Разработка комплекса решений организации умного дома при использовании интернета вещей

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФГБоу во «Пензенский государственный технологический университет»

Зареченский технологический институт - филиал

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Пензенский государственный технологический университет»

(Уровень СПО)

09.02.02 Компьютерные сети

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

на тему: Разработка комплекса решений организации умного дома при использовании интернета вещей

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ЗТИ.КР 23.03.00.00 ПЗ

Выполнил(ла): студент(ка) группы 20ИС2т

Дудинов В. А.

2024 г.

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение 1 Теоритическая часть 1.1 Анализ предметной области 1.2 Анализ объекта 1.3 Анализ существующих методов построения системы автоматического управления зданием 1.4 Анализ средств построения системы автоматического управления  зданием… 1.5 Анализ средств автоматического управления зданием 2 Практическая часть 2.1 Выбор оборудования 2.2 Выбор технологии 2.3 Создание логической схемы 2.4 Создание физической схемы 2.5.1 Описание программного обеспечения для работы с контроллером 2.5.2 Настройка программного обеспечения для работы с контроллером 2.5.3 Описание процесса установки и настройки оборудования 3 Экономическая часть 3.1 Расчет трудоемкости выполнения работ по построению локальной вычислительной сети 3.2 Расчет стоимости основных материалов и энергоресурсов 3.3 Расчет численности персонала и заработной платы по всем категориям работающих 3.4 Расчет стоимости основных фондов и амортизационных отчислений 3.5 Составление калькуляции себестоимости проекта 4 Охрана труда 4.1 Правила безопасного монтажа и эксплуатации электроприборов 4.2 Эргономика рабочего места пользователя ПК Заключение Список использованных источников

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

автоматический управление умный дом

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

Интернет вещей (IoT) - это сеть физических устройств, транспортных средств, бытовой техники и других предметов, оснащенных электроникой, программным обеспечением, датчиками, приводами и сетевым подключением, которые позволяют этим объектам подключаться друг к другу и обмениваться данными. Каждая вещь уникально идентифицируется через встроенную вычислительную систему, но способна взаимодействовать в рамках существующей инфраструктуры Интернета. Интернет вещей позволяет объектам восприниматься или быть контролируемыми удаленно в рамках существующей сетевой инфраструктуры, создавая возможности для более прямой интеграции физического мира в компьютерные системы, в результате повышая эффективность, точность и экономическую выгоду в дополнение к сокращению вмешательства человека.

«Умный дом» - это одно из приоритетных направлений развития Интернета вещей (IoT), в котором работает огромное количество компаний, предлагающих различные решения по созданию управляемой автоматизированной системы здания. Концепция «Умный дом» продолжает эволюционировать и получила широкое применение в домах Европы и США. Активное внедрение систем комплексной автоматизации зданий происходит и в России.

Предмет - система «Умный дом».

Объект - жилое помещение площадью 42 мІ.

Целью работы является проектирование системы управления зданием.

Основные задачи проектирования системы:

- анализ предметной области;

- анализ объекта;

- анализ существующих методов построения системы автоматического управления зданием;

- анализ средств построения системы автоматического управления зданием;

- произвести выбор наиболее подходящей аппаратной базы;

- произвести выбор программного обеспечения;

- разработка логической схемы системы автоматического управления зданием;

- разработка физической схемы системы автоматического управления зданием;

- произвести расчет стоимости проекта;

- рассмотреть правила техники безопасности при работе с электрооборудованием.

1. Теоретическая часть

1.1 Анализ предметной области

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.

Весь Интернет вещей можно разделить на промышленный и потребительский. Примером промышленного Интернета вещей является «умный город» - концепция объединения информационных и коммуникационных технологий и различных физических устройств, подключенных к сети Интернет для повышения эффективности обслуживания и удовлетворения нужд граждан.

Потребительский Интернет вещей представляют системы «умного дома». «Умный дом» - это система автоматизации и компьютеризации дома, включающая в себя контроль и автоматизацию освещения, отопления, вентиляцию, кондиционирование воздуха и безопасность, а также бытовую технику. Современные системы обычно состоят из переключателей и датчиков, подключенных к центральному контроллеру, из которого система управляется пользовательским интерфейсом, который взаимодействует либо с настенным терминалом, программным обеспечением для мобильных телефонов, планшетным компьютером или веб-интерфейсом.

«Умная вещь» - это электронное устройство, обладающее центральным процессором и имеющее выход в Интернет для коммуникации с другими устройствами.

К 2025 г. общее количество интеллектуальных приборов учета коммунальных ресурсов в России вырастет до 39 млн., через три года ими с высокой вероятностью будет оснащена каждая вторая квартира. Основной драйвер роста - потребность в энергоэффективности. Решающую роль играет и надежность электрических и коммунальных сетей, которую обеспечивают умные приборы учета электроэнергии, тепла, воды, газа. Кроме того, рост рынка будут поддерживать государственные инициативы по установке этих устройств. Сегодня общее количество умных счетчиков, установленных в квартирах и жилых домах России, составляет 5,7 млн единиц - более половины из них для учета электроэнергии. Свыше 98% от общего количества интеллектуальных счетчиков - индивидуальные приборы учета. Почти 75% от подключаемых систем приходится на новостройки.

К 2025 г. помимо интеллектуальных приборов учета, аналитики ожидают резкий рост количества умных колонок (с 3,5 млн до 10,5 млн.) и устройств умного дома (с 2,7 млн до 13,4 млн). Число «умных» колонок вырастет втрое, устройств умного дома - почти в пять раз.

На сегодняшний день в области «умных домов» и Интернета вещей нет стандартизации, так что все такие устройства работают на разных протоколах (проводных и беспроводных). Кроме того, каждый производитель, как правило, предлагает свою систему контроля для выпускаемых «умных вещей». В результате, у пользователя, желающего автоматизировать свое жилище, нет единого интерфейса взаимодействия со всеми «умными вещами» в рамках системы «умного дома».

Помимо этого, на данный момент существует огромное количество вещей, которые не могут быть включены в систему «умного дома» и быть управляемыми дистанционно, поскольку не обладают выходом в Интернет. Таким образом, на сегодняшний день не существует универсальной цифровой платформы «умного дома» с единым интерфейсом взаимодействия пользователя и его вещей и полной поддержкой концепции Интернета вещей как глобальной сети.

Согласно аналитикам компании МТС по стратегии IoT, около 25% всех IoT-устройств в России будут подключены через eSIM к концу 2025 г. В конце этого года доля составит всего 7%.

Условия для такого резкого роста создает целый ряд причин: технология eSIM ускоряет процесс подключения устройств для конечного пользователя, снижает затраты на логистику и обслуживание SIM-карт, а также упрощает тестирование IoT-устройств на производстве. Кроме того, обычная SIM-карта не позволяет загрузить новый абонентский профиль без замены физического носителя, с виртуальной картой все проще.

К тому же eSIM обходится дешевле физической карты и превосходит ее по надежности: устройство можно сделать полностью герметичным и не подверженным внешнему влиянию -- перепадам температур, вибрации и прочим факторам. Виртуальная карта может работать в стандартах 2G, 3G и 4G или в энергоэффективной сети NB-IoT.

Аналитики МТС прогнозируют, что большая часть устройств с eSIM придется на умные счетчики и автомобили. Также услуга будет востребована у производителей IoT оборудования: им необходимо тестировать устройства на производстве, а затем продавать в регионы России.

В настоящее время большой популярностью пользуются мобильные сервисы. Это связано с тем, что около 67% жителей планеты используют такие мобильные устройства, как смартфоны и планшеты. Популярность мобильных устройств обусловлена их доступностью, возможностью быть всегда под рукой и выполнять задачи, аналогичные тем, что осуществляются с помощью компьютера.

Сегодня самой продаваемой мобильной операционной системой является Android. Доля глобальных продаж устройств на базе этой платформы составляет 79,2% по данным на 2023 год. Популярность Android-устройств связана в первую очередь с ценовой доступностью.

1.2 Анализ объекта

Объектом автоматизации, который рассматривается в данной дипломном проекте, является квартира в многоэтажном доме. В здании уже имеются определённые инженерные системы, такие как:

- отопление;

- вентиляция;

- освещение;

- электроснабжение.

Как видно из вышеперечисленного, все самое необходимое для условий быта есть. Это обычные «радости жизни». Существующая в квартире система освещения не автоматизированная, выполнена на основе светодиодных ламп, и традиционных выключателях света. Отопление класическое, без функций климат-контроля. Вентиляция существует как пассивная система без возможной регулировки и толком не несет основных функций. Освещение выполняет лишь 2 функции - включение и выключение без создания какого-либо комфорта особенно по утрам. Поэтому и встал вопрос о создании «умного дома».

Автоматика должна:

- управлять работой функциональных элементов;

- включать и выключать приводы электромоторов;

- осуществлять слежение за оборудованием;

- формировать аварийные сигналы: контроль вентиляции, контроль отопления, контроль освещения и т.д.

Автоматика позволяет исключить человеческий фактор. Не редко бывает так, что человек по определенным причинам забыл выключить газовую плитку или воду в ванной. Это неминуемо проводило бы к нежелательным последствиям. Автоматика же не даст развития подобным ситуациям и вовремя примет соответствующие действия.

Когда определены основные объекты автоматизации, проводится тщательный анализ всего инженерного оборудование и определяется необходимое количество точек входа-выхода для управления системой. В данном случае будут необходимы модули как с дискретными входами-выходами так и с аналоговыми.

Основными задачами проектирования системы управления модулями «Умный дом» является:

- объединение систем «Умного дома» организации в одну автоматизированную систему;

- предоставление пользователю системы возможности конфигурирования различных сценариев работы системы;

- предоставления пользователю возможностей управления системой мониторинга информации, поступающей от различных компонентов этой системы;

Основные потребности пользователей:

Освещение и электросеть. Самый востребованный блок среди пользователей. Помимо использования органов управления освещением, основная и принципиальная особенность данного блока состоит в переходе от управления отдельными группами освещения к оперированию уровнями освещённости в различных помещениях домах или сценариями освещённости. Для каждого помещения дома чаще всего достаточно трёх уровней освещённости: минимальный, средний, максимальный, а так же функции выключения.

Климат-контроль. Раньше пользователю, чтобы получить нужную температуру в помещении, необходимо было использовать множество органов управления, а при смене погодных условий, пользователь в ручном режиме настраивал работу всех систем, чтобы добиться желаемых параметров климата внутри дома. Иногда такие действия пользователю приходилось проделывать ежедневно, а иногда и пару раз в сутки. При использовании блока климат-контроля владелец дома один раз выставляет 8 желаемые параметры микроклимата в помещениях, и после этого система управления сама следит за работой всех инженерных подсистем, отдавая приоритет тому оборудованию, чья работа в данный момент более выгодна пользователю.

Электроприводы. Данный раздел существует с целью управления воротами, жалюзи, маркизами и другим оборудованием.

1.3 Анализ методов построения системы автоматического управления зданием

Существуют две архитектуры управления системой «Умный дом», централизованная и децентрализованная.

Централизованная система состоит из программируемого центрального контроллера, к которому подключаются модули.

Преимущества централизованных систем:

- в централизованной системе есть возможность строить сложные программы управления, завязанные на времени, температуре и состоянии пользователя (центральный контролер обладает достаточной производительностью и обладает информацией о подключённых к нему модулям, что позволяет управлять всей системой в едином интерфейсе);

- централизованные системы обладают большей скоростью обработки информации, так как сбором информации с модулей центральный контроллер занимается, не прибегая к модульной обработке;

- модули используемые в таких системах компактны, дешевы и имеют простую техническую реализацию, что дает подключить к контроллеру практически любое оборудование.

Недостатки централизованных систем:

- высокая цена центрального контроллера;

- ненадежность. При выходе из строя центрального контроллера, вся система перестанет функционировать;

- человеческий фактор. Если с программистом что производил наладку и программирование центрального утерян контакт, то в случае необходимости перепрограммирования придется заново писать всю программу.

В системе управления работой «умного дома» на контроллер возлагается функции по управлению, коммуникации и настройке внешних устройств (датчики, исполнительные механизмы, регуляторы и т.д.) При этом он является одним из наиболее важных компонентов в цепи обмена данными между полевым оборудованием (датчиками и исполнительными механизмами) и средствами автоматизированной системы управления технологическим процессом (далее - АСУТП) верхнего уровня (диспетчерским пунктом).

Современный рынок средств автоматизации предлагает широкий спектр аппаратных и программных устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Очень трудно правильно сориентироваться в море контроллеров, промышленных компьютеров, пакетов ПО, чтобы выбрать оптимальное по производительности оборудование и сохранить при этом одного поставщика технических средств и единую среду разработки ПО.

В настоящее время на рынке автоматизации представлен достаточно большой набор программируемых логических контроллеров (далее - ПЛК). Все они имеют различные технические и эксплуатационные характеристики. Среди известных фирм производителей можно выделить такие, как: Advantech, Siemens, Honeywell, Beckhoff и т.д.

Децентрализованная система «управления умным домом» - устройства не зависят друг от друга так как каждый модуль несет в себе микропроцессор с энергонезависимой памятью. Данная архитектура строит системы на шине.

Достоинства децентрализованных систем:

- надежность. Из-за отсутствия центрального контроллера, выход из строя одного или нескольких модулей, существенно не повлияет на работу системы в целом, из чего следует, децентрализованная система обладают повышенной надежностью;

- децентрализованные системы просты в расширении. На имеющуюся шину легко добавляются новые модули, поддерживающие протокол передачи данных используемой шины.

Недостатки децентрализованных систем:

- датчики, имеют собственные контроллеры обработки данных, из-за чего имеют высокую стоимость, а так же становятся технически сложными;

- скорость работы системы ниже из-за обработки данных в разных модулях.

1.4 Анализ средств построения системы автоматического управления зданием

На сегодняшний день насчитывается более трех сотен разных протоколов передачи данных в системах автоматики. Все они должны соответствовать определённым требованиям.

Выбор протоколов для системы «умный дом» во многом зависит от свойств технологического процесса, имеющегося инженерного оборудования, которое является объектом автоматизации и типа применяемых ПЛК.

В системах автоматизации ошибка в передаваемых от контроллера или к нему данных означает сбой исполнительного механизма. Стоимость такой ошибки может быть очень велика. Поэтому краеугольными требованиями, предъявляемыми к протоколу передачи данных, является надежность протокола, его устойчивость к ошибкам и возможным обрывам линии.

Системы контроля и управления зданий подвергаются расширению несколько раз в течение жизненного цикла. Как правило, если предприятие осваивает новую продукцию или расширяет производство, существующие датчики либо заменяются, либо дополняются более точными. При этом, протягивая линии связи к новым контроллерам или интеллектуальным адресным датчикам, зачастую приходится сталкиваться с жесткими требованиями топологии используемого протокола. Поэтому в данном случае, идеальным будет протокол, имеющий минимальные требования к топологии линий. Такой протокол принято называть протоколом со свободной топологией. Эти процедуры должны быть определены недвусмысленно, ясно и четко и быть безошибочно реализованы так, чтобы всевозможные узлы и контроллеры могли взаимодействовать между собой.

Основными доступными сейчас и в будущем вариантами протоколов являются:

- решения, основанные на CAN, такие как CAN автоматизация;

- J1850 и SDS;

- шины простых сенсоров Seriplex и Bitbus;

- технология LonWorks;

- промышленная шина EtherCat.

Естественно существуют и другие схемы, предназначенные для решения специфических задач. Компании, разработчики протоколов, не предполагали продавать их третьим организациям, а планировали использовать их в своей работе.

Основные решения при проектировании систем автоматизации здания:

EtherCAT.

Промышленная шина EtherCAT разработана немецкой фирмой Beckhoff. EtherCAT - это Ethernet-решение для автоматизации, которое отличается высокой производительностью и простотой использования. С помощью EtherCAT можно дополнить Ethernet-топологию типа «звезда» простой линейной структурой.

С позиции Ethernet шина EtherCAT является ни чем иным, как самостоятельным большим пользователем Ethernet. Этот «пользователь» принимает и посылает Ethernet-пакеты. Но внутри «пользователя» нет никакого Ethernet-контроллера с подсоединенным процессором. Вместо этого там находится множество подчиненных EtherCAT компонентов системы. Они обрабатывают поступающий поток пакетов и вынимают из них необходимые данные или, говоря другими словами, они обрабатывают и передают пакет дальше следующему подчиненному компоненту EtherCAT. Достоинством шины EtherCAT является короткое время цикла и высокая скорость осуществления передачи. EtherCAT может раз в 30 мс опрашивать 1000 устройств ввода-вывода с любым цифровым распределением, при этом считывая и записывая с полным дублированием. Для передачи 200 аналоговых значений необходимо 50 мс. EtherCAT поддерживает почти любую сетевую топологию. При использовании кабеля UTP максимальное расстояние между двумя пользователями может достигать 100 м. Количество узлов в сети практически неограниченно, так как их число может доходить до 65535.

С точки зрения аппаратного обеспечения технология EtherCAT находит применение в модулях ввода-вывода. В отличие от контроллеров ввода-вывода, у которых отличается внешний и внутренний протокол обмена, протокол EtherCAT полностью сохраняется вплоть до отдельного модуля ввода-вывода.

X-10.

Следующий протокол передачи для управления системами «умного дома» - это протокол X-10. Торговая марка Х-10 принадлежит американской корпорации, расположенной в Сиэтле. За годы существования технологии (с 1978 года) продано уже более 100 миллионов устройств. И популярность систем Х-10 продолжает нарастать. Это протокол передачи управляющих сигналов по проводам силовой сети (220В, 50Гц) внутри дома. Формат кода был впервые представлен в 1978 для Sears Home Control System and the Radio Shack Plug 'n Power System. С тех пор многие компании, включая такие как Leviton Manufacturing Co., General Electric, C & K Systems, Schlage Lock Co., Stanley and Heath/Zenith Co развили и воспроизвели стандарт X-10 в своих изделиях, предназначенных для систем управления домом. Система Х-10 получила широкое распространение во многих развитых странах.

Большое преимущество Х-10 состоит в том, что любой модуль начинает работать сразу после установки. Потребности, вкусы и интересы обитателей любого дома со временем меняются. Технология X-10 позволяет создавать системы управления домом, которые несложно перестраивать и развивать в соответствии с меняющимися запросами

Несмотря на то, что у X10 существует множество конкурентов и она имеет свои недостатки, на сегодня это едва ли не самая популярная технология автоматизации домов и квартир. Поскольку для внедрения и возможной последующей модернизации практически не требует прокладки дополнительных сетевых проводов. При переезде на новое место жительства систему можно забрать с собой.

Open Remote.

Проект с открытым исходным кодом, которая позволяет управлять компонентами «Умного дома», обладая при этом минимальными навыками программирования. Данная система позволяет создавать мобильное приложение для управления компонентами «Умного дома» без программирования, используя различные технологии (Z-Wave, KNX, ZigBee и др.). Развернуть ее можно на любой платформе. Основная цель проекта заключается в разработке программных инструментов интеграции компонентов «Умного дома» и развитие интернета вещей. На данный момент он поддерживает множество серийно выпускаемых продуктов. Доступно это программное обеспечение в базовой конфигурации - бесплатной для пользователей, и с расширенной функциональностью - платной. Open Remote проект состоит из двух основных частей: сервера и облачного конструктора интерфейсов. Контролирующая часть Open Remote - это сервер, получающий команды от мобильного или web-приложения и передающий их дальше к другому приложению или контроллеру, например Z-Way серверу.

СТРИЖ.

Данная система является российской разработкой компаний «СТРИЖ Телематика», которая работает на базе собственного протокола связи Marcato 2.0, основанного на принципе сверхузкополосной передачи данных (UNB). На сегодня система используется в основном отраслях ЖКХ, сельском хозяйстве, электроэнергетике и «Умных» городах. В системе используется собственные модемы и устройства, информация от которых собирается и обрабатывается серверным оборудованием компании. Беспроводная сеть обеспечивает 100% покрытие Москвы и частичное покрытие московской области, Санкт-Петербурга и других городов. В ближайшее время планируется обеспечить полное покрытие сетью городов миллионников. Принцип работы для передачи данных в сети «СТРИЖ» связи с сотовыми сетями: датчики, счетчики и другие устройства, подключенные к модемам, транслируют сигналы через базовую станцию в интернет. После чего на серверах компании происходит сбор и обработка поступающей информации и предоставление ее в удобном виде для пользователя в веб интерфейсе.

MyHOME.

Решение домашней автоматизации от группы Legrand, которое позволяет реализовать следующие функции:

- управление сценариями;

- звуковая и видео трансляция;

- техническая сигнализация;

- охранная и домовая сигнализация;

- контроль потребления воды, газа и электроэнергии;

- удаленный контроль и управление;

- централизованное управление всеми функциями с помощью мультимедийной панели.

Система MyHOME достаточно распространена в мире статистике компании более 12 миллионов устройств установлено в жилом секторе и в коммерческих объектах. Система работает с двумя технологиями связи устройств здания: шинная по протоколам BUS/SCS, KNX и беспроводная ZigBee.

Дома с Алисой.

Приложение для управления системой «Умный дом» при помощи мобильных телефонов разработанное компанией «Яндекс». Поддерживает интеграцию различных устройств, как от компании «Яндекс», так и от сторонних производителей. Есть возможность использовать голосовое управление всей системой «Умный дом», использовать программируемые сценарии. Работает по беспроводной технологии, устройства подключенные к модемам, транслируют сигналы через контроллер в интернет. После чего на серверах компании происходит сбор и обработка поступающей информации, управление устройствами и предоставление ее в удобном виде для пользователя в веб интерфейсе.

1.5 Анализ средств автоматического управления зданием

Z-wave.

Z-wave, технология беспроводной передачи данных, разработанная для обеспечения максимального комфорта жильцов. В основе технологии лежит ячеистая топология, в которой каждый узел является приемником и передатчиком, из чего следует, что при возникновении препятствия сигнал перенаправится через соседние узлы сети, находящиеся в радиусе действия. Большим преимуществом перед остальными системами является малое энергопотребление, что так же благодаря малым размерам, позволяет встраивать Z-wave в различные приборы бытового использования. Пример оборудования с Z-ware модулями - рисунок 1.

Рисунок 1 - Z-ware оборудование

Fibarо.

Данная система автоматизации зданий основана на беспроводной технологии Z-Wave. В качестве цента управления «Умного дома» используется оборудование Home Center 2, который предоставляют возможность взаимодействия пользователя со своими устройствами. Fibarо обладает широким набором поддерживаемого оборудования, что позволяет реализовать проекты освещения, безопасности, мультимедиа для «Умного дома». Веб-платформа в свою обладает хорошей гибкостью, где можно настроить интерфейс системы под нужды пользователя. MajorDoMo (Major Domestic Module) - открытая программная платформа для комплексного управления домашней автоматики, является бесплатной для личного или коммерческого использования. Данный проект построен на веб технологиях, используя PHP, JS, HTML5, содержит расширенный анализ состояния и самодиагностику. Настройка и добавления устройств реализуется с помощью программирования на PHP и/или с визуальной среды Blockly. Изображение демонстрационного чемодана Fibaro - рисунок 2.

Рисунок 2 - Демонстрационный чемодан Fibaro

LanDriver.

LanDriver - это универсальная система «умный дом» для управления всеми электронными устройствами здания. Система LanDriver является централизованной, она состоит из центрального контроллера и модулей, подключенных между собой шиной. К модулям подключается подконтрольное оборудование. В данной системе необходимо программирование только главного контроллера. Контроллер LanDriver модели SPIDER2 - рисунок 3.

Рисунок 3 - Контроллер для умного дома LanDrive SPIDER2

AMX 11.

AMX 11 - программно-аппаратные средства удаленного управления, системой видеонаблюдения, медиа системой а так же широким спектром датчиков. Изначально применялась собственная шина передачи данных, но в обновленой оборудования применяются стандартные протоколы Ethernet и Wi-Fi. Схема умного дома с использованием контроллера АМХ 11 - рисунок 4.

Рисунок 4 - Система на контролере для умного дома AMX 11

NetPing.

NetPing семейство устройств, разработанные отечественной компанией «Alentis Electronics» для мониторинга окружающей среды. Применяется для удаленного контроля и мониторинга устройств в доме и офисе. NetPing выполняет следующие функции:

- управление электропитанием;

- контроль системы безопасности и отслеживание чрезвычайных происшествий;

- управление микроклиматом;

- дистанционное изменение настроек при различных условиях;

- отправка системных уведомлений посредством SMS и через электронную почту;

- доступ к системе в реальном времени через HTTP или SNMP;

- управление бытовыми приборами по расписанию.

Контроллер NetPing - рисунок 5.

Рисунок 5 - Контроллер для умного дома марки NetPing

Яндекс.Станция 2.

Семейство устройств, разработанные отечественной компанией «Яндекс», применяется для контроля и мониторинга устройств. Используются стандартные протоколы Zigbee и Wi-Fi для управления всеми электронными устройствами здания. Система является централизованной, она состоит из центрального контроллера и модулей, подключенных между собой. К модулям подключается подконтрольное оборудование. В данной системе программирование не требуется, только подключение устройств в мобильное приложение «Дома с Алисой».

Выполняет следующие функции:

- голосовой ввод;

- управление электропитанием;

- управление микроклиматом;

- дистанционное изменение настроек при различных условиях;

- отправка системных уведомлений посредством уведомления в приложении;

- доступ к системе в реальном времени через приложение;

- управление бытовыми приборами по расписанию.

Умная колонка Яндекс.Станция 2 - рисунок 6.

Рисунок 6 - Яндекс.Станция 2

2. Проектная часть

2.1 Выбор оборудования

В качестве центрального контроллера была выбрана Яндекс.Станция 2, потому что это недорогая платформа с собственной экосистемой, удобным программным обеспечением, и поддержкой голосового ввода для удобного управления.

Платформа Яндекс.Станция 2 способна считывать входные данные в виде информации, которую передают ей датчики и устройства системы «Умного дома». Подключается все при помощи беспроводных технологий, например Wi-Fi. Платформа предназначена для подключения и управления электронными устройствами, работающими по задаваемому алгоритму с возможностью реагировать на внешние сигналы. Технические характеристики указаны в Таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики

Напряжение питания	100-240 В
Номинальная частота	50-60 Гц
Максимальный ток	900 мА
Wi-Fi	IEEE 802.11b/g/n/ac (2,4 и 5 ГГц)
Bluetooth	5.0/BLE
Zigbee	3.0
Глубина	99 мм
Высота	199 мм
Ширина	123 мм
Вес	1,5 кг

Способ получения данных из Яндекс.Станции 2 состоит из подключения данного устройства через Wi-Fi к мобильному телефону. Данная платформа может работать независимо от мобильного телефона при наличии источника питания и канала связи.

Адаптер питания идущий в комплекте с классом защиты 2 - предназначено для зарядки.

Размер устройства 123х99х199мм. Подключение к зарядке через стандартный разъём USB type.

Устройство изображено на рисунке 6.

Другие устройства, которые будут использоваться в системе «Умного дома»:

- умная светодиодная лампа AQARA ZNLDP12LM 4 шт. - ориентирована на установку в множество осветительных приборов, располагающих цоколем Е27. Даже при длительном функционировании эта лампа не спровоцирует появление эффекта красных глаз и не вызовет ощущений дискомфорта, лампа изображена на рисунке 7;

Рисунок 7 - умная светодиодная лампа AQARA ZNLDP12LM

- умный выключатель AQARA WXKG11LM 4 шт. - создана специально для более удобного управления умным домом. Ее компактный корпус из высококачественного пластика можно закреплять в любом месте квартиры или дома с помощью клеящегося стикера. Кнопка синхронизируется с главным управляющим устройством к которому подключены умные выключатели и датчики. Сигнал передается по беспроводной технологии ZigBee, что позволяет исключить лишние провода в квартире. Кнопка управления AQARA WXKG11LM может быть запрограммирована на три типа нажатий: однократное, двукратное и долгое нажатие. Каждое нажатие будет выполнять определенную функцию. Например, нажав на кнопку один раз, вы сможете включить или выключить свет. А нажав и удерживая кнопку, можно убавить яркость лампочки. Поддерживается дистанционное управление кнопкой через приложение на смартфоне. Туда же поступают все необходимые уведомления. В кнопке установлена батарейка типа CR2032, заряда которой вполне хватает на поддержание эффективной работы устройства в течение 2 лет, выключатель изображен на рисунке 8;

Рисунок 8 - умный выключатель AQARA WXKG11LM

- датчик открытия дверей AQARA MCCQ11LM 1 шт. - может использоваться для контроля доступа дома или в офисе. Его допустимо устанавливать на дверь, окно и сейф. Функционировать устройство может как автономно, так и в составе системы «умный дом» по протоколу Zigbee. Интегрироваться с последней модель может беспроводным методом. За счет подключения к Wi-Fi отправляет уведомления пользователю на смартфон, а также при попытке несанкционированного проникновения сработают звуковая и световая сигнализации. Использовать устройство можно при температуре от -10 до +50 єС. К месту крепления датчик открытия AQARA MCCGQ11LM фиксируется за счет специального стикера. Питание модель получает от батареи CR2032, емкости которой хватает примерно на 2 года работы, датчик изображен на рисунке 9;

Рисунок 9 - датчик открытия дверей AQARA MCCQ11LM

- датчик движения AQARA RTCGQ11LM 4 шт. - располагает прочной подставкой в основании, которая станет гарантом его устойчивого положения на любой поверхности. Таким образом, пользователю не потребуется осуществлять монтаж данного устройства. Его главное достоинство заключается в способности выполнять различные сценарии - к примеру, включать основное или дополнительное освещение при движении объектов. Выполненный из прочного пластика корпус AQARA RTCGQ11LM способен стойко противостоять даже наиболее агрессивным механическим воздействиям, не подвергаясь появлению повреждений. Вы сможете осуществлять управление данным аксессуаром из любого места - достаточно лишь воспользоваться соответствующим приложением. Непрерывное функционирование датчика производится посредством батарейки типа CR2450, датчик изображен на рисунке 9;

Рисунок 9 - датчик движения AQARA RTCGQ11LM

- Яндекс станция мини 1 шт. - умная колонка без часов представлена в сером цвете. Ее высота составляет 54 мм, ширина - 97 мм, поэтому разместить ее будет удобно в любом интерьере. Устройство интегрируется в систему «Умного Дома»: с его помощью можно управлять электроприборами дистанционно через приложение «Дом с Алисой», устройство изображено на рисунке 10;

Рисунок 10 - Яндекс станция мини

- Яндекс пульт 1 шт. - интеллектуальный контроль над техникой в доме. Он адаптируется к любым устройствам с инфракрасным портом - больше не нужно искать потерявшийся пульт от бытовой техники. YNDX-0006 поддерживает голосовой помощник «Алиса», с ним вы можете переключать каналы на телевизоре, включать вытяжку при готовке, регулировать температуру кондиционера и выполнять другие команды.

Пульт управления Яндекс YNDX-0006 способен работать с 301 устройством одновременно. Он весит всего 100 г, а его диаметр составляет 65 мм. Устройство занимает мало места и вписывается в любой интерьер. Яндекс YNDX-0006 работает в пределах 18 м и позволяет управлять техникой через приложение, когда вы не находитесь дома, пульт изображен на рисунке 11;

Рисунок 11 - Яндекс пульт

- робот пылесос XIAOMI MOP 1 шт. - интеллектуальный помощник для повседневной уборки. Он предусматривает сухую (в пылесборник) и влажную уборку (мягкая насадка из микрофибры) жилого помещения. Данная модель оснащена 4 режимами работы, включая бесшумный режим. Конструкция с центральной насадкой-щеткой и 2-мя боковыми вращающимися щетками гарантирует эффективный сбор пыли и мусора с напольных покрытий. Система на основе датчиков позволяет пылесосу легко перемещаться по дому, объезжая препятствия на своем пути. С помощью фирменного мобильного приложения можно удаленно управлять функционалом пылесоса, указывать необходимые зоны уборки и выполнять настройку различных параметров. Аккумуляторная батарея емкостью 2500 мА*ч гарантирует до 2.5 часов работы прибора в непрерывном режиме. В случае низкого уровня заряда Xiaomi Mi Robot Vacuum-Mop Essential самостоятельно возвращается на док-станцию, которая поставляется в комплекте. Устройство обладает автоматической регулировки мощности всасывания при уборке на разных поверхностях, пылесос изображен на рисунке 12;

Рисунок 12 - робот пылесос XIAOMI MOP

- датчик температуры Яндекс YNDX-00523 2 шт. - устройство контролирует показатели температуры и влажности, при необходимости включает интегрированную в экосистему климатическую технику. Подключение к умному дому происходит беспроводным способом, что позволит разместить датчик где угодно. В мобильном приложении можно создавать различные сценарии использования устройства. Объедините датчик с кондиционером и увлажнителем, чтобы автоматически запускать их, когда в комнате становится слишком жарко или сухо. Модель Яндекс YNDX-00523 можно подключить к Яндекс-станции с поддержкой протокола ZigBee, датчик изображен на рисунке 13;

Рисунок 13 - датчик температуры Яндекс YNDX-00523

- кондиционер настенный сплит-система TCL TAC-07CHSA/TPG-W 1 шт. - поддерживает возможность управления через ИК-порт, кондиционер изображен на рисунке 14;

Рисунок 14 - кондиционер настенный сплит-система TCL TAC-07CHSA/TPG-W

- вытяжка для ванной Ballu BAF-FW 100 1 шт. - бытовые вытяжные вентиляторы Ballu используются для создания искусственной тяги в небольших помещениях: кухнях, ванных, туалетных комнатах, имеется возможность управления при помощи технологии ZigBee, вытяжка изображена на рисунке 15;

Рисунок 15 - вытяжка для ванной Ballu BAF-FW 100

- светодиодная лента 1 шт. - управляется при помощи ИК-порта, лента изображена на рисунке 16;

Рисунок 16 - светодиодная лента

- Wi-Fi роутер HUAWEI AX2 WS7001-22 - высокоскоростной беспроводной маршрутизатор, предназначенный для домов и небольших офисов. Соответствует стандарту 802.11b/g/n (2,4 ГГц, скорость беспроводной связи до 300 Мбит/с), 802.11a/n/ac/ax (5 ГГц, скорость беспроводной связи до 1201 Мбит/с), технология с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), обеспечивает 4 внешние антенны с высоким коэффициентом усиления. Это повышает производительность беспроводной связи, улучшает стабильность беспроводного сигнала, увеличивает дальность действия беспроводной сети, обеспечивает скорость сигнала до 1500 Мбит/с, роутер изображен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Wi-Fi роутер HUAWEI AX2 WS7001-22

2.2 Выбор технологии

Автоматизированные системы управления могут успешно внедряться в производство лишь при наличии надежного аппаратного оснащения и проработанного, отлаженного программного обеспечения.

Первое условие - внедрение аппаратной части - в большинстве случаев не вызывает особых затруднений ввиду широкого выбора и качества устройств для промышленной автоматизации. Основной проблемой при внедрении АСУ ТП может стать программное обеспечение. Задачи программирования контроллеров для систем автоматизации весьма специфичны, сложны, трудоемки и, естественно требуют для своего решения соответствующих инструментальных средств программирования. Использование универсальных языков программирования высокого уровня (С, Pascal, Fortran, Basic) и языков Ассемблера позволяют решать эти задачи, но требуют при этом обширных знаний теории и технологии программирования, особенностей конкретной операционной системы и тонкостей аппаратного обеспечения (контроллеров, модулей сопряжения и т.п.).

В качестве программной среды для Яндекс.Станции будет использоваться программа «Дома с Алисой», так как она отвечает всем требования:

- бесплатная;

- лёгкая настройка, установка и простота в использовании;

- возможность подключать различные устройства при помощи протокола Zigbee;

- нет необходимости программировать контроллер и устройства системы «Умный дом».

Для поставленных задач это самый удобный способ настроить контроллер, устройства и датчики системы.

2.3 Создание логической схемы

На разработанной мной логической схеме сети показаны все связи между пользователем и устройствами сети. Пользователь может управлять системой через мобильное приложение «Дома с Алисой», приложение отправляет пакеты с командами для устройств умного дома на центральный контроллер - Яндекс.Станция 2, контроллер отправляет пакеты на роутер, пакеты из роутера отправляются на сервера компании Яндекс, сервер обрабатывает запросы и высылает обратно результат работы. После получения ответа от сервера роутер отправляет его на центральный контроллер, который в свою очередь определяет какому из устройств отправить полученный пакет. В случае управления голосом пользователя, выполняются все предыдущие шаги, кроме приложения на мобильном телефоне. Управление устройствами без системы Zigbee, но имеющим управление через ИК-порт (светодиодная лента, вытяжка в ванной, кондиционер) реализовано при помощи Яндекс.Пульта с ИК-портом. Пультом может вручную управлять пользователь нажимая на кнопки, используя голос или приложение, так как пульт может принимать команды от центрального контроллера, конвертировать их в подходящий для устройства инфракрасный сигнал и отправлять его устройствам. Схема изображена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Логическая схема сети

2.4 Создание физической схемы

На данной физической схеме сети показана планировка квартиры с площадью 42 мІ в которой будет располагаться система «умного дома». В каждой комнате квартиры располагается умная лампа и умный выключатель. В ванной комнате находится вытяжка и датчик температуры. В коридоре также располагается датчик открытия двери. На кухне находится дублирующий контроллер, а в спальне - роутер, кондиционер, датчик температуры, центральный контроллер, робот-пылесос и светодиодная лента. Схема изображена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Физическая схема сети

2.5.1 Описание программного обеспечения для работы с контроллером

Для того, чтобы добавить устройство в среду управления «Дома с Алисой», нужно всего лишь раз подключить его через приложение производителя, потом его можно добавить в приложение Яндекса. При добавлении в приложение устройство назвать, как решит пользователь, сохранив изначальное название. Причем голосом будет реагировать на обе команды, к примеру «Алиса, включи свет» или «Алиса, включи лампу» будет воспринято в обоих случаях.

Управление устройствами происходит с задержкой, так как запрос отправляется на сервер, обрабатывается там, а потом возвращается назад - время отклика от команды до ее исполнения от 2х до 5 секунд, это немного, но задержка есть.

Особое внимание можно уделить сценариям. Можно создавать сценарии запускаемые по команде, например: «Алиса устрой вечеринку». Так же можно создавать более удобные сценарии с управлением по времени. В качестве примера можно запрограммировать уборку пылесосом по будням в 17:00, а в 22:00 до 7:00 ежедневно автоматически включается подсветка кровати в режиме ночника.

2.5.2 Настройка программного обеспечения для работы с контроллером

Сценарий подключения освещения комнат и датчиков движения/кнопок.

Умные выключатели освещения (для круглых подрозетников) подключены через ZigBee к «Дома с Алисой». Созданные мною сценарии в приложении позволили связать все это между собой. Например как на рисунке 20.

Рисунок 20 - Скриншоты сценариев подключения освещения комнат и датчиков

Сценарий управления кондиционером.

Для этого сценария используется Умный Пульт Яндекса - пользователь сделал запрос и Пульт Яндекса отправил ИК сигнал на кондиционер. Яндекс Пульт поддерживает множество производителей или можно самому обучить Яндекс Пульт. Управление возможно вручную, пользователь заходит в приложение «Дома с Алисой» и включаете кондиционер, или просто ручное управление через голос, если вы находитесь дома. Если же пользователь не использует ручное управление, то заработает готовый сценарий, изображенный на рисунке 21.

Рисунок 21 - Сценарий управления кондиционером

Сценарий автоматического включения света в ванной

Если время позже 21:00, то датчик движения в коридоре улавливает движение по пути и включает свет в ванной комнате, как показано на рисунке 22.

Рисунок 22 - Сценарий автоматического выключения света

Сценарий вытяжка в ванной

Сделана простая автоматизация через «Дома с Алисой».

Первый сценарий: Датчик климата фиксирует повышение влажности (выше 50%) - вентиляционная вытяжка включается - рисунок 23.

Второй сценарий: Если влажность станет ниже 43% - вентиляционная вытяжка отключится - рисунок 23.

Рисунок 23 - Вытяжка в ванной

Сценарий управление светодиодной лентой

Это только один из примеров, как можно использовать сценарии для автоматизации устройств с ИК портом. Запуск голосом или через приложение, настройка яркости/цвета, рисунок 24.

Рисунок 24 - Управление светодиодной лентой

Сценарий время 23:00 или 7:00

Данный сценарий помогает разговаривать с Яндекс.Станцией 2 спокойным голосом и не нужно каждую станцию отдельно настраивать на определенную тихую громкость. А ещё, в 23:00 звуковое уведомление даёт понять, что уже нельзя шуметь, а в 7:00 включает будильник, как показано на рисунке 25.

Рисунок 25 - Ночной сценарий

Сценарий управления пылесосом

Каждый день с 14:00 до 15:00 робот пылесос проводит уборку по всей площади квартиры, после этого встает на зарядку.

Сценарий уход из квартиры

Возле входной двери установлена умная кнопка. После её зажатия происходит сценарий: выключается всё освещение, выключается кондиционер, рисунке 26.

Рисунок 26 - Сценарий уход из квартиры

2.5.3 Описание процесса установки и настройки оборудования

Монтаж я начал с установки центрального контроллера и дублирующего контроллера. Для них не требуется никакой дополнительной проводки, только подключение к электропитанию через обычную розетку, а к сети «умного дома» они подключатся по беспроводной сети. Далее была проведена установка датчиков температуры, движения и открытия дверей, умных выключателей. Все эти устройства просто клеятся на любую поверхность за счет клейкого покрытия, питание получают от элементов питания расположенных внутри устройства. Светодиодная лента так же была наклеена, но для нее требуется питание из розетки. Умные лампочки вкручиваются в обычные патроны. Зарядная станция для робота-пылесоса располагается на полу, рядом с розеткой для питания. Вытяжка для ванной установлена в стандартные вентиляционные крепления на шурупы из комплекта. Кондиционер и роутер были установлены заранее. Все устройства подключаются к друг другу по беспроводным технологиям.

Настройку устройств я проводил с мобильного телефона. Для всех устройств, кроме кондиционера, светодиодной ленты и вытяжки в ванной, достаточно было найти их в своей сети в приложении «Дома с Алисой» и добавить в свои сценарии. Оставшиеся устройства управляются при помощи добавленного в сеть Яндекс.Пульта, который используется в сценариях, получает команды от контроллеров или пользователя, а после отправляет ИК сигнал на устройства без протокола Zigbee.

3. Экономическая часть

3.1 Расчет трудоемкости выполнения работ по построениюлокальной вычислительной сети

Минимальное и максимальное время работ рассчитывается по уровню квалификации специалиста, его знания в данной работе, а также сложности выполнения задачи.

Таблица 2 - Выполнение этапов работ по времени

Этапы работ	Минимальное время, (ч)	Максимальное время, (ч)	Время ожидаемое, (ч)
1. Определение и оценка требований заказчика на уровне проектирования сети	5	7	6
2. Разработка и выбор варианта реализации проекта	6	8	7
3. Анализ эффективности проекта	1	3	2
4. Разработка информационных потоков и центров хранения обработки данных	1	1	1
5.Реализация выбранной ИТ-инфраструктуры	3	5	4
6. Настройка и тестирование созданной информационной системы	7	9	8
7. Поддержка и сопровождение проекта в процессе эксплуатации	10	14	12
Итого	33	47	40

На разработку проекта требуется в среднем 40 рабочих часа (5 рабочих дней), при 8-ми часовом рабочем дне, при минимальном времени в 33 часа и максимальном 47 часов.

При сопровождении проекта на период технического обслуживания и сопровождения, время выполнения работ может быть неограниченно, либо возрастать в значительном количестве, так как может осуществляться его дополнение, обновление, устранение неполадок в работе.

3.2 Расчет стоимости основных материалов и энергоресурсов

При разработке проекта использовались следующие материалы, представленные в таблице 3.

Таблица 3 - Расчёт стоимости материалов

Материалы	Количество, ед.	Цена за 1 ед., руб.	Сумма затрат, руб.
1. Бумага «Снегурочка» А4	1	300,0	300,0
2. Флеш - накопитель	2	500,0	1000,0
3. Ручка	3	40,0	120,0
4. Карандаш	2	20,0	40,0
Итого	1 480,0

Для реализации проекта потребовалось закупить:

- сетевое оборудование, перечень и расчёт стоимости в таблице 4;

- расходы на содержание и эксплуатацию оборудования в таблице 5.

Таблица 4 - Расчёт стоимости сетевого оборудования

Наименование	Модель	Кол-во ед.	Стоимость, руб.	Общая ст-ть, руб.
1. Центральный контроллер	Яндекс.Станция 2	1	13 000,0	13 000,0
2. Умная лампа	AQARA ZNLDP12LM	4	999,0	3 996,0
Наименование	Модель	Кол-во ед.	Стоимость, руб.	Общая ст-ть, руб.
3. Умный выключатель	AQARA WXKG11LM	4	1 599,0	6 396,0
4. Датчик открытия двери	AQARA MCCQ11LM	1	1 499,0	1 499,0
5. Датчик движения	AQARA RTCGQ11LM	4	1 999,0	7 996,0
6. Дублирующий контроллер	Яндекс.Станция мини	1	7 199,0	7 199,0
7. Умный пульт	Яндекс.Пульт	1	1 499,0	1 499,0
8. Робот-пылесос	XIAOMI MOP	1	12 699,0	12 699,0
9. Датчик температуры	YNDX-00523	2	1 999,0	3 998,0
10. Кондиционер	TCL TAC-07CHSA/TPG-W	1	17 999,0	17 999,0
11. Светодиодная лента	TechHouse	1	999,0	999,0
12. Wi-Fi роутер	HUAWEI AX2 WS7001-22	1	3 499,0	3 499,0
13. Вытяжка для ванной комнаты	Ballu BAF-FW 100	1	947,0	947,0
Итого	82 266,0

Расход электроэнергии равен произведению мощности на продолжительность и на количество оборудования. Полученные данные вносим в таблицу 5.

Таблица 5 - Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

Наименование	Количество, шт.	Мощность, кВт	Продолжительность час / сутки	Расход, кВт/час
1. Центральный контроллер	1	0,36	24	8,64
2. Умная лампа	4	0,09	24	8,64
Наименование	Количество, шт.	Мощность, кВт	Продолжительность час / сутки	Расход, кВт/час
3. Дублирующий контроллер	1	0,36	24	8,64
4. Робот-пылесос	1	1	2	2
5. Кондиционер	1	1,5	2	3
6. Светодиодная лента	1	0,027	4	0, 108
7. Вытяжка для ванной комнаты	1	0,18	1	0,18
8. Wi-Fi роутер	1	0,15	24	3,6
Итого: (Ер)	34,808

Расчет электроэнергии на обеспечение питания проекта определяется по формуле:

Е = (Кс*Ер)/(Nдв*Nc)

Кс - коэффициент спроса, который учитывает одновременность работы всех устройств на участке равен 0,6;

Ер - расход электроэнергии на все устройства, кВт/ч;

Nдв - КПД блока питания устройства, равен 0,8;

Nc - КПД сети, равен 0,9.

Е = (0,6*34,808)/(0,8*0,9) = 29 (кВт/ч).