Понятие «Умный дом» подразумевает под собой систему, которая обеспечивает взаимодействие климатического оборудования, бытовой электроники, освещения и перемещения, которые призваны повысить уровень энергосбережения, безопасности и комфорт в доме.
Технология «Умный дом» позволят пользователю выполнять следующие задачи: дистанционно управлять электроникой и электрикой в своем доме находясь в любой точке мира, настраивать свои бытовые прибору под любую сложившуюся ситуацию, управлять бытовой электроникой с помощью голосовых команд.
Функциональные датчики автоматизации являются основой любой системы «Умный дом». Независимо от индивидуальных требований заказчика и перечня задач, которые должна решать система в целом, именно датчики обеспечивают необходимую степень автоматизации и передают другим устройствам сигнал о необходимости включения или выключения в определенный момент. Правильный выбор данных приборов становится основой работоспособности и функциональности «Умного дома».
Датчики автоматизации представляют собой конструктивно автономное самостоятельное устройство, изменяющее свой сигнал соответственно отслеживаемому параметру.
Датчики размещаются непосредственно в месте отбора информации и выполняют функцию первичного преобразователя измеряемой величины в электромагнитную или электрическую. И после этого полученные значения передаются далее, сообщая сигнал оборудованию о совершении действия.
На разработку создания сенсорных сетей ушел не один десяток лет. Первые упоминания пришлись примерно на 50-е годы в Соединенных Штатах Америки во время холодной войны. Именно в этот момент была разработана первая сеть для мониторинга подводных лодок противника.
Более подробно изучать сенсорные сети начали в 80-90-х годах многие мировые университеты и компании. В этот период на мировых рынках начала появляться доступная элементная база для разработки сенсорных сетей.
В 2000-х годах стали разрабатываться стандарты, новые технологии передачи данных, а так же алгоритмы взаимосвязи узлов в сети.
С развитием этой отрасли начало увеличиваться количество практических задач, связанных с применением сенсорных сетей, которые находят своё применение практически во всех областях жизни человека. В связи с этим, история сенсорных сетей не заканчивается, а продолжает развиваться по сей день.
В настоящее время беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в мире. Распространение подобных систем обусловлено широкими
возможностями их применения.
Беспроводные сенсорные сети обладают такими способностями, как самоорганизация, автономность и высокая отказоустойчивость. Из-за этого такие сети применяют в медицине, в аэрокосмических системах, в военной области. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.
Актуальность выпускной квалификационной работы заключается в повышении эффективности информационного обеспечения беспроводных систем за счет применения современного аппаратного обеспечения с упором на российскую элементную базу.
Целью выпускной квалификационной работы является повышение уровня импортозамещения в российском приборостроении за счет разработки беспроводного цифрового датчика измерения температуры.
Основные задачи выпускной квалификационной работы:
• изучение существующих сенсорных сетей, методов измерения физических величин - температуры, структурных схем и перспективных разработок в области мультисенсорных беспроводных измерительных систем;
•
температуры;
• разработка структурной схемы беспроводного цифрового датчика температуры;
• провести выбор аппаратного обеспечения для беспроводного
цифрового датчика температуры;
• разработка электрической принципиальной схемы беспроводного цифрового датчика температуры;
• разработка метрологического обеспечения беспроводного цифрового датчика температуры: методики выполнения измерений, методики поверки и расчет основной систематической погрешности измерительного канала;
• разработка программного обеспечения обмена данными с микроконтроллером.
Результатом выпускной квалификационной работы является разработанный проект цифрового устройства для измерения температуры с передачей параметров по беспроводному интерфейсу Bluetooth. Диапазон измеряемых температур достаточно велик: от -25 до +145 °С, поэтому разработанное устройства может функционировать, как в помещении, так и на открытом воздухе.
Аналитический обзор является первым и достаточно важным шагом к разработке устройства. Обзор позволяет оценить, что было изучено автором для полного раскрытия главных вопросов, поставленных для решения задачи, в нашем случае для задач, необходимых для разработки устройства.
Таким образом, был проведен обзор сенсорной системы Умный дом, были изучены методы измерения температуры, рассмотрена структурная схема цифрового измерительного устройства с описанием каждого блока схемы, классификация источников питания, основные задачи и преимущества системы. Так же были изучены структура сигма-дельта АЦП, структурные и функциональные схемы сигма-дельта АЦП, был рассмотрен пример реализации данного типа аналого-цифрового преобразователя. Были изучены критерии для выбора беспроводного интерфейса передачи данных. И в результате был выбран и описан наиболее распространенный и подходящий стандарт беспроводной передачи данных Bluetooth. Так же были рассмотрены перспективы в разработке мультисенсорных измерительных систем с двумя реальными примерами их реализации.
На следующем этапе была разработана функциональная схема цифрового датчика температуры. Функциональная схема разъясняет процессы, которые протекают в каждых функциональных цепях разрабатываемого устройства.
Исходя из поставленных требований, был произведен выбор аппаратного обеспечения: в качестве первичного измерителя температуры выбран датчик температуры К1019ЧТ1; микроконтроллер российской электротехнической компании «Меандр» на базе процессорного ядра ARMCortex-M0 1986ВЕ4У; в качестве устройства беспроводной передачи был выбран модуль российского производителя «Навиа» - Модуль BT-04A.
На основе разработанной функциональной схемы устройства и выбранного аппаратного обеспечения была разработана схема электрическая принципиальная с полным ее описанием.
Метрологическое обеспечение цифрового измерительного устройства является важным требованием при его разработке. Метрологическое обеспечение позволяет обеспечить единство измерений.
На данном этапе была рассчитана полная систематическая погрешность измерительного канала: Л=0,6 о С. А так же разработана методика выполнения измерения в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009 и методика поверки . в соответствии с требованиями МИ 1202-86.
Программное обеспечение, наряду с вышеперечисленными требованиями для разработки устройства является важнейшей составляющей информационных технологий. Программное обеспечение представляет собой алгоритм, выполненный в виде последовательности инструкций для процессора.
Завершающим этапом выпускной квалификационной работы была разработана архитектура программного обеспечения для беспроводного цифрового датчика температуры.
Таким образом, в ходе выполнения выпускной квалификационной работы все поставленные задачи были выполнены.
