РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ «УМНЫЙ ДОМ»
|
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Современное представление систем домашней автоматизации «умный дом» 8
1.1 Общая концепция систем умного дома 9
1.2 Сети и протоколы 12
1.3 Устройства 13
1.4 Анализ рынка систем умного дома 15
Глава 2. Разработка прототипа интеллектуальной системы домашней автоматизации «умный дом» 25
2.1. Постановка задачи 25
2.2. Общая архитектура системы 27
2.3 Центральное устройство 28
2.4 Конечные устройства 33
2.4.1 Прототип датчика температуры и влажности 36
2.4.2 Прототип датчика протечки 38
2.4.3 Прототип умной розетки 39
2.5 Мобильное приложение 41
2.6 Голосовой ассистент 47
2.6.1 Распознавание запросов с параметрами 50
2.6.2 Распознавание запросов общего вида 53
2.6.3 Заключение по распознаванию семантики 57
2.6.4. Заключение по голосовому ассистенту 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 62
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Глава 1. Современное представление систем домашней автоматизации «умный дом» 8
1.1 Общая концепция систем умного дома 9
1.2 Сети и протоколы 12
1.3 Устройства 13
1.4 Анализ рынка систем умного дома 15
Глава 2. Разработка прототипа интеллектуальной системы домашней автоматизации «умный дом» 25
2.1. Постановка задачи 25
2.2. Общая архитектура системы 27
2.3 Центральное устройство 28
2.4 Конечные устройства 33
2.4.1 Прототип датчика температуры и влажности 36
2.4.2 Прототип датчика протечки 38
2.4.3 Прототип умной розетки 39
2.5 Мобильное приложение 41
2.6 Голосовой ассистент 47
2.6.1 Распознавание запросов с параметрами 50
2.6.2 Распознавание запросов общего вида 53
2.6.3 Заключение по распознаванию семантики 57
2.6.4. Заключение по голосовому ассистенту 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 62
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Путь, который прошли информационные технологии от их появления в середине прошлого века до текущего момента, занимает достаточно маленькую часть истории человечества. Однако этот путь значительно повлиял на нашу жизнь.
Одной из причин популярности информационных технологий является глобальная сеть интернет, которая предоставила доступ к огромному количеству разнообразной информации. Но помимо поиска и получения информации безусловный вклад вложила возможность мгновенного обмена сообщениями на больших расстояниях.
Появление глобальной сети, помимо возможности в общении и предоставлении информации, вызвало интерес у энтузиастов того времени, которые заметили, что можно использовать данную технологию для дистанционного управления различными бытовыми устройствами. Одним таким энтузиастом был Джон Ромки, который в 1990 году продемонстрировал концепт управления устройствами на расстоянии на примере тостера. Через девять лет у данного явления появилось название - «интернет вещей» [9]. Тем не менее по мнению компании Cisco «рождение» интернета вещей ознаменовано моментом, когда количество подключенных к сети интернет устройств превысило население планеты [4].
В настоящее время применение технологий интернета вещей распространилось широко в различных отраслях человеческой деятельности. Использование интернета вещей можно часто встретить в автоматизированном производстве, медицине и даже в ресторанах быстрого питания, например, McDonald’s [39]. Еще одной областью применения интернета вещей стали системы «умных домов», которые призваны улучшить комфортность и безопасность быта человека в его жилище.
Рынок систем умных домов еще достаточно молод, но уже появляются решения от крупных технологических компаний, таких как Google, Apple и Xiaomi. По оценкам Strategy Analytics в 2017 году объем мирового рынка умных домов превысил 86 миллиардов долларов, а к 2018 году достиг 96 миллиардов долларов [47]. Из них 8 миллиардов рублей приходится на российских рынок. Согласно прогнозу, ожидается ежегодный прирост рынка примерно на 10% в течение 5 лет [1]. Это говорит как о молодости и постепенном развитии рынка, так и о заинтересованности пользователей в подобной продукции, что определяет актуальность данной работы.
Однако ввиду молодости рынка и сложности технологии рынок предоставляет разнообразную и разрозненную продукцию, которая не дает четкого представления о таких системах, что препятствует еще более стремительному росту рынка. Данное исследование основано на этой проблеме.
Объект исследование - системы домашней автоматизации.
Предмет исследования - современные системы «умный дом».
Цель исследования - разработка программно-аппаратного комплекса системы «умный дом», отвечающий основным современным тенденциям рынка систем домашней автоматизации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить теоретико-методологическую базу систем домашней автоматизации;
2. Провести анализ и выявить современные тенденции рынка систем домашней автоматизации;
3. Спроектировать общую архитектуру и разработать функциональное описание системы «умный дом»;
4. Реализовать прототип спроектированной системы.
Основу теоретико-методологической базы составили работы, посвященные исследованию в области интернета вещей и, в частности, систем «умный дом» следующих авторов: Р. Краненбург, Г. Лобаккаро, А.А. Попов, Д.В. Байгозин, А.Е. Китаев, М.А. Шнепс-Шнеппе, Я.Ю. Григорьев. Дополнительно исследовались смежные области, такие как интерфейс между пользователем и ИС под авторством: Я. Нильсена, Б. Шнейдермана, Д. Раскина; обработка естественного языка авторов: Н. Хомский, М. Коробов.
Структура исследования обусловлена постановкой задач, а именно имеет классическое разбиение на две главы: теоретическую и практическую. Первая глава посвящена рассмотрению общей концепции систем домашней автоматизации, анализу и выявлению основных тенденций систем «умный дом». Вторая глава носит практический характер и содержит описание реализации основных компонентов разрабатываемого прототипа системы «умный дом».
В ходе работы были получены следующие результаты:
1. Выявлены тенденции рынка систем домашней автоматизации в виде основных компонентов таких систем: центральное устройство, конечные устройства, мобильное приложение, голосовой ассистент;
2. Разработана общая архитектура системы «умный дом»;
3. Разработаны центральное устройства, комплект прототипов конечных устройств, мобильное приложение и голосовой ассистент;
4. Представлены результаты разработки голосового ассистента на XVI Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук»
Одной из причин популярности информационных технологий является глобальная сеть интернет, которая предоставила доступ к огромному количеству разнообразной информации. Но помимо поиска и получения информации безусловный вклад вложила возможность мгновенного обмена сообщениями на больших расстояниях.
Появление глобальной сети, помимо возможности в общении и предоставлении информации, вызвало интерес у энтузиастов того времени, которые заметили, что можно использовать данную технологию для дистанционного управления различными бытовыми устройствами. Одним таким энтузиастом был Джон Ромки, который в 1990 году продемонстрировал концепт управления устройствами на расстоянии на примере тостера. Через девять лет у данного явления появилось название - «интернет вещей» [9]. Тем не менее по мнению компании Cisco «рождение» интернета вещей ознаменовано моментом, когда количество подключенных к сети интернет устройств превысило население планеты [4].
В настоящее время применение технологий интернета вещей распространилось широко в различных отраслях человеческой деятельности. Использование интернета вещей можно часто встретить в автоматизированном производстве, медицине и даже в ресторанах быстрого питания, например, McDonald’s [39]. Еще одной областью применения интернета вещей стали системы «умных домов», которые призваны улучшить комфортность и безопасность быта человека в его жилище.
Рынок систем умных домов еще достаточно молод, но уже появляются решения от крупных технологических компаний, таких как Google, Apple и Xiaomi. По оценкам Strategy Analytics в 2017 году объем мирового рынка умных домов превысил 86 миллиардов долларов, а к 2018 году достиг 96 миллиардов долларов [47]. Из них 8 миллиардов рублей приходится на российских рынок. Согласно прогнозу, ожидается ежегодный прирост рынка примерно на 10% в течение 5 лет [1]. Это говорит как о молодости и постепенном развитии рынка, так и о заинтересованности пользователей в подобной продукции, что определяет актуальность данной работы.
Однако ввиду молодости рынка и сложности технологии рынок предоставляет разнообразную и разрозненную продукцию, которая не дает четкого представления о таких системах, что препятствует еще более стремительному росту рынка. Данное исследование основано на этой проблеме.
Объект исследование - системы домашней автоматизации.
Предмет исследования - современные системы «умный дом».
Цель исследования - разработка программно-аппаратного комплекса системы «умный дом», отвечающий основным современным тенденциям рынка систем домашней автоматизации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить теоретико-методологическую базу систем домашней автоматизации;
2. Провести анализ и выявить современные тенденции рынка систем домашней автоматизации;
3. Спроектировать общую архитектуру и разработать функциональное описание системы «умный дом»;
4. Реализовать прототип спроектированной системы.
Основу теоретико-методологической базы составили работы, посвященные исследованию в области интернета вещей и, в частности, систем «умный дом» следующих авторов: Р. Краненбург, Г. Лобаккаро, А.А. Попов, Д.В. Байгозин, А.Е. Китаев, М.А. Шнепс-Шнеппе, Я.Ю. Григорьев. Дополнительно исследовались смежные области, такие как интерфейс между пользователем и ИС под авторством: Я. Нильсена, Б. Шнейдермана, Д. Раскина; обработка естественного языка авторов: Н. Хомский, М. Коробов.
Структура исследования обусловлена постановкой задач, а именно имеет классическое разбиение на две главы: теоретическую и практическую. Первая глава посвящена рассмотрению общей концепции систем домашней автоматизации, анализу и выявлению основных тенденций систем «умный дом». Вторая глава носит практический характер и содержит описание реализации основных компонентов разрабатываемого прототипа системы «умный дом».
В ходе работы были получены следующие результаты:
1. Выявлены тенденции рынка систем домашней автоматизации в виде основных компонентов таких систем: центральное устройство, конечные устройства, мобильное приложение, голосовой ассистент;
2. Разработана общая архитектура системы «умный дом»;
3. Разработаны центральное устройства, комплект прототипов конечных устройств, мобильное приложение и голосовой ассистент;
4. Представлены результаты разработки голосового ассистента на XVI Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук»
Исследование предметной области систем домашней автоматизации показало, что данное направление активно развивается и имеет перспективы для ведения исследований и разработок на данную тематику. Это обоснованно как ростом рынка и причастием технологических гигантов, так и заинтересованностью пользователей в данном продукте.
Однако, согласно аналитикам, отсутствует единое общее представление о таких системах домашней автоматизации, как у производителей, так и у потенциальных пользователей. Что приводит к замедлению внедрения таких систем в обыденную жизнь.
С постепенным развитием рынка системы от разных производителей начинают приобретать схожие очертания. Это связано как с интересами пользователей, так и с заимствованием удачных решений. Именно на выделении таких общих черт было сформировано общее представление о такой системе.
Согласно современным тенденциям рынка систем домашней автоматизации, такая система должна предоставлять пользователю возможность дистанционного управления системой, созданием автоматических алгоритмов поведения системы и возможность взаимодействия с системой с помощью голоса. Структурный анализ представителей систем «умный дом» показал, что подобные системы состоят из центрального устройства, набора конечных устройств, мобильного приложения.
На основе данного анализа была спроектирована общая архитектура, которая послужила основой создания прототипа системы «умный дом». Каждый компонент системы имеет свое уникальное назначение. Центральное устройство исполняет роль менеджера, то есть контролирует взаимодействие всех компонентов системы и управляет ими. Конечные устройства являются базой всей системы, именно они и позволяют взаимодействовать с окружающей средой, получать разные данные о ее состоянии.
Система «умного» дома является комплексной и распределенной. Этот фактор приводит к возможному взаимодействию с системой на трех различных уровнях: физическом, посредством мобильного приложения и голосовом. Данный опыт взаимодействия также важен в концептуальном понимании системы, он значительно отличает систему «умного» дома от других информационных систем, бытовых устройств.
В результате были получены представления о современной системе домашней автоматизации. Подавляющая часть таких систем имеет в основе дистанционное управление бытовыми приборами. Однако развитие таких систем дополняло их различным «умным» функционалом, например, системой сценариев или голосовым ассистентом.
В конечном итоге развитие таких систем отошло от простого дистанционного управления к повышению качества жизни. Это возможно благодаря автоматизации протеканию бытовых процессов, постоянному сбору данных о состоянии системы и окружающей среды. Дальнейшая интеллектуальная обработка этих данных позволяет полезно их использовать, что ведет как к экономии ресурсов, так и к повышению безопасности.
Система «умного» дома на текущий момент имеет трудности в развитии, ввиду новизны и дороговизны технологии. Далеко не все потенциальные пользователи могут приобрести комплексный набор, чтобы начать пользоваться такими системами уже сейчас. А покупка отдельно взятых «умных» устройств не дает полного представления о таких системах и может оставлять негативный отпечаток о полезности таких устройств. Однако динамика роста рынка и различные программы помощи со стороны государства позволяют говорить об оптимистичном будущем данной технологии. Такие системы станут ячейками в рамках «умных» город.
Однако, согласно аналитикам, отсутствует единое общее представление о таких системах домашней автоматизации, как у производителей, так и у потенциальных пользователей. Что приводит к замедлению внедрения таких систем в обыденную жизнь.
С постепенным развитием рынка системы от разных производителей начинают приобретать схожие очертания. Это связано как с интересами пользователей, так и с заимствованием удачных решений. Именно на выделении таких общих черт было сформировано общее представление о такой системе.
Согласно современным тенденциям рынка систем домашней автоматизации, такая система должна предоставлять пользователю возможность дистанционного управления системой, созданием автоматических алгоритмов поведения системы и возможность взаимодействия с системой с помощью голоса. Структурный анализ представителей систем «умный дом» показал, что подобные системы состоят из центрального устройства, набора конечных устройств, мобильного приложения.
На основе данного анализа была спроектирована общая архитектура, которая послужила основой создания прототипа системы «умный дом». Каждый компонент системы имеет свое уникальное назначение. Центральное устройство исполняет роль менеджера, то есть контролирует взаимодействие всех компонентов системы и управляет ими. Конечные устройства являются базой всей системы, именно они и позволяют взаимодействовать с окружающей средой, получать разные данные о ее состоянии.
Система «умного» дома является комплексной и распределенной. Этот фактор приводит к возможному взаимодействию с системой на трех различных уровнях: физическом, посредством мобильного приложения и голосовом. Данный опыт взаимодействия также важен в концептуальном понимании системы, он значительно отличает систему «умного» дома от других информационных систем, бытовых устройств.
В результате были получены представления о современной системе домашней автоматизации. Подавляющая часть таких систем имеет в основе дистанционное управление бытовыми приборами. Однако развитие таких систем дополняло их различным «умным» функционалом, например, системой сценариев или голосовым ассистентом.
В конечном итоге развитие таких систем отошло от простого дистанционного управления к повышению качества жизни. Это возможно благодаря автоматизации протеканию бытовых процессов, постоянному сбору данных о состоянии системы и окружающей среды. Дальнейшая интеллектуальная обработка этих данных позволяет полезно их использовать, что ведет как к экономии ресурсов, так и к повышению безопасности.
Система «умного» дома на текущий момент имеет трудности в развитии, ввиду новизны и дороговизны технологии. Далеко не все потенциальные пользователи могут приобрести комплексный набор, чтобы начать пользоваться такими системами уже сейчас. А покупка отдельно взятых «умных» устройств не дает полного представления о таких системах и может оставлять негативный отпечаток о полезности таких устройств. Однако динамика роста рынка и различные программы помощи со стороны государства позволяют говорить об оптимистичном будущем данной технологии. Такие системы станут ячейками в рамках «умных» город.
Подобные работы
- Разработка системы автоматизации дома
Бакалаврская работа, информационные системы. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2016 - Разработка системы управления предприятия специализирующегося на комплексной автоматизации жилых помещений
Дипломные работы, ВКР, менеджмент. Язык работы: Русский. Цена: 4280 р. Год сдачи: 2017 - «Разработка системы управления предприятия специализирующегося на комплексной автоматизации жилых помещений»
Дипломные работы, ВКР, менеджмент. Язык работы: Русский. Цена: 4800 р. Год сдачи: 2017