Тема: РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ»
Характеристики работы
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
1 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ 13
1.1 Описание систем и элементов входящих в схему 13
1.1.1 Элементы, находящиеся вне дома 13
1.1.2 Элементы, находящиеся внутри дома 14
1.2 Функциональная схема 16
1.3 Требования к воротам и элементам вне дома 19
1.4 Требования к остальным элементам внутри дома 20
2 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ОТКАТНЫХ ВОРОТ 23
2.1 Исходные данные для расчета 23
2.2 Расчет моментов статических сопротивлений и предварительный
расчет мощности электродвигателя 24
2.2.1 Нагрузочные диаграммы скорости РО 24
2.2.2 Нагрузочные диаграммы моментов РО 26
2.2.3 Расчет мощности двигателя 29
2.3 Выбор двигателя 30
2.4 Выбор редуктора 31
2.5 Приведение статических моментов и моментов инерции к валу
двигателя 32
2.6 Предварительная проверка двигателя по нагреву и
производительности 37
2.7 Расчет и построение графиков статических нагрузок 39
2.8 Построение временных диаграмм переходных процессов 42
2.9 Расчет интегральных показателей 43
2.9.1 Проверка по нагреву двигателя 43
2.9.2 Проверка по нагреву и условие выбора преобразователя 44
3 ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ 45
3.1 Выбор преобразователя частоты 45
3.2 Выбор автоматического выключателя 46
3.3 Выбор основного контроллера 47
3.4 Выбор дополнительного контроллера 50
3.5 Устройство связи 52
3.6 Выбор необходимых датчиков 54
3.6.1 Датчик положения ворот 54
3.6.2 Датчик препятствия 54
3.6.3 RFID считыватель 55
3.6.4 Датчики обнаружения движения в помещении 56
3.6.5 Сенсорный датчик 57
3.7 GSM модуль 58
3.8 Музыкальный модуль для сигнализации 59
3.9 Выбор диммеров для регулирования яркости освещения 59
3.10 Выбор электронного реле 61
3.11 Драйвер для управления приводом жалюзи 62
3.12 Выбор блоков питания 63
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ 65
5 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 71
5.1 Принципиальная схема «ворота» 71
5.2 Принципиальная схема «внутри дома» 73
6 ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 76
6.1 Принцип работы устройств и среда разработки 76
6.2 Описание кода программы для ESP8266 78
6.3 Описание кода программы для ATmega2560 80
6.4 Описание кода программы для ATmega328 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 84
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 97
ПРИЛОЖЕНИЕ В 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 110
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 111
📖 Аннотация
📖 Введение
Основой и первыми шагами для автоматизации дома стало появление в начале двадцатого столетия электрических приборов для упрощения выполнения бытовых задач (пылесос, холодильник, утюг с регулятором температуры, микроволновая печь и т.д.). А первые попытки создать домашнюю автоматизацию в современном понимании были проведены в середине двадцатого века. Самым ярким примером стал «Кнопочный дом», разработанный американским инженером Эмилем Матиасом в 1950 году. О нем и его доме в этом же году вышла статья в популярном журнале тех времен «Popular Mechanics». Его система была создана для конкретного 6-тикомнатного дома, где при помощи кнопок можно было управлять дверьми гаража, включать и выключать радио дистанционно и т.д. Кроме этого присутствовала система сигнализации. Вся проводка и исполнительные механизмы были расположены внутри стен дома.
Но вот официальным годом создания системы «Умного дома» и рождением самого термина является 1975 год. Событием, которое поспособствовало этому стала разработка первого стандартизированного решения для управления домашними устройствами от компании Pico Electronics. Этот стандарт разработчики именовали как X10. Для передачи и принятия сигналов в нём использовалась обычная электрическая сеть. Но также инженеры смогли предусмотреть и беспроводное управление при помощи радиочастоты. Инновация компании позволяла включать и выключать электрические приборы, менять яркость освещения, получать информацию о состоянии приборов. Для управления системой были сконструированы специальные пульты.
Данная система получила широкое распространение и множество положительных отзывов благодаря простоте установке и низкой цене. [1]
От начала двадцать первого века и по сегодняшний день технологии для создания «Умных домов» развиваются весьма быстрыми темпами. Уже существуют такие системы, как например: управление любой электрической нагрузкой в доме благодаря умным розеткам; управление освещением; домофонная система; охрана и сигнализация аварийных ситуаций (пожар, утечка газа, утечка воды и т. д.); системы с различными датчиками, которые могут отследить состав и температуру воздуха в комнате и на основе этих данных сформировать управляющее воздействие на нагреватель, вентиляцию, либо увлажнитель. Большинство готовых структур для дома имеют возможность управления с мобильного устройства, что делает их весьма удобными, так как современный человек привык к тому, что вся необходимая информация и функции находятся под рукой. А когда с помощью несложных команд от привычного всем устройства (смартфона) можно менять окружающую обстановку - это во много раз захватывающе, даже для привыкшего к чудесам техники, современного человека.
Существует множество готовых решений для задач разной сложности, но с возникновением идеи внедрения умных технологий в свой дом, каждый столкнётся с такой основной проблемой как цена и большое разнообразие. Разнообразие «умных» устройств проще рассматривать приведя их классификацию по основным явно выраженным признакам. Системы бывают:
- проводные,
- беспроводные,
- централизованные,
- децентрализованные.
В проводных системах все сигналы от устройства к устройству поступают по металлическим проводникам.
К достоинствам данного типа связи можно отнести: надежность (каждый сигнал подаётся отдельным проводом и возникновение ошибки исключено), быстрота отклика системы (не нуждается в затрачивании времени на обработку), долгий срок эксплуатации (не имеет аккумуляторов), интегрирование (в проводные системы легче интегрировать другие устройства). А недостатками могут стать: проектирование (чертежи и схемы для монтажа), прокладка проводов (прокладка должна осуществляться на стадии строительства или капитального ремонта, чтобы скрыть проводку), потребность в щите (в щите располагаются все устройства и жгут проводов), монтаж (расключение проводов по схеме).
В беспроводных системах устройства связаны между собой радиоканалом, а не проводами. На определенной частоте происходит обмен пакетами данных, которые посылаются ведущими и считываются ведомыми устройствами. Основные достоинства: уменьшение количества проводов, не обязательно внедрение на стадии ремонта (можно устанавливать в готовый интерьер), не нужен проект. Недостатки: радиоканал (связь может быть плохой из-за преград или расстояний), питание (для поддержания сигнала радиосвязи устройство должно иметь свой источник питания, и если это батарейки, то они нуждаются в регулярной замене), частота работы (беспроводные приборы в доме должны передавать пакеты данных на разных частотах, иначе на одной и той же частоте может возникнуть «зашумленность» и, как следствие, некорректная работа. В многоквартирных домах этот фактор значительно выше, т.к. в эфире радиочастот могут быть соседние аналогичные устройства умного дома или другая техника).
Централизованный умный дом имеет один центральный программируемый модуль с множеством входов и выходов. Централизованными могут быть как проводные, так и беспроводные системы. К достоинствам относятся : управление всеми приборами и мониторинг с одного интерфейса, возможность создавать сложные сценарии (как правило центральные модули имеет большой ресурс памяти и вычислительной способности).
Недостатки: программный код (имеет большой объём и могут быть ошибки из- за человеческого фактора), надежность (если контроллер выйдет из строя, то перестанет работать вся система).
В децентрализованных конфигурациях все элементы имеют свой микроконтроллер и соответствующую программу. Достоинства: надежность (при выходе из строя одного модуля, все остальные остаются работать), «гибкость» (распределенные элементы могут легко добавляться и удаляться из общей структуры), большой выбор интерфейсов для управления, популярность. Недостатки: громоздкость (из-за большого числа устройств). [2]
Для сравнения доступных функции, технологий и цен возьмём несколько производителей современного оборудования для дома.
Например, неизвестный производитель предлагает стартовый комплект системы удаленного управления двумя розетками под названием Switching Lite. В эту систему входят: центральный контроллер и два накладных реле, которые подключаются в евророзетку. Управление осуществляется со смартфона. За этот комплект оборудования придется заплатить 15 тыс. рублей. Для расширения у продавца есть достаточно большой выбор диммеров для розеток и освещения, различные датчики и т.д. Но за всё это необходимо доплачивать.
Следующий - центр управления Rubetek СС1. Очень продуманная система с множеством интерфейсов для связи. Головной контроллер собирает информацию с устройств и оповещает владельца обо всем, что происходит в доме с помощью смс и push уведомлений. Цена одного контроллера 8 тыс. руб. Средняя цена на различное дополнительное оборудование, датчики, реле и т.д. - 1300 руб. за один модуль.
Самым бюджетным и наиболее интересным станет Mi Smart Home Multifunction Gateway 2 от популярного китайского бренда Xiaomi. Как и во всех современных системах имеет контроллер для связи с остальным оборудованием, который стоит порядка 2500 руб. К этому контроллеру пользователь, как и в предыдущих вариантах подключается со смартфона.
Затем нужно приобрести стартовый набор датчиков и реле, который обойдется в 5000 руб. Итого мы имеем: контроллер, который подключается к домашнему роутеру, датчик движения, датчик положения входной двери, и пару выключателей нагрузки. А также хорошее исполнение, совмещающее качество сборки, функциональность и приятную цену.
В разрабатываемом проекте будут использованы схожие технологии как в готовых коммерческих предложениях от известных производителей. Но данный проект ориентирован на использование модульной электроники, предназначенной для широкого применения, с её помощью разработчики могут создавать любые проекты, связанные с автоматизацией, прототипы приборов различного уровня сложности. Модули не имеют готового корпуса, «прошивки» или источника питания, а лишь плату с распаянными элементами. Преимущество таких модулей, опять же - цена и общая доступность, как самих модулей, так и программного обеспечения к ним. Разработанное устройство сможет легко повторить даже начинающий изучение микроконтроллеров и электроники человек. Использование в платах микроконтроллеров известных производителей гарантирует надежность работы таких устройств. Ещё одним преимуществом данных модулей для свободной разработки является то, что они используют стандартные интерфейсы для общения между устройствами.
✅ Заключение
В ходе работы были выполнены следующие задачи: рассчитаны моменты статических сопротивлений и выполнен предварительный расчет мощности двигателя. По результатам предварительного расчета мощности был выбран асинхронный двигатель A71A2 мощностью 750 Вт и планетарным редуктором ЗП-25, с передаточный числом 25. Были приведены статические моменты и моменты инерции к валу двигателя, выполнена предварительная проверка электродвигателя по нагреву и производительности. Выбран преобразователь частоты ZW-AT1-1500W. Построены статические характеристики двигателя, а также переходные процессы.
Разработана система автоматизации, построена функциональная схема, определены входные и выходные параметры, построены схемы алгоритма, произведен выбор основных элементов схемы и выполнены принципиальные электрические схемы.
Большая часть затраченного в процессе проектирования времени пришлась на написание и отладку программного кода. Получилось три программы для микроконтроллеров, плюс невошедшее в текстовую часть работы программирование визуального интерфейса с применением языков для вёрстки сайтов. Для написания интерфейса использовались языки html, js, css. Вешний вид интерфейса представлен в приложении Д.



