установлена средняя чувствительность, при монтаже или в процессе эксплуатации ее можно перепрограммировать на высокую или низкую. Компенсация запыления дымовой камеры обеспечивает сохранение чувствительности извещателя на установленном уровне и отсутствие ложных срабатываний, а также существенно увеличивает периоды эксплуатации между техническим обслуживанием.

В тепловом канале извещателя реализован метод прямого измерения температуры окружающей среды и скорости ее нарастания при помощи малоинерционного термочувствительного элемента. Сигнал ПОЖАР выдается при скорости повышения температуры в месте его установки 8°С в минуту и более, либо при достижении температуры равной 58°С в случае медленного ее увеличения. Все установки и информация о состоянии извещателя записаны в энергонезависимую память и не стираются при отключении питания. Также в памяти извещателя хранятся дата выпуска, дата последнего технического обслуживания, тип извещателя и т.д. Запись установок и считывание информации производится через индикатор извещателя при использовании многофункционального пульта дистанционного управления или через инфракрасный ретранслятор.

Особенности.

Возможность установки трех уровней чувствительности: высокой - 0,08 дБ/м, средней - 0,12 дБ/м, низкой - 0,16 дБ/м. Возможность работы извещателя с двухпроводными базами В401 и четырехпроводными базами В312RL, B312NL.

Дополнительное оборудование. Монтажная коробка для навесного монтажа SMK 400. Монтажный комплект для установки в подвесной потолок RMK-400 AP-IV Тестер для извещателей ЛТ. Пульт дистанционного управления программирования и тестирования многофункциональный МПДУ. 2-х проводное базовое основание B401. 2-х проводное базовое основание с резистором B401 R1000. 2-х проводное базовое основание для знакопеременного шлейфа В301 RU. 4-х проводное базовое основание (н.о/н.з) B312RL. 4-х проводное базовое основание с самосбросом (н.о/н.з) B312NL.

Цена 642 руб.

Выбор пал на датчик ИП 212/101-3А-A1R т.к отличие от других датчиков у него адресное расположение извещателя.

Характеристика ИП 212/101-3А-A1R .

Для измерения температуры и проверки наличия дыма в контролируемом помещении используется комбинированный пожарный извещатель ИП 212/101-3А-A1R [14].

Рисунок 4.5 Пожарный извещатель ИП 212/101-3А-A1R .

Извещатель выполняет следующие функции:

измерение концентрации дыма.

измерение температуры окружающей среды.

автоматическая компенсация запыленности дымовой камеры.

Адресный извещатель состоит из розетки и датчика, представляющего собой пластмассовый корпус, внутри которого размещена оптико-электронная система и плата с радиоэлементами, обеспечивающая обработку сигналов на базе микроконтроллера. Разъемное соединение датчика с розеткой обеспечивает удобство установки, монтажа и обслуживания извещателя. Измерение температуры осуществляется микроконтроллером по изменению сопротивления чувствительного элемента.

Извещатель позволяет обнаружить пожар в ранней стадии развития и реагирует на определенный порог концентрации дыма и/или на повышение температуры в охраняемой среде.

Для исключения ложных срабатываний, связанных с запыленностью дымовой камеры, в извещателе применен алгоритм автоматической компенсации запыленности дымовой камеры, что поддерживает чувствительность извещателя на установленном уровне и существенно увеличивает периоды эксплуатации между техническим обслуживанием. Уровень чувствительности оптической части извещателя может регулироваться в процессе работы системы.

Технические характеристики.
Чувствительность дымового канала извещателя (типовая)
высокая	0,08 дБ/м
средняя	0,12 дБ/м
низкая	0,16 дБ/м
Температура срабатывания при медленном повышении	58°C
Скорость повышения температуры, при которой срабатывает извещатель	8°C/мин
Класс теплового канала	A1R
Средняя площадь, контролируемая одним извещателем	до 110 м2
Время включения извещателя в дежурный режим	10 сек
Допустимый уровень воздействия фоновой освещенности	12000 лк
Допустимая скорость воздуха	до 20 м/сек
Помехоустойчивость (по НПБ 57-97)	2 степень жесткости
Сейсмоустойчивость	до 8 баллов
Рабочее напряжение	от 8 В до 30 В
Номинальный ток в дежурном режиме	140 мкА
Высота извещателя с базой В401	55 мм
Диаметр	102 мм
Вес с базой В401	165 гр.
Диапазон рабочих температур	-30°C +70°C
Допустимая относительная влажность	до 95%
Степень защиты оболочки извещателя	IP20
при использовании монтажного устройства WB-1	IP23

Рисунок 4.6 Схема подключения извещателей.

Выбор аккумулятора.

Аккумулятор 12в , 7 Ач. Аккумулятор герметичный свинцово-кислотный [15].

Краткое описание.

Размеры (ДхШхВ)- 151х65х101 мм, вес - 2,7 кг

Назначение изделия.

Аккумулятор предназначен для использования в качестве основного или резервного источника питания в блоках питания, офисном оборудовании, системах безопасности, бытовой технике, кассовых аппаратах и игрушках и т.д. Цена 317 руб.

Аккумулятор 12в , 12 Ач. Аккумулятор герметичный свинцово-кислотный [15].

Краткое описание

Размеры (ДхШхВ)- 151х96х101 мм, вес - 4,0 кг.

Назначение изделия.

Аккумулятор предназначен для использования в качестве основного или резервного источника питания в блоках питания, офисном оборудовании, системах безопасности, бытовой технике, кассовых аппаратах и игрушках и т.д. Цена 661 руб.

Аккумулятор 12в , 17 Ач. Аккумулятор герметичный свинцово-кислотный [15].

Краткое описание.

Размеры (ДхШхВ)- 181х76х167 мм, вес - 6,2 кг.

Назначение изделия.

Аккумулятор предназначен для использования в качестве основного или резервного источника питания в блоках питания, офисном оборудовании, системах безопасности, бытовой технике, кассовых аппаратах и игрушках и т.д. Цена 904 руб.

Выбор пал на аккумулятор аккумулятор 12в , 17 Ач Так как время считаю оптимальной для системы безопасности.

4.6 Выбор блока GSM

GSM Информатор "Часовой-5" [16] предназначен для контроля состояния 5 объектов независимо друг от друга. Может применяться для охраны квартир, офисов, гаражей, дач, складских помещений

Функциональные возможности "Часовой-5":

встроенный GSM-модуль.

функция бесперебойного питания, контроль зарядки резервного 12В-го аккумулятора, отправка SMS при пропадании питания 220В и при критическом разряде резервного аккумулятора.

постановка системы на охрану как с помощью ключей Touch Memory, так и с помощью SMS сообщений.

электропитание датчиков 12В непосредственно от контроллера (сохраняется при пропадании 220В).

одновременно срабатывает сирена, прожектор или любой подключенный исполнительный модуль.

для каждого объекта выставляется время задержки на постановку/снятие с охраны от 1 до 99 секунд.

отчёт о работоспособности системы, , может быть получен по SMS-запросу.

Основные технические характеристики:

режим работы - от -25°С до +50°С.

мощность, потребляемая системой - не более 8 Ватт.

количество поддерживаемых объектов - 5.

количество зон контроля (входов по 1-му на каждый объект) - 5.

количество подключаемых исполнительных устройств (выходов по 1-му на каждый объект) - 5.

максимальное количество телефонных номеров, находящихся в списке, по которому производится рассылка SMS-сообщений - 3 для каждого объекта.

максимальное количество запрограммированных ключей Touch Memory - 5 для каждого объекта.

габаритные размеры контроллера - 134 мм (д) х 80 мм (ш) х 31 мм (в).

потребляемый ток составляет - 50 мА.

масса контроллера - 200 г.

Цена 5550 руб.

GSM Информатор "Часовой-1М" [16] предназначен для дистанционного контроля и управления стационарными объектами с помощью сотового телефона. Количество зон контроля (входов) - 3. Выходы 1 реле с перекидным контактом управляется с помощью SMS; 1 открытый коллектор нагрузка 500 мА управляется SMS; Touch Memory. Уникальный прибор, обладает богатыми возможностями, за низкую цену.Предназначен для дистанционного контроля и управления стационарными объектами , с помощью сотового телефона. Это может быть: дом , дача, квартира, офис, склад, торговая точка, гараж и т.д. Достоинства: Низкая цена. Маленькие габариты, возможность установить в местах, где недостаточно свободного места. Простое конфигурирования с компьютера через USB. Возможно сохранение конфигурации в компьютере и последующая загрузка конфигурации.