Дипломная работа: Разработка комплекса решений организации умного дома при использовании интернета вещей

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

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.