Исследовательский проект Умный дом
проект по информатике и икт (7 класс) на тему

Фестиваль творческих открытий и инициатив «Леонардо»

Научно-исследовательская работа

«Проект «Умный дом» в среде Arduino»

Подготовил:

Ливенский Вадим Николаевич,

обучающийся  6  класса

Руководитель работы:

Мельникова Татьяна Александровна,

учитель информатики

МОУ «Мантуровская СОШ»

Курск, 2017

Оглавление

Введение

        С каждым годом тема «Умный дом» завоевывает все большую и большую популярность и, как в свое время автомобиль, интеллектуальное жилище становится не роскошью, а необходимостью. Из прежних игрушек умная автоматика перерастает в неотъемлемую часть современного дома. И с каждым годом система управления становится все сложнее и сложнее. Эта тема заинтриговала нас своей способностью делать пребывание в собственном жилище наиболее комфортным и безопасным.

            Главной целью в нашей научной работе на тему «Умный дом» является исследование и рассмотрение возможности современной интеллектуальной системы управления зданием в доступной и понятной для школьников форме.

Гипотеза:  Если изучить  возможности системы «Умный дом», то можно реализовать их в среде Arduino на основе программного кода.

Цель:  Ознакомиться с возможностями системы "Умный дом" и реализовать применение элементов  системы в  среде Arduino.

Задачи исследования:

• собрать необходимую информацию, посвященную комплексной системе управления "Умный дом";
• создать свой аналог элементов управления системы в среде Arduino.

Объект исследования: беспроводная связь (среда Arduino) на основе программного кода.

Предмет исследования:

• процесс управления двигателем;
• процесс управления климатом и отоплением и  другими устройствами, которые можно подключить к общей системе.

Методы исследования: сбор материала по теме, его анализ и обработка.

         1. Понятие умный дом

Заглянем в прошлое. В давние времена жильём для человека были места созданные природой. У древних людей были дома, в пещерах. Дома даже есть на деревьях, из камней. Есть дома на севере. Это – ЧУМЫ, из кожи оленей. Существуют дома в скалах. Это очень необычно и интересно. Потом с развитием методов обработки материала, когда люди научились делать топоры и пилы - дома стали строить из дерева. Дома стали деревянные. А ведь в сказках тоже мы наблюдаем различные дома. Знаменитая избушка на курьих ножках. Замки королей и царевичей. Чем больше люди придумывали материалы и способы их строительства, тем больше рождались новые дома. Кирпичные, многоквартирные. Сейчас у людей много накоплено знаний, и они стремятся к чему-то новому. Из простых домов люди стали делать умные дома.

Умный дом (англ. intelligent building) — жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт (в том числе безопасность), и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопи-тельными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и прочим.

По оценкам аналитиков рынок умного дома активно развивается. К 2020 году общий объем мирового рынка достигнет $51.77 млрд. В период с 2013 по 2020 года среднегодовые темпы роста рынка будут на уровне 17.74% . Основными игроки в этой отрасли за рубежом - Siemens AG (Германия), Schneider Electric SA (Франция),TELETASK (Бельгия), ABB Ltd. (Швейцария), компания Ingersoll-Rand PLC (Ирландия), Tyco International Ltd. (Швейцария), Emerson Electric Co. (США), Legrand С.А. (Франция), Crestron Electronics, Inc. (США) , Lutron Electronics, Inc. (США), Control4 Corporation (США), и др.

Объемы российского рынка значительно скромнее. В 2012 году объем рынка у нас в стране превысил 56 млн. евро или 2,3 млрд. рублей. В 2013 году по предварительным оценкам рынок вырос на 30% - до 65 млн. евро или почти 3 млрд. рублей. К 2017 году его общий объем может достигнуть 176 млн. евро или 7,9 млрд. рублей.

Концепция «умного дома», родившаяся в семидесятых годах прошлого века, была ориентирована, прежде всего, на экономию электроэнергии. В основе концепции лежало размещение в жилом доме различных датчиков, определявших, находится ли кто-нибудь в помещении, что позволяло включать и выключать свет в зависимости от наличия людей в комнате. По мере развития высоких технологий, концепция стала обрастать дополнительными возможностями.

Сегодня система «умный дом» осуществляет управление освещением, отоплением и вентиляцией, охраной и видеонаблюдением, аудио- и видеоаппаратурой, бытовой техникой, климатом в зимнем саду, поливом газона и очисткой бассейна, открытием форточек и ворот, перекрытием газа и воды в случаях аварии и т.д. Участие людей при этом сводится к минимуму.

Интеллектуальный дом хорош тем, что предлагает разумный подход к использованию энергоресурсов. Для оптимизации расходов на освещение в подсобных помещениях дома возможна установка датчиков движения, которые автоматически включают свет только в присутствии человека. Или, например, система отопления следит за тем, чтобы в ночные часы и во время отсутствия хозяев температура в доме понижалась. А система вентиляции будет включаться только периодически, с заданными временными интервалами. При этом надо помнить о том, что кроме существенной экономии денег бережное использование энергии привносит существенный вклад в решение проблем экологии. Система "умный дом" может оказать неоценимую услугу и спасти от солидных трат в случае протечек воды, утечки газа или возгорания, благодаря установленным датчикам утечки воды, датчикам затопления, детектору дыма. Ведь случайная авария может стать причиной испорченного имущества и загубленного ремонта. Интеллектуальные системы учета и контроля энергоресурсов смогут не только перекрыть воду или газ, но и вовремя сообщить о случившемся хозяину. И, конечно же, не будем забывать об охранной сигнализации, которая в случае нарушения общественного порядка позволяет передать вызов в отделение милиции.

Микроклимат «умного дома» с высокой точностью отслеживает параметры воздуха в помещениях и корректирует ее в соответствии с программой или согласно командам пользователя. Централизованное управление кондиционерами, системой отопления гарантирует комфортные условия для проживания в любое время года. Система включает принудительную вентиляцию или открывает окна для проветривания помещений.

В общих чертах, система состоит из следующих элементов:

• Специальный контроллер или компьютер (управляет всей системой)
• Множество датчиков (передают информацию контроллеру)
• Исполнительные устройства (по команде контроллера управляют различными объектами, например гаражными воротами)
• Источники питания (обеспечивают бесперебойное электроснабжение для всех элементов системы)
• Линии связи (соединяют между собой все вышеперечисленные устройства)

Система работает следующим образом. К контроллеру подключено множество датчиков и исполнительных устройств. В качестве линий связи могут быть использованы: отдельно проложенные провода, существующая электропроводка или радиоканал. Пользователь настраивает алгоритм работы контроллера под свои требования. Сотни раз в секунду контроллер опрашивает датчики, следящие за состоянием всех систем «умного дома». После опроса этих датчиков система анализирует ситуацию и в зависимости от установок, заданных ей пользователем, принимает то или иное решение. Исполнительные модули и системы получают команды и включают-выключают соответствующие устройства: освещение, систему охраны, кондиционирование воздуха, отопление, подачу воды и т.д.

Кроме автоматического режима система управляется и автономно, например, с помощью «умного» обучаемого пульта. Универсальным пультом дистанционного управления можно управлять не только телевизором и домашним кинотеатром. С его помощью легко активировать любую функцию «умного дома»: задать различные сценарии освещения, открыть и закрыть ворота, поставить дом на охрану и т.д.

Больше всего впечатляет то, что управлять системой можно,– через интернет (используя электронную почту) или мобильную связь (используя SMS-сообщения). Сидя на работе, например, можно дать команду подготовиться к вашему возвращению домой - включить систему "климат-контроля", подогреть пол, разогреть сауну и т.п.

Важно отметить, что все инженерные подсистемы «умного дома» должны иметь возможность работать в автономном режиме. В случае, если какая-то из подсистем вышла из строя, то и вся система не сможет исправить проблему, поскольку «умный дом» является надстройкой над остальными инженерными системами.

Самые "умные" здания мира

Первым «интеллектуальным» зданием в мире стал «дом трона» японского профессора Кена Сакамуры в Токио, построенный в конце 1980-х годов. Датчики погоды открывали окна, когда дул свежий бриз, и включали кондиционер, когда становилось жарко; если радио играло слишком громко, окна автоматически закрывались, чтобы не потревожить соседей; если звонил телефон, компьютер снижал звук аудиосистемы, и так далее.

Самым известным и дорогим на сегодня ($100 млн.) стал дом, построенный в США для человека по имени Билл Гейтс, знаменитого создателя корпорации Microsoft. Это многоэтажная вилла, оснащенная самым "продвинутым" оборудованием. В здании осуществляется компьютерный контроль и управление всем инженерным оборудованием, поддерживается оптимальный микроклимат в каждом помещении. При входе в жилище каждый посетитель получает специальный электронный значок, который обеспечивает подключение ко всем информационным службам дома. В дальнейшем этот значок сообщает датчикам, где находится гость, для того, чтобы дом смог выполнить все его пожелания. В темное время суток каждого сопровождает движущаяся световая волна, при этом, чем дальше светильник находится от человека, тем меньше его яркость.

Все стены оборудованы встроенными телевизионными экранами. С помощью того же универсального пульта управления на экраны выводятся любые изображения из огромного архива картин, видеозаписей, фильмов и телепрограмм. Системы автоматического управления климатом, освещением, телефонами и множеством других электронных устройств доведены до логического совершенства, но при этом человек не становится «рабом» электронного «мозга» своего дома, поскольку в любой момент может вернуться к традиционному «ручному» управлению — рядом с электронными панелями мирно уживаются и «старомодные» выключатели.

2. Выполнение эксперимента.

В разработке  проекта «Умный дом» использовалась Arduino 1.8.1

Программа Arduino — марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей.   Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

Программы Arduino можно использовать для выполнения базовых команд, таких как создание вспышек LED-устройств, или комплексных функций, таких как передача данных по Интернету. Для определенных приложений доступны различные схемы Arduino.

Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. В концепцию Arduino не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно.

        Язык программирования

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC).

Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

• setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.
• loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

        Описание  системы

Для электронной схемы  «Умный дом» использовались следующие элементы:

1. arduino uno

2. breadboard

3. dht11

4. servo

5. sound-sensor

6. water sensor

        С помощью них реализована электронная схема, позволяющая определить: температуру  и влажность воздуха  в комнате, влажность почвы; запуск и остановку двигателя для передачи движения; подачу звукового сигнала.

    При старте микроконтроллера setup() запускается действие схемы, дальнейшее управление происходит через программный код. Результат работы выводится на 2-строчный экран по 16 символов в строке.

(Видео-файл работы  системы «Умный дом» прилагается в папке с материалами)

Программный код для  системы:

Скриншот  работы программы на экране имеет вид:

Программный код управления системой:

#define Mic A1

#define LED 8

int val;

char state=0;

int pin = 6;

#include

#include

#include

#include

Servo servo;

#include

MenuSystem ms;

Menu mm("menu");

MenuItem mm_mi1("ABOUT");

Menu mu2("Sensors");

MenuItem mu2_mi1("temperature");

MenuItem mu2_mi2("humidi");

MenuItem mu2_mi3("pocva");

MenuItem mu2_mi4("wolue");

Menu mu3("seting");

MenuItem mu3_mi2("Servo");

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 2);

#define dht_apin A0

dht DHT;

void on_item1_selected(MenuItem* p_menu_item)

{

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Item1 Selected ");

delay(1500);

lcd.clear();

DHT.read11(dht_apin);

lcd.print("temperature ");

lcd.print(DHT.temperature);

delay(1500);

}

void on_item2_selected(MenuItem* p_menu_item)

{

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Item2 Selected ");

delay(1500);

lcd.clear();

lcd.print(" humidity = ");

lcd.print(DHT.humidity);

lcd.print("% ");

delay(1500);

}

void on_item4_selected(MenuItem* p_menu_item)

{

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Item4 Selected ");

delay(1500);

servo.write(180);

delay(5000);

servo.write(0);

delay(1500);

}

void on_item5_selected(MenuItem* p_menu_item)

{

lcd.setCursor(0,1);

int lectura = digitalRead(pin);

if(lectura==1){

lcd.print("Mokro");

}else{

lcd.print("cyxo");

}

delay(1500);

}

void on_item6_selected(MenuItem* p_menu_item)

{

lcd.setCursor(0,1);

val=analogRead(Mic);

if (val>100)

{

state=~state;

digitalWrite(LED,state);

delay(1000);

}

lcd.print("MIC value is");

lcd.print(val);

delay(930);

}

void on_item7_selected(MenuItem* p_menu_item)

{

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("livenskii vadim");

delay(1500);

}

void setup()

{

Serial.begin(9600);

lcd.begin();

serialPrintHelp();

Serial.println("Setting up the menu.");

// Menu setup

servo.attach(9);

pinMode(7, OUTPUT);

pinMode(pin, INPUT);

pinMode(2, OUTPUT);

mm.add_item(&mm_mi1, &on_item7_selected);

mm.add_menu(&mu2);

mu2.add_item(&mu2_mi1, &on_item1_selected);

mu2.add_item(&mu2_mi2, &on_item2_selected);

mu2.add_item(&mu2_mi3, &on_item5_selected);

mu2.add_item(&mu2_mi4, &on_item6_selected);

mm.add_menu(&mu3);

mu3.add_item(&mu3_mi2, &on_item4_selected);

ms.set_root_menu(&mm);

Serial.println("Menu setted.");

displayMenu();

}

void loop()

{

serialHandler();

}

void displayMenu() {

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

Menu const* cp_menu = ms.get_current_menu();

//lcd.print("Current menu name: ");

lcd.print(cp_menu->get_name());

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(cp_menu->get_selected()->get_name());

}

void serialHandler() {

char inChar;

if((inChar = Serial.read())>0) {

switch (inChar) {

case 'w':

ms.prev();

displayMenu();

break;

case 's':

ms.next();

displayMenu();

break;

case 'a':

ms.back();

displayMenu();

break;

case 'd':

ms.select();

displayMenu();

break;

case '?':

case 'h':

serialPrintHelp();

break;

default:

break;

}

}

}

void serialPrintHelp() {

Serial.println("***************");

Serial.println("w:(up)");

Serial.println("s:(down)");

Serial.println("a:(right)");

Serial.println("d: select");

Serial.println("h: print this help");

Serial.println("***************");

}

Ссылка аккаунта vadim livenscky  с примерами   программ:

https://circuits.io/users/1008491

Заключение.

Главный принцип концепции «Умный дом» – объединение всех подсистем дома в единый слаженно работающий организм. Это было реализовано в выполненном проекте «Умный дом» в среде Arduino.

Таким образом, гипотеза доказана, цель достигнута, задачи решены.

Данный проект может быть применен для реализации управления школой в системе «умного дома», если осуществить его дальнейшую разработку и адаптацию на необходимой электронной базе.

Что может быть проще как воспользоваться программой управления Умным Домом, и узнать даже на расстоянии работают ли приборы, техника, проверить их состояние, ну и конечно выключить, которые вам не нужны, или вы забыли сделать это перед своим уходом. Для управления можно воспользоваться удаленным компьютером, например, с вашего рабочего места, ну а если нет такой возможности, то достаточно иметь мобильный телефон, чтобы осуществить управление Умным Домом с Андроида.

Пусть в каждом доме царит: тепло, доброта, понимание, уют, забота , уважение.

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. А. Авдуевский «Крыша для интеллекта». - М.: Юрайт-Издат, 2007. — 661 с. ISBN 978-5-94879-739-7
2. И. В. Архипов «Системы для «интеллектуального» здания».  М.: Альфа-Пресс, 2008. — 208 с.ISBN 918-5-94280-452-2
3. И.М. Федоров, «Сколько этажей у интеллектуального здания?».–  М.: Юрайт-Издат, 2007. — 321 с. ISBN 978-5-94879-739-7
4. Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 2009.-343 с.ISBN 978-5-7057-3995-2
5. Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение 2009. — 256 с. ISBN 5-7695-2516-9
6. http://www.sf.perm.ru/kd_dop_house.html  А. Ю. Королев «УМНЫЙ ДОМ: приятная неизбежность»
7. http://www.fieldbus.narod.ru И.Г. Смирнов «Должны ли кабельные системы быть структурированными?»