Умный дом

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики










Распределенные информационно-управляющие системы.
Отчёт
«Умный дом»






Выполнили:









Санкт-Петербург
2014
Содержание
1. Техническое задание 3
1.1 Общие сведения 3
1.2 Назначение и цели создания системы 3
1.3 Характеристика объекта автоматизации 3
1.4 Требования к системе 4
2. Архитектура 6
2.1 Структура систем 6
2.2 Протокол взаимодействия 7
3. Руководство пользователя 9
































1. Техническое задание

1.1 Общие сведения

Наименование: система автоматизированного контроля «Умный дом». Желаемая стоимость работ по созданию и наладке системы: не более 20 тысяч рублей.

1.2 Назначение и цели создания системы
1.2.1 Назначение системы
Система предназначена для автоматизации контроля за внутренней средой помещения, а также для обеспечения контроля несанкционированного доступа в помещение. Объект, подвергаемый автоматизации – трехкомнатная квартира в многоэтажном доме.

Система предназначена для решения перечисленных ниже задач:
1. Контроль освещения
2. Контроль параметров окружающей среды (температура, освещение)
3. Управление бытовыми электроприборами по расписанию
4. Управление бытовыми электроприборами по запросу от пользователя
5. Контроль доступа на объект автоматизации
1.2.2 Цели создания системы
1. Уменьшение количества рутинных бытовых операций, производимых человеком
2. Увеличение безопасности объекта автоматизации
3. Улучшение качества жизни человека на объекте автоматизации

1.3 Характеристика объекта автоматизации

Общая площадь объекта автоматизации 60-70 м2. Температура: от 0 до 55 градусов Цельсия. Уровни загрязненности, влажности, освещенности соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям к жилым зданиям и помещениям (САНПИН 2.1.2.1002-00).
На объекте присутствует электромагнитное излучение, индуцируемое бытовыми приборами, а также средствами электронно-вычислительной техники (Bluetooth и Wi-Fi). Также возможно наличие кирпичных или бетонных перекрытий, частично блокирующих сигнал беспроводной связи.

1.4 Требования к системе

1.4.1 Требования к системе в целом

Требования к структуре и функционированию системы.

Система «Умный дом» должна быть централизованной – в ней должен иметься главный управляющий модуль, он же консоль оператора, и набор различных датчиков и управляющих устройств, подключенных к главному управляющему модулю с помощью протокола беспроводной связи.
Система «Умный дом» должна иметь следующие подсистемы:
1. подсистема управления электрооборудованием
2. подсистема осуществления интерактивного взаимодействия с пользователем
3. подсистема контроля за наличием людей на объекте автоматизации
4. подсистема контроля за параметрами окружающей среды (управление освещением, температурой)

Подсистема управления электрооборудованием предназначена для управления бытовыми электроприборами и лампами накаливания. Для обеспечения безопасности необходимо обеспечить разделение высоковольтной исполнительной составляющей и низковольтных управляющих элементов. Для этого необходимо применять полупроводниковые силовые ключи, реле и гальваническую развязку.
Подсистема осуществления интерактивного взаимодействия с пользователем должна использовать звуковые системы оповещения пользователя о событиях, требующих его внимания. Допустимо использование графического интерфейса пользователя на дисплее, подключенном к главному компьютеру.
Подсистема контроля за наличием людей на объекте автоматизации должна обеспечивать выявление наличия людей на контролируемой территории. Рекомендуется использование принудительного учета, осуществляемого при помощи датчиков движения. Подсистема также должна включать в себя систему управления электронным замком на входной двери. Должна быть предусмотрена возможность открытия замка механическим ключом в случае отказа системы управления.
Подсистема контроля за параметрами окружающей среды должна контролировать температуру воздуха на объекте автоматизации, температуру воды в приборах для подогрева воды (бойлер), а также уровень освещенности в различных помещениях контролируемой территории.
В системе «Умный дом» должно быть три уровня иерархии:
1. Уровень взаимодействия с пользователем. Сюда входят системы звукового оповещения, системы управления графическим интерфейсом.
2. Управляющий уровень. Сюда входят ядро системы, принимающее решения независимо от пользователя, система для обеспечения связи между исполнительным уровнем и ядром системы, а также между ядром и уровнем взаимодействия с пользователем (ретрансляторы, протоколы беспроводной связи).
3. Исполнительный уровень. Сюда входят различные датчики и исполнительные механизмы.

Ограничения, накладываемые на проектируемую систему
1. Максимальное расстояние между узлами беспроводной связи: 10 м.
2. Температура функционирования: 0 – 55 градусов Цельсия.
3. Скорость отклика: не более 3 сек.
4. Напряжение питания: 220+-10% Вольт.
5. Отдельные модули имеют батарейное питание. Целевое время работы батареи – 1 год.


Требования к надежности системы
Необходимо предусмотреть механизмы по обеспечению отказоустойчивости системы. Сюда входят:
1. Помехоустойчивость среды передачи данных между узлами связи
2. Защита от несанкционированного доступа к управлению системой
3. Возможность перехода на полное ручное управление системой (с помощью графического
интерфейса или ручного управления отдельными электроприборами)
4. Обеспечение автоматического обнаружения неисправностей в системе.
5. Оповещение пользователя о необходимости замены элементов питания посредством сообщения на графическом интерфейсе.

Требования к безопасности системы
1. Оповещение пользователя о событиях и неисправностях, требующих его внимания посредством звукового сигнала, сообщения на графическом интерфейсе и смс-сообщения.

2. Наличие датчиков и механизмов безопасности на элементах, являющихся потенциально опасными для пользователя.

Требования к установке и отладке системы
1. Должен быть предусмотрен набор программных инструментов для отладки системы.

2. Главный управляющий модуль должен быть реализован в виде устанавливаемой на компьютер программы.

3. Необходимо периодически проводить диагностику узлов системы не реже чем раз в 2 месяца. Полная диагностика системы должна проводиться не реже чем раз в полгода.

2. Архитектура

2.1 Структура систем

Система представляет собой самоидентифицирующуюся беспрводную сеть древовидного типа. Модули различного типа, входящие в состав системы:

• Главный контроллер. Один на всю систему, осуществляет обработку информации, поступающей от датчиков и управление операционными модулями.

• Маршрутизаторы. Осуществляют усиление сигнала пересылку данных.

• Операционные модули. Модули, осуществляющие выполнение функций умного дома (открытие дверей, перекрытие клапанов, изменение режима работы кондиционера и т. п.)

• Датчики. Осуществляют сбор информации о различных параметрах среды и передают их по расписанию.

2.2 Протокол взаимодействия
2.2.1 Формат пакета
Пакет в данном примере реализации беспроводной сенсорной сети имеет вид строки, в которой поля – это слова, а разделитель полей – пробел. Пакет имеет следующие поля:
1. Адрес отправителя
2. Адрес получателя
3. Адрес окончательного получателя (отличается от адреса получателя в случае передачи пакета через несколько модулей)
4. Тип пакета.
a. DATA_PACKAGE – пакет данных
b. CONFIRM_PACKAGE – пакет подтверждения доставки
c. UPDATE_PACKAGE – пакет, содержащий информацию о добавленном в сеть устройстве
d. SEARCH_PACKAGE – широковещательный пакет для поиска устройства, подключенного к сети, чтобы подключиться к сети через него. Содержит имя ищущего устройства, его тип и функцию
e. ACCEPT_PACKAGE – пакет, который говорит о том, что модуль готов принять то устройство, которое ищет точку подключения к сети
2. Данные. Это поле включает в себя все слова до конца пакета. Если в этом поле ничего слать не предполагается, то пишется 0.
2.2.2 Взаимодействие узлов:
1. Подключение к сети.

Так как сеть имеет древовидную структуру, то считается, что устройство подключено к сети, если пакет может дойти от него до главного модуля, который является «корнем». Сценарий подключения к сети датчиков, роутеров и операционных модулей одинаков, поэтому рассмотрим этот алгоритм на примере подключения роутера к главному модулю:

У каждого устройства есть «уровень» - его положение в древовидной структуре. У главного модуля он равен одному, у подключенных к нему роутеров – двум, и так далее. От уровня зависит случайная задержка перед отправлением ACCEPT_PACKAGE.
2. Обновление таблицы маршрутизации.
Если к роутеру было подключено устройство, то он незамедлительно шлет вверх по сети пакет UPDATE_PACKAGE, который добавляет или обновляет запись о добавленном устройстве на всех устройствах этой ветви вплоть до главного модуля, на котором в итоге оказывается таблица всех устройств в сети.

3. Передача данных.
Может производиться как от датчика или операционного устройства к главному модулю, так и обратно. Передачу данных можно рассмотреть на примере следующей диаграммы:


Данные идут по цепочке от отравителя, до устройства, которое указано в поле конечного получателя пакета. Предусмотрена возможность обмена пакетами внутри одной ветви без участия главного модуля.
Каждый пакет, кроме пакета подтверждения, будет передаваться определенное количество раз, со случайной временной задержкой, пока не получит подтверждение о доставке. В данный момент число повторов – 3. Если на N-ный раз подтверждения доставки не последовало, то модуль переходит в режим поиска точки подключения к сети. Пакет подтверждения в любом случае передается несколько раз со случайной задержкой, но уже без ожидания подтверждения. Данный механизм повторных отправлений пакетов сделан для обеспечения определенного уровня вероятности доставки пакета по назначению.

3. Руководство пользователя

3.1 Порядок установки

Необходимо установить главный контроллер, включить его; установить все операционные элементы, маршрутизаторы и датчики, подключить их к элементам питания.

3.2 Эксплуатация

Необходимо следить за разрядкой элементов и реагировать на диагностические сообщения от головного модуля.