Помощь студентам в учебе
Разработка системы контроля человека в зоне освещения
|
Введение 11
1.Обзор литературы 14
1.1. Методы обнаружения движения в зоне контроля 14
1.1.1. Инфракрасный 14
1.1.2. Акустический (Ультразвуковой) 17
1.1.3. Радиоволновой (СВЧ) 18
1.1.4. Визуальный метод контроля 20
1.1.5. Комбинированные методы контроля 22
2.Объект и методы исследования 24
3.Экспериментальные исследования 25
3.1.Обзор используемых компонентов 25
3.2.Экспериментальная установка 31
3.3. Программное обеспечение экспериментальной установки 34
3.4. Методика проведения эксперимента 36
3.5. Анализ полученных данных 38
3.6. Результаты эксперимента 44
4. Разработка системы обнаружения 46
4.1. Структурная схема модуля детектирования 46
4.2. Программное обеспечение системы обнаружения 48
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 52
5.1. Введение 52
5.2. Потенциальные потребители результатов исследования 53
5.3. Инициация проекта 59
5.4. Планирование управления научно-техническим проектом 61
5.5.Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной
и экономической эффективности исследования 70
5.6.Заключение по разделу 73
6. Социальная ответственность 74
6.1. Введение 74
6.2. Производственная безопасность 76
6.3.Экологическая безопасность 82
6.4. Безопасность в ЧС 83
6.5. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности
6.6.Организация рабочего при работе за компьютером 85
Заключение 87
Дальнейшая работа над проектом 88
Список публикаций студента 89
Список использованных источников 91
Приложение А - Раздел выполненный на иностранном языке 94
Приложение Б - Исходный код программы для экспериментальной установки 110
Приложение В - Исходный код программы для системы обнаружения 116
1.Обзор литературы 14
1.1. Методы обнаружения движения в зоне контроля 14
1.1.1. Инфракрасный 14
1.1.2. Акустический (Ультразвуковой) 17
1.1.3. Радиоволновой (СВЧ) 18
1.1.4. Визуальный метод контроля 20
1.1.5. Комбинированные методы контроля 22
2.Объект и методы исследования 24
3.Экспериментальные исследования 25
3.1.Обзор используемых компонентов 25
3.2.Экспериментальная установка 31
3.3. Программное обеспечение экспериментальной установки 34
3.4. Методика проведения эксперимента 36
3.5. Анализ полученных данных 38
3.6. Результаты эксперимента 44
4. Разработка системы обнаружения 46
4.1. Структурная схема модуля детектирования 46
4.2. Программное обеспечение системы обнаружения 48
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 52
5.1. Введение 52
5.2. Потенциальные потребители результатов исследования 53
5.3. Инициация проекта 59
5.4. Планирование управления научно-техническим проектом 61
5.5.Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной
и экономической эффективности исследования 70
5.6.Заключение по разделу 73
6. Социальная ответственность 74
6.1. Введение 74
6.2. Производственная безопасность 76
6.3.Экологическая безопасность 82
6.4. Безопасность в ЧС 83
6.5. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности
6.6.Организация рабочего при работе за компьютером 85
Заключение 87
Дальнейшая работа над проектом 88
Список публикаций студента 89
Список использованных источников 91
Приложение А - Раздел выполненный на иностранном языке 94
Приложение Б - Исходный код программы для экспериментальной установки 110
Приложение В - Исходный код программы для системы обнаружения 116
Современные системы освещения города имеют повышенные требования к энергосбережению и ресурсоэффективности из-за возрастающих энергетических затрат на освещение города. Таким требованиям удовлетворяют интеллектуальные системы освещения.
Преимущества интеллектуальной системы освещения перед обычными:
• гибкость реакции систем освещения в зависимости от внешних условий;
• зависимость освещения от присутствия и движения людей в зонах освещения
• адаптируемость систем освещения к внешним условиям;
Ключевым элементом такой системы является модуль детектирования движения человека в зоне контроля. Точность и надёжность этого узла влияет на работоспособность и эффективность интеллектуальной системы освещения в целом. Именно в процессе работы системы детектирования, происходит регистрация движения человека и передача информативного сигнала управляющему устройству.
Существующие средства обнаружения, входящие в состав систем освещения, обладают рядом недостатков, в частности, неточностью, высокой погрешностью, ненадежностью. Их работоспособность имеет высокую зависимость от условий эксплуатации. Эти проблемы в большей мере могут быть решены использованием комбинации методов контроля и эффективным алгоритмом обработки сигналов, исследование которых произведено в данной работе.
Учитывая значимость модуля обнаружения, в составе интеллектуальной системы освещения, к нему предъявляются следующие требования:
• Высокая вероятность обнаружения движения человека. Одной из значительных проблем, возникающих при эксплуатации интеллектуальных систем освещения, является правдоподобность получаемых с датчиков данных, т.е. соответствие наличия движения в зоне контроля и сигналами поступающими с детектирующего устройства. Данная трудность объясняется несовершенством методов и средств контроля относительно текущей задачи.
• Способность системы дифференцировать род движения. Немаловажной чертой является способность модуля выделять движение человека в зоне освещения на фоне движения нежелательных объектов (колебания травы, перемещение мелких животных, движение машины).
• Дальность действия системы. Использование модуля обнаружения, в рамках интеллектуальной системы освещения, подразумевает заблаговременное обнаружение движения человека для включения соответствующего фонаря. Для разрабатываемой системы, приемлемая дальность обнаружения находится в диапазоне 7 - 10 метров.
• Гибкость и встраиваемость системы. Так как система обнаружения разрабатывается как модульный элемент с возможностью интеграции в интеллектуальную систему освещения, интерфейсы модуля должны поддерживать полную совместимость с внешним управляющим устройством, а инфраструктура и программное обеспечение должны предоставлять широкий набор параметров и функций для изменения и контроля.
На текущий момент, прототип интеллектуальной системы освещения создается в рамках проекта SmartLighting system, в лаборатории FILA, на базе университета прикладных наук Анхальта (Германия). Работа над проектом предполагает разработку различных модулей, одним из которых является модуль обнаружения, разработка которого осуществляется в текущей работе.
В данной выпускной квалификационной работе рассматривается разработка системы обнаружения, на основе экспериментальных исследований, с использованием комбинации методов контроля на основе микрокомпьютера BeagleBone Black, которая включает в себя аппаратную и программную части.
Использование этого микрокомпьютера в данной работе обусловлено наличием в интеллектуальной системе освещения, помимо модуля детектирования, ряда других подсистем, таких как система коммутации между узлами, система управления освещением. Так как работа над системами ведется одновременно разными разработчиками, важно обеспечить совместимость модулей. Данный подход, в конечном итоге, позволяет использовать одно управляющее устройство для нескольких подсистем. Также, операционной системой BeagleBone Black является Linux, что делает его оптимальной платформой для быстрой разработки программного обеспечения. Процессор Cortex-A8 с частотой 200 МГц, обеспечивает требуемое быстродействие, а ряд интерфейсов микрокомпьютера предоставляет гибкость при взаимодействии между элементами системы, что создает возможности для расширения, подключения дополнительных модулей к системе. Учитывая дешевизну микрокомпьютера, относительно аналогов, его использование является приемлемым при создании прототипа интеллектуальной системы освещения.
В ходе работы были проведены экспериментальные исследования различных датчиков движения, типичных для использования системах обнаружения. В результате чего, была спроектирована аппаратная часть и разработан эффективный алгоритм обработки сигналов, позволяющий с высокой вероятностью обнаружить движение человека в области контроля.
Преимущества интеллектуальной системы освещения перед обычными:
• гибкость реакции систем освещения в зависимости от внешних условий;
• зависимость освещения от присутствия и движения людей в зонах освещения
• адаптируемость систем освещения к внешним условиям;
Ключевым элементом такой системы является модуль детектирования движения человека в зоне контроля. Точность и надёжность этого узла влияет на работоспособность и эффективность интеллектуальной системы освещения в целом. Именно в процессе работы системы детектирования, происходит регистрация движения человека и передача информативного сигнала управляющему устройству.
Существующие средства обнаружения, входящие в состав систем освещения, обладают рядом недостатков, в частности, неточностью, высокой погрешностью, ненадежностью. Их работоспособность имеет высокую зависимость от условий эксплуатации. Эти проблемы в большей мере могут быть решены использованием комбинации методов контроля и эффективным алгоритмом обработки сигналов, исследование которых произведено в данной работе.
Учитывая значимость модуля обнаружения, в составе интеллектуальной системы освещения, к нему предъявляются следующие требования:
• Высокая вероятность обнаружения движения человека. Одной из значительных проблем, возникающих при эксплуатации интеллектуальных систем освещения, является правдоподобность получаемых с датчиков данных, т.е. соответствие наличия движения в зоне контроля и сигналами поступающими с детектирующего устройства. Данная трудность объясняется несовершенством методов и средств контроля относительно текущей задачи.
• Способность системы дифференцировать род движения. Немаловажной чертой является способность модуля выделять движение человека в зоне освещения на фоне движения нежелательных объектов (колебания травы, перемещение мелких животных, движение машины).
• Дальность действия системы. Использование модуля обнаружения, в рамках интеллектуальной системы освещения, подразумевает заблаговременное обнаружение движения человека для включения соответствующего фонаря. Для разрабатываемой системы, приемлемая дальность обнаружения находится в диапазоне 7 - 10 метров.
• Гибкость и встраиваемость системы. Так как система обнаружения разрабатывается как модульный элемент с возможностью интеграции в интеллектуальную систему освещения, интерфейсы модуля должны поддерживать полную совместимость с внешним управляющим устройством, а инфраструктура и программное обеспечение должны предоставлять широкий набор параметров и функций для изменения и контроля.
На текущий момент, прототип интеллектуальной системы освещения создается в рамках проекта SmartLighting system, в лаборатории FILA, на базе университета прикладных наук Анхальта (Германия). Работа над проектом предполагает разработку различных модулей, одним из которых является модуль обнаружения, разработка которого осуществляется в текущей работе.
В данной выпускной квалификационной работе рассматривается разработка системы обнаружения, на основе экспериментальных исследований, с использованием комбинации методов контроля на основе микрокомпьютера BeagleBone Black, которая включает в себя аппаратную и программную части.
Использование этого микрокомпьютера в данной работе обусловлено наличием в интеллектуальной системе освещения, помимо модуля детектирования, ряда других подсистем, таких как система коммутации между узлами, система управления освещением. Так как работа над системами ведется одновременно разными разработчиками, важно обеспечить совместимость модулей. Данный подход, в конечном итоге, позволяет использовать одно управляющее устройство для нескольких подсистем. Также, операционной системой BeagleBone Black является Linux, что делает его оптимальной платформой для быстрой разработки программного обеспечения. Процессор Cortex-A8 с частотой 200 МГц, обеспечивает требуемое быстродействие, а ряд интерфейсов микрокомпьютера предоставляет гибкость при взаимодействии между элементами системы, что создает возможности для расширения, подключения дополнительных модулей к системе. Учитывая дешевизну микрокомпьютера, относительно аналогов, его использование является приемлемым при создании прототипа интеллектуальной системы освещения.
В ходе работы были проведены экспериментальные исследования различных датчиков движения, типичных для использования системах обнаружения. В результате чего, была спроектирована аппаратная часть и разработан эффективный алгоритм обработки сигналов, позволяющий с высокой вероятностью обнаружить движение человека в области контроля.
В процессе выполнения работы были проанализированы основные методы обнаружения движения, применимые для использования в системе обнаружения в контексте интеллектуальной системы освещения. В результате анализа были выделены основные методы и средства контроля, использование которых позволяет получить необходимые параметры для обнаружения человека. Была разработана экспериментальная установка, в состав которой входят аппаратная и программная части, для исследования реакции датчиков разных типов на движение человека в зоне контроля. В ходе чего, была выявлена оптимальная пара сенсоров, приемлемая для использования в системе обнаружения. По результатам эмпирических исследований были установлены зоны обнаружения датчиков и получены осциллограммы сигналов, анализ которых позволяет оценить возможности их использования раздельно или в комбинации. Проведенные экспериментальные исследования и экспериментальная установка являются базой для создания модуля обнаружения.
Спроектированный прототип системы обнаружения, на основе микрокомпьютера BeagleBone Black, обеспечивает гибкость, расширяемость и встраиваемость, в интеллектуальную систему освещения, что является одним из ключевых требований к системе обнаружения. Разработанный алгоритм обнаружения движения, основанный на анализе данных получаемых с радиоволнового и инфракрасного детекторов, позволяет с высокой вероятностью выявить движение человека в области освещения и избегать ложных срабатываний, вызванных воздействием мешающих факторов на датчики.
Для представленной работы, также были выполнены такие разделы как «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность».
На текущий момент, прототип интеллектуальной системы освещения создается в рамках проекта SmartLighting system, в лаборатории FILA, на базе университета прикладных наук Анхальта (Германия). Работа над проектом предполагает разработку различных модулей, одним из которых является модуль обнаружения, разработка которого осуществляется в текущей работе.
Решение проблемы алиасинга сигнала, полученного с радиоволнового датчика позволит получать более информативный сигнал, что может оказать влияние на последующий алгоритм обработки сигнала и подход к этой задаче вцелом.
Работа по созданию полноценной и функционирующей системы не закончена. В рамках магистерской дипломной работы в Hochschule Anhalt планируются дальнейшие исследования средств обнаружения, в частности различных типов инфракрасных и радиоволновых датчиков. Изучение датчиков разных типов позволяет выделить наиболее оптимальные технические решения, на базе чего возможно построение эффективной системы обнаружения.
Спроектированный прототип системы обнаружения, на основе микрокомпьютера BeagleBone Black, обеспечивает гибкость, расширяемость и встраиваемость, в интеллектуальную систему освещения, что является одним из ключевых требований к системе обнаружения. Разработанный алгоритм обнаружения движения, основанный на анализе данных получаемых с радиоволнового и инфракрасного детекторов, позволяет с высокой вероятностью выявить движение человека в области освещения и избегать ложных срабатываний, вызванных воздействием мешающих факторов на датчики.
Для представленной работы, также были выполнены такие разделы как «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность».
На текущий момент, прототип интеллектуальной системы освещения создается в рамках проекта SmartLighting system, в лаборатории FILA, на базе университета прикладных наук Анхальта (Германия). Работа над проектом предполагает разработку различных модулей, одним из которых является модуль обнаружения, разработка которого осуществляется в текущей работе.
Решение проблемы алиасинга сигнала, полученного с радиоволнового датчика позволит получать более информативный сигнал, что может оказать влияние на последующий алгоритм обработки сигнала и подход к этой задаче вцелом.
Работа по созданию полноценной и функционирующей системы не закончена. В рамках магистерской дипломной работы в Hochschule Anhalt планируются дальнейшие исследования средств обнаружения, в частности различных типов инфракрасных и радиоволновых датчиков. Изучение датчиков разных типов позволяет выделить наиболее оптимальные технические решения, на базе чего возможно построение эффективной системы обнаружения.