Система умный дом на микроконтроллере: Умный дом — дешево и сердито / Хабр

Умный дом — дешево и сердито / Хабр

Всю свою сознательную жизнь мечтал сделать если уж не весь мир, то хотя бы свое собственное жилище похожим на дома из фантастических фильмов. Чтобы, заходя после тяжелого трудового дня домой, мне заботливо включали свет, вежливо здоровались, сообщали о происшествиях, а на выходе предупреждали о погоде за бортом и закрывали за мной дверь. Чтобы мне не приходилось идти, запинаясь, в темноте к кровати, а можно было бы лечь, и только потом выключить свет со своего гаджета, который всегда под рукой.

На хабре уже полным полно статей о реализации подобного, чем же моя будет отличаться? Меня задушила жаба. Я не захотел покупать законченные устройства, это дорого и не интересно, было принято решение делать все самому.

На данный момент мой умный дом полностью закончен: серверная часть, web-интерфейс, приложение с виджетами под Android, контроллеры, датчики и исполнительные устройства, алгоритмы, даже собственный скриптовый язык программирования для них.

Но для начала я бы хотел вам рассказать про аппаратную часть «рабочей лошадки» дома – RC-2(room controller). Я давно пишу прошивки под AVR МК, поэтому в качестве мозга нашего контроллера будет известная Atmega 8-16PU, которая есть во всех магазинах радиодеталей. Да, ее старший брат используется в уже надоевшей всем Arduino Uno, но мы будем держаться от нее подальше.

Чего мы хотим?

А теперь определим требования к нашей лошадке: контроллеры должны стоять в каждой комнате и иметь связь с сервером, работать от напряжения питания 7-40 вольт, иметь возможность подключения датчиков температуры и влажности, всевозможных датчиков и кнопок типа «сухой контакт» (герконов, кнопок, датчиков движения), возможность управлять внешними устройствами, способность делать простейшие действия без участия сервера (включать свет по кнопке, датчику движения, геркону).

Теперь пройдемся по требованиям и выберем средства, способные обеспечить выполнение этих требований:

• Связь с сервером. Ethernet – сложно и много проводов (от свитча до каждого из контроллеров), Bluetooth, WiFi и другие беспроводные – сложно и дорого. Вспомним о старой доброй шине RS-485 и будем использовать ее.
• Логика у нас 5 вольтовая, нужен преобразователь. Будем использовать простой и очень эффективный блок питания на импульсном регуляторе LM2576 (схема есть в даташите на первой же странице)
• Всевозможные датчики? Atmega8 имеет на борту все что нужно: АЦП, дискретные входы, есть даже встроенные резисторы подтяжки. Реализуем поддержку шины 1-Wire на одной из ножек для общения с датчиками (тем же самым DHT11).
• Управление внешними устройствами? Опять же, имеем дискретные выходы и ШИМы на МК.

Молчи – за умного сойдешь

На шине RS-485 должен быть один мастер, который будет опрашивать подключенные к шине наши умные контроллеры по очереди. В один момент времени говорит один, остальные слушают. Контроллеры отвечают строго только на запрос мастера, сам по себе никто ничего не говорит, иначе будут коллизии, и никто ничего не поймет. Все строго.

Обмен данными в шине полудуплексный, то есть в один момент времени устройство может либо передавать, либо принимать данные.

Для работы с шиной будем использовать микросхему MAX485, плюс UART самой Atmega8.

С ней все просто: на 2 и 3 ножке логическая единица – передаем, ноль – слушаем. После переключения этих режимов важно подождать пока завершатся переходные процессы, где-то пол миллисекунды, прежде чем передавать/принимать.

Что получается?

Разведенная схемка выглядит так:

Готовый контроллер:

В ближайшем радиомагазине все это стоит:

• Atmega8-16PU — 130р
• MAX485 — 60р
• LM2576 — 60р
• Рассыпуха(текстолит, резисторы, диоды, конденсаторы, кварц, клемники) – 150р

Итого = 400р.

Получилось дешево и сердито. Протокол общения устройство-сервер бинарный, с контрольной суммой. Контроллер дергает лапками по команде сервера, в ответ на запрос состояния посылает массив состояний своих входов, выходов, АЦП и то, что удалось получить по 1-Wire. Без сервера умеет включать свет по кнопке, переключателю, датчику движения.

Если кто захочет посмотреть мой RC-2, или даже использовать у себя – опишу подробно протокол общения его с сервером и отдам схемы и прошивку.

Умный дом на микроконтроллере ATMEGA1280 часть-1 / Умный дом / Сообщество EasyElectronics.ru

Как то встала передо мной задача, прикрутить вот к такой железке как ATMEGA1280

Вот таких 18 штук модулей. Модули сбора данных ICPCON.

Вот таких 4 графические панели WEINTEK.

Модем JSM CINTERION.

И контроллер доступа, также ядром которого является ATMEGA1280. Контроллер доступа правда еще в процессе разработки.

Ну начнем с модулей ICPCON. Что это и как работает?

Что представляет из себя данное изделие? Сердцем является микроконтроллер. Какой нибудь там MOTOROLLA или другой какой, не суть. Вокруг него есть необходимая обвязка. В итоге в данном модуле получаем 7 цифровых входов и 8 цифровых выходов. Видов и вариантов этих модулей вагон и маленькая тележка. Есть c:
1. Только цифровые входы.
2. Только цифровые выходы.
3. С релейными выходами.
4. С аналоговыми входами
5. С аналоговыми выходами.

6. Температурные модули.
7. Измеряющие частоту.
8. И еще куча всего…
Вот можно глянуть здесь все варианты. www.ipc2u.ru

Внутри вот такой фарш:

И дальше такой:

Сам модуль ничего делать не может. Он только лишь принимает управляющие команды откуда нибудь. А откуда? А отсюда:

1. С компьютера.
Обычно стоит какой нибудь сервак с кучей COM портов. На этом серваке стоит программа верхнего уровня. Например MasterScada или еще какая. Ну и управляет этими модулями.

2. С промышленного контроллера PLC. Весь алгоритм прописывается уже в контроллере.

3. С любого другого самопального устройства. Хоть с Attiny2313. Но в нашем случае я выбрал Atmega1280. Об этом варианте пойдет речь и дальше.

Данные модули ICPCON взаимодействуют с внешним миром только через RS485 интерфейс. По другому а никак (есть отдельная серия на ETHERNET и оптоволокно). Старый добрый, промышленный интерфейс RS485 поддерживает длину линии до 1200 метров. Можно больше если скорость передачи данных поубавить. Но это уже не в рамках спецификации этого интерфейса. Интерфейс полудуплексный, всего два провода, витая пара. Это в идеале. А в реали порой по другому бывает. Часто бывает, что уже существуют проложенные древние кабели между зданиями и надо как то по ним все запустить. И эти кабели порой не витая пара. И вообще бывает это в принципе разные огрызки кабелей. И линия порой состоит из таких огрызков. В идеале так быть не должно. Но это в идеале. А наш мир не такой. Ну и максимальная скорость у этих модулей 115200 кбит/с. Стоит такая железка около 80 баксов. Много или мало не знаю. Это как для кого. Есть аналогичные модули ADAM, NUDAM, может еще какие есть. Все это шлепается в Китае.

Протокол взаимодействия этих модулей с верхним уровнем DCON. Есть еще на MODBUS, CAN. Но я работал только с DCON модулями.

Итак получается такая картина. У нас есть Atmega1280 с 4мя USART и 128 кило памяти. На один USART можно повесить до 255 таких модулей сбора данных, на длину 1.2 км. Ну и эти модули собирают данные с разных датчиков, цифровых, аналоговых. Эти данные по запросу с Atmega1280 передаются в память же ОЗУ Atmega1280. Эти данные анализируются и Atmega1280 выдает команды этим же модулям, например закрыть клапан, включить реле, выключить свет в помещении, открыть магнитный замок, вырубить вентиляцию, поставить здание на охрану, полить ромашки с фиалками, дать корм рыбкам, прозвенеть звонком, что уже конец рабочего дня, пора домой, хватит дрыхнуть, откачать какашки из сточного колодца… и вагон всего другого. Так что применяются они для автоматизации и контроля разных технологических процессов и не только. Если фантазия есть и деньги, то можно применить и на даче. Например замутить типа умный дом там с сигнализацией, контроль отопления, охрана капусты на огороде от кражи ночью алкашами, замер влажности в теплице и кучу всего. В итоге открываете свой гнилой сарай с дровами на даче, а там такой замес стоит:

который и контролирует все в ваших владениях.

А где нибудь на летней кухне стоит это.

Эти модули оказываются довольно живучие. Однажды молния ударила в землю возле одного большого здания. Много какой электроники погорело, но модули остались живы. Питание у них от 10 до 30 вольт DC. Выход открытый коллектор, держит 30 мА, в некоторых модулях 100 мА. В личных целях понятно, что такие глобальные масштабы ни к чему. Но побаловаться придумать можно много чего. Так что привинтить такой модуль к любому микроконтроллеру не сложно. Так же в модулях есть двойной сторожевой таймер (не во всех моделях двойной). Первый, если сам модуль завис, то происходит авто сброс. Второй более хитрый. Модуль постоянно ожидает определенную команду с верхнего уровня. Если она пропала, значит верхний уровень либо сдох, либо сгорел, либо завис, либо его украли. Тогда модуль переводит состояние своих выходов в определенное состояние, безопасное для оборудования которым он управляет.

Как выше уже говорилось, протокол обмена данными с внешним миром DCON. Этот протокол ASCII символьный.

Модуль поддерживает довольно много разных команд этого протокола. Но для работы в системе реально всего нужны 1, 2 команды и все. Перед тем как начинать опрашивать модуль, ему нужно выставить рабочую скорость в линии и адрес. Это делается единожды. настройки сохраняются в ЕЕПРОМ модуля. Для данных настроек тоже есть определенные команды протокола DCON. Либо ставим специальную утилиту на комп и с него настраиваем модуль. То что будет написано уже в следующей статье будет относится к модулю на фото. Это ICPCON 7050D. Кажется что, он один из самых ходовых.

Ну и вот ядро всей системы

Ясен перец что прямо к самой микросхеме ничего не припаять. Посидел и придумал вот такую обвязку

А вот обвязка в реализации.

Саму плату мне сфорганили на заводе в резоните. Это здесь
Там же впаяли саму Atmega1280. Остальное уже сам впаивал вручную. За день три таких контроллера запаял. Как видно на плате 5 СОМ портов. Хотя у этой атмеги всего 4 USART. Просто 5й порт можно реализовать только программно. Благо он мне не понадобился. Дисплей не особо нужен для системы, так как 4 панели есть. Но он был поэтому и вставил. На него можно разную информацию вывести при необходимости. Потом во время проекта он мне все таки пригодился. Сверху светодиоды для индикации разных процессов, происходящих внутри ATmega. В частности при передаче или получении данных от внешнего оборудования эти диоды подмигивают. Это зверски удобно при отладке. На плате так же есть 8 кнопок, но они так и не пригодились. Поэтому они пока пустышки. В итоге получилось что на:

USART0 посадил 18 модулей ICPCON.
USART1 посадил 4 панели WEINTEK
USART2 посадил модем для отправки смс сообщений персоналу.
USART3 туда еще сядет в будущем контроллер доступа в здание, на 16 дверей. Тоже будет самопальный на такой же Atmega1280.

Итого получилось что Atmega1280 общается с модулями ICPCON по протоколу DCON. С панелями по протоколу MODBUS. С модемом общается с помощью AT команд. Ну это тоже такой протокол. С будущим контроллером доступа будет общаться по MODBUS.

В итоге было сперва так.

и вот так.

Сейчас уже так.

Когда все тестировал было так.

Вот видео теста настольной сборки. Качество видео ужасное, потому что снимал на фотик. И там еще в видео у меня косяк возник. Не пришла смс на мобилу. Где то был косяк в коде. Ну что ж вы хотели, отладка ведь.

Видео здесь.

Вот процессор под микроскопом.

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Электроника НТБ

Рынок технологий «умного дома»

Развитие технологий «умного дома» началось 20 лет назад – в середине 1990-х годов. Сегодня аналитические компании, выполняющие маркетинговые исследования в этой области, единодушно оценивают этот рынок (с учетом продаж аппаратуры, услуг и установки) как быстро развивающийся. Если в 2014 году, по данным компании HIS Technology, доля «умных домов» в мире не превышала 1%, то к 2018 году этот показатель увеличится в три-четыре раза, и к этому времени будет установлено 45 млн. таких домов. Правда, стои­мостная оценка рынка варьируется от 12 млрд. долл. в 2018 году (HIS Technology) до 71 млрд. долл. (Juniper Research – английская компания, изу­чающая развитие средств телекоммуникации и их применения).

К 2020 году, согласно прогнозам компании Allied Market Research, мировой рынок «умных домов» и зданий достигнет 35,3 млрд. долл. (среднегодовые темпы роста за 2014–2020 годы – 29,5%). Его развитие частично стимулирует рост спроса на планшетные компьютеры, которые приверженцы принципа «сделай сам» (Do It Yourself, DIY) широко используют как эффективное средство реализации «умного дома». Снижение цен на устройства «умного дома», внимание и обеспокоенность потребителей относительно состояния окружающей среды и безо­пасности также способствуют увеличению объема их продаж [10].

Согласно оценкам шведской компании Berg Insight, специализирующейся в области маркетинговых исследований систем межмашинного взаимодействия и Интернета вещей, наиболее широкое распространение «умные дома» получили в Северной Америке. К концу 2012 года в этом регионе их было установлено 3,5 млн. Из них 0,7 млн. представляли собой многофункциональные системы или системы полного обслуживания дома, тогда как 2,8 млн. – выполняли только какую-либо конкретную функцию, например контроль климата или охраны. Поскольку в доме могут использоваться несколько «умных технологий», указанное число установленных систем соответствует наличию ∼2,9 млн. «умных домов» в рассматриваемом регионе. В 2012 году рынок систем «умного дома» в стоимостном выражении составлял 1,6 млрд. долл. За период 2012–2017 годов, по прогнозам Berg, их число в Северной Америке возрастет до 31,4 млн. (совокупный среднегодовой темп роста, CAGR – 55%) и объем продаж составит 9,4 млрд. долл. (CAGR – 42%).

Европейский рынок систем «умного дома» пока только начал формироваться и отстает от американского примерно на три года. К концу 2012 года в 29 странах Европейского союза было установлено 1,06 млн. таких систем, из них 0,15 млн. представляли собой многофункциональные устройства, а остальные 0,91 млн. – однофункцио­нальные. Продажи составили 0,52 млрд. долл. (0,39 млрд. евро). К 2017 году число установленных систем в странах Европейского союза достигнет 17,4 млн. (CAGR – 56%), объем продаж – 3,4 млрд. долл. (2,6 млрд. евро) при CAGR 46% [11].

Система «умного дома» состоит из разнообразных аппаратных и программных средств. В 2014 году многие гиганты, производящие бытовую технику, объявили о своем желании занять ниши разви­вающегося рынка относительно недорогих приборов и систем «умного дома». Однако они испытывают конкуренцию со стороны операторов телекоммуникационных услуг, поставщиков средств охраны, электронных приборов и программного обеспечения, а также энергокомпаний. Это привело к формированию сложной экосистемы, в которую вошли поставщики таких систем и платформ умного дома. Помимо традиционных поставщиков систем полного обслуживания дома – Crestron, Control4, Gira и Jung – на рынке появились новые крупные изготовители таких систем – Vivint, ADT, Comcast и Vera Controls в Северной Америке и eQ-3 и SFR в Европе. Комплектное оборудование для систем «умного дома» поставляют такие промышленные лидеры, как Honeywell, Whirlpool, ASSA ABLOY, Somfy, Philips и Sony. Требование обеспечения взаимосвязи компонентов системы привело к появлению приборов нового типа и пересмотру проектов таких устройств, как системы охраны и интеллектуальные термостаты. В результате на рынок вышли компании D-Link, Sonos, Belkin, Ecobee, Nest и Numera. Ведущие поставщики программного обеспечения систем умного дома – iControl, Alarm.com и AlertMe. Но они начали испытывать конкуренцию со стороны таких крупных компаний, как Arris, Amdocs и Technicolor.

Принять участие в гонке решили и постав­ляющие альтернативное программное обеспечение компании Apple и Google. В январе 2014 года Google объявила о заключении соглашения на приобретение за 3,2 млрд. долл. компании Nest Labs [12], создавшей популярный самообучающийся термостат Nest Learning Thermostat, автоматически регулирующий расход электроэнергии в зависимости от изменения внешних условий среды. В конце года владельцы термостата уже могли управлять им с помощью речевых команд, используя смартфоны с ОС iOS или Android. Google также ведет разработки домашних систем охраны [13].

Apple работает над созданием платформы программного обеспечения для системы управления устройствами «умного дома» и ведет переговоры с группой ритейлеров по использованию ее в их приборах. По горячим следам тенденции формирования «умных домов» компания в начале 2015 года объявила о создании системы HomeKit с ОС iOS 8, язык которой понимают приборы «умного дома» любого изготовителя. Система HomeKit поддерживает интеллектуальный персональный помощник и вопросно-ответную систему Siri, обрабатывающую естественную речь. На выставке бытовой электроники CES 2015 были представлены разнообразные совместимые с HomeKit изделия – от интеллектуальных систем регулировки водоснабжения до интеллектуальных дверных замков [14]. Правда, высказывается опасение, смогут ли такие разработки стимулировать приобретение системы «Умный дом», то есть предлагаемый функционал действительно необходим, или это просто топовый и модный бренд.

Что же собой представляют современные системы «умного дома»?

Основные требования к системе «Умный дом»

В сущности, «умный дом» должен соответствовать образу жизни хозяев. Он устроен так, что все коммунальные системы (водоснабжения, энергообеспечения, вентиляции, кондиционирования, отопления и прочие) работают в комплексе и подчинены одной цели – обеспечить жильцам максимальный комфорт и защищенность. Система «Умный дом» должна включать в себя следующие объекты автоматизации:

управление всей домовой инфраструктурой, включая освещение, водоснабжение и прочее;

централизованное управление системами безо­пасности и охранно-пожарной сигнализации, в том числе контроль доступа, нагрузок и аварийных состояний;

климат-контроль, включая управление системой вентиляции и кондиционирования;

управление связью и компьютерной сетью, включая беспроводную;

управление аудиовизуальной и развлекательной бытовой техникой;

средства медицинской помощи и мониторинга активности в доме.

Функции общего текущего контроля данных и регулирования системы «Умный дом» выполняет специальный автоматизированный интеллек­туальный электронный блок управления встроенными микроконтроллерами, осуществляющими сбор и обработку данных и беспроводную связь с другими компонентами системы. При необходимости с помощью интеллектуального блока можно опускать жалюзи или шторы, включать кондицио­нер или систему отопления, подключать устройства охранно-пожарной сигнализации, а в случае крайней опасности сообщать пользователю об аварийной ситуации и принимать меры по предотвращению ее последствий.

Устройства, необходимые для создания «умного дома», можно объединить в несколько групп (рис.2). При желании можно подключать новые устройства в дополнение к имеющимся.

Элементная база системы «Умный дом»

Выделим основные компоненты централизованной автоматизированной системы «Умный дом», обеспечивающие ее успешное функционирование (рис.3). Наиболее важные и необходимые компоненты системы: управляющая программно-аппаратная платформа, микроконтроллерные исполнительные модули, различные датчики (температуры, освещения, влажности), средства охранно-пожарной сигнализации.

Программно-аппаратная платформа
управления системой

Перспективным электронным блоком управления системой «Умный дом» считается программно-аппаратная платформа под торговой маркой Arduino – электронная плата со свободным программным обеспечением, выполненная на основе удобных в использовании аппаратных вычислительных устройств и интегрированной среды разработки (Integrated Development Environement, IDE). Базируются платформы Arduino на микроконтроллерах AVR компании Atmel – ATmega328, ATmega168, ATmega2560, ATmega32U4 с тактовой частотой 16 или 8 МГц. В предыдущих версиях применялись микроконтроллеры ATmega8, ATmega1280 и другие. Большинство плат программируются через USB [15].

Особенность Arduino – возможность установления специальных дополнительных плат расширения, так называемых шилдов (shields), подобно слоям бутерброда поверх платформы Arduino для придания ей новых возможностей. Так, существуют платы расширения для подключения к локальной сети (Ethernet Shield), для управления мощными моторами (Motor Shield), для получения координат и времени со спутников GPS (модуль GPS) и многие другие [16].

Выпущено несколько версий базовых платформ Arduino. Одна из последних – плата Arduino UNO R3, сердцем которой является микроконтроллер ATmega16U2 с тактовой частотой 16 МГц. Плата имеет 14 цифровых входов/выходов (шесть из которых – выходы ШИМ), шесть аналоговых входов на постоянный ток 40 мА, флеш-память объемом 32 Кбайт, электрически стираемое программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ) объемом 1 Кбайт и 2-Кбайт СОЗУ. Отличается плата от предыдущих версий наличием конвертера USB-UART [17].

Предлагается также базовая плата Arduino DUE R3 на основе 32-разрядного Cortex M3 процессора AT91SAM3X8E с тактовой частотой 84 МГц. Плата имеет 54 цифровых входа/выхода (14 из которых – выходы ШИМ), 16 аналоговых входа. В отличие от большинства плат Arduino, рабочее напряжение Arduino Due R3 составляет 3,3 В, а не 5 В. На плате установлено два разъема micro-USB: один для отладки, а другой для поддержки функции USB-хост и подключения к контроллеру внешних USB-устройств: мыши, клавиатуры, смартфонов и т. п. [18].

Концепция программирования платформы Arduino

Программирование платформы осуществляется через собственную специальную интегрированную среду разработки IDE, позволяющую составлять управляющие программы (скетчи) для платы. В IDE входят текстовый редактор программного кода, компилятор и модуль для установки новых прошивок платы. Для загрузки программ и установления связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino. IDE написана на языке Java на основе проекта Processing, работает под ОС Windows, Mac OS X и Linux. Язык программирования Ардуино – стандартный C++. Программы, написанные с помощью Arduino, обрабатываются препроцессором, а затем компилируются.

Микроконтроллерный исполнительный модуль

Исполнительные блоки системы «Умный дом» в основном построены на основе микроконтроллеров AVR с RISC-архитектурой, работающих согласованно с дискретным приемопередатчиком или беспроводной системой связи на кристалле [19]. В зависимости от построения системы, сложности программно-аппаратного обеспечения и требуемого форм-фактора ARM-микроконтроллер может быть 8- или 32-разрядным. Более широкие внутренние шины и совершенные периферийные устройства 32-разрядного микроконтроллера обеспечивают более высокое быстродействие системы управления по сравнению с 8-разрядным контроллером. Для приложений с рабочим циклом «ускоренно работай, а потом спи» (Run Fast, Then Sleep, RFTS), применение 32-разрядного устройства обеспечивает более короткий рабочий период и повышенную энергоэффективность.

Программы AVR-микроконтроллеров хранятся во флеш-памяти объемом от 1 до 256 Кбайт. Память данных контроллеров разделена на три части:

регистровую память – 32 регистра общего назначения;

статическую оперативную память (СОЗУ) объемом от 64 байт до 4 Кбайт. Для сохранения данных при отключении питания контроллера возможно применение внешнего СОЗУ объемом до 64 Кбайт;

энергонезависимую память на основе ЭСППЗУ объемом от 64 байт до 4 Кбайт.

Периферия микроконтроллеров AVR включает от трех до 48 линий ввода и вывода, блок поддержки внешних прерываний, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, аналоговые компараторы, 10-разрядный восьмиканальный АЦП, устройство сброса по понижению питания, широтно-импульсные модуляторы. Для связи с внешними устройствами помимо портов ввода/вывода в микроконтроллерах предусмотрены универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART), а также возможность использования последовательных двухпроводных интерфейсов TWI или SPI.

Микроконтроллерные модули должны стоять в каждой комнате, работать от напряжения питания 7–40 В и обеспечивать возможность подключения различных датчиков и кнопок типа «сухой контакт» (герконов, кнопок, датчиков движения). Микроконтроллеры, управляющие внешними устройствами, способны выполнять простейшие действия без участия сервера (включать свет по кнопке, по данным датчика движения, геркона).

Подсистема климат-контроля

Подсистема управления климатом поддерживает и изменяет значения температуры и влажности, а также контролирует циркуляцию свежего воздуха снаружи и внутри помещения. Функции климат-контроля системы «Умный дом» выпол­няются с помощью трех систем: отопления, вентиляции и кондиционирования. Эти инженерные системы в результате интеграции работают как единое целое, создавая комфортные климатические условия в помещении. Работу системы обеспечивает набор разнообразных датчиков, фиксирующих текущее состояние микроклимата в доме (температуру, влажность, наличие дыма, состав и скорость движения воздуха, а при необходимости – освещенности, инсоляции, состояния окон и дверей и т. п.), а также средства управления – переключатели и дисплейные панели. Последние приме­няются для установления требуемого режима работы климатических систем и отображения текущих показателей.

Возможна индивидуальная регулировка микроклимата для каждого жильца дома, за счет условного разделения помещения на зоны, для каждой из которых задается требуемый режим (сценарий) и устанавливаются соответствующие значения управляемых и контролируемых параметров. При необходимости задается порядок изменения параметров во времени. Тот или иной исполняемый подсистемой климат-контроля сценарий для каждой зоны выбирается автоматически (например, в соответствии с датой, днем недели, временем суток, сезоном) или вручную. Кроме того, подсистема управления климатом может контролировать наличие в среде вредных и опасных реагентов: задымленности, угарного газа. Наконец, подсистема должна следить за состоянием оборудования – кондиционеров, котлов, средств отопления и вентиляции.

Данные многочисленных датчиков (например, температуры теплоносителя в системе отопления, мощности, потребляемой тем или иным сегментом теплого пола, состояния вентиляторов и шиберов вентиляционной системы, режимов работы кондиционеров) передаются подключенным к ним локальным контроллерам (регуляторам). Объекты управления системы климат-контроля – инженерные системы, механизмы и устройства, оказы­вающие воздействие на климатические параметры. Основные характеристики объектов с точки зрения управления – коэффициент передачи, инерционность и запаздывание передачи данных.

Подсистема охранно-пожарной сигнализации

Подсистема охранно-пожарной сигнализации – сложный комплекс технических средств, служащих для своевременного обнаружения возгорания и предотвращения несанкционированного проникновения в охраняемую зону. Как правило, устройство охранно-пожарной сигнализации входит в комплекс, объединяющий системы безопасности и инженерные системы здания, обеспечивая достоверной адресной информацией средства оповещения, пожаротушения, дымоудаления, контроля доступа и др. [20].

Каждое устройство охранно-пожарной сигнализации оснащено извещателями, контролирующими различные физические параметры среды. Широко используются пассивные и периметральные активные ИК-извещатели, магнитоконтактные, приборы извещения о разбитом стекле, комбинированные активные устройства. В системах пожарной сигнализации применяются тепловые, дымовые, световые, ионизационные, комбинированные и ручные извещатели.

В зависимости от способов выявления тревоги и формирования сигналов извещатели и системы охранно-пожарной сигнализации подразделяют на следующие типы:

неадресные с фиксированным порогом чувствительности. Извещатели этого типа входят в общий шлейф устройства охранно-пожарной сигнализации. В результате при срабатывании одного из приборов формируется обобщенный сигнал тревоги;

адресные, данные которых содержат адрес прибора охранно-пожарной сигнализации, что позволяет определить зону пожара с точностью до места нахождения извещателя;

адресно-аналоговые – наиболее информативные и совершенные. Текущие значения контроли­руемого параметра вместе с адресом извещатель передает по шлейфу охранно-пожарной сигнализации. Такие устройства используются для раннего обнаружения тревожной ситуации, получения данных о необходимости технического обслуживания приборов вследствие их загрязнения или других факторов. Кроме того, адресно-аналоговые системы позволяют, не прерывая работу подсистемы охранно-пожарной сигнализации, программно изменять фиксированный порог чувствительности извещателя при необходимости его адаптации к условиям эксплуатации.

Подсистема регулировки освещения

Подсистема создает условия комфортного освещения различных помещений «умного дома», исходя из наружной освещенности, потребностей пользователей и других параметров. Модуль регулирования освещенности «умного дома» учитывает типичные значения освещенности при разных условиях (см. табл.).

Система регулировки освещения рассчитана на работу с экономичными источниками света, в основном преимущественно полупроводниковыми светодиодами. В частности, могут использоваться светильники, разработанные с участием одного из авторов [21, 22].

Подключение датчиков к платформе управления системой

Для подключения различных датчиков к модулю Arduino используются имеющиеся в модуле цифровые и аналоговые порты ввода/вывода. В стандартном базовом модуле Arduino 20 контактов ввода-вывода (GPIO) [23]. При необходимости подключения большего набора датчиков в порт ввода-вывода Arduino могут быть включены различные платы расширения.

Проводные решения системы «Умный дом»

Проводные решения предусматривают соединение всех элементов системы «Умный дом», будь то датчики, центральное управляющее устройство, лампа или вентиль батареи, с помощью проводов. Достоинство проводного решения – практически неограниченный функционал: система отличается высокой скоростью работы, надежностью и отличной защищенностью от внешних воздействий. Еще одним немаловажным плюсом является абсолютная независимость в выборе производителей конечного оборудования, поскольку система позволяет интегрировать практически любые устройства.

Рассмотрим примеры датчиков c проводным подключением к управляющему модулю Arduino.

Датчик температуры и влажности DHT11

Цифровой датчик температуры и влажности DHT11 (рис.4) представляет собой составное устройство калиброванного цифрового выходного сигнала, соответствующего контролируемой температуре и влажности (рис.5). Отличается высокой надежностью и долговременной стабильностью работы. Датчик содержит резистивный сенсор влажности и компоненты структуры с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-структуры).

Характеристики датчика DHT11:

диапазон измеряемых температур, °C……. 0–50;

погрешность измерения температуры, °C….. ±2;

диапазон измеряемой влажности, %……. 20–90;

погрешность измерения влажности, %……… ±5;

ток питания

измерения, мА…………………………….. 0,3;

ожидания, мкА…………………………….. 60.

DHT11 взаимодействует с принимающей платформой Arduino по собственному протоколу. Коммуникация – двунаправленная:

микроконтроллер сообщает датчику о готовности считывания показаний, для чего на некоторое время устанавливает сигнальную линию в 0, а затем – в 1;

датчик подтверждает готовность передать данные, для чего в аналогичном порядке устанавливает сигнальную линию в 0, затем – в 1;

после этого датчик посылает микроконтроллеру 5 байт данных. Первые два описывают температуру, следующие два – влажность, последний – контрольную сумму, подтверждающую отсутствие ошибок считывания.

Благодаря тому, что датчик выполняет измерения только по запросу, достигается высокая энергоэффективность: в отсутствие коммуникаций потреб­ляемый ток невелик.

Датчик имеет стандартный трехпроводной интерфейс, может легко подключаться к пассивной плате расширителя (IO Shield) [24].

Датчик интенсивности освещения Bh2750

Bh2750 (рис.6) – микросхема цифрового датчика внешней освещенности со встроенным 16-бит АЦП, подключаемым к I2C-интерфейсу. Датчик напрямую выводит цифровой сигнал без дополнительных расчетов. Его выходной сигнал непосредственно считывается люксметром. Через интерфейс I2C возможен выбор адресов двух ведомых устройств.

Датчик пригоден для измерения интенсивности фар автомобиля, фонарей, фотографических ламп, цифровых фотоаппаратов, настройки ЖК-дисплея и подсветки клавиатуры мобильного телефона [25].

Характеристики датчика Bh2750:

напряжение питания

по постоянному току, В……………………… 3–5;

диапазон измерения, лк………………… 1,1–105;

разрешение, лк………………………….. 1–65535;

рабочая температура, °C………………… –40…85;

ток в режиме ожидания, мкА………………. 0,01;

рассеиваемая мощность, мВт……………….. 260;

интерфейс……………………………………… I2C

размер, мм…………………………… 21 × 16 × 3,3.

Цифровой датчик движения HC-SR501.

Основное назначение датчиков движения – автоматическое включение или отключение нагрузки в заданном интервале времени при появлении движущихся объектов в его зоне чувствительности. Он учитывает также уровень освещенности.

HC-SR501 представляет собой модуль пироэлектрического ИК-датчика движения (Pyroelectric InfraRed sensor, PIR), собранного на основе высокопроизводительной микросхемы обработки сигнала датчика BISS0001 с чувствительным элементом FIR800 (рис.7а). При включении питания модуля в течение 1–2 с формируется изображение комнаты, если после этого в помещении происходит движение, срабатывает устройство сигнализации.

Модуль может работать в двух режимах, устанавливаемых с помощью перемычки:

повторного запуска – H, при котором каждый раз при регистрации движения замер восстанавливается. При срабатывании датчика несколько раз подряд на его выходе (OUT) сохраняется высокий логический уровень;

одиночного запуска – L: после срабатывания и регистрации движения в течение заданного времени датчик отключается, даже если детектор по-прежнему регистрирует данные и на выходе появляется отдельный импульс.

В модуле используются два подстроечных резистора: один – для регулировки чувствительности (от 3 до 7 м), другой – задания времени, в течение которого при обнаружении движения на выходе будет установлена логическая единица «1» (от 5 до 300 с) (рис.7б).

У PIR-датчик движения HC-SR501 один трехконтактный штыревой интерфейс для подключения к микроконтроллеру. Напряжение питания – 4,5–20 В обеспечивает Arduino контроллер, другое управляющее микропроцессорное устройство или внешний источник питания.

К управляющему микроконтроллеру (или другим микросхемам) модуль рекомендуется (хотя и необязательно) подключать через транзистор и подтягивающий резистор с сопротивлением 10 кОм.

Характеристики датчика HC-SR501:

входное напряжение, В……………………… 3–5;

выходной ток, мкА……………………………. 50;

напряжение на выходе 3,3-В TTL-схемы, В

высокий уровень…………………………….. 4;

низкий уровень…………………………… 0,4;

угол обнаружения, градус……………… 120–140;

время блокировки до следующего замера, с.. 2,5;

рабочая температура, °C………………. –20…80;

размер, мм……………………………. 32 × 24 × 18;

масса, г………………………………………… 25.

Детектор движения удобен для применения в арт-инсталляциях, интерактивных стендах и в случаях, когда нужен дешевый способ обнаружения присутствия людей [26].

Применение проводной технологии доставляет определенное неудобство как проектировщикам систем, так и пользователям, которым приходится прятать провода под полом, плинтусом или в стенах.

Беспроводное подключение датчиков

Для создания системы «Умный дом» с беспроводным подключением датчиков лучше всего подходит система связи стандарта ZigBee. Стандарт ориентирован на создание больших сетей (до 65536 узлов), требующих гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях (250 Кбит/с) и возможности длительной работы устройств от автономных источников питания (более одного года от батареи).

Среди свойств ZigBee следует выделить поддержку стандартом сложных топологий сетей (рис.8) [27], благодаря которой при относительно малой дальности связи двух соседних устройств, можно обеспечить большую зону покрытия сети. Другая отличительная особенность стандарта – возможность самовосстановления сети в случае выхода из строя отдельных ее узлов. Это свойство основано на том, что каждый узел следит за соседними и на основе оценки мощности принятых от них сигналов постоянно обновляет маршрутные таблицы. В результате при изменении пространственного расположения соседей или выходе из сети одного из устройств, вычисляется новый маршрут передачи сообщения. Это свойство исключительно важно в сетях, функционирующих на промышленных объектах в жестких условиях эксплуатации и при наличии промышленных помех, а также в тех случаях, когда часть узлов находится на движущихся устройствах.

Для подключения датчиков к системе мониторинга «умного дома» полезно применять спе­циальные дополнительные расширительные платы – XBee Shield и модули XBee компании Maxstream. Отметим, что Maxstream предлагает весьма обширный перечень модификаций модулей XBee с различными значениями выходной мощности и чувствительности приемника, а также с различной конструкцией антенны. Они представляют собой достаточно развитые устройства, работающие под управлением собственного микроконтроллера MC9S08.

В системе «Умный дом» беспроводная связь, как правило, необходима когда датчики и исполнительные устройства находятся в удаленных или труднодоступных местах.

WEB-сервер системы «Умный дом»

Для удаленного доступа к информации системы мониторинга «Умный дом» ее необходимо подключить к WEB-серверу или IP-менеджеру. Благодаря соединению системы с сетью Интернет можно контролировать все системы потребления электроэнергии в доме, устанавливать, где горит свет, какая температура в комнатах, какой прибор находится под напряжением, а также фиксировать передвижения по дому. При необходимости с помощью мобильной телефонии, КПК, iPhone или iPad можно подавать управлять и контролировать всю систему жизнеобеспечения жилища, даже находясь на значительном расстоянии от дома.

Для практической реализации недорогого WEB-сервера совместно с модулем Arduino рекомендует­ся использовать модуль Ethernet Shield (рис.9).

Многочисленные микросхемы беспроводных систем связи для управления всеми функциями «умного дома», разрабатывает и производит итальянская компания Mipot [28]. К настоящему времени продано более 20 млн. таких модулей.

* * *

«Умный дом» – экономичная и удобная система, выполняющая функции под контролем центрального электронного блока управления. Однако число функций и их автоматическая реализация зависят от будущего хозяина.

Литература

Елисеев Н.  Технология х10: управление «умным домом». – Электроника: НТБ, 2007, № 7, с. 32–36.

Федоров А. I-House – технология Power-over-Ethernet. – Электроника: НТБ, 2007, № 7, с. 38–39.

Минаков Д.  Интегрированные системы управления: области применения. – Электроника: НТБ, 2007, № 7, с. 40–42.

Сафонов А.  Интеллектуальное здание. – Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2004, № 1, с. 44–45.

Электроника для умного дома: взгляд системного интегратора. Рассказывает генеральный директор компании «Архитектурная Электроника» А.Г.Горошко. – Электроника: НТБ, 2008, № 7, с. 18–21.

Кокорева И.  Системы «Интеллектуальное здание» и «Умный дом»: эффективные решения и новейшие разработки. – Электроника: НТБ, 2008, № 7, с. 22–27.

Лукичева Д.  Системы домашней автоматизации от компании TELETASK. – Электроника: НТБ, 2008, № 7, с. 36–38.

Система «Умный дом»: обзор технологий и домашних систем автоматизации. – buildingsmarthome.ru/smarthome/technology/smarthome-technologies-review.

Елисеев Н. EnOcean – океан энергии для «умного дома». – Электроника: НТБ, 2008, № 7, с. 40–43.

Устройство микроконтроллеров AVR. – cxema.my1.ru/publ/skhemy_ustrojstv_na_mikrokontrollerakh/ustrojstva_na_mk/ustrojstvo_mikrokontrollerov_avr/29–1–0–1675.

The Smart Home Intelligent Home Automation. – www.entrepreneurial-insights.com/smart-home-intelligent-home-automation.

Smart Homes and Home Automation. M2M Research Series from Berg Insight. – www.berginsight.com/ReportPDF/ProductSheet/bi-sh3-ps.pdf.

Google buys Nest Labs for $3.2 billion. – money.cnn.com/2014/01/13/technology/google-nest.

Google integrates Nest Learning Thermostat with iOS, Android– tech.firstpost.com/news-analysis/google-integrates-nest-learning-thermostat-with-ios-android-245822.html.

Betters E.  Apple HomeKit explained: What is it, and how does it work? – www.pocket-lint.com/news/129922-apple-homekit-explained-what-is-it-and-how-does-it-work.

en.wikipedia.org/wiki/Arduino.

amperka.ru/page/what-is-arduino.

www.chipdip.ru/product/arduino-uno-r3.

arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDue.

cxema.my1.ru/publ/skhemy_ustrojstv_na_mikrokontrollerakh/ustrojstva_na_mk/ustrojstvo_mikrokontrollerov_avr/29–1–0–1675.

Структура охранно-пожарной сигнализации. – secandsafe.ru/stati/pojarnaya_bezopasnost/struktura_okhranno_pozharnoi_sighnalizatsii.

Андриянова И. В., Щербатова М. П., Беляев В. В.  Модульный светодиодный светильник. – Патент РФ на полезную модель № 107572. Приоритет 20.08.2011.

Попов И. В., Беляев В. В., Лехин В. П., Леонисова И. В.  Управляемый концентратор света. – Патент РФ № 116600, 20.05.2012.

Среда разработки Arduino. – www.arduino.ru/Arduino_environment.

Подключение датчика температуры и влажности DHT11 к Arduino. – wiki.amperka.ru/%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80%D1%8B: dht.

Датчик света Light Sensor-Bh2750 для Arduino. – arduino-kit.com.ua/product_883.html.

Датчик движения (PIR Motion sensor) HC-SR501. – digitalchip.ru/datchik-dvizheniya-pir-motion-sensor-hc-sr501.

Ван Чао. Проектирование системы автоматического беспроводного счетчика учета расхода воды на базе технологии ZigBee. – rudocs.exdat.com/docs/index-47903.html.

www.mipot.com.

Умный дом. Часть 2. Топология умного дома. Сервер и локальный хаб. Технологии разработки.

2020-05-05

Всі статті →

Владислав Новицкий

Оглавление

Вступление

Как вы уже могли догадаться из названия, в этой статье расскажу о том, как я создаю умный дом, от концепции и схем до реализации самих модулей. Поведаю о том, что такое локальный хаб и сервер, какой функционал в них заложен и как они устроены.

В предыдущей статье, которая называется «Автономная метеостанция как начало умного дома», я описывал первый модуль умного дома. В нем произошли некоторые изменения для интеграции в умный дом, о которых я расскажу далее.

Как это устроено. Взаимодействие клиент-сервер.

Первым делом следовало определиться каким образом будет осуществляться управление системами умного дома. Пультом было бы не удобно, он может где-то затеряться, да и просто вставать за ним не особо приятно. Голосовое управление вообще шикарно, но пока что трудно реализуемо. Поэтому было принято решение написать веб-приложение, к которому будет доступ с любого устройства, будь то телефон, планшет или компьютер. Почему я выбрал именно такое решение:

• Независимость от платформы и размеров экрана устройства;
• Простота решения (легкий старт даже при отсутствии опыта).

Теперь, когда способ взаимодействия человека и умного дома ясен, кто-то ж должен предоставлять эту возможность. Нужен http-сервер для отправки клиенту веб-страницы. (Выбор микроконтроллера и технологии для сервера описано в одноименном разделе). Одного http-сервера оказалось мало, хотелось сделать все по-красивому. Вдруг к системе управления будут подсоединены несколько пользователей и один из них внесет какие-нибудь изменения. Как остальные пользователи узнают об этом, точнее, как система передаст им изменения. Делать запросы на сервер со стороны клиента с определенным интервалом плохое решение – мало того, что мы грузим сервер не нужными запросами, так еще и нагружаем нашу локальную сеть. Да и скорость реакции будет зависеть от частоты опроса. Согласитесь, что звучит не очень. Поэтому было принято решение запускать на сервере еще и WebSocket сервер, технология которого, позволяет отправлять всем подключенным клиентам сообщение о том, что произошло, в момент возникновения события, таким образом, не загружая себя и сеть. Этот алгоритм выглядит следующим образом (рис. 1).

Рис. 1. Алгоритм полного подключения клиента к серверу

В конечном итоге получается следующее: http-сервер отдает нам веб-страницу (а именно html, css, js файлы), после чего на стороне клиента происходит инициализация подключения к WebSocket серверу, после чего клиент находится в системе. Посмотреть реализацию этого процесса можно в файле:

“SmartHouseNV-Server\Website\UsualSite\usualSite.js”

Постоянно загружать код в ESP8266 и проверять результат (особенно проводить отладку) было не удобно. Поэтому на компьютер был установлен Node.js. Сообщения между клиентом и сервером передаются в формате JSON, на пример:

Эта команда означает что нужно в спальне включить устройство, которое подключено к первой ножке порта А. Другими словами, открыть реле, благодаря которому, зажжется свет, к примеру.

Внешний вид веб-приложения изображен на рисунке 2 и 3. Для упрощения и ускорения процесса разработки был использован набор инструментов Bootstrap.

Рис. 2. Внешний вид сайта на компьютере

Рис. 3. Внешний вид сайта на мобильном устройстве

Пункте меню «Остальное» содержит в себе дополнительный функционал (рис. 4).

Рис. 4. Дополнительный функционал

В «Режиме редактирования» пользователь может добавлять и удалять элементы управления в комнате. Вид сайта в этом режиме показан на рисунке 5.

Рис. 5. Вид сайта в режиме редактирования

Чтобы хранить комнаты и элементы в них потребовалось база данных. Я использовал MySQL Server. Схема базы данных умного дома изображена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема базы данных

На данный момент доступны следующие элементы управления:

• Обычная кнопка

• Двойная кнопка

• Тройная кнопка

• Изменяющаяся кнопка

Как это устроено. Взаимодействие сервер-хаб.

Как клиент будет взаимодействовать с сервером мы уже разобрались. Но нам же нужны некие исполняющие устройства, которые и будут выполнять всю работу: переключать свет, управлять вентиляцией, кранами водоснабжения, климат контролем и т.д. Я назвал такие устройства хабами (локальными хабами). Такие устройства должны присутствовать в каждой комнате дома, быть вмонтированы или где-то спрятаны и подключаться ко всей периферии комнаты (свет, кондиционер, бра и т.д.). В качестве мозга хаба была выбрана плата разработчика STM32F103C8T6. По какой причине я выбрал именно ее, читайте в соответствующем разделе ниже.

Если сервер использует технологию Wi-Fi, то локальные хабы, для связи с сервером используют модули беспроводной связи NRF24L01+ 2.4 ГГц (рис. 7). Они есть в разных модификациях: с большим радиусом связи, с малым. Мне подошли самые дешевые с малым радиусом.

Рис. 7. NRF24L01+ 2.4 ГГц

Ссылка на библиотеку для работы с модулем:

https://github.com/VNovytskyi/STM32_NRF

У них реализована пакетная передача данных, аппаратный контроль ошибок, автоматическое подтверждение приема пакета и отправка пакета пока получатель не получит его и еще много чего интересного. Управляется этот модуль по интерфейсу SPI, библиотека для работы с этим модулем реализована на множестве платформ. Но вот как связать, с помощью NRF24L01+ несколько разных устройств (например, STM32 Hal, Arduino, Espruino) я информации не нашел, так что пробивал эту проблему свои лбом.

Так вот, сервер принимает некую команду от пользователя через Wi-Fi, преобразует эту команду в понятную для хаба и отправляет ее хабу, получая при этом подтверждение о приеме. В противном случае отправляет команду снова определенное количество раз, если и в таком случае команда не доставлена, то выдает пользователю сообщение о том, что хаб не принял команду (может он отключен или находится вне радиуса действия, в таком случае следует заменить NRF24L01+ на более мощный или изменить месторасположение устройства). Хаб принимает эту команду, выполняет ее и отправляет на сервер сообщение о том, что команды была успешно или не успешно выполнена. Сервер анализирует ответ и выдает пользователю соответствующее сообщение.

Как это устроено. Сервер

Модуль NRF24L01+ подключен к NodeMCU по интерфейсу SPI. В прошивке ESP8266 используется аппаратный SPI, что позволяет не загружать процессор. К выводам питания NRF24L01+ присоединен электролитический конденсатор на 1000 мкФ для сглаживания пульсаций как самого модуля NRF24L01+, так и ESP8266. Схема подключения изображена на рисунке 8.

Рис. 8. Схема сервера

Код сервера находится в файле:

«SmartHouseNV-Server\ServerFirmware\main.js»

Ссылка на проект сервера:

https://github.com/VNovytskyi/SmartHouseNV-Server

Как это устроено. Локальный хаб

Конфигурация микроконтроллера в STM32CubeMX проиллюстрирована на рисунке 9. Оставшиеся ножки будут использоваться для общего назначения. Например, подсоединить еще какой-то модуль к хабу по I2C, SPI, CAN или UART.

Рис. 9. Конфигурация ножек микроконтроллера

NRF24L01+ подключен к SPI1, со следующими параметрами (рис. 10), схема подключения изображена на рисунке 11.

Рис. 10. Настройка SPI1

Рис. 11. Схема подключения NRF24L01+ к STM32F103C8

Код главного цикла программы локального хаба изображен на рисунке 12. В нем мы опрашиваем состояние ножки IRQ NRF24L01+. Если напряжение на ней высокое – значит никакого прерывание не было у модуля, если напряжение равно нулю – значит произошло прерывание. После этого нам необходимо узнать почему это прерывание произошло, для этого читаем регистр Status. Также для удобства проверяем как там очередь приемника. Если она не пуста, значит к нам прилетел пакет. Читаем его и отправляем его содержимое в функцию InputMessageHandler. Эта функция и приведет в исполнение команды в сообщении.

Рис. 12. Главный цикл хаба

Для того, чтобы увеличить количество ножек микроконтроллера были использованы два последовательно соединенных сдвиговых регистров 74HC595, управляемых по SPI2 в режиме “Transmit only master” (рис. 13). В итоге получается — три вывода микроконтроллера дают нам 16 ножек на выходе, которые являют собой логический порт A. Данный порт будет управлять блоком реле.

Рис. 13. Схема подключения сдвиговых регистров

Рис. 14. Тест порта А

Также имеется порт B. Он включает в себя 6 выводов, которые способны генерировать ШИМ-сигнал. Такой порт будет использоваться для контроля уровня яркости подсветки, управление RGB-подсветкой, оборотами вентиляторов.

Порт C предназначен для общего назначения. Ножки этого выхода могу как принимать сигнал (логический, ADC), так и выполнять роль определенного интерфейса.

Целиком схема подключения изображена на рисунке 14.

Рис. 14. Полная схема локального хаба

В моем проекте в NRF24L01+ используется динамическая длинна пакета, поэтому структура пакета выглядит следующим образом: первый байт в пакете говорит о длине самого пакета, а последующие байты – сами инструкции. К примеру, чтобы подать высокий уровень на первую ножку порта A необходимо подать 0x03, а, чтобы подать низкий – 0x04. Таким образом, наш пакет будет иметь вид: [0x01, 0x03]. Чтобы понять, почему нужно отправлять именно такие числа, заглянем внутрь функции InputMessageHandler (рис. 15).

Рис. 15. Пример кода для порта А

Подать команду на включение ШИМ-сигнала немного сложнее. В ней мы должны указать номер ножки порта B, а потом передать само значение, разбитое на 2 байта. Потому что, разрядность ШИМ-сигнала у STM32F103C8 16 бит. На рисунке 16 представлен фрагмент кода для подачи ШИМ-сигнала.

Рис. 16. Фрагмент кода сервера для отправки команды на подачу ШИМ-сигнала

Для начала мы определяем номер ножки, они у нас начинаются с числа 0x23 (потому что до этого идут команды для порта A). А потом решаем какое значение мы будем отправлять. Если значение ШИМ равно нулю, значит мы выключаем его, а если не равно, то отправляем его.

Ссылка на проект локального хаба:

https://github.com/VNovytskyi/SmartHouseNV-LocalHub1

Ссылка на библиотеку для сдвигового регистра:

https://github.com/VNovytskyi/STM32_ShiftRegister

Выбор микроконтроллера и технологии для локального хаба

В отличие от микроконтроллера сервера, вычислительная возможность хаба может быть порядка ниже, так как его задачей является прочесть пакет с NRF24L01+, и выполнить команды в нем. Также важно учесть количество периферии и ножек, доступных для взаимодействия с окружающей средой и модулями. Отладочная плата STM32F103C8 (рис. 17) отлично для этого подошла. Она не дорогая, имеется много ножек и интерфейсов. Стоит отметить и сопутствующий софт для семейства микроконтроллеров серии STM. Это STM32CubeIDE, STM32Cube, STM32Programmer, STM32CubeMonitor. Пару слов о них:

• STM32CubeIDE – удобная среда разработки для STM32, авто дополнение кода, отладка;
• STM32Cube – настройка всего микроконтроллера, на данный момент вмонтирована в STM32CubeIDE;
• STM32Programmer – программатор для STM32 через ST-Link;
• STM32CubeMonitor – для отладки STM32 в реальном времени, отображение графиков и т.д.

Как вы уже могли догадаться, в качестве языка программирования хаба был выбран язык С и библиотека HAL.

Рис. 17. STM32F103C8

Выбор микроконтроллера и технологии для сервера

Центром умного дома является Wi-Fi модуль ESP8266, расположенной на плате разработчика NodeMCU V3 с программатором Ch440 (Рис. 18). Так же был вариант взять Wi-Fi модуль LuaNode32 на базе микроконтроллера ESP32, но он был дороже, да и количество периферии показалось мне излишним. В идеале, хотелось организовать все на каком-нибудь мини-компьютере, к примеру, на Raspberry Pi или на Orange Pi. Но такие решения выходят за рамки моего бюджета.

Рис. 18. NodeMCU V3

В качестве программного обеспечения была выбрана технология Espruino, которая представляет собой JavaScript интерпретатор для микроконтроллеров. По факту, используя данную технологию, мы получаем Node.js сервер. Рассматривались и другие технологии для ESP8266: Arduino, Lua, MicroPython.

Идея писать на Arduino была отброшена практически сразу из-за отсутствия нормальной среды разработки и не стабильной работы прошивки (Arduino Pro IDE еще сырая и не поддерживает ESP8266, а в Platformio IDE хоть и красиво и удобно, но тот же фреймворк Arduino).

Скриптовый язык Lua, который изначально рассчитан для NodeMCU плат, выглядит интересно, выполняется быстро, но отсутствие соответствия между реальным интерпретатором и документаций заставило отказаться от этого варианта.

Технология Espruino сразу приглянулась мне, так как я уже был знаком з языком JavaScript и Node.js. Скорость выполнения и стабильность прошивки меня так же сильно порадовали, даже есть некая реализация режима отладки, но скорость загрузки кода в микроконтроллер при больших объемах кода немного проседает. Также стоит отметить, что Espruino имеет хорошо написанную документацию. В добавок ко всему этому мы получаем практически все возможности языка JavaScript, а именно: динамическая типизация переменных, возможность обновлять код по воздуху или непосредственно отправлять код на исполнение, хороший JSON и URL parser, не плохая реализация WebSocket сервера. Хоть JavaScript это язык высокого уровня, его реализация в Espruino дает возможность работать непосредственно с регистрами и делать вставки кода на язык С, что дает возможность сильно увеличивать производительность. Внешний вид Espruino IDE изображен на рисунке 19.

Рис. 19. Внешний вид Espruino IDE

До технологии MicroPython я так и не добрался по простой причине: Espruino меня полностью устроила.

Дополнительный софт

Хотелось бы сказать пару слов о созданной программе для отладки локального хаба. Она позволяет имитировать команды с сервера, передавая их сразу и обработчик команд хаба через UART-переходник (рис. 20).

Рис. 20. UART переходник

Программа изображена на рисунке 21.

Рис. 21. Программа для отладки локального хаба

Ссылка на репозиторий с программой:

https://github.com/VNovytskyi/DebugLocalHub/

Доработка метеостанции

В метеостанции пришлось сделать некоторые изменения для интеграции с умным домом. Wi-Fi модуль был заменен на NRF24l01+.

В проект была добавлена библиотека работы с модулем NRF24l01+ и немного изменен код. Изменения изображены на рисунке 22

Рис. 22. Измененный код метеостанции

Ссылка на проект метеостанции:

https://github.com/VNovytskyi/SmartHouseNV-WeatherStation

Что бы я изменил

1. Как выяснилось в ходе разработки, оперативной памяти ESP8266 не хватило для подключения нескольких WebSocket клиентов (Espruino интерпретатор занял слишком много места). Если б я работал с этой технологией ранее, то скорее всего этого не случилось бы. Нужно будет заменить его на ESP32;

2. Отказался б от базы данных MySQL, к которой я очень привязался в момент отладки. Лучше использовать файловую реализацию базы данных. Количество записей не большое, поэтому работать файловая база данных будет даже быстрее.

Заключение

По мере возможностей и наличии свободного времени провожу усовершенствование своего проекта «Умный дом». В дальнейшем планирую разработать еще парочку устройств, в частности для полива растений и охраны дома. Также при достижении определенной надежности и функционала устройств планирую разработать для них печатные платы в программе EasyEDA, заказать парочку таких и создать для них корпуса.

В репозиториях, оставленных мной, вы можете посмотреть интересующие вас моменты реализации, а в разделе Releases скачать готовые выпуски прошивок для устройств.

Оставляйте свое мнение и отзывы о моем проекте в комментариях!

 

Комментарий автора

Все файлы находятся на Github, в разделе Release находится актуальная версия. Желательно, чтобы версии всех устройств совпадали, то есть, если скачиваете сервер версии v0.1, то и хаб, и ПО для отладки должно быть версии v0.1.

Дякуємо Вам за звернення! Ваш відгук з’явиться після модерації адміністратором.

Умный дом. Выбираем контроллер семейства Arduino – Age of Geeks

Задавшись вопросом, на базе чего строить свой умный дом, невольно впадаешь в прострацию от обилия вариантов. Arduino, Raspberry Pi, IskraJS, ESP, OrangePi и сотни других готовых и не очень решений способны ввести любого в ступор. Но не убывающая любовь электронщиков, в том числе и начинающих, к Arduino часто становится одним из важнейших факторов на пути к выбору платформы. Схемы уже отлично изучены сообществом, руководств масса, примеров — несметное множество. Дело за малым — выбрать именно ту плату, которая подойдет для действительно умного дома.

Семейство Arduino насчитывает десятки плат, шилдов и расширений. Король всего это банкета, бесспорно, — Arduino Uno. Про эту достаточно универсальную систему, представляющую из себя обвязку для микроконтроллера Atmel ATmega328/P, мы уже рассказывали. Простая, понятная, детально описанная в сотнях источников, эта плата представляет собой отличный выбор не только для прототипирования, но и для реализации готовых решений. Вот только у Arduino есть и другие разработки, куда любопытнее, и обладающие дополнительным функционалом.

Arduino Leonardo ETH PoE

Сама по себе Arduino Leonardo — слишком особенная плата, чтобы рекомендовать ее новичкам. Из ее явных плюсов выделяется разве что виртуальный Serial-порт, освобождающий пины 0 и 1, которые у Uno фактически заняты. А еще Leonardo чуть быстрее и обладает возможностью использовать аж 12 аналоговых пинов, что вдвое больше младшей модели. С другой стороны, у Leonardo нет SPI-интерфейса на стандартных пинах, а TWI/I2C имеет нестандартную распиновку. В общем, шаг вперед, но с некоторыми уступками.

Из куда более важных изменений — наличие версии со встроенным LAN-портом. Для Uno приходится использовать дополнительный шилд, а здесь все есть сразу, еще и microSD разъем в придачу.

Образец, имеющийся у нас на руках (на фото выше) еще интереснее. На нем уже распаян POE-модуль. По сути, это блок питания, обеспечивающий питание по стандарту POE 802.3 af через UTP кабель категории 5, т.е. обычную витую пару. Правда, кабель должен быть воткнут в устройство, способное подавать питание: специальный POE-свитч, POE-инжектор и т.п. Бытовые роутеры и коммутаторы таким функционалом не обладают. Но если проводить питание туда, где будет работать контроллер, решительно невозможно, то именно технология POE поможет быстро решить проблему. Именно по такому принципу запитываются большинство современных камер наблюдения, цифровых телефонных аппаратов в офисах и даже точек доступа в кафе и гостиницах.

Arduino Yún

Yún — необычный «зверь». Эта плата состоит сразу из двух чипов: микроконтроллера Atmega32u4 и SoC Atheros AR9331. Yún схожа с Arduino Leonardo, но имеет встроенный Wi-Fi, а высокопроизводительным (по меркам контроллеров) ARM-чипом от Atheros управляет специальная прошивка на базе дистрибутива OpenWRT. В нашей плате родом из «Амперки» залита прошивка Linino.

Главная особенность данного устройства — обильные возможности работы с сетью. Мало того, что на плате уже есть LAN-порт и Wi-Fi, так ее еще и прошивать можно без подключения к ПК. Правда, компьютер и плата должны находиться в одной локальной сети. Тогда Arduino IDE сможет обнаружить плату и отправлять ей прошивки. Более того, с использованием специальной библиотеки становится возможно вызывать встроенные функции Linux из контекста Arduino, например, отдавать более мощному чипу сложные расчеты. У Yún есть и веб-интерфейс. Через него можно произвести массу настроек: от адреса до файерволла, посмотреть загруженность платы. Правда, нельзя напрямую «залить» скетч в Arduino-часть. Придется скомпилировать скетч на своем компьютере, загрузить бинарный файл, а затем через терминал попросить плату слить его с бутлодером и прошить в чип Atmega.

Есть и свои ограничения. Пины 0 и 1 Yún соединены с выходами процессора AR9331 для взаимодействия. А еще на плате нет встроенного регулятора питания, так что стабильные 5В нужно подавать извне, например, через micro-USB разъем.

Согласитесь, выбрать из трех плат куда проще, чем из бесчисленного множества. Нужны базовые возможности? Берем Uno. Хотим работу с сетью и простоту подачи питания? Leonardo. Нужно больше мощности, Wi-Fi и веб-интерфейс? Yún. Конечно, есть в линейке Arduino и масса других интересных плат. Та же огромная Mega. Но мы сами продолжаем выбирать, и в ближайшее время продолжим рассказ.

---

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Евгений Беляев@MorgenS (185 lvl)

Гик и геймер. Фанат ПК и чуточку консольщик. Редактор и автор.

(PDF) Система «умный дом» на основе микроконтроллера с расширенной коммутационной способностью устройств

Согласно описанию в разделе IV, подраздел B, предлагаемая система

требует только 5 проводов для управления 16 устройствами

, тогда как в аналогичной работе [3] , [6] — [8] требуется 16 проводов.

Проводка между выводами микроконтроллера, выводами центрального декодера и выводами

D-триггеров в центральном управляющем блоке незначительна

, поскольку эти аппаратные средства расположены в непосредственной близости друг от друга

.Следовательно, проводка от центрального управляющего блока

(состоящего из микроконтроллера и центрального декодера) до

различных мест будет нести основную стоимость проводки, поскольку длина провода

будет очень большой по сравнению с проводкой, выполненной

в центральном управлении. Ед. изм. Следовательно, стоимость проводки

снижается примерно на 70%.

T

ABLE

I

C

ОСТ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ И ПРЕДЛАГАЕМАЯ СИСТЕМА SMART HOME ДЛЯ

ВКЛЮЧЕНИЕ

/

ВЫКЛ.

208

APPLIAN.

Предлагаемая схема коммутации устройства

Название продукта Цена за единицу

(долл. США)

Количество Промежуточная сумма

(долл. США)

Плата микроконтроллера

(Arduino UNO)

7,5 1 7,5

Bluetooth HC- 4,00 1 4,00

D-триггер (IC4013) 0,18 117 21,06

Декодер от 4 до 16 строк

(IC4067)

0,94 14 13,16

Общая стоимость = 45,72 долларов США

Существующая система коммутации устройств

Наименование продукта Цена

(USD)

Количество Итого

(USD)

Плата микроконтроллера

(Arduino UNO)

7.5 17 127,5

Модуль Bluetooth HC-05 4,00 1 4,00

Общая стоимость = 131,5 долларов США

D. Размер системы

Глядя на таблицу I, можно подумать, что система умного дома

, описанная в этом документе, требует слишком много D flip-flop

ИС

и обычные системы требуют небольшого количества оборудования. Но

, если мы проведем критическое исследование, мы выясним, что существующие системы

[3], [6] — [8] на самом деле потребуют больше

оборудования и места.В соответствии с подразделом B этого раздела

, существующим системам потребуется дополнительное оборудование

для добавления ручных переключателей, тогда как предлагаемые системы

уже имеют это оборудование (D-триггеры) для выполнения

этой задачи. Более того, обычные системы требуют не менее

17 плат микроконтроллера, тогда как предлагаемая система

требует только 4 контактов от платы микроконтроллера. Таким образом, размер системы

уменьшается.

V. C

ВКЛЮЧЕНИЕ

Система умного дома, представленная в этой статье, была построена и протестирована на практике

. Такие функции, как интеллектуальное приложение

с удобным графическим интерфейсом пользователя (GUI), удаленное переключение устройств

, интеллектуальный ночник, режим на улице и интеллектуальная система безопасности

, сделали систему полным пакетом

. Самое главное, что все функции

интегрированы в единую систему с использованием только одного микроконтроллера

.Мы считаем, что эта статья внесла

в улучшение недорогой системы умного дома.

Благодаря широкому диапазону коммутационных возможностей и интеллектуальным функциям

эту систему также можно внедрить в крупных средах масштаба

, таких как офисы и промышленные предприятия, чтобы сделать наши рабочие места

лучше и умнее. Из-за очень меньшей стоимости установки

и доступной цены мы считаем, что системы умного дома

, в отличие от нашей, в ближайшем будущем займут большую долю на рынке

, нарушив гегемонию существующих дорогостоящих продуктов

для умного дома.

R

ЭФЕРЕНЦИИ

[1] М. Асадулла и А. Раза, «Обзор систем домашней автоматизации

», 2-я международная конференция, 2016 г., Равалпинди

Робототехника и искусственный интеллект (ICRAI), Равалпинди, 2016 г. , стр.

27-31.

[2] А. Мулла, Дж. Бавискар и А. Бавискар, «Система автоматизации на основе DTMF

с уменьшением шума с использованием оценки dft по Гертцеля», 2014 г.

Четвертая Международная конференция по системам связи и

Сетевые технологии (CSNT ), Бхопал, 2014, стр.1124-1129.

[3] Р. Пияре и М. Тазил, «Система домашней автоматизации на базе Bluetooth

с использованием сотового телефона», 2011 IEEE 15-й Международный симпозиум по потребительской электронике

(ISCE), Сингапур, 2011, стр. 192-195.

[4] С. Кумар и С. Р. Ли, «Система умного дома на базе Android с управлением

через Bluetooth и подключение к Интернету», 18-й Международный симпозиум по потребительской электронике IEEE

(ISCE), JeJu

Island, 2014 г., стр.1-2

[5] С. Читнис, Н. Дешпанде и А. Шалиграм, «Исследовательское исследование

для безопасности умного дома: проблемы, проблемы и меры противодействия»,

Wireless Sensor Network, vol. 8, вып. 04, pp. 61-68, 2016.

[6] С. Дас, С. Гангули, С. Гош, Р. Саркер и Д. Сенгупта, «Сложная система домашней автоматизации на основе Bluetooth

с использованием смартфона

, »Международная конференция по интеллектуальному управлению

, 2016 г., Энергетика и КИПиА (ICICPI), Калькутта, 2016 г., стр.236-240.

[7] WS Yoo и SA Shaik, «Разработка системы управления домом

с использованием arduino и appinventor», Компьютерное программное обеспечение и

Application Conference (COMPSAC), 2016 IEEE 40th Annual,

Atlanta, июнь 2016, стр. 279-280.

[8] Р. Пияре, «Интернет вещей: повсеместное управление домом и система мониторинга

с использованием смартфона на базе Android», International

Journal of Internet of Things, vol. 2, вып. 1, стр.5-11, 2013.

[9] Р.К. Шарма, А. Мохаммад, Х. Калита, Д. Калита, «Система домашней безопасности gsm на базе интерфейса Android

», Международная конференция

по вопросам и проблемам интеллектуальных вычислений, 2014 г.

Методы (ICICT), Газиабад, 2014, стр. 196-201.

[10] А. Н. Патил, А. Трипати и С. А. Фанан, «Интеллектуальная система уличного освещения

с использованием arduino uno», Международный инженерный журнал

Наука и вычисления, вып.7, вып. 5, pp. 10919-10922, май 2017.

[11] А. Пневматикакис, «Распознавание повседневной функциональной активности в

умных домах», Беспроводная персональная связь, т. 96, нет. 3,

pp. 3639-3654, 2017.

[12] А. К. Хосе и Р. Малекян, «Повышение безопасности умного дома:

Интеграция логических датчиков в умный дом», IEEE Sensors

Journal, vol. 17, нет. 13, pp. 4269-4286, 2017.

[13] Y. Lee, W. Hsiao, C. Huang, «Интегрированная облачная система управления умным домом

с иерархией сообщества», IEEE Transactions

of Consumer Электроника, т.62, нет. 1, стр. 1-9, 2016.

[14] М. Бассоли, В. Бьянки, И. Д. Мунари, П. Чамполини, «Подход IoT

для системы мониторинга на основе AAL Wi-Fi», IEEE

Труды по КИПиА, т. 66, нет. 12,

pp. 3200-3209, 2017.

Система мониторинга умного дома с использованием микроконтроллеров ESP32

Основание парафарингеальной пирамиды расположено у основания черепа, а его вершина — у большого рога подъязычной кости. PPS ограничен следующими структурами:

Внизу прямое сообщение PPS с поднижнечелюстным пространством можно увидеть на верхушке [4, 7, 10, 15].

3.7.1 Компартменты парафарингеального пространства

Prasad et al. сообщили, что ППС состоит из трех отсеков следующим образом: верхняя часть ППС расположена между основанием черепа и осевой плоскостью, проходящей через нижнюю границу латеральной крыловидной мышцы, нижняя граница средней части образована осевая плоскость проходит через нижнечелюстное прикрепление медиальной крыловидной мышцы, а нижняя часть ограничивается подъязычной костью. Средняя часть ППС расположена на уровне миндалинной ямки.Также верхняя и средняя части делятся на престилоидный и постстилоидный отсеки по отношению к шиловидной диафрагме. Таким образом, ППС состоит из пяти парафарингеальных подпространств [18].

Шиловидная диафрагма — это толстая серая фасция, которая состоит из задней части двубрюшной мышцы, шиловидной мускулатуры (StPm, StGm и шилоподъязычной мышцы-StHm), а также шилоподъязычной и шиломандибулярной связок. Он разделяет нижний PPS на предстилоидный и постстилоидный компартменты, простираясь от шиловидного отростка до околоушной фасции (рис. 3).Престилоидное пространство локализовано между медиальной крыловидной мышцей и SPCm [7, 15, 18].

В престилоидной части верхнего ППС расположены малые слюнные железы, задний отдел нижнечелюстного нерва, внутренняя верхнечелюстная артерия, жировая подушечка и тензор veli palatini. В постстилоидной части верхнего PPS каротидное влагалище, которое состоит из внутренней сонной артерии (ICA), внутренней яремной вены (IJV), блуждающего нерва, а также только в этом верхнем отделе восходящей глоточной артерии, шейной симпатической цепи и расположены нижние черепные нервы IX, XI и XII [7, 18].

В престилоидной части средней PPS, жировая подушечка, глубокая доля околоушной железы, от верхней к нижней многочисленным миндалинам ветвей нисходящего неба, восходящей глоточной и восходящей небных артерий между StGm и StPm. расположена. В постстилоидной части среднего ППС расположены изгибы внутренней верхнечелюстной, лицевой и язычной артерий, шейной симпатической цепи и сонного влагалища, состоящего из ВСА, IJV и нижних черепных нервов (CNIX – CNXII). [5, 7, 18].

3.7.2 Хирургические ориентиры в парафарингеальном пространстве относительно небной миндалины

Для лечения обструкции верхних дыхательных путей из-за гипертрофии миндалин или адено-миндалин и перитонзиллярного абсцесса могут использоваться различные хирургические процедуры. Классическая тонзиллэктомия заключается в полном удалении миндалины с ее капсулой путем рассечения перитонзиллярного пространства с аденоидэктомией или без нее. При постостром тонзиллите перитонзиллярный абсцесс может распространяться на ППС через щечно-глоточную фасцию.Из-за непосредственной близости PPS к окружающим пространствам, включая слизистую оболочку глотки, заглоточные, жевательные и околоушные пространства, поражения в этих пространствах обычно распространяются на PPS и приводят к вторичным повреждениям [4, 5].

Sun et al. сообщили, что локализацию опухолей в PPS можно определить по некоторым анатомическим ориентирам во время хирургических доступов. Поскольку опухоли в верхнем PPS в основном доброкачественные и расположены в престилоидном пространстве, эндоскопические трансназальные трансптеригоидные доступы к этой области требуют детального анатомического знания хирургических анатомических ориентиров в этом пространстве.Они продемонстрировали, что хирургические анатомические ориентиры в престилоидной части верхнего PPS следующие: крыловидный отросток с медиальной и латеральной пластинами, tensor veli palatini, SPCm, латеральные и медиальные крыловидные мышцы и жировая подушечка. В престилоидной части нижнего PPS PGa, SPCm, крыловидно-нижнечелюстной шов, жировая ткань и шиловидная диафрагма могут использоваться в качестве хирургических анатомических ориентиров при эндоскопическом трансоральном доступе (рис. 3) [19].

Примерно 80% первичных опухолей ротоглотки происходят из миндалин, и их частота у более молодых пациентов увеличивается.Опухоли в миндалинной ямке и PPS можно удалить с помощью эндоскопической боковой орофарингэктомии, трансоральной роботизированной хирургии или лазерной микрохирургии. Боковая стенка глотки состоит из трех глубоких слоев фасции, идущих внутрь и наружу: капсула миндалины, фарингобазилярная фасция и щечно-глоточная фасция [5, 15, 19]. В зависимости от этих слоев фасции De Virgilio et al. сообщили о своей классификации латеральной орофарингэктомии, основанной на трех типах хирургических вмешательств и четырех возможных расширениях (верхнее, мягкое небо; задняя, ​​глоточная стенка; нижняя, основание языка; передний, ретромолярный треугольник) [5].

Тип 1 включает удаление небной миндалины глубоко до фарингобазилярной фасции с резекцией всей или части передней стойки, за исключением SPCm. Цель этой процедуры в основном диагностическая, но ее можно использовать при хирургическом лечении неинвазивной гиперплазии, дисплазии или карциномы in situ миндалин.

Тип 2 — резекция небной миндалины, PGm, PPm и SPCm глубоко до щечно-глоточной фасции. Он может быть терапевтическим при инвазивных злокачественных опухолях, не проникающих в глубокую инфильтрацию SPCm.

Тип 3 включает резекцию щечно-глоточной фасции с расширением на крыловидную мышцу и жировое тело PPS в дополнение к содержимому 2 типа. В соответствии с распространением опухоли может быть включена резекция ткани PPS до обнажения ВСА, а также требуется закрытие лоскута для ВСА [5].

Аналогичным образом Mirapeix et al. определили применимый метод диссекции на основе анатомической стратификации и очевидных анатомических ориентиров [4]. Они выполнили рассечение слой за слоем изнутри наружу и описали эту технику, разделив латеральную стенку ротоглотки на три слоя:

Первый слой, медиальнее шиловидных мышц, включает важные хирургические ориентиры, такие как SPCm, PGm, PPm и StGm. , фарингобазилярная фасция и сосудистая сеть, которая состоит из ветвей нисходящей и восходящей небных артерий и восходящей глоточной артерии.Сосудистое снабжение миндалинной ямки можно определить по PGm и PPm, а также язычная ветвь GPn в основном пересекает среднюю точку между PGm и PPm или вдоль задне-нижнего края StGm.

Второй слой наблюдается после резекции сужающих мышц и расположен в ППС медиальнее шиловидной диафрагмы. Хирургические ориентиры состоят из шиловидной мускулатуры, щечно-глоточной фасции, шилоподъязычной связки, глоточного венозного сплетения и GPn.Точка вставки StGm относится к соединению языка с передним столбом, а язычная ветвь GPn может быть идентифицирована вдоль задне-нижней границы StGm. Венозное сплетение глотки расположено в пространстве между StGm и SPCm. Лицевая артерия и подъязычный нерв пересекают StHm, который проходит параллельно шилоподъязычной связке. GPn движется вниз по заднебоковой стороне StPm.

Третий слой латеральнее шиловидной диафрагмы относится к постстилоидной части ППС.Хирургические ориентиры в этом слое состоят из шиловидной мускулатуры, задней части двубрюшной мышцы, ВСА, подъязычного нерва, язычных и лицевых артерий. В частности, StGm является важным ориентиром для определения локализации ВСА заднебоковой стороны, язычного нерва спереди и поднижнечелюстной железы снизу-латерально. Подъязычный нерв проходит латерально к медиально над восходящей глоткой, отходящей от надбоковой границы наружной сонной артерии (НСА) в постстилоидной части нижнего ППС [4].

Во время трансоральной роботизированной хирургии (TORS) рассечение SPCm от крыловидно-нижнечелюстного шва относится к окну в престилоидный отсек PPS. Сухожилие медиальной крыловидной мышцы позволяет идентифицировать щечно-глоточную фасцию и указывает на безопасную плоскость в престилоидном компартменте PPS [7, 19]. Кроме того, плоскость, образованная шиловидной мускулатурой и шилоподъязычной связкой, является важным хирургическим ориентиром для идентификации ВСА. Wang et al.продемонстрировали, что шиловидный отросток, шиловидная диафрагма, глоточное венозное сплетение, GPn и глоточная ветвь блуждающего нерва расположены между ECA и ICA и подразделяют PPS на предстилоидное и постстилоидное пространства (Рисунок 3). Изгибы ветвей НСА (язычная, лицевая, восходящая глоточная, внутренняя верхнечелюстная артерии) расположены в престилоидном пространстве, а также восходящая глоточная артерия пересекает StGm в дистальной трети возле операционного поля миндалинной ямки [20].Кроме того, язычная артерия и подъязычный нерв расположены латеральнее StGm, а язычная артерия проходит между большим рогом подъязычной кости и StGm, где имеет высокий риск кровотечения во время резекции основания языка [21]. Тот факт, что при PPS лицевая артерия расположена ниже StGm, имеет большое значение, потому что рассечение латеральнее StGm или резекция злокачественной миндалины может привести к значительному кровотечению. При ППС после ответвления от лицевой артерии миндалины и восходящие небные артерии проходят между StGm и StPm, а затем проникают в SPCm для питания миндалины [22].Итак, тот факт, что StGm находится в тесной связи с ветвями НСА, следует иметь в виду, когда пространство трансоральной диссекции на уровне миндалинной ямки рассекается в суперболатеральном направлении, а диссекция глубоко в плоскости этой миндалины. мышца должна выполняться строго и аккуратно [16, 20].

В ППС латеральнее шиловидной диафрагмы ВСА лежит примерно в 10–20 мм позади небной миндалины на уровне верхушки надгортанника, тогда как расстояние до ЕТ составляет примерно 23.5 мм. Так, в постстилоидной части нижнего ППС он находится ближе к боковой стенке глотки, чем в верхнем ППС, и риск травмы артерии при тонзиллэктомии увеличивается с уменьшением расстояния до стенки глотки. Кроме того, уровень бифуркации общей сонной артерии выше, чем верхушка надгортанника, более подвержен травме общей сонной артерии во время операции [23]. Во время радикальной тонзиллэктомии, поскольку язычный нерв расположен латеральнее SPCm, он может быть поврежден на передней границе медиальной крыловидной мышцы [15].

GPn простирается от яремного отверстия до основания языка в боковой стенке глотки. Из-за тесной связи GPn с StPm, он делится на три части: верхнюю (яремное отверстие, верхняя граница StPm), средняя (верхняя-нижняя границы StPm) и нижняя (нижняя граница StPm). , основание языка) [17].

Верхняя часть проходит между ВСА и ВЯС позади шиловидного отростка и дает каротидное тело и ветви сонного синуса в постстилоидной части верхнего ППС.

Средняя часть простирается вниз вдоль нижнебоковой границы StPm и отдает ответвления к StPm и стенке глотки в постстилоидной части нижнего PPS. В частности, эта часть проходит под углом кпереди от дистального сегмента ВСА и может привести к повреждению сосудов.

Нижняя часть проходит через пространство или щель между SPCm и MPCm, чтобы войти в глотку. Между StGm и StPm он лежит вдоль нижней границы небной миндалины или под капсулой и дает ветвь миндалины.Обычно он дает терминальные ветви на стыке PPa с основанием языка, известные как глоссотонзиллярная борозда, которая является анатомическим ориентиром для терминальной части GPn глубоко в SPCm [17].

Во время хирургических вмешательств, включая трансоральную тонзиллэктомию, резекцию опухоли и блокаду SPCm, целостность этого нерва может быть повреждена, что приведет к дисфагии и нарушению вкуса. При рецидивирующем тонзиллите сращение капсулы с окружающими структурами затрудняет удаление гипертрофической капсулы миндалин из ложа миндалин, или расслоение капсулы, которая плотно прилегает к язычной ветви этого нерва, вызывает нарушение нервных функций [ 3, 7, 17].Во время трансоральной хирургии раннее описание StPm позволяет определить GPn, который пересекает ICA и служит хирургическим ориентиром для его защиты в PPS. Кроме того, хирург должен помнить о связи ГПН с венозным сплетением в глоссотонзиллярной борозде, чтобы предотвратить ятрогенное кровотечение во время хирургической диссекции.

Автоматизированная система управления умным домом с использованием приложения Android и микроконтроллера

Автоматизированная система управления умным домом с использованием приложения Android и микроконтроллера

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 5, May-2014

ISSN 2229-5518

935

Автоматизированная система управления умным домом с использованием

Android-приложения и микроконтроллера

Мохамед Абд Эль-Латиф Мовад, Ахмед Фати, Ахмед Хафез

Аннотация — Система умного дома (SHS) представляет собой жилище, включающее сеть связи, которая соединяет электрические приборы и услуги, позволяющие дистанционно управлять ими, контролировать их или получать к ним доступ.SHS включает в себя различные подходы для достижения множества целей — от повышения комфорта в повседневной жизни до обеспечения более независимой жизни для пожилых людей и людей с ограниченными возможностями. В этой статье были рассмотрены четыре основных области SHS, а именно: домашняя автоматизация и удаленный мониторинг, мониторинг окружающей среды, включая влажность, температуру, отслеживание и устранение неисправностей и, наконец, мониторинг состояния здоровья. Дизайн системы основан на программном обеспечении микроконтроллера MIKRO C; несколько пассивных и активных датчиков, а также услуги беспроводного Интернета, которые используются в различных процессах мониторинга и управления.В данной статье представлена ​​аппаратная реализация многоплатформенной системы управления для автоматизации дома и сочетается как аппаратные, так и программные технологии. Результаты системы показывают, что ее можно классифицировать как

как удобную, безопасную, частную, экономичную и безопасную систему в дополнение к ее большой гибкости и надежности.

Ключевые слова — Домашняя автоматизация, приложения для Android, карта Arduino, безопасность, бытовая техника, Bluetooth, Android

——————————  ———————————

1 ВВЕДЕНИЕ

Mart home — это новая концепция, которая объединяет несколько областей науки и техники.Уже более десяти лет проводится множество исследований
с целью повышения энергоэффективности на потребительском уровне
систем управления питанием. «Умный дом» — это термин, который обычно используется для определения жилого дома, в котором технологии и услуги объединены через домашнюю сеть для повышения энергоэффективности и качества жизни [1]. «Умный дом» — это не новый термин для научного общества, но он все же гораздо больше. вдали от видения и прослушивания людей. Это связано с тем, что, хотя в последнее время были выполнены различные работы по разработке общего обзора возможных подходов к удаленному доступу для управления устройствами или в случаях моделирования самого умного дома и проектирования главного сервера, разработка и реализация готового Приложение удаленного управления умным домом было ограничено просто компьютерными приложениями и, в некоторых случаях, разработкой мобильных и веб-приложений.Технология «умного дома» — это воплощение идеалов домашней автоматизации с использованием определенного набора технологий. Это дом с высокотехнологичными автоматическими системами освещения, контроля температуры, безопасности, бытовой техникой и многими другими функциями. Кодированные сигналы отправляются через домашнюю проводку к выключателям и розеткам, которые запрограммированы для управления приборами и электронными устройствами в каждой части дома. Умный дом кажется «умным», потому что его компьютерные системы могут контролировать многие аспекты повседневной жизни.Умный дом также может обеспечивать удаленный интерфейс с бытовой техникой или самой системой автоматизации через телефонную линию, беспроводную передачу данных или через Интернет и приложение для Android, чтобы обеспечить управление и мониторинг через смартфон или веб-браузер. Растущее число пожилого населения и увеличение продолжительности жизни поставили огромные проблемы во многие аспекты жизни человека, особенно в области здравоохранения и здравоохранения. Согласно онлайн-базе данных ООН [2], в настоящее время процент пожилого населения составляет 7 человек.6%, которая, по прогнозам, вырастет до 16,2% в 2050 году. Домашняя автоматизация становится все более выгодной с точки зрения безопасности. Встроенная плата физически соединяла все устройства домашней автоматизации и через интеграцию с веб-сервером на базе персонального компьютера (ПК) обеспечивала удаленный доступ к системе [3]. В этой статье представлен умный дом, управляемый различными системами микроконтроллеров. Разработанная система состоит из пяти частей, которые связаны как с программным обеспечением Mickro c, так и с программным обеспечением Arduino. Первая подсистема в SHS — это временный обзор системы.Вторая подсистема — это системы безопасности, которые включают в себя систему пожарной сигнализации, используемую для оповещения о возникновении пожара и работающую по его удаленному тушению, и систему охранной сигнализации, которая сигнализирует о возникновении кражи со взломом. Третья подсистема — это система управления освещением (энергосбережение), которая включает внутреннее освещение дома и освещение потолка снаружи дома. Четвертая подсистема — это система дистанционного управления домом. Пятая подсистема — это система измерения температуры для кондиционера.SHS был разработан и реализован через два интерфейса, которые связаны с компьютером и устройством дистанционного управления. Компьютерное устройство с программным обеспечением микроконтроллера является основным блоком управления для всех систем в доме. Он получает данные от домашних датчиков, обрабатывает информацию и обновляет данные для различных систем, а также передает управляющий сигнал в домашние системы и переключающие устройства вывода. Микроконтроллер дает возможность контролировать важные системные операции.Пользователи также могут контролировать различные возможности системы и выбирать наиболее подходящую систему. Также доступен интерфейс дистанционного управления для управления некоторыми приложениями в SHS.

————————————————

 Мохамед Абд Эль-Латиф, Александрийский университет, член IEEE Эл. Почта: [email protected]

IJSER © 2014 http: // www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г.

ISSN 2229-5518

936

2 Обзор SHS

Умное домашнее устройство — это интерфейс между пультом дистанционного управления с его мобильным или дистанционным управлением и домашним питанием.Для каждого устройства для выполнения этого процесса проектирования интерфейса использовались микроконтроллер и Arduino для управления некоторыми приложениями в доме вручную с помощью пульта дистанционного управления и автоматически с помощью различных датчиков. Мы обсудим каждое системное приложение. Блок-схема полной СВС представлена ​​на рисунке-1. Мы используем различные типы микроконтроллеров, которые (PIC30f4013-PIC 16f627A- PIC12f652- PIC18f, arduino), вторичная связь между удаленным или грязным телефоном и микроконтроллером устанавливается через модули (RF-беспроводной и Bluetooth).Два предыдущих модуля можно подключить либо к микроконтроллеру, либо к Arduino. Специальное приложение для Android было разработано таким образом, чтобы различными домашними электронными устройствами можно было управлять с помощью смартфона удаленно.

Рис. 1 Блок-схема всего SHS

A. Микроконтроллер

Микроконтроллер PIC может использоваться как «мозг» для управления большим разнообразием продуктов, чтобы управлять большими устройствами. Их необходимо сопрягать или подключать к микроконтроллеру.Мы использовали PIC16F877, который является 8-битным, RISC-типом, 40-контактной ИС. Этот PIC будет отличаться от других PIC такими функциями, как 10-битный, 8-канальный встроенный ADC, встроенный PWM, один 8-битный USART, три таймера [4]. Микроконтроллер связывается с модулем Bluetooth через его контакты TX и RX. Последовательная команда управления, отправляемая через смартфон, принимается модулем Bluetooth и обрабатывается микроконтроллером PIC. Соответствующие выводы порта позволяют включать устройства.Кристалл 12 МГц, подключенный между контактами
13 и 14 вместе с двумя конденсаторами 33 пФ, обеспечивающими базовую тактовую частоту
для микроконтроллера.

B. Плата Arduino.

Arduino — это инструмент, позволяющий компьютерам управлять физическим миром больше, чем вашим настольным компьютером. Это платформа физических вычислений с открытым исходным кодом, основанная на простой плате микроконтроллера и среде разработки для написания программного обеспечения для платы. Arduino
можно использовать для разработки интерактивных объектов, принимая входные данные от различных переключателей или датчиков и управляя различными источниками света, двигателями и другими физическими выходами.Проекты Arduino могут быть автономными или обмениваться данными с программным обеспечением, работающим на вашем компьютере. Для физических вычислений доступно множество других микроконтроллеров и микроконтроллерных платформ. Все эти инструменты берут на себя беспорядочные детали программирования микроконтроллеров и объединяют их в простой в использовании пакет. Arduino также упрощает процесс работы с микроконтроллерами, но предлагает некоторые преимущества для учителей, студентов и заинтересованных любителей по сравнению с другими системами.

Arduino UNO

Рис.2 Схема Arduino Uno Front

—

Arduino UNO — это плата микроконтроллера, имеющая 14 цифровых входов / выходов (из которых 6 могут использоваться как выходы ШИМ),
6 аналоговых входов, керамический резонатор на 16 МГц, разъем USB -ция, разъем питания, заголовок ICSP и кнопка сброса. Он содержит все необходимое для поддержки микроконтроллера; для начала просто подключите его к компьютеру с помощью кабеля USB или подключите к нему адаптер переменного тока в постоянный или аккумулятор.

C. Android

Смартфон — это мобильный телефон на базе мобильной операционной системы с более совершенными вычислительными возможностями и возможностями подключения, чем у обычного телефона.Android — это программный стек для мобильных устройств, который включает операционную систему, промежуточное ПО и ключевые приложения. Android, по простому определению, — это операционная система для многих мобильных телефонов. Android — это настраиваемая платформа, которая может выглядеть и ощущаться по-разному на разных телефонах. Android предоставляет нам инструменты для создания приложений, которые отлично выглядят и в большей степени используют возможности оборудования, доступные на каждом устройстве. Android в основном основан на операционной системе Linux, в которой для запуска приложений используются java-подобные языки.Основная цель использования Android — посылать управляющие сигналы со смартфона через bluetooth. [3]

D. Bluetooth

Bluetooth был выбран в качестве нашего способа связи мобильного телефона с центральной системой. Модуль Bluetooth получает данные последовательно в формате RS232 от контроллера и отправляет их в беспроводную сеть. Для взаимодействия с микроконтроллером нам необходимо построить схему, потому что модуль Bluetooth понимает данные в стандарте RS232, а контроллер понимает данные

IJSER © 2014 http: // www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г.

ISSN 2229-5518

937

в формате TTL. Итак, нам нужно разработать схему, чтобы сделать эти две совместимые друг с другом. Используемый нами модуль Bluetooth — LM400 от LM Technology. LM400 разработан для обеспечения функции Bluetooth 2.0 + EDR в малом форм-факторе. Функция Bluetooth основана на системе Bluetooth CSR blue core 4-EXT, которая реализует операции Bluetooth на полной скорости класса 1 с полной поддержкой семи подчиненных пикосетей [4].

Рис.3 Модуль Bluetooth

3 Системы безопасности умного дома

Вот простая и компактная система охранной сигнализации для защиты вашего дома / магазина и ценностей. Схема построена на крошечной микросхеме микроконтроллера PIC12F675. Кроме того, готовый пассивный инфракрасный (PIR) модуль интегрирован с системой охранной сигнализации для надежного обнаружения движения человека. Встроенный пассивный инфракрасный датчик обнаруживает движение человека, регистрируя изменения температуры на сцене, и работает даже в полной темноте [5].Тепло человеческого тела, перемещающееся по сцене, активирует датчик PIR, и сигнал запуска будет немедленно отправлен в схему управления. Поскольку выход системы сигнализации может быть подключен к внешним лампам или сиренам, эти устройства будут немедленно активированы при обнаружении движения. В результате злоумышленник, вошедший в охраняемую зону, даже в полной темноте, будет мгновенно обнаружен. Обратите внимание, что датчик PIR можно использовать не только для обнаружения движения в темноте, но его можно эффективно использовать даже в дневное время, когда он может генерировать гораздо меньше ложных срабатываний по сравнению с другими механизмами обнаружения движения.Здесь PIC12F675 работает как «логический интерфейс» между устройством обнаружения и активатором сигнализации. Кроме того, мы используем Arduino для обеспечения безопасности, поэтому он может обеспечивать как контроль, так и интеграцию систем безопасности, а также возможность центрального запирания всех окон и дверей по периметру. Камерами безопасности можно управлять, позволяя пользователю наблюдать за деятельностью вокруг дома или офиса. прямо с монитора или сенсорной панели. Системы безопасности могут включать в себя датчики движения, которые обнаруживают любое несанкционированное движение и уведомляют пользователя через систему безопасности или по сотовому телефону.

Рис.4 Предупреждающее сообщение SHS

4 Системы управления освещением умного дома

Системы управления освещением умного дома показаны на рисунке 5

Рис.5 Системы управления освещением умного дома

В этом разделе пользователь сможет для управления светом в SHS двумя способами: с помощью смартфона или с помощью датчика PIR автоматически, если мы говорим об использовании смартфона, это будет опция включения / выключения или диммер. Диммеры — это устройства, используемые для изменения яркости света с помощью уменьшение или увеличение среднеквадратичного напряжения.Можно изменять интенсивность света и скорость вентилятора, используя несколько типов диммеров. Современные диммеры построены из кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) вместо переменного резистора, поскольку они имеют более высокий КПД. Поскольку кремниевый управляемый выпрямитель переключается между состоянием «ВКЛ» с низким сопротивлением и состоянием «ВЫКЛ» с высоким сопротивлением, он рассеивает очень мало энергии по сравнению с управляемой нагрузкой. Схема диммера основана на схеме управления SCR, которая используется для управления молнией и скоростью вращения вентилятора.В этом разделе в основном обсуждается аппаратная конструкция платы управления mai. Arduino UNO был выбран из-за его способности выполнять как последовательные, так и USB-функции для установления соединения Bluetooth и USB с приложением Android. Модуль светового датчика выбран потому, что это недорогие модули 2-в-1. Для модуля Bluetooth выбран недорогой модуль Bluetooth, чтобы установить соединение Bluetooth между основной платой управления и смартфоном. Электрический ток напрямую подключается к основной плате управления, тем самым разделяя регулятор и цепь реле.Стабилизатор напряжения построен по общей схеме надежного регулятора, состоящей из трансформатора, выпрямителя и регулятора. Выход 5 В и 3,3 В постоянного тока регулируется для удовлетворения потребностей в напряжении конкретных компонентов на главной плате управления. Кроме того, переключатели низкого напряжения заменят существующие переключатели, простота установки принята во внимание для этой системы . Система предназначена для установки непосредственно рядом с электрическими выключателями на стене.Установка этой системы исключает сложную переустановку электропроводки и подвесную проводку на стене. Существующее соединение переключателя подключается и управляется релейной схемой внутри главной платы управления. Кроме того, в доме можно установить несколько пультов управления. Главное устройство Bluetooth в ПК / ноутбуке в большинстве случаев может подключать до 7 устройств. С помощью этих простых и недорогих компонентов основная плата управления может быть построена довольно небольшого размера, но при этом выполняет сильные функции и особенности системы.Приложение разработано для Android версии 2.2 (Froyo) с уровнем API 8. Приложение разработано на низком уровне API, поэтому устройства с более высокой версией совместимы с ним. На рисунке 6 показан графический интерфейс Android, протестированный на смартфоне.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г.

ISSN 2229-5518

938

с версией 4.0.4 ( Сэндвич с мороженым).Интерфейс прост в использовании, пользователь может просто коснуться значка, чтобы включить / выключить устройства после подключения к графическому интерфейсу Windows или напрямую к главной плате управления.

Рис.6 Главный графический интерфейс управления Android

На рисунке 7 показан интерфейс графического интерфейса Android для выбора устройства Bluetooth. Пользователь может подключиться напрямую к главной плате управления (BlueBee) или подключиться к ПК / ноутбуку (PROZ) через соединение Bluetooth.

Рис.7 Интерфейс подключения Bluetooth для Android

5 Система дистанционного управления SHS

В настоящее время одной из существующих проблем, связанных с приложениями для умного дома, является тот факт, что в доме со всеми видами автоматизированных приложений тоже будет множество пультов дистанционного управления или терминала мониторинга, если пользователь установил ряд проприетарных приложений от разных поставщиков [6].Существует также тот факт, что диапазон доступа для удаленного управления этими устройствами ограничен либо длиной кабеля, либо покрытием беспроводной сети в персональной сети. Широко известно, что важным примером применения беспроводной технологии является технология мобильных телефонов. мы используем беспроводной модуль RF с дистанционным управлением pic16f и модуль Bluetooth со смартфоном. Мы используем нашу систему дистанционного управления для управления двумя основными приложениями, первое приложение — открытие и закрытие гаражных ворот.Второе приложение — это управление шторами, но пульт дистанционного управления шторами используется только для переключения между двумя режимами (спящий режим, активный режим), эти режимы в основном зависят от внешнего датчика для обнаружения солнечного света. Пульт дистанционного управления воротами гаража показан на рисунке 8.

Рис. 8 Пульт дистанционного управления гаражными воротами

Второй — управление шторами, но пульт управления шторами предназначен только для переключения между двумя режимами (спящий режим, активный режим). Эти режимы в основном зависят от внешнего датчика для обнаружения солнечного света.Датчик наружного освещения показан на рисунке 9

Рис. 9 Датчик наружного освещения

6 Система измерения температуры умного дома для кондиционера

В этом разделе мы будем контролировать температуру в доме автоматически с помощью специального датчик температуры, которым является датчик LM35. Его выходное напряжение пропорционально температуре по Цельсию. Он имеет низкую способность к самонагреву, подходит для удаленных приложений, низкая стоимость за счет обрезки уровня пластины, работает от 4 до 30 В, в этом случае выход с низким импедансом.В этом проекте мы используем этот датчик на кухне для наставничества и контроля температуры в помещении, а также специальную опцию, которая представляет собой ЖК-дисплей, на котором пользователь может считывать температуру и уровень дыма на кухне, а также визуальную сигнализацию, если этот уровень температуры или дыма будет разожгите огонь или, если на кухне уже есть пожар, мы также используем датчик температуры для измерения наружной температуры, чтобы сравнить ее с заданной температурой, чтобы система контролировала состояние воздуха в соответствии с удобством пользователя.Датчик наружной температуры показан на рисунке 10.

Рис.10 Датчик наружной температуры

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г.

ISSN 2229-5518

939

Итак; если температура в помещении становится очень высокой или низкой, можно автоматически регулировать вентилятор / кондиционер в соответствии с температурой.

7 Выводы

В этой статье была разработана и реализована система контроля и мониторинга для умного дома.Система умного дома (SHS) состоит из множества подсистем, которые управляются программным обеспечением микроконтроллера в качестве основной системы управления. Кроме того, SHS поддерживалась системой дистанционного управления в качестве вспомогательной системы. Система также подключена к беспроводной технологии Bluetooth для мониторинга и управления домашним электронным оборудованием из любой точки мира с помощью как Arduino, так и микроконтроллера.

Ссылки

[1] Hsien-Tang Lin «Реализация умных домов с открытым исходным кодом

Solutions» International Journal of Smart Home Vol.7, No. 4, July,

2013. pp 289-295.

[2] Росслин Джон Роблес1 и Тай-хун Ким1 «Приложения, системы и методы в технологии умного дома: AReview» Международный журнал передовых наук и технологий, том. 15 февраля 2010 г. С. 37-47.

[3] Сук-Лин Чуа, Стивен Марсленд и Ханс В. Гесген «Распознавание поведения в умных домах» Труды Двадцать второй международной совместной конференции по искусственному интеллекту, 2011.

[4] Gowthami, Dr.Адилин макрига «Система мониторинга и управления умным домом с помощью телефона Android» Международный журнал новейших технологий и передовой инженерии Веб-сайт: www.ijetae.com ISSN 2250-2459, ISO 9001: 2008 Certified Journal, Volume 3, Issue 11, November 2013.

[5] Сайсакул Чернбумрунг, Энтони С. Аткинс и Хонниан ЮПер

4-я международная конференция по программному обеспечению, управлению информацией и приложениям «Умные домашние технологии для помощи пожилым людям» (SKIMA 2010).

[6] Кристиан Райниш, Марио Дж. Кофлер, Вольфганг Кастнер «ThinkHome: Умный дом как цифровая экосистема» 4-я Международная конференция IEEE по цифровым экосистемам и технологиям (IEEE DEST 2010).

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Проектирование систем домашней автоматизации: основы

Домашняя автоматизация — это метод автоматического управления бытовой техникой для удобства пользователей. Эта технология облегчает жизнь пользователя и экономит энергию за счет использования устройств в соответствии со строгими требованиями.Элементы управления могут быть такими простыми, как затемнение света с помощью пульта дистанционного управления, или такими сложными, как настройка сети элементов в доме, которые можно запрограммировать с помощью главного контроллера или даже через мобильный телефон из любой точки мира.

Система домашней автоматизации может включать выключение электроприборов, таких как кондиционеры или холодильники, при достижении желаемой температуры, а затем повторное включение, когда температура превышает определенное значение. Систему домашней автоматизации можно также использовать для защиты дома от грабителей, отправив оповещения в ближайший полицейский участок и домовладельцу в случае обнаружения нарушителя.

Рисунок 1: Базовая система домашней автоматизации

Помимо алгоритмической автоматизации, пользователь может управлять устройствами в соответствии с личными требованиями с помощью кнопок прямого доступа, сотовых телефонов, Интернета или инфракрасных пультов дистанционного управления. Сеть приборов и датчиков может взаимодействовать друг с другом и принимать решения о работе.

В этой статье представлена ​​структура для разработки экономичной и функциональной системы домашней автоматизации, сначала обсуждаются общие соображения по проектированию, которые следует оценить перед началом работы, после чего следует обзор компромиссов между различными архитектурными подходами, а затем способы их реализации. эта конструкция с использованием технологии «система на кристалле».

Рисунок 2: Примеры блоков управления

Соображения по конструкции
При разработке системы домашней автоматизации необходимо учитывать несколько проблем и соображений при проектировании, многие из которых определяются потребностями пользователя. Как только они будут определены, разработчик может выбрать подходящий процессор, датчики и протокол связи для системы, учитывая следующие параметры:

Тип интерфейса: Самое основное и важное требование в домашней автоматизации В системе интерфейс представляет собой базовый протокол связи и комбинацию оборудования, используемую для отправки и получения сообщений между устройствами и пользователем.У дизайнеров есть много вариантов для осуществления связи между устройствами, пользователем и системой в целом, в зависимости от системы, диапазона, размера дома, простоты использования и т. Д. Если пользователь хочет управлять бытовой техникой через Интернет, дизайнер необходимо добавить интерфейс Ethernet / Wi-Fi для подключения системы к домашней сети. Если пользователь хочет управлять системой с помощью Bluetooth с мобильного телефона, разработчик должен добавить интерфейс Bluetooth для связи с устройством.

Выбор интерфейса связи также зависит от топологии, используемой между центральным блоком управления (CCU) и блоками управления помещением (RCU).Эти устройства будут рассмотрены более подробно позже в этой статье.

Требования к зондированию: Разработчик должен определить требования пользователя к зондированию и выбрать датчик, необходимый для выполнения задачи. Ему или ей также необходимо оценить характеристики датчика, необходимые для различных нужд и возможности использования в различных средах. Диапазон датчиков, которые следует учитывать, включает:

• Термисторы могут использоваться для управления кондиционерами, холодильниками, гейзерами, системой отопления или в случае пожара.
• Датчики влажности определяют уровень влажности в окружающей среде.
• Датчики газа могут использоваться для обнаружения утечек газа.
• Датчики света могут использоваться для определения силы света в доме.

Информация, предоставляемая этими датчиками (после формирования сигнала), используется процессором для принятия нескольких важных решений, касающихся устройств и того, когда их включать или выключать.

Уровень безопасности: Еще одним важным требованием при проектировании системы домашней автоматизации является обеспечение безопасности всей системы, чтобы ее нельзя было легко изменить для передачи контроля над домом неавторизованным пользователям.Он должен быть в состоянии предотвратить большинство типов вторжений. Даже если система взломана, она должна иметь возможность отправлять сигналы пользователю и ближайшему полицейскому участку. Также необходимо скрыть как можно больше компонентов от прямого доступа через главную панель управления, чтобы не превратить ее в черный ящик. Он также должен иметь возможность отправлять и воспринимать закодированные данные при обмене данными с другими устройствами. Это предотвратит проникновение злоумышленников в систему и использование того же интерфейса для взлома устройств.

Топология: Топология определяет способ взаимодействия блоков управления домашней автоматикой друг с другом. Топология звездообразного типа является наиболее часто используемой, поскольку в ней используется центральный блок управления (CCU), взаимодействующий со всеми доступными блоками дистанционного управления (RCU) и принимающий на себя ответственность за принятие решений. Роль блоков RCU — отправлять данные, полученные от датчиков, обратно в CCU. После того, как он оценил входные данные от датчиков и принял все необходимые решения, CCU отправляет команду обратно в RCU, чтобы выполнить определенное действие.

Другая топология, которую следует рассмотреть, — это топология ячеистой сети, которая не имеет CCU и использует совокупность блоков управления примерно одинакового интеллекта и возможностей, связанных друг с другом. Каждое устройство отправляет информацию в сеть, которая используется всеми устройствами. Каждая единица независима и принимает собственные решения на основе общей информации.

Выбор топологии системы определяет выбор интерфейсов связи, таких как ZigBee, RF, Bluetooth и т. Д.

Глубина автоматизации: Конструкция системы зависит от требований, варьирующихся от простого управления освещением в доме до управления всеми приборами и системой безопасности. Каждое требование влияет на общий дизайн, и разработчикам необходимо определить наиболее оптимизированный способ выполнения всех задач с наименьшими затратами и сложностью. Несмотря на внутреннюю сложность системы, она должна быть простой в использовании и не создавать препятствий для ее использования домашним пользователем.

Стоимость: Это наиболее важный аспект проектирования системы, поскольку сложность системы и глубина автоматизации определяют стоимость. Очень сложная и, следовательно, дорогостоящая система может отпугнуть клиентов от покупки и установки ее у себя дома.

Стоимость системы напрямую зависит от количества компонентов, используемых интерфейсов и сложности конструкции прошивки и оборудования. Хотя не должно быть никаких компромиссов в отношении качества оборудования и программного обеспечения, количество компонентов в системе может быть уменьшено, чтобы снизить общую стоимость и размер системы.Вместо традиционного компонентного подхода более низкая стоимость может быть достигнута с помощью системы на кристалле (SoC), которая объединяет несколько периферийных устройств и процессор в одну и ту же микросхему.

Архитектура системы домашней автоматизации
Хотя есть несколько топологий на выбор, для простоты в этой статье мы сосредоточимся на системе домашней автоматизации на основе звездообразной топологии и ее двух типах блоков управления, CCU и несколько блоков RCU (, рис. 3, ).

Рисунок 3: Архитектура системы с топологией «звезда»

Центральный блок управления: Центральный блок управления является центром и мозгом системы домашней автоматизации.Общие характеристики центрального блока управления:

• Измерение текущих условий окружающей среды с помощью различных датчиков и, соответственно, управление освещением и вентиляторами помещений
• Получение инструкций от удаленного пользователя через GSM или Ethernet и управление устройством в определенной комнате согласно полученным инструкциям
• Управление устройствами по времени, например автоматическое выключение телевизора в определенное время
• Контроль текущего состояния электропитания и отключение приборов для их защиты при обнаружении сбоя электропитания
• Информирование удаленных пользователей при обнаружении вторжения или при обнаружении сбоя в системе

Комнатный блок управления: Комнатный блок управления управляет приборами в определенной комнате.У него есть набор датчиков для определения окружающей среды. Исходя из текущих условий, он может принять решение о дальнейших действиях. Общие характеристики комнатного регулятора:

• Мониторинг текущих условий окружающей среды с помощью различных датчиков и передача этих данных в CCU
• Получать инструкции от CCU и управлять приборами в помещении согласно полученным инструкциям
• Устройства управления на основе входов с портативного пульта дистанционного управления
• Управление устройствами на основе ввода с пользовательских кнопок

Давайте посмотрим на архитектуры обоих этих устройств по отдельности:

Центральный блок управления
Это основной блок, отвечающий за мониторинг всей системы домашней автоматизации.Он взаимодействует с другими системными блоками для выполнения необходимых задач. Наиболее распространенные интерфейсы CCU показаны на рис. 4 . Некоторые из этих интерфейсов не являются обязательными и используются в соответствии с требованиями системы и пользователя.

Рисунок 4: Архитектура уровня блока центрального блока управления

В типичном центральном блоке управления встречаются следующие блоки:

Датчики: Датчики — это глаза системы домашней автоматизации.Они «видят» окружающую среду и преобразуют то, что находят, в электрическую величину, которую можно измерить микроконтроллером или системным процессором. К основным датчикам домашней автоматизации относятся датчики температуры, датчики влажности, датчики света и датчики газа. Данные в виде сигналов от этих датчиков можно использовать для управления различными приборами напрямую, без вмешательства человека. Например, свет может автоматически включаться на закате, кондиционер может автоматически выключаться, если в доме не обнаруживается движение в течение получаса, или может быть подана тревога, когда система обнаруживает утечку сжиженного нефтяного газа.

Аналоговый интерфейс (AFE): Каждый датчик преобразует изменение физического параметра, такого как температура или интенсивность света, в аналогичное изменение электрических параметров, таких как сопротивление или емкость. Эти физические величины должны быть преобразованы в эквивалент напряжения, чтобы микроконтроллер мог определить изменение окружающей среды. Для этого аналоговый интерфейс (AFE) сопряжен с аналоговыми датчиками. AFE предварительно обрабатывает выходные сигналы, поступающие от датчиков, путем фильтрации шума и обеспечения необходимого усиления сигналов.AFE также необходимы для калибровки системы по показаниям датчиков, таким образом обеспечивая базовое значение для системы, чтобы идентифицировать любые изменения в окружающей среде.

Удаленное подключение: В зависимости от потребностей и различных конструктивных соображений пользователям может потребоваться возможность удаленного управления системой и устройствами. Два наиболее распространенных способа сделать это — использовать мобильную телефонию на базе GSM и Интернет. GSM, Ethernet или оба интерфейса могут использоваться для связи с системой из удаленного места.Система также может отправлять или «проталкивать» полезную информацию пользователям, такую ​​как периодические обновления, сбои, вторжения и т. Д. Для этих вариантов подключения обычно требуется протокол последовательной связи, такой как SPI или I2C, для связи с центральным процессором.

Локальное соединение: Центральный блок управления и блоки управления помещением должны периодически обмениваться данными друг с другом, а также при возникновении событий. Существует несколько вариантов установления связи между CCU и RCU, выбор которых зависит от стоимости и топологии системы, включая Bluetooth, радиочастотные трансиверы и XBEE, среди прочего.У каждого из этих интерфейсов есть свои плюсы и минусы, поэтому разработчики системы должны учитывать все системные требования, прежде чем выбирать конкретный интерфейс.

Ручное управление: В типичной системе домашней автоматизации бывают ситуации, когда пользователю необходимо вручную управлять одним или несколькими устройствами. Клавиатуры и / или инфракрасные пульты дистанционного управления чаще всего используются для обеспечения управления системой пользователям. Ручное управление пользователем должно быть разрешено системой для предотвращения контроля системы злоумышленником и отключения предупреждений о вторжении.

Часы реального времени (RTC): Системы домашней автоматизации должны иметь возможность управлять устройствами в зависимости от времени. Источник точного времени необходим для управления приборами с использованием настроек на основе времени. Внешний RTC может использоваться для поддержания времени в системе, а центральный контроллер может получить к нему доступ для получения информации, относящейся к текущему времени.

Интерфейс NFC: Связь ближнего поля (NFC) используется для связи на близком расстоянии.Эта технология быстро набирает обороты во встроенных приложениях для связи и обмена информацией. Его можно использовать у главной двери, чтобы запереть или отпереть дверь с помощью смартфона домовладельца с поддержкой NFC.

Power Monitor: В любом доме есть много электроприборов, чувствительных к колебаниям напряжения и нуждающихся в надежном питающем напряжении в определенном диапазоне для нормальной работы. Блок монитора мощности может быть добавлен к центральному блоку управления для проверки мгновенного напряжения источника питания.Этот блок снижает уровень напряжения источника питания до уровня, при котором система может контролировать его с помощью АЦП. Используя входные данные от этого блока, контроллер может обнаруживать ситуации низкого, высокого напряжения и колебаний напряжения. В крайних случаях этот блок может дать команду RCU выключить чувствительные устройства, чтобы предотвратить повреждение. Пример простой схемы контроля мощности приведен на Рис. 5 и может быть легко реализован в системах автоматизации.

Рисунок 5: Схема контроля мощности

В цепи контроля мощности схема делителя потенциала снижает сетевое напряжение до более низкого напряжения, которое может быть безопасно измерено АЦП микроконтроллера.Схема пикового детектора создает огибающую для измеряемого уменьшенного напряжения. Защитный диод защищает микроконтроллер, ограничивая максимальное напряжение его стабилитроном (Vz).

Комнатный блок управления (RCU)
Комнатный блок управления ( Рис. 6 ) отвечает за управление приборами, установленными в определенном помещении. Этот блок получает команды управления от центрального блока управления, а также от пользовательских кнопок, которые могут напрямую управлять приборами.Блок управления помещением также может иметь различные типы датчиков, встроенных для локального наблюдения за приборами в соответствующем помещении. Если RCU имеет интерфейс IrDA, пользователь может управлять приборами с помощью инфракрасного пульта ДУ. При желании, если для локальной связи используется Bluetooth, пользователь может управлять системой с помощью смартфона.

RCU — это вспомогательное устройство, отвечающее за мониторинг местных условий окружающей среды и управление локальными приборами, подключенными к устройству. RCU незаменимы для большого дома с несколькими комнатами.Эти блоки сообщают о местных условиях окружающей среды центральному блоку управления, а также управляют местными устройствами на основе команд от ЦУП. Этот модуль взаимодействует с другими блоками в системе для выполнения необходимых задач. Блок-схема уровня и описание RCU даны на рис. 6 .

Рисунок 6: Архитектура уровня блока комнатного блока управления

Кнопки: Эти кнопки предназначены для непосредственного управления устройствами, позволяя пользователю напрямую включать или выключать любое устройство с помощью пульта управления.Эти кнопки также служат панелью аварийного управления на случай отказа системы CCU.

Инфракрасный датчик и декодер: Эти блоки обеспечивают интерфейс для обычно используемых портативных инфракрасных пультов дистанционного управления.

Драйверы реле: Для активации требуется ~ 100 мА тока, поэтому драйверы реле должны иметь требуемую мощность привода для питания реле. Они также защищают контроллер от индуктивного удара, генерируемого реле.

Построение вашей системы: подход с программируемой SoC
SoCarchitectures может интегрировать большую часть функциональности системы в один чип, сокращая как время вывода на рынок, так и затраты на спецификации. Такая интеграция также затрудняет обратное проектирование системы, поскольку реализация скрыта внутри микросхемы.

Помимо ускорения проектирования, SoC предоставляют несколько преимуществ бизнес-уровня:

Более низкая стоимость: Общая стоимость интегрированных компонентов может быть значительно больше, чем стоимость одной SoC.

Более быстрое время вывода на рынок: SoC сокращает время, необходимое для выхода продукта на рынок, поскольку дизайнеры могут работать с меньшей системой с меньшим количеством внешних компонентов.

Упрощенная модификация системы: Многодомные системы автоматизации могут быть спроектированы на основе одной и той же SoC из-за наличия различных интерфейсов и функций. Это увеличивает преимущество использования SoC в системе, поскольку архитектура может оставаться той же, что позволяет дизайну стать более простым в использовании.Использование одного устройства может уменьшить количество компонентов, чтобы обеспечить более компактное решение.

SoC предлагают разные уровни интеграции. Например, семейство микроконтроллеров PSoC от Cypress объединяет большинство компонентов, необходимых системе домашней автоматизации, для чего требуются только внешние датчики и ограниченное количество пассивных компонентов. Кроме того, универсальные цифровые блоки (UDB) в архитектуре PSoC обеспечивают программируемую аппаратную логику для еще большей интеграции, позволяя разработчикам интегрировать настраиваемую цифровую логику в программируемые логические блоки (PLD).

Требования к системе

• АЦП для выборки нескольких датчиков
• Интерфейс связи SPI с различными периферийными устройствами
• Интерфейс связи I2C с RTC
• Интерфейс шестигранной клавиатуры
• Интерфейс IrDA для инфракрасных пультов
• Выходной контакт для управления схемой драйвера

Проектирование на уровне системы
При разработке архитектур SoC производители микросхем предлагают специализированные инструменты для облегчения управления обменом данными и потоками данных через SoC, а также для создания надежного микропрограммного обеспечения и настройки ресурсов программируемой логики.Например, Cypress ‘PSoC Creator предоставляет графический интерфейс дизайна, который позволяет разработчикам быстро использовать предварительно проверенные, готовые к производству компоненты с упрощенной конфигурацией и легкими в использовании API.

Нажмите на картинку для увеличения.

Рисунок 7: Архитектура системы домашней автоматизации, как показано в PSoC Creator

На рис. 7 показана полная система домашней автоматизации. Различные используемые компоненты включают в себя:
ADC: ADC используется для снятия показаний с датчиков температуры и газа, отбора проб с датчиков и предоставления цифрового значения, которое ЦП может использовать для принятия интеллектуальных решений управления.

Термистор: Этот компонент предоставляет API для преобразования цифровых показаний датчика температуры в температуру.

SPI: Компонент SPI напрямую взаимодействует с различными периферийными устройствами, такими как NFC, Ethernet и т. Д. Этот интерфейс использует дополнительный демультиплексор для адресации нескольких коммуникационных модулей с помощью одного хоста.

I2C: Компонент I2C взаимодействует с RTC и может быть расширен для подключения к любому ведомому устройству I2C.

Шестнадцатеричная клавиатура: Это настраиваемый компонент, реализованный в среде разработки. Этот компонент считывает нажатие клавиши, обнаруженное на клавиатуре 4 × 4, с помощью машины состояний, разработанной с UDB.

IrDA Decoder: Этот компонент принимает сигнал от приемника IrDA, декодирует сигнал и передает результат декодирования в CPU для оценки и действий. (рисунок 8)

Нажмите на картинку для увеличения.

Рисунок 8: Схема ИК-декодера

Внутренняя схема пользовательских компонентов: Средства проектирования SoC предоставляют разработчикам гибкость для проектирования пользовательских компонентов с использованием общих системных блоков, а также скрывают сложные схемы за простым в использовании блоком. В приведенном выше дизайне используются два пользовательских компонента:

IrDA Decoder (, рис. 8, выше): этот блок декодирует инфракрасные сигналы, закодированные с использованием протокола RC5.Пакет данных AnRC5 обычно имеет 14 бит, которые отправляются в формате манчестерского кодирования (, рис. 9, ).

Рисунок 9: Удаленный выход с манчестерской кодировкой

Блок

TheBit Extractor, показанный на рисунке 8, восстанавливает бит и тактовую частоту из входящего сигнала от приемника TSOP IrDA следующим образом: Первый вентиль XOR восстанавливает скрытые тактовые импульсы из сигнала. Этот сигнал запускает компонент ШИМ с периодом пробных часов.Когда ШИМ достигает счетчика клемм, он запускает второй DFF для выборки инвертированного сигнала. Этот инвертированный выходной сигнал DFF снова инвертируется перед передачей в регистр сдвига. Таблица поиска (LUT) используется для подсчета количества полученных битов, и после получения 14-го бита запускается прерывание. В этом прерывании ЦП считывает полученные данные, хранящиеся в регистре сдвига.
4.

Шестнадцатеричная клавиатура: Шестнадцатеричная клавиатура (, рис. 10, ) — это 16-кнопочный ввод, разделенный на четыре столбца и четыре строки, что дает (4x 4 =) 16 уникальных клавиш.В данном компоненте один из выводов столбца переводится в низкий уровень, и считываются строки.

Рисунок 10: Схема декодера шестнадцатеричной клавиатуры

Если нажатие клавиши не обнаруживается, то следующий штифт колонки переводится в низкий уровень, а предыдущий штифт переводится в высокий уровень. Нажатие клавиши обнаруживается, когда сигнал строки становится низким, когда соответствующий вывод столбца опускается на низкий уровень. Обнаружение нажатия клавиши переводит «действительную» строку в высокий уровень. Этот допустимый терминал используется для генерации прерывания. Внутри этого прерывания ЦП будет читать регистр «Key Reg», чтобы получить информацию о нажатой клавише.

Рахул Радж Шарма — инженер по приложениям в Cypress Semiconductors на USB-устройствах. Он работал над приложениями PSoC и любит разрабатывать аналоговые и смешанные сигналы. С ним можно связаться по телефону .

Тушар Растоги — инженер по приложениям в Cypress Semiconductors и работает над приложениями на основе PSoC с 2012 года. В его обязанности входит программирование прошивки PSoC, разработка приложений, техническая поддержка клиентов с программированием, вопросы, связанные с граничным сканированием, и технический написание.С ним можно связаться по адресу.

Продолжить чтение

Автоматизация умного дома с использованием AVR

в этом технологическом мире автоматические системы предпочтительнее ручных. В этой серии Домашняя автоматизация играет важную роль для человека. В этом разделе мы говорим об основных потребностях, необходимых для хорошего понимания проекта, а также о его будущих достижениях.

Мы поговорим о различных типах датчиков (т.е.е. Датчик температуры, датчик газа LPG, LDR) и устройства ввода и вывода (например, матричная клавиатура 2 × 2, зуммер, двигатель постоянного тока, 16 × 2-символьный ЖК-дисплей, блок питания и т. Д.). Теперь мы собираемся связать всех, кто имеет мозг системы «микроконтроллер (например, ATmega16 / 16L)», и давайте выясним, какова индивидуальная роль каждого компонента и как они вместе действуют как система умного дома.

БЛОК-ДИАГРАММА
AVR (ATmega16 / 16L- 8 бит) МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Это полный контроль над проектом.Он управляет двигателем постоянного тока, зуммером и при утечке газа, повышением температуры и т. Д. Для этого используются порты ввода / вывода микроконтроллера.
LDR
LDR используется для проверки интенсивности солнечного света; чтобы мы могли знать, что сейчас день или ночь.
Датчик температуры LM35
Он используется для измерения температуры в помещении и передачи ее микроконтроллеру для желаемого действия.
16 × 2 символьный ЖК-дисплей
Он используется для отображения на дисплее значений всех датчиков и действий, предпринимаемых системой.
Матричная клавиатура 2 × 2
Используется для ввода пароля для доступа к двери.
Двигатель постоянного тока
Используется для открытия и закрытия двери.

Принцип работы и схема

ПРИНЦИП РАБОТЫ

В этом проекте я использовал три аналоговых датчика: Temp, LPG Gas и LDR. Им дан аналоговый выход. Таким образом, в соответствии с требуемым интерфейсом, я подключил все аналоговые выходы датчиков к встроенному АЦП для получения цифровых значений и клавиатуры, двигателя постоянного тока, ЖК-дисплея, зуммера, транзисторов и LED к контактам ввода-вывода микроконтроллера. .Для соединений, пожалуйста, обратитесь к схеме, приведенной ниже.

Теперь при включении питания первый красный светодиодный индикатор показывает состояние питания системы, и если это так, то все периферийные устройства инициализированы, и их текущее значение будет отображаться на ЖК-дисплее после приветственного сообщения «ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В SMART HOME». Теперь каждый датчик имеет свое пороговое значение в соответствии с преобразованием АЦП, указанным в исходном коде C, в соответствии с требованиями, и все устройства o / p управляются микроконтроллером на основе выходных сигналов датчиков и действуют соответственно.Мы можем изменить эти пороговые значения в соответствии с нашими потребностями, изменив исходный код C.

Для лучшего понимания возьмем на примере датчик температуры. После процесса АЦП в моем проекте я назначаю 50 * C в качестве порога для датчика температуры. Таким образом, когда значение АЦП датчика температуры превышает его пороговое значение, в этот момент микроконтроллер дает сигнал зуммеру для звукового сигнала и ЖК-дисплея для отображения «Температура увеличена», и если значение ниже порогового значения, тогда все в норме.Таким образом, каждый датчик имеет свое пороговое значение, и микроконтроллер всегда сравнивает текущее значение АЦП с пороговым значением, и если оно превышено, микроконтроллер выполняет желаемое действие.

Я также подключил транзистор NPN ( BC547 ) для работы реле . Если я хочу включить / выключить любое устройство переменного тока в соответствии с датчиком температуры или LDR, я могу подключить реле к транзистору для работы.

Этот проект домашней автоматизации имеет три разных светодиода разных цветов.Во-первых, это красный светодиод, который указывает на наличие питания в системе. Второй — синий цвет, который указывает на утечку сжиженного нефтяного газа, а третий — белый цвет, который указывает на состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзисторов.

Я также подключил матричную клавиатуру 2 × 2, которая используется для ввода пароля для открытия двери.

В моем коде «123» — это пароль для открытия двери. Когда вы нажали «123» на клавиатуре, показанной на диаграмме, и кнопка «Enter» также будет там со знаком «enter». Когда вы нажимаете кнопку «Enter», ваш текущий пароль сравнивается с паролем, написанным в исходном коде C.Если это правильно, тогда двигатель постоянного тока вращается и дверь будет открыта, если нет, то на ЖК-дисплее отобразится короткий звуковой сигнал и сообщение «Неправильный проход». Теперь тебе нужно попробовать еще раз.

Таким образом, каждый компонент и схема имеют свою индивидуальную роль, которая постоянно контролируется микроконтроллером.

ЦЕПЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА С ФЕРИФЕРИЯМИ

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Источник питания для всего блока может быть получен от сети с помощью понижающего трансформатора с первичной обмотки 230 В переменного тока на 0–12 В с вторичной обмоткой 500 мА.Двухполупериодный выпрямитель, за которым следует конденсаторный фильтр, формирует выходное напряжение и подает его на 5-вольтовый стабилизатор ( LM7805 ), выход которого используется для питания схем микроконтроллера и других ИС.

РАСХОДНАЯ КАРТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автоматизированный дом можно легко реализовать с помощью группы простых элементов управления, или он может быть более принудительным, если мы собираемся использовать электрические приборы или электрические приборы с дистанционным управлением.По разным параметрам вынужденная система стоит дороже.

Приобретается больше знаний и накапливается больше опыта. В конечном итоге собирается много информации, и я с большим удовольствием заключил, что наша цель достигнута.

Я планировал выполнить свои технические требования. Знания, которые я получил с помощью этого проекта, действительно сохранятся до конца моей карьеры.

Схема

Схема

Подробнее: Автоматизация умного дома с использованием AVR

IRJET-Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте

IRJET приглашает статьи из различных инженерных и технологических и научных дисциплин для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, Ноя 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.

---

Архитектура интеллектуального микроконтроллера для Интернета вещей

В этом разделе представлены две промышленные реализации предложенной архитектуры. Обе эти две реализации исходят из реальных требований компаний, и они были успешно развернуты для повседневного использования.

3.1. Система блокировки микрокомпьютера на основе RFID с использованием одного микроконтроллера

Первая реализация была успешно применена в электроэнергетической компании в провинции Цзянсу в Китае. На самом деле обслуживание электрооборудования затруднено из-за особых характеристик электричества. Несчастные случаи часто происходят, когда обслуживающий персонал неправильно эксплуатирует оборудование. Между тем, количество электрооборудования быстро увеличивалось с развитием электросети, что усложняло эксплуатацию.Как правило, можно использовать механизм дублирования имен, чтобы помочь обслуживающему персоналу идентифицировать различное оборудование. Однако вход в неправильное помещение с оборудованием или использование неправильного электрооборудования всегда происходит в процессе их ежедневного технического обслуживания. Как правило, применяется система блокировки, чтобы надежно избежать возникновения этих аварий. Блокировка пяти микрокомпьютеров является таким решением, чтобы эффективно избежать несчастных случаев, связанных с неправильными операциями.

Однако блокировка пяти микрокомпьютеров имеет только 10-битное адресное пространство для кодирования идентификационного номера.То есть он имеет только 1024 перестановки, что приведет к следующим двум недостаткам: во-первых, если количество единиц оборудования превышает 1024, идентификационные номера, присвоенные замкам, будут дублироваться. Это вызовет риск неправильных операций. Во-вторых, идентификационный номер можно было использовать только на одной подстанции. Он также может дублироваться на разных подстанциях. Если обслуживающий персонал пытается последовательно обслуживать подстанции, цифровые ключи следует повторно настраивать на месте, чтобы гарантировать уникальность идентификационного номера замка.Это приведет к потере времени и энергии обслуживающего персонала.

Технология RFID — это крупный прорыв в парадигме встроенных коммуникаций, которая позволяет разрабатывать микрочипы для беспроводной передачи данных. Они помогают в автоматической идентификации всего, к чему они привязаны, действуя как электронный штрих-код [25]. Поэтому технология RFID, включающая предложенную архитектуру микроконтроллера, применяется для эффективного решения вышеуказанной проблемы. Это значительно облегчает эксплуатацию и обслуживание электрооборудования.

Для более эффективного развертывания продукта первоначальная пятиконечная блокировка микрокомпьютера улучшается в следующие два этапа: во-первых, к замку прикрепляется RFID-метка с уникальным идентификационным номером; во-вторых, реализован цифровой ключ, включающий предложенную архитектуру микроконтроллера. Считыватель RFID встроен в цифровой ключ для декодирования идентификационного номера из метки RFID. Таким образом, замком можно управлять с помощью RFID-метки вместе с оригинальным оборудованием.Логические правила используются, чтобы определить, будет ли замок разблокирован или нет. С помощью этого решения можно было гарантировать уникальность идентификационного номера оборудования. Обычно достаточно 64-битного или 96-битного идентификационного номера. Более того, может быть достигнута удаленная аутентификация цифрового ключа для любого оборудования. Также можно было записать время разблокировки и оператора блокировки. Таким образом, решение может значительно повысить эффективность работы обслуживающего персонала и обеспечить нормальную работу оборудования.Структура системы показана на. К замку прикреплена RFID-метка, а для цифрового ключа оставлены два интерфейса.

Для разработки надежной системы существует несколько требований. Во-первых, система должна правильно работать в сильной электромагнитной среде. Между тем, RFID-метка должна быть надежно прикреплена к поверхности замка. Во-вторых, считыватель RFID-меток может связываться с RFID-меткой, расположенной на расстоянии более 2 метров. В-третьих, цифровой ключ должен питаться от маломощной батареи.Более того, он мог хранить данные, такие как время разблокировки. В-четвертых, цифровой ключ мог связываться с удаленными компьютерами через RS232 или USB. Наконец, цифровой ключ должен автоматически отключиться, если в течение определенного времени, например, 10 минут, не выполняются никакие операции.

Таким образом, детальный дизайн цифрового ключа в системе блокировки микрокомпьютера на основе RFID показан на рис. Все компоненты обладают собственными функциями, соответствующими указанным выше требованиям.

Архитектура цифрового ключа в системе RFID-замков.

3.1.1. Компонент метки RFID

Система RFID состоит из метки, считывателя и прикладного программного обеспечения. Тег также может называться транспондером. Рабочий процесс выглядит следующим образом: сначала считыватель излучает на транспондер радиоволну определенной частоты; во-вторых, транспондер отправляет данные, хранящиеся в его памяти; в-третьих, считыватель последовательно считывает данные и отправляет их в прикладное программное обеспечение.

Есть два типа RFID-меток. Один из них — пассивный тег, а другой — активный.Что касается пассивной метки, после того, как RFID-метка попадает в магнитное поле, она принимает радиочастотный сигнал, посланный считывателем. Данные, хранящиеся в чипе метки, отправляются с энергией, полученной наведенным током. Для активного тега он может посылать сигнал с определенной частотой. После считывания и декодирования данных считыватель отправит данные в центральную информационную систему для дальнейшей обработки.

Для снижения затрат на обслуживание в этой системе выбрана пассивная метка компактного размера.Более того, рабочая частота RFID-метки является еще одним ключевым моментом всей предлагаемой аппаратной системы, поскольку она определяет не только принцип работы системы радиочастотной идентификации, но также сложность и стоимость реализации RFID-считывателя. В предлагаемой системе используется сверхвысокочастотная RFID-метка с частотой 915 МГц. На основе этой частоты разработан считыватель RFID-меток.

3.1.2. Компонент считывателя RFID-меток

В этой системе есть два типа считывателей RFID-меток.Первый используется для сохранения уникального идентификационного номера RFID-метки, прикрепленной к замку. Он мог записывать закодированный идентификационный номер на метку RFID, а также мог правильно читать этот номер. Другой встроен в цифровой ключ. Он может считывать закодированный идентификационный номер с метки RFID и сравнивать этот номер с номером, хранящимся во флэш-памяти цифрового замка, чтобы определить, следует ли разблокировать целевой замок или нет.

В одной аппаратной имеется большое количество смежных замков.Следовательно, рабочее расстояние должно быть установлено правильно, чтобы не допустить ошибок при чтении.

В нашей реализации модуль RMU900 используется как ключевой компонент считывателя RFID. В RMU900 интегрированы такие компоненты, как излучение, приемник, радиочастотная связь и MCU. Более того, у него есть ряд преимуществ. Во-первых, предоставляется интерфейс прикладного программирования (API) для удобного управления модулем. Во-вторых, он работает при низком напряжении, что подходит для портативных устройств.На основе этого модуля мы реализовали следующие две функции: одна — настройка рабочей частоты и расстояния считывания модуля, вторая — считывание данных с RFID-метки и отправка их в другую схему для обработки и хранения.

3.1.3. Центральный модуль управления

Центральный модуль управления является основным компонентом микроконтроллера. Он может считывать данные с флэш-памяти и выполнять логические операции. В цифровом ключе центральный модуль управления использует процессор Acorn RISC Machine (ARM7) с преимуществами низкого энергопотребления и высокой скорости работы.

3.1.4. Компонент батареи

Цифровой ключ питается от батареи. Поэтому для его нормальной работы нужен прочный аккумулятор. Литиевые батареи имеют преимущества высокой плотности энергии и длительного срока службы (более 6 лет). Кроме того, рабочее напряжение одной батареи составляет 3,7 В или 3,2 В, что свидетельствует о ее высоком энергопотреблении. Кроме того, скорость его саморазряда очень низкая. Эти преимущества показывают, что литиевые батареи являются одним из лучших аккумуляторных решений для предлагаемого цифрового ключа.

3.1.5. Компонент Flash

Флэш-память используется для хранения двух типов данных в цифровом ключе. Во-первых, следует сохранить идентификационный номер захвата цели. Во-вторых, другие важные данные, такие как время разблокировки, рабочий процесс разблокировки, также должны быть сохранены для будущего отслеживания.

В нашем реализованном цифровом ключе используется блок флэш-памяти SST39VF1601 NOR. Он может соответствовать требованиям к хранилищу, поскольку может хранить 2 Мб данных. Адресное пространство флэш-памяти показано в. В этой таблице перечислено не все содержимое хранилища.Для указания адресного пространства используются три основных содержания, включая рабочий идентификатор, время начала разблокировки и время окончания разблокировки.

Таблица 1

Адресное пространство флеш-памяти.

Адрес	Содержимое	Длина (байты)
0	Рабочий идентификатор	4
4	Время начала разблокировки 1140			Время окончания	7

3.1.6. Коммуникационный модуль

Цифровой ключ должен связываться с управляющим программным обеспечением, чтобы его статус можно было отслеживать. Таким образом, коммуникационный модуль в цифровом ключе выполняет две функции. Во-первых, настройка конфигурации цифрового ключа. Во-вторых, отображение рабочего состояния цифрового ключа.

В нашей реализации интерфейс связи — RS232. Формат данных связи показан в. 2-байтовый «Старт» означает начало фрейма данных.1-байтовая «Длина» означает длину всего кадра данных. 1-байтовая «Команда» означает команды управления, передаваемые между цифровым ключом и программным обеспечением управления. «Данные» означают реальные данные, передаваемые между цифровым ключом и управляющим программным обеспечением. «Контрольная сумма» используется для проверки правильности переданных данных.

Таблица 2

Формат кадра данных связи.

.1.7. Система управления

Система управления включает две программные системы. Одна из них — это система управления замками, а другая — система удаленной аутентификации.

Система управления замками используется для сохранения идентификационных номеров всего электрического оборудования. То есть он может присвоить электрооборудованию уникальный идентификационный номер. Более того, время разблокировки и оператор разблокировки также могут регистрироваться системой управления.

Система удаленной аутентификации позволяет администратору удаленно аутентифицировать цифровые ключи.Таким образом, можно разблокировать один или несколько замков в разных местах. Специалисты по обслуживанию собирают все оборудование, необходимое для разблокировки, и отправляют запрос администратору, который проверит запрос. Если это законный запрос, идентификационный номер будет отправлен на цифровой ключ. Между тем, каждая операция будет регистрироваться системой.

Схема работы системы блокировки микрокомпьютера на основе RFID показана на. Первый шаг — «инициализация». Уникальный идентификационный номер, сгенерированный системой управления, присваивается RFID-метке, которая будет прикреплена к замку.Второй шаг — «авторизация». Специалист по обслуживанию отправляет администратору запрос на разблокировку в соответствии с его рабочим содержанием. Администратор отправляет проверенный идентификационный номер на цифровой ключ. Третий шаг — «разблокировка». Рабочий вставляет цифровой ключ в замок. Цифровой замок подключится к системе замков и прочитает идентификационный номер. Последний шаг — «матч». Если считанный идентификационный номер совпадает с номером, хранящимся в цифровом ключе, замок будет разблокирован.В противном случае замок нельзя будет разблокировать. Схемы логического управления показаны на рис.

Рабочий процесс системы блокировки RFID.

Логические схемы управления замком RFID.

Данные об использовании собираются после применения системы блокировки микрокомпьютера на основе RFID в электроэнергетической компании. Результаты показаны в. На этом рисунке по горизонтальной оси отложены дни в одном месяце, а по вертикальной оси — среднее время обслуживания, использованное в этот день.Очевидно, что при установке блокировки на основе RFID среднее время сокращается с 7,4 до 4,8 часов. Этот результат показывает, что эффективность работы повысилась.

Среднее время обслуживания по сравнению с замком RFID и исходным замком.

3.2. Распределенная игровая система с использованием нескольких микроконтроллеров

Трудно решать сложные проблемы с помощью одного микроконтроллера. Следовательно, для достижения этой цели можно использовать распределенную архитектуру микроконтроллера.В этом разделе мы покажем игровую систему на основе Интернета вещей с распределенными микроконтроллерами. Настоящая игра про побег из комнаты возникла из компьютерной игры. Игроки в комнате могут выйти из комнаты, отвечая на вопросы, чтобы найти подсказки.

В игре множество тем и сценариев. Это требует, чтобы система была масштабируемой. При добавлении нового сценария исходная архитектура системы не должна изменяться. Кроме того, микроконтроллер должен быть многоразовым. Следовательно, оборудование можно повторно использовать в каждом сценарии, а программное обеспечение следует модифицировать для разных сценариев.Наконец, все микроконтроллеры должны управляться единообразно для удобного администрирования. Для удовлетворения вышеуказанных требований разработана распределенная архитектура, как показано на. В игре две темы, и каждая игра имеет разные сценарии. Каждый сценарий закреплен за отдельной комнатой. Следовательно, в каждом сценарии есть микроконтроллер, называемый локальным контроллером. Все локальные контроллеры подключены к центру управления системной шиной.

Распределенная игровая система.

Локальный контроллер собирает данные от различных датчиков, таких как датчик освещенности, датчик рулевого управления, датчик магнитной индукции, метки RFID и т. Д.Кроме того, управляющий сигнал генерируется в соответствии с логическими правилами, заложенными в микроконтроллер. Управляющий сигнал будет приводить в действие другие устройства, включая электромагнитный замок, двигатель, сигнализацию и звуковое оборудование, чтобы завершить процесс управления. В нашей реализации локальный контроллер питается от батареи 5 В. Кроме того, он связывается с центром управления по системной шине RS485. Благодаря такой архитектуре функциональные возможности системы могут быть легко расширены путем подключения нового микроконтроллера к системной шине RS485.

Центр управления также представляет собой микроконтроллер, который имеет ту же платформу, что и локальный контроллер. Поскольку центр управления соединяет все локальные контроллеры, он может удаленно управлять микроконтроллером для каждого сценария. Например, центр управления может сбросить каждый локальный контроллер, расположенный в игровых комнатах. Кроме того, в центре управления есть программное обеспечение для управления, которое администратор может использовать для удаленного управления оборудованием, расположенным в игровой комнате.

Потому что в нашей реализованной распределенной игровой системе много локальных контроллеров, но для демонстрации рабочего процесса выбирается только один локальный контроллер.Система локального контроллера показана на. На рисунке четыре левых компонента являются датчиками. Клавиша касания используется для фиксации касания действий игроков. Считыватели RFID используются для приема сигналов от меток RFID, прикрепленных к корпусу игроков. Логическое вычисление выполняется в микроконтроллере, который генерирует управляющие сигналы. В этом примере есть три управляющих сигнала. Один используется для разблокировки электромагнитного замка, один используется для управления светодиодной подсветкой, а третий используется для управления звуковым устройством.

Система локального контроллера.

Программная блок-схема логического управления показана на. На этапе инициализации происходит сброс конфигурации микроконтроллера. Микроконтроллер начинает сканировать состояние касающейся клавиши. Если срабатывает сенсорная клавиша, она начинает считывать данные с одного считывателя RFID. В противном случае он будет ждать, пока игроки активируют касающуюся клавишу. Считанные данные сравниваются со значением настройки, и, если они равны, этот вызов для игроков передается.Когда все испытания пройдены, программа завершается.

Блок-схема программы локального контроллера.

Таким образом, в этой системе разработано восемь сценариев. В реализации используются 62 кнопки, 15 считывателей RFID и 12 лазерных датчиков.

3.3. Имитационные эксперименты

Для количественной оценки предложенной архитектуры проводится имитационный эксперимент. Предполагая, что существует центр управления C, M локальные центры LC = { S ₁ , S ₂ ,…, S _M }.Время связи между локальным центром i и C составляет t _sci (1 ≤ i ≤ M ). Время работы между двумя местными центрами составляет t _ssi (1 ≤ i ≤ M — 1). Время обработки i -го запроса связи для C составляет t _ci ~ f (M) (1 ≤ i ≤ M ), то есть время пропорционально M . Время обработки между действием игрока и локальным центром составляет t _hsi (1 ≤ i ≤ M ), и существует N _i действие для i -го локального центр.Общее время T , используемое системой, можно определить следующим образом:

T = ∑i = 1Mtsci + Ni * thsi + tci + ∑i = 1M − 1tssi

(1)

где первая часть используется для измерения временных затрат на связь, а вторая часть используется для измерения временных затрат игрока, перемещающегося между двумя локальными центрами. Неопределенности экспериментов моделирования следующие: во-первых, время связи t _sci является неопределенным, потому что разные локальные центры имеют разные условия связи с центром управления.Во-вторых, время t _ssi является неопределенным, поскольку интервалы времени между игроком, покидающим местный центр, и входом в следующий местный центр различны. Наконец, время t _hsi является неопределенным, потому что разные игроки имеют разные возможности для побега из локального центра. Чтобы смоделировать процесс игры, применяется облачная модель для обработки вышеуказанных неопределенностей. Модель облака — это модель перехода неопределенности между лингвистическим термином качественного понятия и его числовым представлением, которая может иметь дело с нечеткостью и неопределенностями единым образом.Это можно объяснить с помощью традиционной теории вероятностей и статистики и теории нечетких множеств [12]. Облачная модель широко используется в интеллектуальном анализе данных, управлении нелинейными системами, обнаружении знаний, системах субъективного доверительного управления, эволюционных вычислениях и т. Д.

Нормальное распределение — одно из наиболее важных распределений в теории вероятностей. Обычно он представлен двумя числовыми характеристиками: средним значением и дисперсией. Предлагается модель нормального облака на основе нормального распределения.Он имеет три числовые характеристики: ожидаемое значение ( Ex ), энтропия ( En ) и гиперинтропия ( He ). Ex — это положение, соответствующее центру тяжести облака, элементы которого полностью совместимы с лингвистической концепцией, En — это мера охвата концепции, He — мера разброса по выборкам данных, что также можно рассматривать как энтропию En . Вектор v = ( Ex, En, He ) называется собственным вектором облака.Используя данные алгоритмы генераторов прямого и обратного облаков, легко построить соответствие между качественной концепцией и количественными данными. Алгоритм прямого генератора облаков генерирует выборки данных путем ввода ( Ex, En, He ). Напротив, алгоритм генератора обратных облаков вычисляет три числовые характеристики ( Ex, En, He ) путем обработки выборок данных. Модель нормального облака показана в, данные генерируются с помощью генератора прямых облаков с тремя входными параметрами: Ex = 10, En = 1, He = 0.1.

Модель нормального облака используется для обработки неопределенностей при моделировании путем использования нормального облака (0,9, 0,2, 0,02) для измерения t _sc , использования нормального облака (0,3, 0,05, 0,01) для измерения t _hs , используя нормальное облако (3, 1, 0,1) для измерения t _ss и используя нормальное облако (0,5, 0,05, 0,01) для измерения t _c . Параметры перечислены в.

Таблица 3

Параметры облачной модели.

Начало	Длина	Команда	Данные	Контрольная сумма
2 байта	1 байт	1 байт	0-n байт

Элементы времени	Пример:	En	He
т сбн	0,9	0,2	0,02
т HS	0,3	0,05	0,01
т н.с.	3	1	0,1
т в	0.5	0,05	0,01

Число местных центров увеличивается, чтобы оценить масштабируемость системы. Общие временные затраты с разными номерами локальных центров показаны в, где по горизонтальной оси отложено количество локальных центров, а по вертикальной оси — соответствующие общие временные затраты. Очевидно, общие временные затраты растут с ростом числа местных центров. Это показывает, что игрок потратил намного больше времени из-за увеличения номера местного центра.Более того, система расширяема.

Общие временные затраты с другим номером местного центра.

В процессе игры игрок взаимодействует с системой управления. Номер действия показывает возможности игрока. То есть уровень игрока невысокий, если он использовал слишком много действий. Влияние действий игрока показано в, где по горизонтальной оси отложено количество локальных центров, а по вертикальной оси отложены общие временные затраты.Строка (1), линия (2) и линия (3) соответственно показывают результаты с максимальным количеством действий, равным 10, 20 и 30. Результаты показывают, что чем выше уровень игрока, тем меньше времени он потратит.

Влияние действий игрока.

Системная шина очень важна для связи между локальными центрами и центром управления. Время его связи может зависеть от состояния сети. Параметр Ex может отражать различные состояния сети. Например, это будет более высокое значение для более перегруженной сети.Результаты моделирования показаны в, где по горизонтальной оси отложено количество локальных центров, а по вертикальной оси отложены общие временные затраты. Полоса (1), полоса (2) и полоса (3) соответственно показывают результаты, когда Ex равно 0,5, 0,7 и 0,9. Очевидно, общие временные затраты увеличиваются до значений Ex . То есть чем больше время связи системной шины, тем больше общие временные затраты.

Влияние связи системной шины.

Сравнение эффективности предлагаемого микроконтроллера и традиционного шлюза показано на, где горизонтальная ось обозначает количество локальных центров, а вертикальная ось обозначает общие временные затраты.В этих экспериментах по моделированию мы предполагаем, что традиционный шлюз имеет только сетевые функции вместо функций интеллектуальной обработки данных. Временные затраты предлагаемого микроконтроллера ниже, чем у традиционного шлюза. Максимальное значение разницы составляет 14,89 секунды, когда номер местного центра равен 10, и максимальное значение разницы составляет 1,32 секунды, когда номер местного центра равен 2. Более того, среднее значение разницы составляет 6,84 секунды.