Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коми Республикаса йцзцс велцдан, да наука том йцз политика министерство

Министерство образования, науки и молодежной политики Республики Коми

Государственное профессиональное образовательное учреждение

«Сыктывкарский целлюлозно-бумажный техникум»

Специальность: 090201 «Компьютерные системы и комплексы»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

на тему: «Настройка оборудования и установка программного обеспечения для прототипов управляющего элемента системы «умный дом»»

Студент группы ТО-41

Брантов Георгий Олегович

Руководитель работы: Антонов И.В.

Сыктывкар 2017г.



Задание

для выполнения дипломного проекта по специальности 090201 «Компьютерные системы и комплексы» квалификация: Техник по компьютерным системам

Студенту: Брантов Георгий Олегович

Тема работы

Разработка и сборка для прототипов управляющего элемента системы «умный дом»

Перечень вопросов, подлежащих разработке:

Пояснительная записка

1 Теоретическая часть

1.1 Понятие - «умный дом»

1.2 Принцип работы системы «умный дом»

1.3 Элементы системы «умный дом»

1.4 Протоколы обмена данными

1.5 Передающие среды

1.6 Пример практической реализации

2 Практическая часть

2.1 Описание элементов прототипа «умного дома»

2.2 Описание возможных проблем

2.3 Описание выполненных работ

3 Экономическая часть

4 Охрана труда

5 Заключение

Список источников и литературы

Содержание

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Понятие - «умный дом»
• 1.2 Принцип работы системы «умный дом»
• 1.3 Элементы системы «умный дом»
• 1.4 Протоколы обмена данными
• 1.5 Передающие среды
• 1.6 Пример практической реализации проекта «умный дом»
• 2. Практическая часть
• 2.1 Описание основных элементов прототипа «умного дома»
• 2.2 Описание возможных проблем
• 2.3 Описание выполненных работ
• 3. Экономическая часть
• 4. Охрана труда
• Заключение
• Список источников и литературы


Введение

О существовании умных домов знает сегодня, наверное, каждый, однако, до сих пор далеко не все понимают, что собой представляют данные системы и какие возможности открывают своим жителям. Существует множество толкований понятия «умный дом», в чем-то похожих, а в чем-то отличающихся друг от друга. Но по существу далеко не все они дают полную информацию.

В настоящее время «умные дома» в России не распространены широко и чаще всего являются достаточно дорогостоящими. Это связано с отсутствием объективной потребности в «умном доме» как системе, предназначенной для городской квартиры.

В нашем понимании «умный дом» -- это единая система управления, совмещающая в себе, во-первых, органы чувств, позволяющие воспринимать различные параметры окружающей среды, такие как влажность воздуха, освещенность, присутствие человека, температуру, качество воздуха, давление, возникновение протечек воды и утечек газа.

Во-вторых, управляющие элементы, своего рода руки и ноги дома, позволяющие управлять освещением и бытовой техникой, воротами и рольставнями, водоснабжением и канализацией, вентиляцией и отоплением.

Кроме этого «умные дома» оснащаются широким спектром устройств обратной связи, позволяющих человеку общаться с домом, начиная от простых кнопок, выключателей и светодиодных индикаторов до возможности управления, используя все современные способы и протоколы проводной и беспроводной связи.

Ну и конечно, главной составляющей «умного дома» является устройство, модуль или просто центр обработки информации и управления. Благодаря этому, своего рода, мозгу подобные дома и назвали умными.

Таким образом, «умный дом» может быть запрограммирован на выполнение определенных задач, называемых сценариями. Это могут быть простые реакции на воздействия, например, включение обогревателя при определенном уровне температуры в помещении, или сложное комплексное управление.

Выделение типовых сценариев позволяет разделить «умный дом» на подсистемы. Обычно выделяют такие подсистемы, как:

· охрана и контроль;

· климат и отопление;

· управление светом;

· управление бытовыми электроприборами.

В целом, любой «умный дом» выполняет не только функциональные задачи управления, контроля, осуществления безопасности и энергосбережения, но и эмоциональные, сближая человека и его жилище.

Целью дипломного проекта является практическая реализация прототипа системы «умный дом».

Исходя из поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

· Провести исследование возможных методов сбора данных с внешних датчиков;

· Провести сравнительный анализ существующих на рынке систем «умный дом»;

· Изучить операционную систему Raspbian, использующуюся на оборудовании Raspberry Pi 3 Model B;

· Подобрать необходимые аппаратные и программные компоненты и собрать единую систему, отвечающую заявленной задаче.

В первом разделе дипломной работы будут рассмотрены теоретические аспекты, сопутствующие практической реализации проекта.

Во втором будет сделана попытка практической реализации проекта. Для чего будет произведен ряд работ с аппаратным обеспечением, установка и тонкая настройка целого комплекса программного обеспечения. Всем выполненным работам будет дано описание и приведены конфигурационные файлы.

В третьей части дипломного проекта будет рассмотрена экономическая сторона вопроса, а именно какие компоненты были приобретены для создания проекта «Умный дом», количество часов затраченных на выполнение проекта и сравнение стоимости с готовыми аналогами.



1. Теоретическая часть

1.1 Понятие - «умный дом»

«Умный дом» - система высокотехнологичных устройств в жилом доме современного типа, организованная для наиболее комфортного проживания или работы людей.

Под «умным домом» следует понимать систему, которая обеспечивает безопасность и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам.

Например, 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.

Можно считать, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством, когда в автоматизированном режиме в соответствии с внешними и внутренними условиями задаются и отслеживаются режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.

Технической основой умных зданий является Автоматизированная система управления зданием (сокращенно АСУЗ).

Она предназначена для автоматизации процессов и операций, которые реализуются в современных зданиях. Достаточно часто в литературе встречается употребление термина АСУЗ, как системы для автоматизации инженерных систем (или систем жизнеобеспечения) здания: вентиляции, отопления и кондиционирования, водоснабжения и канализации, электроснабжения и освещения, и т. д. В больших и сложных зданиях можно выделить несколько десятков инженерных систем.

Основными целями создания АСУЗ являются повышение безопасности, улучшение комфорта и обеспечение эффективности ресурсопотребления. Результат достигается за счет лучшего качества работы систем жизнеобеспечения здания при сокращении расходов на обслуживающий персонал.

Бытует мнение, что АСУЗ следует различать на системы для коммерческих объектов недвижимости и на системы для коттеджей, дач и отдельных квартир. Таким образом, как бы определяя два сектора рынка: автоматизация зданий и домашняя автоматизация.

При построении АСУЗ, как правило, реализуется три уровня автоматизации:

· Верхний -- уровень диспетчеризации и администрирования с базами данных, на котором осуществляется взаимодействие между персоналом (операторами, диспетчерами) и системой через человеко-машинный интерфейс, реализованный в основном на базе компьютерных средств. Этот же уровень должен отвечать за информационное взаимодействие с уровнем предприятия.

· Средний -- уровень автоматического (автоматизированного) управления функциональными процессами, основными компонентами которого являются контроллеры управления, модули ввода-вывода сигналов и различное коммутационное оборудование.

· Нижний -- «полевой» уровень (уровень конечных устройств) с функциями входа/выхода, включающий в себя датчики и исполнительные механизмы, а также кабельные соединения между устройствами и нижним-средним уровнями.

1.2 Принцип работы системы «умный дом»

Для автоматизации и контроля жилища используются датчики и сопутствующее оборудование. Все сенсоры подключаются к единой системе управления, при помощи которой производится их контроль. Рассмотрим принцип действия на примере контроля освещения и отопления.

В зависимости от выбранной технологии, свет может включаться при помощи датчиков освещенности, которые реагируют на снижение солнечной активности или в определенное время суток. Первый вариант используется в основном для уличного освещения, второй - для домашнего. Помимо этого, квартира дополнительно оборудуется датчиками присутствия, т. е., при нахождении хозяина в доме свет не горит во всех комнатах, а только в тех, где находится человек.

Аналогично работает и система отопления. Её контролирует термостат, который дополнительно подключен к микроконтроллеру. При снижении температуры на улице или при наступлении определенного времени года (большинство современных технологий позволяют установить даты на несколько лет вперед), включается система отопления. Её можно выключить вручную или перенастроить в зависимости от климатических особенностей года.

Конечно, проектирование умного дома не ограничивается монтажом датчиков света и температуры. Дополнительно могут устанавливаться сенсоры температуры и потока воды, охраны (на двери и окна) и даже некоторой домашней техники (например, это пылесос, телевизор, аудиоустановки и т. д.).

1.3 Элементы системы «умный дом»

Под термином «умный дом» обычно понимают интеграцию следующих систем в единую систему управления зданием:

a) Система управления.

· Управление с одного места аудио-, видеотехникой, домашним кинотеатром;

· Удалённое управление электроприборами, приводами механизмов и всеми системами автоматизации. Электронные бытовые приборы в умном доме могут быть объединены в домашнюю Universal Plug'n'Play -- сеть с возможностью выхода в сети общего пользования;

· Механизация здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней и т. п.).

b) Система отопления, вентиляции и кондиционирования.

Система отопления, вентиляции и кондиционирования обеспечивает регуляцию температуры, влажности и поступление свежего воздуха. Кроме этого, система экономит энергию за счет рационального использования температуры среды. Некоторые подсистемы:

· Управляемый через сеть кондиционер;

· Механизмы автоматического открытия/закрытия окон для поступления холодного или теплого воздуха в подходящее время суток.

c) Система освещения.

Система освещения контролирует уровень освещенности в помещении, в том числе для экономии электроэнергии за счет рационального использования естественного освещения. Некоторые подсистемы:

· Автоматика для включения/выключения света в заданное время суток;

· Датчики движения для включения света только тогда, когда в помещении кто-то находится;

· Автоматика для открытия/закрытия ставней, жалюзи, для регулировки прозрачности специальных оконных стекол.

d) Система электропитания здания.

Системы электропитания обеспечивают бесперебойное питание, в том числе за счет автоматического переключения на альтернативные источники электропитания. Некоторые подсистемы:

· Автоматический ввод резерва;

· Промышленные ИБП;

· Дизель-генераторы.

e) Система безопасности и мониторинга.

В систему безопасности и мониторинга входят следующие подсистемы:

· Система видеонаблюдения;

· Система контроля доступа в помещения;

· Охранно-пожарная сигнализация (в том числе контроль утечек газа);

· Телеметрия -- удалённое слежение за системами;

· Система защиты от протечек -- автоматическая блокировка водоснабжения при протечке и заливе помещения. Состоит из контролирующего устройства, специальных кранов и датчиков, детектирующих затопление;

· GSM-мониторинг -- удалённое информирование об инцидентах в доме (квартире, офисе, объекте) и управление системами дома через телефон. В некоторых системах при этом можно получать голосовые инструкции по планируемым управляющим воздействиям, а также голосовые отчёты по результатам выполнения действий;

· IP-мониторинг объекта - совокупность технологий, позволяющих производить сбор информации и выполнять наблюдение за объектом посредством использования IP протокола.

1.4 Протоколы обмена данными

Существует несколько платформ и протоколов, с помощью которых связываются подсистемы умного дома:

a) 1-Wire

1-Wire -- двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода -- один общий (GND), а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания).

Обычно используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими, как, например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды.

Устройство 1-Wire может находиться как на печатной плате вместе с устройством управления, так и отдельно. Иногда они предназначены лишь для поддержки устройств 1-Wire, но во многих коммерческих приложениях устройство 1-Wire -- просто один из чипов, создающих нужное решение. Иногда они присутствуют, например, в аккумуляторных батареях ноутбуков и сотовых телефонов.

Некоторые лабораторные системы и другие системы сбора данных и управляющие системы подключают к устройствам 1-Wire, используя шнуры с электрическим соединителем или с витой парой, с устройствами, установленными в разъём, включёнными в небольшую печатную плату, или присоединёнными к исследуемому объекту. В таких системах популярен разъём RJ11.

Системы датчиков и приводов могут быть связаны компонентами 1-Wire, каждый из которых включает в себя всё необходимое для функционирования шины 1-Wire. В качестве примера можно привести термометрию, таймеры, датчики напряжений и токов, контролирование батарей, и память. Они могут быть подключены к ПК с помощью последовательных интерфейсов USB, RS-232, или параллельного интерфейса (LPT).

b) X10

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

Стандарт X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics для управления домашними электроприборами.

Для связи модулей сети X10 используется обычная домашняя электрическая сеть. Закодированные цифровые данные передаются c помощью радиочастотного импульса вспышки частотой 120 кГц, длительностью 1мс и синхронизированы с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. За один переход через нуль передаётся один бит информации. Сами модули сети обычно просто вставляются в розетку, хотя существуют более сложные встраиваемые модули, например, заменяемые розетки, выключатели и пр.

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

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

· 4 бита -- код дома;

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

· 4 бита -- команда.

Во избежание путаницы и удобства пользователей код дома задаётся латинскими буквами от A до P, а код модуля -- цифрами от 1 до 16.

Когда сеть X10 установлена, каждый модуль настраивается таким образом, чтобы откликаться на один из 256 возможных адресов (16 кодов домов Ч 16 кодов модулей = 256). Каждый модуль реагирует только на команды, отправленные непосредственно ему и на несколько широковещательных команд.

Например, по сети может прийти сообщение вида: «модуль A3» а за ним команда «включиться» (turn on), что заставляет модуль A3 включить подсоединённое к нему устройство. Управление несколькими модулями осуществляется сообщением вида: «модуль A3», «модуль A15» и «модуль A4», а затем команда «включиться». Результат -- все вышеперечисленные модули должны включить подключённые к ним устройства.

Стоит отметить, что нет ограничения на использование более чем одного кода дома в случае перечисления, однако, широковещательные команды вида «включить весь свет» или «выключить все модули» влияет только на модули с одним кодом дома. Таким образом, коды домов могут быть использованы для разделения сети X10 на отдельные зоны.

Для обеспечения работы беспроводных пультов, переключателей и прочих устройств был разработан протокол использования радиоканала. Беспроводные устройства передают по радио пакеты данных, почти идентичные передаваемым по проводной сети. Для передачи используется частота 310 МГц в США и 433 МГц в Европе. Ресивер, подключённый к обычной электросети, транслирует полученные по радио команды в стандартную сеть X10.

c) KNX

KNX -- дорогостоящий вариант, пользующийся популярностью в Европе. Стандарт характеризуется обилием заложенных в него функций, а также сложностью проектирования и монтажа. В качестве среды для передачи данных протокол KNX может использовать шину (витую пару), электрическую сеть или радиоканал. Чаще всего применяется первый вариант, нередко необходимые провода прокладываются совместно с силовыми кабелями еще на этапе строительства. Стандарт предусматривает различные варианты топологии сети. Итоговая система обязана иметь собственный источник питания, но при этом в ней может отсутствовать центральный контроллер, т. е. KNX позволяет создавать децентрализованные решения, в которых сенсоры и исполнительные модули взаимодействуют напрямую. Протокол подходит для автоматизации крупных зданий, в одну сеть можно объединить до 58000 устройств.

d) Wi-Fi

Wi-Fi -- торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводное качество» или «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

Wi-Fi используется практически в каждом умном доме. Обычно этот стандарт связи применяется для того, чтобы связать смартфон или планшет с уже готовой автоматизированной системой. Мобильное устройство всегда под рукой, а потому управлять домом с его помощью, удобнее, чем использовать для этой цели компьютер, настенную сенсорную панель, пульт ДУ или интерпретатор речи. Особенно это актуально в тех случаях, когда для взаимодействия с системой предусмотрено специальное приложение, а не только веб-интерфейс.

Иногда Wi-Fi применяется для связи с устройствами, которые могут функционировать автономно, без помощи «умной» сети. Пример такого гаджета -- светодиодная Wi-Fi лампочка. В последнее время подобные устройства набирают популярность, ведь они позволяют приобщиться к технологиям умного дома, не тратя время и силы на установку вспомогательного оборудования.

e) ZigBee

ZigBee -- стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей, таких как, например, беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений -- профили приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации.

f) Z-Wave

Z-Wave -- это беспроводная радио технология с низким энергопотреблением, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд с малыми задержками (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обусловлен малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от загруженного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к мероприятиям, уменьшающим возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств -- Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth).

Z-Wave предназначен для создания недорогой и энергоэффективной потребительской электроники, в том числе устройств на батарейках, таких как пульты дистанционного управления, датчики дыма, температуры, влажности, движения и других датчиков безопасности.

По состоянию на 2014 год, Z-Wave поддерживается более чем 250 производителями по всему миру и покрывает широкий спектр потребительских и коммерческих продуктов в США, Европе и Азии. Нижние слои протокола, MAC и PHY, описываются ITU-Т G.9959 и полностью обратно совместимы. Радио чипы Z-Wave поставляются компаниями Sigma Designs и Mitsumi. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой. Совместимость подтверждается процессом сертификации Z-Wave или Z-Wave Plus.

В основе решения Z-Wave лежит ячеистая сеть (mesh сеть), в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя промежуточные соседние узлы. Mesh это самоорганизующаяся сеть с маршрутизацией, зависящей от внешних факторов -- например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия.

g) Insteon

Insteon пользуется большой популярностью в США, однако в Европу и Россию он пришел совсем недавно. Фактором, сдерживающим распространение, стала несовместимость изначальной версии протокола с нашими электросетями: как и X10, Insteon использует проводку здания для передачи сигналов. Однако, в отличие от устаревшего конкурента, новый стандарт также поддерживает связь по радиоканалу, причем проводная и беспроводная сеть функционируют одновременно, дополняя друг друга и существенно повышая надежность автоматизированной системы. Кроме того, у Insteon нет проблем с отзывчивостью, свойственных X10.

К плюсам Insteon также можно отнести ячеистую топологию сети и совместимость с устройствами X10: есть возможность постепенно перейти со старого стандарта на новый. Интересная особенность -- возможность организовать работоспособную сеть без использования центрального контроллера. Конечно, в этом случае функционал умного дома будет сильно ограничен, но сам факт радует.

С точки зрения проектирования, заморский гость схож с Z-Wave: все жестко стандартизировано, значительная часть оборудования выпускается под брендом Insteon самими создателями протокола -- фирмой Smartlabs. Систему для умного дома на основе нового стандарта можно собирать постепенно, докупая необходимые компоненты по ходу. В общем, Insteon хорош. К его минусам можно отнести разве что проблемы с доступностью нужного оборудования в России.

1.5 Передающие среды

Система «умный дом» предусматривает использование четырех сред передачи данных: отдельная шина (витая пара), электропроводка, радиоканал и IP-сеть. Нельзя сказать, что они равноправны: как правило, витая пара стоит во главе, а остальные варианты являются вспомогательными либо отсутствуют вовсе. Шинное соединение позволяет использовать различные варианты топологии сети и объединять большое количество устройств, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.

1.6 Пример практической реализации проекта «умный дом»

Пример практической реализации представлен на «Рисунок 1.1».



Рисунок 1.1 - Пример практической реализации проекта «умный дом»

умный дом программный управляющий

На «Рисунок 1.1» представленны следующие элементы:

a) Система защиты от протечек -- автоматическая блокировка водоснабжения при протечке и заливе помещения. Состоит из контролирующего устройства, специальных кранов и датчиков, определяющих затопление.

b) GSM-модуль -- удалённое информирование об инцидентах в доме и управление системами дома через телефон.

c) Защита от пожара -- система датчиков, реагирующих на появление в воздухе угарного газа. В случае возгорания, будет включена противопожарная система, прекращен доступ свежего воздуха, перекрыт газ, отключено электричество.

d) Защита от вторжения и охранная сигнализация -- комплекс систем и устройств, защищающих от проникновения на территорию посторонних лиц. При попытке проникновения через дверь или окно, срабатывают системы звукового и светового оповещения. На телефон владельца поступает оповещение, кроме того, параллельно происходит оповещение служб безопасности.

e) Управление освещением -- система, состоящая из различных датчиков и устройств, позволяющая регулировать яркость освещения, включение освещения при приближении и выключение света при уходе.

f) Отопление и кондиционирование -- позволяют сохранять в доме заданную температуру и изменять её в зависимости от владельца. Также обеспечивает дом свежим и чистым воздухом и сохраняет оптимальную влажность.

g) Управление шторами -- позволяет открывать и закрывать шторы автоматически в соответствии с уровнем уличной освещённости.

h) Управление питанием розеток -- позволяет управлять включенным в розетки электроприбором на расстоянии.



2. Практическая часть

2.1 Описание основных элементов прототипа «умного дома»

a) Raspberry Pi 3 Model B (представлена на «Рисунок 2.1»)

Рисунок 2.1 - Raspberry Pi 3 Model B

Raspberry Pi -- одноплатный компьютер, изначально разработанный как бюджетная система для обучения информатике, впоследствии получивший намного более широкое применение. За три года было продано более 4,5 миллионов устройств Raspberry Pi. Компьютер распространяется полностью собранным на четырёхслойной печатной плате. В стандартный комплект поставки входит только сама плата. Корпус, блок питания, флеш-карту необходимо заказывать отдельно.

Raspberry Pi выпускается в нескольких комплектациях: модель «A», модель «B», модель «B+», модель «2 B», «Zero» и «3B». Первые три версии оснащены ARM11 процессором Broadcom BCM2835 с тактовой частотой 700 МГц и модулем оперативной памяти на 256МБ/512МБ, размещенными непосредственно на процессоре. Модель «2 B» оснащается процессором с 4 ядрами Cortex-A7 с частотой 1ГГц и оперативной памятью размером 1ГБ. Модель «A» оснащается одним USB 2.0 портом, модель «B» двумя, а модели «B+» и «2 B» -- четырьмя. Также в моделях «B», «B+» и «2 B» присутствует порт Ethernet.

Вывод видеосигнала возможен через разъём RCA или через HDMI-интерфейс. Корневая файловая система, образ ядра и пользовательские файлы размещаются на карте памяти SD, MMC, microSD (только в модели «B+») или SDIO.

Одной из самых интересных особенностей Raspberry Pi является наличие портов GPIO. Благодаря этому компьютер можно использовать для управления различными устройствами. В модели «B» платы присутствует 26-пиновый, а в модели «B+» и «2 B» -- 40-пиновый разъем GPIO.

Raspberry Pi работает в основном на операционных системах, основанных на Linux ядре. Также возможна установка Windows 10 IOT. ARM11 основан на 6 версии ARM, который поддерживает не все версии Linux.

Официально поддерживаемые операционные системы:

· Raspbian -- бесплатная операционная система на основе Debian, оптимизированная для оборудования Raspberry Pi. рекомендуется для всех тех, кто только начинает знакомиться с Raspberry Pi;

· Pidora -- операционная система Fedora оптимизированная для Raspberry Pi. Fedora -- дистрибутив операционной системы GNU/Linux. Цель проекта Fedora -- построение целостной операционной системы из свободного программного обеспечения;

· OpenELEC -- медиапроигрыватель Kodi с открытым исходным кодом на базе Linux. Kodi -- бесплатный кроссплатформенный медиаплеер и программное обеспечение для организации персональго компьютера с использованием его в качестве домашнего кинотеатра с открытым исходным кодом;

· поддержка Windows 10 для Raspberry Pi 2B.

Для установки операционной системы используется образ операционной системы, который можно развернуть на SD-карту.

Технические характеристики Raspberry 3 Model B:

· 64-битный четырехядерный процессор ARMv8 с тактовой частотой 1,2 ГГц;

· Wi-Fi интерфейс 802.11n;

· Bluetooth 4.1;

· Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE).

· 1GB RAM;

· 4 USB порта;

· 40 входных/выходных выводов общего назначения (GPIO);

· HDMI порт;

· порт Ethernet;

· комбинированный разъем 3,5 мм для аудио и видео;

· последовательный интерфейс камеры (CSI);

· последовательный интерфейс дисплея (DSI);

· слот карты памяти microSD;

· графическое ядро VideoCore IV 3D.

b) Arduino Uno R3 (представлена на «Рисунок 2.2»)

Рисунок 2.2 - Arduino Uno R3

Arduino -- торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки 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.

Технические характеристики:

· Микроконтроллер: ATmega328

· Тактовая частота: 16 МГц

· Напряжение логических уровней: 5 В

· Входное напряжение питания: 7-12 В

· Портов ввода-вывода общего назначения: 20

· Максимальный ток с пина ввода-вывода: 40 мА

· Максимальный выходной ток пина 3.3V: 50 мА

· Максимальный выходной ток пина 5V: 800 мА

· Портов с поддержкой ШИМ: 6

· Портов, подключённых к АЦП: 6

· Разрядность АЦП: 10 бит

· Flash-память: 32 КБ

· EEPROM-память: 1 КБ

· Оперативная память: 2 КБ

· Габариты: 69Ч53 мм

Сердцем платформы Arduino Uno является 8-битный микроконтроллер семейства AVR - ATmega328P.

Микроконтроллер ATmega16U2 обеспечивает связь микроконтроллера ATmega328P с USB-портом компьютера. При подключении к ПК Arduino Uno определяется как виртуальный COM-порт. Прошивка микросхемы 16U2 использует стандартные драйвера USB-COM, поэтому установка внешних драйверов не требуется.

Пины питания: VIN - напряжение от внешнего источника питания (не связано с 5 В от USB или другим стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать внешнее питание, так и потреблять ток, если к устройству подключён внешний адаптер. 5V - на вывод поступает напряжение 5 В от стабилизатора платы. Данный стабилизатор обеспечивает питание микроконтроллера ATmega328. 3.3V - 3,3 В от стабилизатора платы. Максимальный ток вывода - 50 мА. GND - выводы земли. IOREF - вывод предоставляет платам расширения информацию о рабочем напряжении микроконтроллера. В зависимости от напряжения, плата расширения может переключиться на соответствующий источник питания либо задействовать преобразователи уровней, что позволит ей работать как с 5 В, так и с 3,3 В устройствами.

Порты ввода - вывода: цифровые входы/выходы: пины 0 - 13, логический уровень единицы - 5 В, нуля - 0 В. Максимальный ток выхода - 40 мА. К контактам подключены подтягивающие резисторы, которые по умолчанию выключены, но могут быть включены программно. ШИМ: пины 3,5,6,9,10 и 11, позволяют выводить 8-битные аналоговые значения в виде ШИМ-сигнала. АЦП: пины A0-A5, 6 аналоговых входов, каждый из которых может представить аналоговое напряжение в виде 10-битного числа (1024 значений). Разрядность АЦП - 10 бит. TWI/IІC: пины SDA и SCL, для общения с периферией по синхронному протоколу, через 2 провода. SPI: пины 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK), через эти пины осуществляется связь по интерфейсу SPI. UART: пины 0(RX) и 1(TX), эти выводы соединены с соответствующими выводами микроконтроллера ATmega16U2, выполняющей роль преобразователя USB-UART. Используется для коммуникации платы Arduino с компьютером или другими устройствами через класс Serial.

Светодиодная индикация: RX и TX, мигают при обмене данными между Arduino Uno и ПК. L - Светодиод вывода 13. При отправке значения HIGH светодиод включается, при отправке LOW выключается. ON - индикатор питания на плате.

Разъём USB Type-B предназначен для прошивки платформы Arduino Uno с помощью компьютера.

Разъём для подключения внешнего питания от 7 В до 12 В.

ICSP-разъём предназначен для внутрисхемного программирования микроконтроллера ATmega328P. С использованием библиотеки SPI данные выводы могут осуществлять связь с платами расширения по интерфейсу SPI. Линии SPI выведены на 6-контактный разъём, а также продублированы на цифровых пинах 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO) и 13(SCK).

c) Твердотельное реле SSR - 25DA (представлена на «Рисунок 2.3»)

Рисунок 2.3 - Твердотельное реле SSR - 25D

Твердотельное реле (ТТР)-- электронное устройство, являющееся типом реле без механических движущихся частей, служащее для включения и выключения высокомощностной цепи с помощью низких напряжений. ТТР содержит датчик, который реагирует на вход (управляющий сигнал) и твердотельную электронику, включающую высокомощностную цепь. Этот тип реле может использоваться в сетях постоянного и переменного тока.

Серийные твердотельные реле используют технологии полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и транзисторы, чтобы переключать токи до сотен ампер. ТТР имеют более высокую скорость переключения, чем электромеханические реле. Твердотельные реле менее приспособлены к выдерживанию кратковременных перегрузок, чем их электромеханические аналоги, и имеют чуть большее сопротивление в замкнутом состоянии.

Твердотельное реле SSR - 25DA - это однофазное реле DC-AC типа.

Технические характеристики:

· Номинальное управляющее напряжение - от 3 до 32 B постоянного тока;

· Напряжение включения/выключения - включение более 2,4 B / выключение менее 1 B;

· Ток срабатывания - 7,5 мА / 12 B;

· Номинальное напряжение нагрузки - от 24 до 380 B переменного тока;

· Падение напряжения 1,6 B / 25 °C;

· Время отклика на входной сигнал - менее 10 мс;

· Диапазон рабочих температур - от -20 до 80 °C;

· Номинальный ток нагрузки - 25 A.

d) Датчик температуры и влажности DHT11(представлен на «Рисунок 2.4»)

Рисунок 2.4 - Датчик температуры и влажности DHT11

Датчики DHT состоят из двух основных частей: ёмкостный датчик влажности и термистор. Также в корпусе установлен чип для преобразования аналогового сигнала в цифровой.

Технические характеристики:

· Питание - от 3 до 5 B;

· Максимально потребляемый ток - 2.5 мА при запросе данных;

· Рассчитан на измерение уровня влажности в диапазоне от 20% до 80%. При этом точность измерений находится в диапазоне 5%;

· Измеряет температуру в диапазоне от 0 до 50 градусов с точностью плюс-минус 2%;

2.2 Описание возможных проблем

a) Перегрев - одной из возможных проблем может быть перегрев компонентов, так как система должна всегда быть включенной. В большинстве случаев перегрев может произойти у процессора Raspberry из-за того, что идёт постоянный обмен данными с Arduino и сервером. Для решения этой проблемы существуют различные радиаторы, которые закрепляются на процессоре.

b) Хакерские атаки - злоумышленники могут подключится к серверу и начать управлять различными устройствами системы. Но для того чтобы это сделать надо быть подключенным к той же сети что и компьютер, на котором запущен сервер, а также иметь определенные файлы на устройстве для входа в веб-интерфейс.

2.3 Описание выполненных работ

При выполнении данного проекта были выполнены следующие работы:

a) Сборка схемы прототипа «Умный дом».

Прежде чем устанавливать компоненты на макете необходимо собрать схему (представлено на «Рисунок 2.5»).

Рисунок 2.5 - Схема проекта «Умный дом»

После следует установить компоненты в тех местах где наиболее удобно они будут располагаться (представлена на «Рисунок 2.6»).

Рисунок 2.6 - Макет умного дома в сборе



b) Соединение компонентов Умный дом.

Для соединения компонентов необходимо сделать общий минус и плюс чтобы облегчить работу и избежать лишних проводов.

Рассмотрим соединение датчика dht11 (представлена на «Рисунок 2.7»).

Общий плюс Общий минус Провод управления

Рисунок 2.7 - Соединение dht11

Другой датчик dht11 соединен таким же образом. Соединение лампочки накаливания происходит через твердотельное реле SSR-25 DA(представлена на «Рисунок 2.8»).

Рисунок 2.8 - Соединение лампочки накаливания и твердотельного реле SSR-25 DA

Подключение светодиодов показано на изображение (представлена на «Рисунок 2.9»). Также для уменьшения напряжения использовались резисторы.

Подключение вытяжки происходит через общий полюс и провод управления, показана на изображении (представлена на «Рисунок 2.9»).

Подключение вытяжки происходит через общий полюс и провод управления, показана на изображении (представлена на «Рисунок 2.9»).

Рисунок 2.9 - Соединение вытяжки



3. Экономическая часть

Для создания проекта «Умный дом» студентами ГПОУ «Сыктывкарского целлюлозно-бумажного техникума» были приобретены следующие компоненты, представленные в «Таблица 1».

Таблица 1 - Компоненты дипломного проекта

Наименование	Кол-во	Стоимость руб.
		За одну ед. измерения	За весь объём
Светодиод	5 шт.	2,5	15,5
Резистор	5 шт.	0,25	1
Arduino Uno r3	1 шт.	190	190
SSR-25 DA	1 шт.	176,80	176,80
Raspberry PI 3	1 шт.	2837,66	2837,66
DHT11	2 шт.	55,40	110,80
Лампочка 40ватт	1 шт.	26	26
Соединительные провода «мама-папа»	1 шт.	30	30
Соединительные провода «мама-мама»	1 шт.	30	30
Патрон для лампы	1 шт.	22	22
Эл. провода	1 метр	9	9
Итого:	3448.76

Данный проект был выполнен двумя студентами в течение 20 часов.

, (1)

где: - отработанные часы, чел/час;

- количество человек;

- время на сборку оборудования одним человеком, час.

(2)



Оплата труда на АО «Монди СЛПК» оператора ЭВМ 3 разряда составляет 36,99 рублей в час согласно штатному расписанию, районный коэффициент - 20%, процент северной надбавки - 50%.

, (3)

где: - заработная плата за сборку, руб;

- заработная плата в час, руб.час;

- районный коэффициент, северная надбавка.

(4)

, (5)

- себестоимость проекта, руб;

- цена деталей, руб.

(6)

Более простые аналоги «Умного дома» не имеют основных функций этого проекта, и их приблизительная цена составляет 3000 рублей.



4. Охрана труда

a) Общие требования безопасности

Требования безопасности до начала выполнения работ

Надеть исправную спецодежду, проверить исправность средств индивидуальной защиты.

Проверить наличие ключей от электрощитов, пультов управления, оперативной документации.

Проверить исправность инструментов, приспособлений, средств коллективной и индивидуальной защиты.

Для переноски инструмента используется специальная сумка или переносной ящик. Переноска инструмента в карманах запрещается.

Убедиться в достаточном освещении рабочего места, отсутствии электрического напряжения на ремонтируемом оборудовании.

Выполнение работ повышенной опасности производится по наряду-допуску после прохождения целевого инструктажа.

Удалить из зоны проведения работ посторонних лиц и освободить рабочее место от посторонних материалов и других предметов, огородить рабочую зону и установить знаки безопасности.

При обнаружении неисправности оборудования, инструмента, приспособлений, средств индивидуальной или коллективной защиты, рабочего места как перед началом работы, так и во время работы, сообщить руководителю и до устранения неполадок к работе не приступать. Пользоваться неисправными, с истекшим сроком испытания инструментами, приспособлениями, средствами индивидуальной или коллективной защиты запрещается.

Для выполнения совместной работы несколькими лицами должен назначаться старший работник, обеспечивающий согласованность действий и соблюдение требований безопасности.

Требования безопасности и охраны труда во время выполнения электриком работ

Заметив нарушение требований безопасности другим работником, не оставаться безучастным, а предупредить рабочего об опасности.

Не допускать на рабочее место лиц, не связанных с ремонтом, не отвлекаться разговорами, помнить об опасности поражения электрическим током.

При появлении нескольких неисправностей в электрооборудовании устранять неисправности в порядке очерёдности или по указанию руководителя, если это не влечёт опасности поражения персонала электрическим током или порчи оборудования.

Перед снятием электрооборудования для ремонта снять напряжение в сети не менее чем в двух местах, а также удалить предохранители. Приступать к снятию электрооборудования следует, убедившись в отсутствии напряжения, вывесив плакат «Не включать - работают люди!» на рубильник или ключ управления.

Разборку и сборку электрооборудования производить на верстаках, стеллажах, подставках, специальных рабочих столах или стендах, обеспечивающих их устойчивое положение.

Гаечные ключи применять по размеру гаек или болтов, не применять прокладки между ключом и гайкой, не наращивать ключи трубами и другими предметами.

Выпрессовку и запрессовку деталей производить с помощью специальных съёмников, прессов и других приспособлений, обеспечивающих безопасность при выполнении этой работы.

Обрабатываемую деталь надёжно закреплять в тисках или в другом приспособлении. При рубке, чеканке и других работах, при которых возможно отлетание частиц материала, пользоваться очками или маской.

Сварку и пайку производить в защитных очках, с включенной вентиляцией.

Перед испытанием электрооборудования после ремонта оно должно быть надёжно закреплено, заземлено (занулено), а вращающиеся и движущиеся части закрыты ограждениями.

При получении заявки на устранение неисправности записать в оперативном журнале:

· время поступления заявки;

· фамилию и должность лица, подавшего заявку;

· вид и место появления неисправности;

· выполнение технических мероприятий по отключению электропитания;

· время окончания работы по устранению неисправности и включения оборудования в работу.

Производить обходы и осмотр электрооборудования по утверждённому маршруту, обращая внимание на правильность режимов работы, состояние и исправность средств автоматики.

Шкафы, пульты управления должны быть надёжно закрыты. Результаты осмотров фиксируются в оперативном журнале.

При ремонте и техническом обслуживании электрооборудования, находящегося под напряжением, следует пользоваться средствами защиты (инструментом с изолированными ручками, диэлектрическими перчатками, указателем напряжения), которые должны быть исправны. На защитных средствах должен быть порядковый номер и дата его испытания. Инструмент переносить в закрытой сумке или ящике. Работа по ремонту и техническому обслуживанию электрооборудования, находящегося под напряжением, должна производиться двумя работниками, имеющими группу по электробезопасности не ниже III.

Перед пуском временно отключенного оборудования, осмотреть и убедиться в готовности к приёму напряжения и предупредить работающий персонал о предстоящем включении.

Во время работы постоянно поддерживать порядок на рабочем месте, не допускать его захламлённости и не загромождать посторонними предметами.

При замене плавких предохранителей под напряжением необходимо:

· отключить нагрузку;

· надеть защитные очки и диэлектрические перчатки, встать на диэлектрический коврик;

· пассатижами или специальным съёмником снять предохранители.

Применение некалиброванных плавких вставок не допускается. Вставки должны строго соответствовать типу предохранителя, на котором указан номинальный ток вставки.

При ремонте электроосветительной аппаратуры участок, на котором ведётся работа, должен быть обесточен. При замене ламп накаливания, люминесцентных или ртутных низкого и высокого давления, пользоваться защитными очками, соблюдать инструкцию по охране труда при работе на стремянках

Работы в действующих электроустановках производить по наряду-допуску или по распоряжению энергетика.

При отсутствии энергетика, электрик руководствуется в своей работе Перечнем работ, выполняемых самостоятельно при обслуживании и ремонте электрооборудования напряжением до 1000 В.

Отключение и включение электрооборудования производиться по заявке согласно списку лиц, имеющих право давать заявки на отключение и подключение электрооборудования, с обязательной записью в оперативном журнале.

При работе с применением этилового спирта для чистки рабочей поверхности следует помнить, что этиловый спирт - ЯД!

Хранить спирт необходимо в несгораемой посуде с плотно закрывающейся крышкой. Оставлять в открытой посуде после окончания работ или на ночь любое количество спирта запрещено.

При чистке рабочих поверхностей с применением бензина следует надеть дополнительно резиновые перчатки и помнить, что бензин взрывоопасен и токсичен.

Работы проводятся на рабочем месте, оборудованном принудительной вытяжной вентиляцией и поддоном. Во время работы не допускать разлива бензина и его попадания на кожу. При работе разрешается применять не более 0,5 литра бензина.

По окончании работы с бензином необходимо:

· оставшийся бензин слить в металлическую ёмкость с герметически закрывающийся пробкой;

· протереть на сухо поддон и инструмент;

· вымыть руки и лицо тёплой водой и мылом.



Заключение

Все задачи, поставленные в начале дипломной работы, были разобраны, а также практическая часть была описана и выполнена.

Таким образом можно разработать и собрать прототип системы «умного дома». Также был создан простой веб-интерфейс для управления различными устройствами и сбора данных с разнообразных датчиков.

В результате проведенного исследования были сделаны следующие выводы: готовые системы «умного дома» слабо распространены в России, самостоятельно собрать систему «умный дом» довольно просто и дёшево, существует множество способов дополнения и усовершенствования системы.

Существуют различные способы усовершенствования и дополнения данного прототипа для его установки в квартире или же в целом доме, например, установка Wi-Fi модулей для избавления системы от проводов и различных кабелей, добавление в систему дополнительных устройств и датчиков.



Список источников и литературы

1. Электронный ресурс

2. Онлайн - конструктор «умного дома» [Электронный ресурс] // - Режим доступа: https://geektimes.ru/post/280300/ - (Дата обращения: 18.05.2017).

3. Онлайн конструктор веб-интерфейса для управления Raspberry Pi [Электронный ресурс] // - Режим доступа: https://geektimes.ru/post/280748/ - (Дата обращения: 19.05.2017).

4. Интерфейс для совместного использования Raspberry Pi и Arduino [Электронный ресурс] // - Режим доступа: https://geektimes.ru/post/282270/ - (Дата обращения: 20.05.2017).

5. Подключение датчика температуры и влажности DHT11 [Электронный ресурс] // - Режим доступа: http://edurobots.ru/2015/02/arduino-dlya-nachinayushhix-urok-9-podklyuchenie-datchika-temperatury-i-vlazhnosti-dht11-i-dht22/ - (Дата обращения: 20.05.2017).

6. Операционная система Raspbian Jessie [Электронный ресурс] // - Режим доступа: https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/ - (Дата обращения: 20.05.2017).

Размещено на Allbest.ru