Импортозамещение при разработке технологий Умных домов на базе продукции iRidi для шины KNX

база данных - компьютеризированная система хранения записей, основной целью которой является хранение информации, предоставление пользователям средств для ее извлечения и изменения [8]. В базе хранится вся информация, предварительно обработанная и проверенная сервером на достоверность.Система микроконтроллера - устройство, предназначенное для управления электронными устройствами. Это устройство взаимодействует с датчиками и исполнительными механизмами, а также является посредником между аппаратной и программной частью комплекса.2.3 Разработка функциональной схемыУправление интеллектуальным помещением выполняется по сценариям. В данном проекте будут рассмотрены пользовательские сценарии (настраиваемые пользователем), которые предназначены для повышения уровня комфорта и энергосбережения. Так же, при их создании, фундаментально будут учитываться экономически выгодные параметры. Предлагаемая система интеллектуального помещения (рисунок 2.4) производит мониторинг трех подсистем, выполняющих соответствующие функции.Рисунок 2.4 – Функциональная структура системы «умного дома»Функции различных инженерных систем объекта без системы автоматизации связаны слабо, а в интеллектуальном помещении часто зависят друг от друга и позволяют эффективно выполнять изначально не связанные задачи. Таким образом, компоненты системы автоматизации должны синхронизироваться для совместной работы и с определенным временным интервалом осуществлять обмен информацией между компонентами системы, диспетчерским пультом и центральным контроллером (при его наличии). Информационный обмен осуществляется за счет объединения компонентов системы посредством единой информационной шины или через центральный контроллер, на который поступают цифровые или аналоговые сигналы с конверторов и преобразователей, позволяющих получать информацию от систем, включение которых в единую информационную сеть по различным причинам невозможно. В интеллектуальном помещении для наиболее экономичного и эффективного использования ресурсов системы должны выполняться следующие алгоритмы автоматизации:3 Выбор оборудования для автоматизации3.1 Выбор сервера автоматизацииВ соответствии с стемой и заданием на ВКР выбираем оборудование производителя Iridi: Bus77 Lite – решение для автоматизации домов комфорт-класса.Компания Iridi в рамках платформыBus77 Lite предлагает в качестве сервера модель LH-Server. Устройство предназначено для установки в проектах автоматизации квартир, домов, зданий в децентрализованной сети Bus77 iRidi©.Обеспечивает сбор, хранение, обработку и отправку данных, поступающих по сетевым и полевым интерфейсам.Функционал зависит от прилагаемого прикладного программного обеспечения и лицензии.Рисунок 3.1 – Сервер модель LH-ServerФункциональные возможности и технические характеристики представлены в таблицах 3.1 и 3.2.Таблица 3.1 – Функциональные возможности LH-ServerФункционалLH-ServerИнтеграция с IP-камерами, SIP-домофонией, Sonos(на стороне ПО Bus77 Lite)даИнтеграция с Samsung TV(на стороне ПО Bus77 Lite)даУдаленное управление и настройка (высоко защищенное соединение через облако iRidi)до 25 одновременных подключенийЛокальное управление и настройкадо 25 одновременных подключенийНастройка правилдаНастройка режимовдаАстротаймердаРасписаниядаЖурнал уведомлений, Push, email уведомлениядаГолосовое управлениеЯндекс АлисаСбер СалютТаблица 3.2 – Технические характеристики LH-ServerХарактеристикаЗначениеПроцессорRK3399 Rockchip2 x Cortex-A72 2000 МГц,4 x Cortex-A53Оперативная память2 Gb, DDR4Энергонезависимая память16 Gb, eMMCFlashЧасы реального времени (RTC)есть, батарейка литиевая CR1220ИнтерфейсыEthernet 100 Мбит/сUSB Type-A (F) (USB 2.0)RS-485 (с гальванической развязкой)RS-232 (с гальванической развязкой)KNX TP1-256CAN (Bus77)Электропитание24В постоянного токаПотребляемая мощностьдо 30 ВтРабочая температура, °Сот 0 до 50Размеры (ШхВхГ), мм70x97x58 (4 DIN)Монтажна DINМатериал корпусаполикарбонатВес, гр200ЦветбелыйОперационная системаLinux3.2 Выбор датчиков и исполнительных механизмовДатчик температуры для помещенийДатчик предназначен для измерения температуры воздуха в помещении. Устанавливается внутрь корпуса настенного выключателя. Преимущества:Измерение температуры воздуха в помещении,Устанавливается внутрь корпуса настенного выключателя.Прошивки не имеет, подключается к модулям LFM-400-1W, LFM-401P.Рисунок 3.2 – Внешний вид датчика температурыТаблица 3.3 – Технические характеристикиПараметрЗначениеКод продуктаLFS-T-INDСенсорыдатчик температуры NTC10kТемпературный диапазон0...50 °CНапряжение питаниянетПотребляемый ток, мАнетИнтерфейснетРазмеры в мм.4 x 4 x 2Материал корпусабескорпуснойКласс защитыIP20Монтажвнутрь настенного выключателяНа рисунке 3.3 представлена схема подключения и варианты применения.Датчик подключается напрямую к модулям ввода.Монтаж и техническое обслуживание изделия должно производиться только подготовленными специалистами с соблюдением мер безопасности.Все работы по подключению изделия должны производиться только при отключенном напряжении.Рисунок 3.3 – Схема внешнего подключения датчика температурыМалогабаритный модуль ввода-вывода на 4 входа и 2 релеМодуль малогабаритный для монтажа в подрозетник (монтажную коробку). Используется для организации системы защиты от протечек или как универсальный модуль ввода-вывода (4 сухих контакта + 2 реле).Рисунок 3.4 – Внешний вид модуляФункциональные особенности моделя:4 универсальных входа;2 реле;все датчики, подключенные к входам - сетевые (видны другим устройствам);компактный корпус для монтажа в подрозетник;простота монтажа.Модуль предназначен для установки в проектах автоматизации квартир, домов, зданий в децентрализованной сети bus77 iRidi©.Для контроля датчиков протечки (smart датчиков IRIDI LFS-WT-xxx и обычных датчиков с выходом типа сухой контакт или открытый коллектор [NO и NC тип]);Для сбора информации от выключателей, переключателей (герконы, реле, сухие контакты);Таблица 3.3 –Технические характеристикимодуль ввода-вывода на 4 входа и 2 релеКод продуктаLFM-402-1WУниверсальные входы, кол-во4Параметры входов In1-In4:— Сухой контактвыключатели нефиксируемые, герконы, приборы ОПС с дискретным выходом.— Датчики протечки IRIDILFS-WT-xxx— Прочие датчики протечкис дискретным выходом или открытый коллектор, тип НО или НЗ с питанием. Например H2O-Контакт NEW исп.2 (Н.О.). Двухпроводные датчики без питания использовать нельзя, т.к. сопротивление их на выходе может сильно отличаться в зависимости от состава воды, и некорректно определяться модулем ввода.Реле, кол-во2Тип реленормально разомкнутыеПараметры реле:— Контактная емкость / Резистивная нагрузка (cosФ = 1)5A 30VDC / 250 VAC— Максимальное напряжение переключения110VDC / 250 VAC— Максимальный ток переключения5A— Максимальная мощность переключения150W / 1250VAC— Минимальная применимая нагрузка0.1mA / 0.1VDC— Материал контактовсплав серебра (позолоченный)Напряжение питания24V DCПотребляемый токдо 40 мАИнтерфейсCAN (bus77)Размеры в мм (ВxШxГ)26x46x49Материал корпусаABS пластикЦветчерный / серыйКласс защитыIP20Тип монтажав подрозетник, в монтажную коробкуСхема подключения датчиков протечки:Рисунок 3.5 – Внешний вид модуляПредназначена для подключения 4-х сенсоров / выключателей с выходом сухой контакт или открытый коллектор. Основное использование - управление освещением. Воспринимает короткие нажатия, двойные нажатия и удержание. На каждое событие можно "навесить" отдельное действие. Нажатие может включать / выключать / переключать группу освещения / нагрузку или запускать / сохранять сценарий. Реле могут быть включены / выключены / переключены с других устройств сети. Можно управлять устройствами с током потребления не более 5А (обязательно учитывайте пусковые токи).4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И АЛГОРИТМА РАБОТЫ4.1 Алгоритм работы системыДанный алгоритм включает в себя контроль жалюзи, расположенных на всех окнах апартаментов клиента и источников освещения (ламп) во всех помещениях апартаментов. На рис 8. представлена блок схема разработанного алгоритма.Рисунок 4.1 – Блок-схема алгоритма синхронизации систем «жалюзи и освещения»В начале интерфейс датчика освещенности получает показания об интенсивности освещения снаружи и сравнивает их со своим пороговым значением. Пороговое значение задается стандартно (вычисляется, исходя из площади помещения), либо задается согласно критериям заказчика. Далее возможны 2 варианты развития событий: Ответ: Да – Внешнего освещения достаточно для освещения помещения. В этом варианте интерфейс датчика освещенности посылает телеграмму актуатору жалюзи. Получив телеграмму, актуатор открывает жалюзи. Ответ: Нет – Внешнего освещения недостаточно для освещения помещения. В этом варианте интерфейс датчика освещенности посылает телеграмму актуатору жалюзи и релейному активатору. Получив телеграмму, актуатор закрывает жалюзи, а релейный активатор включает внутреннее освещение помещения. 2) Алгоритм системы климат-контроля. Данный алгоритм включает в себя управление кондиционированием и отоплением жилым помещением. Блок схема алгоритма этой подсистемы представлена на рисунок 4.2.Рисунок 4.2 – Блок-схема алгоритма управлениясистемы «климат контроль»Клиент может задать пороговое значение температуры. Оно так же определяется системой как «комфортное». Существует пять режимов работы системы:комфортное; ожидание; ночь; защита от замерзания/жары;блокировка регулятора.Настройка режима работы системы возможна в любой момент, простым нажатием кнопки на интерфейсе актуатора. Настройка пороговой температуры для остальных режимов работы, так же возможна самим клиентом. Однако, чаще всего данное значение заносится на уровне программирования при монтаже интерфейса. Так же, система автоматически переходит в режим «комфортное» в присутствии клиента, так как в актуаторе встроены датчики движения. Согласно алгоритму, приведенному на рис. 9 после того, как актуатор получил значение от встроенных внешних датчиков температуры, происходит сравнение текущей температуры с пороговой. Далее на блок-схеме показаны сценарии развития событий. Регулирование батареи отопления происходит посредством вращения серво, подключенного к вентилю батареи. Важно отметить, что в развитии сценария так же присутствует фактор времени года. Это охарактеризовано тем, что в летнее время центральное отопление отключено, в следствии чего, регулирование температуры посредством интерфейса, подключенного к батарее отопления представляется невозможным. Это же, касается остальных режимов работы. 3) Подсистема управления отдельными электроприборамиУправление электроснабжением основывается на управлении отдельными розетками, находящихся в помещениях. Управление розетками закладывается на уровне программирования, где определяется:время для перехода в режим ожидания;переключение между режимами день, сумерки, ночь.В режиме ожидания снижается потребление электроэнергии розеткой. Режимы день, сумерки, ночь настраиваются, если клиент предполагает включать в розетки светильники. В таком случае, розетка подключается к алгоритму управления освещения помещением, как отдельное устройство, получая телеграммы от датчика освещения, тем самым регулируя подачу электроэнергии. 3.2 Разработка программного продуктаПланирование, проектирование и ввод в эксплуатацию инсталляции KNX требует программного обеспечения для проектировщиков зданий и монтажников электрооборудования, которое четко структурировано и несложно в использовании. Проектирование здания, в котором должна использоваться система KNX, исходно не отличается от обычного планирования электрического оборудования. На предварительных этапах должны быть уточнены следующие аспекты планирования:тип и назначение здания; компоненты системы здания, которые должны реализовываться, их функции; специальные требования клиентов.Планирование электрооборудования здания осуществляется, как для обычного монтажа, в соответствии с общепризнанными технологическими нормами, условиями подключения служб, а также общими руководящими принципами планирования, внедрения и определения размеров.Для систем KNX, разработчики и монтажники имеют единую, унифицированную программу для планирования, проектирования и ввода в эксплуатацию системы KNX. Аббревиатура ETS означает EngineeringToolSoftware. ETS™ является зарегистрированным торговым знаком Ассоциации KNX. Текущая версия ETS — ETS5. Следующие шаги описывают этапы разработки в хронологической последовательность проекта ETS:выполнить настройки ETS;считать или конвертировать базы данных изделий;создать проект с необходимыми данными;установить структуру проекта (структура здания / шинная топология);вставить изделия KNX (устройства с соответствующими приложениями) в структуру здания;настроить параметры изделий KNX согласно требованиям;создать групповые адреса;связать групповые объекты изделий KNX с групповыми адресами;приписать настроенным изделиям KNX шинную топологию (завершающее определение индивидуального адреса);назначить настроенные изделия KNX установленным функциям (по желанию);проверить проект;распечатать документацию;сохранить проект.4.1 Разработка структуры web-приложенияИнтеллектуальное здание имеет следующую специфику, обозначенную в работах ряда авторов [13]:возможность динамического развития инженерных систем — наращивание и видоизменение;значительное количество датчиков для сбора оперативной информации о состоянии здания [25];программные и аппаратные элементы системы не должны быть привязаны к одному производителю;применение типовых устройств — контроллеров, шин связи, модулей ввода-вывода, систем отображения информации [7].Из перечисленных свойств следует, что все системы безопасности и инженерные системы в интеллектуальном помещении должны быть интегрированы на базе единой информационной системы — автоматизированной системы управления зданием.В [21] сформулировали принципы построения программно-аппаратного комплекса для осуществления управления инженерным оборудованием здания. Помимо выделения трех уровней управления, в системе «Умный дом» предлагают использовать:стандартное оборудование;открытые протоколы передачи данных;распределенную базу знаний с дистанционным управлением [7].выделяют три уровня компонентов в архитектуре информационной системы управления интеллектуальным (рисунок 4.1): уровень клиента; уровень приложения; уровень данных.Рисунок 4.1 — Архитектура информационной системы управления [13]Уровень приложения включает средства сбора и обработки данных с датчиков, а также контроллеры (уровень двигателя) для управления исполнительными механизмами. Слой представления прикладного уровня включает в себя серверы (административные объекты), осуществляющие связь с информационными системами через Интернет, и внешние сервисы, реализующие бизнес-логику через умные здания (персональная регистрация пользователей, механизмы авторизации и регистрации). Для данных, хранящихся в базе данных, реализованы различные механизмы доступа.Слой данных включает в себя каталог сервера, содержащий информацию, отображаемую на веб-страницах, базу данных, в которой хранится информация о деятельности системы управления, и базу данных, в которой хранится информация, обрабатываемая контроллером (система управления базой данных в реальном времени). В предлагаемой архитектуре можно выделить две модели данных. Первая — это модель уровня датчика и исполнительного механизма (датчик, контроллер, база данных для хранения данных, обрабатываемых контроллером). Эта модель допускает автоматическое управление контроллером. Контроллер получает информацию от датчика, сравнивает полученное от датчика значение параметра с пороговым значением установленного параметра нормы и при необходимости подает управляющую команду на датчик для коррекции показателя. Данные датчика хранятся в базе данных в режиме реального времени. Вторая модель данных представляет собой логическую модель умного здания, включая интерфейсы, бизнес-логику умного здания, базу данных и элементы связи. Эта модель организует взаимодействие пользователя с устройством.Определим метод управления приложениемПриложения должны получать данные от встроенных устройств и обрабатывать, анализировать, хранить и управлять устройствами на основе полученных данных.Разработка программного обеспечения предлагает два варианта реализации:Настольное программное обеспечение - клиентское программное обеспечение,Он устанавливается на рабочую станцию ​​пользователя. Для запуска этой программы требуются аппаратные ресурсы компьютера. Такие программы отличаются независимостью и высокой производительностью, не всегда являются кроссплатформенными и имеют более сложные действия по оптимизации.Веб-приложение — это клиентская программа, использующая веб-браузер и протоколы http/https. Приложение не требует установки программных модулей и загрузки непосредственно на рабочий стол пользователя. Позволяет устанавливать дополнительные библиотеки и использовать сетевые протоколы. Логика таких приложений разделена между серверными и клиентскими приложениями, а сбор данных и выполнение основных операций обычно осуществляется от имени сервера. Передача данных идет по сети.Веб-приложение больше подходит для реализации этой системы, т.к. Для выполнения задач по передаче, хранению и обработке данных удаленный веб-сервер удобнее реализовать мобильность, масштабируемость и платформенные характеристики системы, то есть данные можно просматривать и обрабатывать с любого устройства.ЗаключениеВ представленной квалификационной работе проанализированы существующие системы управления «Умный дом», определены их достоинства и недостатки, разработаны схемы, конструкции и программное обеспечение, приведены необходимые технико-экономические расчеты.В данной ВКР было разработано устройство, следящее за параметрами микроклимата и потребления электроэнергии в доме. К особенностям проектируемого устройства относятся удаленный контроль параметров, управление по текущим значениям и низкая стоимость конечного устройства по сравнению с аналогичными устройствами.Изготовленное устройство полностью соответствует всем требованиям технического задания. Особенности разработанного устройства: возможность дистанционного управления и настройки, низкая стоимость по сравнению с другими системами, использование датчика тока на основе эффекта холла, позволяющего учитывать постоянную составляющую.В рамках работы был проанализирован данный тип системы в этих областях, проанализированы ее недостатки, разработаны принципиальные схемы, проекты и программное обеспечение, а также предоставлены необходимые технико-экономические обоснования. В конструкции использованы современные элементы, а также системы управления и последние достижения в области измерения энергии.Изготовленное устройство полностью соответствует всем требованиям технического задания.Список использованных источниковТрамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров.: Пер. с нем.– Киев.: «МК-Пресс», 2006. – 208с.; ил.Кравченко А.В. 10 Практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 1 – М.:Издательский дом «Додэка-XXI», Киев «МК-Пресс», 2008.–224с.; Ил.Кестер У. Аналогово-цифровое преобразование: Под ред. У. Кестера М.: Техносфера, 2006. 1016 с.; ил.Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналогово-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1 – М. ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.ATMEL 8-разрядный AVR-микроконтроллер ATmega 48. datasheet.–atmel, june 2005.– режим доступа: http://atmel.ru.Sentron CSA-1V Current Sensor. datasheet.–sentron, april 2005.– режимдоступа: http://www.sentron.ch.MAX 13410E. RS-485 Transceiver. datasheet.– maxim, october 2006.ATMEL 8-разрядный AVR-микроконтроллерATmega 164. datasheet.–atmel, june 2005.– режимдоступа: http://atmel.ru.LM316. 1.2V to 37V voltage regulator. datasheet.–stmicroelectronics, 1998.TLP521. TOSHIBA Photocoupler.–datasheet.– toshiba, september 2002.Никитинский В.З. Маломощные силовые трансформаторы.–М.: «Энергия», 1968.–47 с.Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с.Курсовое и дипломное проектирование: Методические указания для студентов специальностей 190200 и 200700 / В. А. Аржанов, Ю. М. Вешкурцев, И.В. Никонов, М. Г. Семенов. ОмГТУ, Омск. 1996. –44 с.ADM 222/ADM232A/ADM242. RS-232 Drivers/Receivers datasheet.– analog devices, october 2001.Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил.Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 560 с.; ил.Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации. – 2-е издание., доп. – М.: Экономика, 1991.–44 с.Мазель Б. Трансформаторы электропитания.– М.: Энергоиздат, 1982.– 78 с. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2006.–592 с.: ил.Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. –М.: Недра, 1986. – 221 с.Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. –М.: Мир, 1978. –847 с.Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.Банникова А.С. Система «умный дом» в России: доступность интеллектуального жилья // Молодой ученый. — 2016. — № 9 (113). — С. 476-479. Интернет-журнал «RobotRocket», статья «Что потребители хотят видеть в «умном доме» и сколько готовы за него платить?» [Электронный ресурс]: https://robotrocket.net/2014/07/24/smart-home-stats/. (дата обращения: 5.04.2020)Калькулятор Умного Дома, сайт Компании «Умный дом» [Электронный ресурс]: http://krasnoyarsk.dom-automation.ru/kalkulyator.html.: (дата обращения: 25.04.2020)Кремлев А. С., Титов А. В., Щукин А. Н. Проектирование систем интеллектуального управления домашней автоматикой. Элементы теории и практикум. - СПб.: НИУ ИТМО, 2014. - 96 с.Преобразование нашего мира: Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года. Резолюция, принятая Генеральной Ассамблеей ООН, 2015 г.Проекты и постройки современных зарубежных архитекторов [Электронный ресурс]: http://www.architettura.supereva.com, (дата обращения: 27.02.2020)KNX BuildingAutomationsInteractionwithCityResourcesManagementSystem, 2014, [Электронныйресурс]: https://www.researchgate.net/publication/260007231 (дата обращения: 25.04.2020)KNXofficialwebsiteat [Электронный ресурс]:https://www.knx.org (дата обращения: 13.04.2020)KNX specification, Version 1.1, Konnex association, Diegem, Belgium, 2004. p.21-54.Оздоровление воздушной среды Сост. А.И Насейкин.. Метод. Указания. Омск: ОмГТУ, 2000.–43 с. Сабанов А. А. Некоторые аспекты защиты электронного документооборота // Соnnесt! Мир связи. - 2019. - № 7. - С. 62-64.Титоренко, Г.А. Информационные системы в экономике : учебник для студентов вузов / Г.А. Титоренко. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2018. - 463 с.Партыка Т.Л., Попов И.И. Информационная безопасность. Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования.—М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2019.Баймакова И.А., Новиков А.В., Рогачев А.И. Обеспечение защиты персональных данных. Методическое пособие / И.А. Баймакова. – М.: 1С-Паблишинг, 2019. – 214 с.Стельмашонок Е.В., Васильева И.Н. (ред.) Информационная безопасность цифрового пространства. СПб.: СПбГЭУ, 2019. — 155 с. — ISBN 978-5-7310-4465-3.Воробьева А.А., Коржук В.М. Системы защиты информации в ведущих зарубежных странах. Учебно-методическоепособие. – СПб: Университет ИТМО, 2019.– 32 с.