Глава 1. Вступление. Понятие ”Умный дом”. Принципы построения системы. Объект управления и задачи.

Проект Умный дом

Эта рубрика появилась на сайте почти случайно, но я надеюсь, станет наряду с ”Уроками Ардуино” одной из самых значимых.

Список статей     Следующая глава

Дело было так. Михаил из Краснодара обратился ко мне с предложением помочь разработать систему ”Умный дом” для его коттеджа. Михаил объяснил, что преследует сразу несколько целей:

  • Научиться программировать контроллеры Ардуино, улучшить свои знания в области электроники, системотехники, алгоритмизации и т.п. Т.е. научиться разрабатывать достаточно сложные системы. У него есть опыт работы с электроникой, микроконтроллерами. Но что-то подзабыл, отсутствуют фундаментальные знания, скорее он в этой области не профессионал, а любитель. Также он хочет увлечь этой работой своего 14 летнего сына.
  • С небольшими материальными затратами получить работоспособную, адаптированную под его задачу систему.
  • Приобрести опыт в разработке систем ”Умный дом”, изучить специфику задач подобного рода.

 

 

У Михаила есть 3х этажный дом, на котором он планирует отработать и эксплуатировать систему. Он готов поэтапно устанавливать на объектах дома контроллеры, испытывать их, постепенно включать в систему.

Я подумал, что это идеальная тема для еще одной серии уроков Ардуино. Система ”Умный дом” представляет собой распределенную вычислительную систему:

  • с множеством самых разнообразных датчиков;
  • с различными типами исполнительных устройств;
  • с самыми разными регуляторами;
  • с несколькими уровнями обработки данных;
  • с различными средами передачи, в том числе и по беспроводным технологиям;
  • и т.п, всего не перечислить.

Многие особо отметили мои уроки, в которых я разрабатывал контроллер для элемента Пельтье. В этих уроках я не выдал готовый проект, а поэтапно разрабатывал устройство, поясняя каждый шаг. Проект ”Умного дома ” по-другому и не разработать. Уж очень объемная задача.

Мы с Михаилом договорились, что:

  • Он определяет техническое задание для каждого контроллера, определяет все конструктивные особенности.
  • Вместе мы разрабатываем электронные схемы узлов.
  • Михаил собирает контролеры, конструктивно доводит их до законченных устройств.
  • Резидентные программы пишем где-то вместе, где-то я один. Как пойдет.
  • Я разрабатываю тестовые программы верхнего уровня (на компьютер).
  • Михаил все это испытывает на реальных объектах.
  • Корректируем программы, если надо, и контроллер остается установленным на объекте. Таким образом, система будет постепенно разрастаться.
  • Михаил выдает мне все результаты испытаний, информацию об объектах, которыми мы управляем и все остальные материалы.
  • Я постепенно, с пояснениями выкладываю информацию на сайт.

Михаил хочет управлять всем, чем только можно управлять. Система обещает стать огромной. В будущем планируется сделать варианты с полностью беспроводной связью между контроллерами, возможны разные варианты реализации верхнего уровня. Хочется верить, что новый раздел сайта будет объемным и популярным.

Кроме уроков, обучающих материалов я надеюсь, будут разработаны полностью работоспособные контроллеры. Система ”Умный дом”, собранная на контроллерах Ардуино должна стоить очень дешево.

У меня нет опыта разработки подобных систем, но когда проект проверяется на реальном объекте, опыт приходит сам по себе.

Итак, я сформулирую цели нового раздела:

  • Обучающие статьи, уроки по:
    • разработке сложной распределенной вычислительной системы;
    • подключению различных датчиков к платам Ардуино;
    • управлению исполнительными механизмами;
    • разработке регуляторов;
    • использованию беспроводных технологий.
  • Практический опыт, связанный со спецификой разработки систем ”Умный дом”.
  • Работоспособные проекты контроллеров, из которых может быть создана система ”Умный дом”.
  • Надеюсь, в итоге получится ”народная” система с крайне низкой ценой.
  • Проект будет вестись ”в реальном времени”. Возможны ошибки, доработки.

 

 

Система управления “Умный дом”.

Под ”Умным домом” понимают аппаратно-программный комплекс автоматизации  и управления различным оборудованием квартиры или дома. Цель – добиться оптимального ресурсосбережения, безопасности, комфорта. Система должна распознавать ситуации, происходящие в доме и реагировать на них соответствующим образом.

Как правило, ”Умный дом” это интеграция в единую систему нескольких подсистем управления:

  • отоплением, вентиляцией, кондиционированием;
  • водоснабжением;
  • освещением;
  • электропитанием;
  • обеспечением охраны и безопасности;
  • управлением сложной бытовой техникой.

Интернет пестрит предложениями по созданию систем ”Умный дом”. Предлагаются готовые модули, из которых пользователь может сам  синтезировать систему. Много предложений установки системы “под ключ”. По моим наблюдениям в результате получаются уж совсем простенькие системы, позволяющие только управлять чем-то не вставая с дивана, или цена проекта может достигать 2,5 - 3 миллиона рублей.

 

Основные принципы разработки системы ”Умный дом”.

Пока приходят в голову следующие принципы. Возможно, жизнь их изменит или добавит новые.

  • Мы ставим цель – разработать сложную систему из комплектующих с низкой стоимостью. Как следствие – в качестве контроллеров будем использовать платы Ардуино.
  • Система должна легко расширяться. Контроллеры будем добавлять по мере разработки. Конфигурация системы, т.е. число и типы контроллеров, может быть легко изменена на любом этапе разработки или эксплуатации.
  • Система представляет собой несколько децентрализованных подсистем, связанных в единую систему в одном узле – центральном контроллере. Т.е. система строится по принципу локальных регуляторов – контроллеров самостоятельно выполняющих задачи даже при отсутствии связи. Например, система контроля протечек воды самостоятельно перекрывает воду в случае аварии. Но управление подачей воды может происходить и от центрального контроллера.
  • Система может расширяться за счет сегментов с другими сетями, средами передачи данных, как на более низком уровне, так и на более высоком. Например, к локальному контроллеру могут быть подключены датчики или контроллеры по его собственной сети, в том числе и беспроводной. Если не ошибаюсь, такие сети называются гетерогенными. Можно к центральному контроллеру подключить компьютер. Это будет расширение системы в сторону верхнего уровня.
  • В качестве основной сети связи будем использовать RS-485. Это самый дешевый и надежный вариант организации сети.
  • В общем случае, питание локальных контроллеров будет происходить от отдельной сети напряжением 12 В. Это позволяет:
    • упростить систему – нет необходимости в отдельных блоках питания;
    • простыми способами организовать резервное питание от аккумулятора;
    • повысить надежность системы - в случае зависания какого-либо контролера, центральный контроллер может перезагрузить локальный контроллеры выключением общего питания.
  • Постановка технического задания для разработки локальных контроллеров будет происходить "по месту" их установки. Т.е. мы не будем сейчас планировать и детально расписывать, какие контроллеры необходимы, какие датчики или исполнительные механизмы к ним подключать. Когда настанет время разработки конкретного контроллера, мы посмотрим, в каком помещении он устанавливается, какие элементы к нему необходимо подключить и т.п.
  • Разработка системы будет происходить ”снизу”. В первую очередь разрабатываются локальные контроллеры. На этапе разработки в качестве центрального контроллера будет использоваться компьютер.
    • Т.е. мы разрабатываем локальный контроллер.
    • Устанавливаем его на объект. Подключаем к сети.
    • С помощью компьютера и специальной тестовой программы отлаживаем локальный контроллер.
    • Только когда будет разработано и установлено несколько локальных контроллеров имеет смысл разрабатывать центральный. Но даже в этом случае новые локальные контроллеры будут испытываться с помощью компьютера.
  • В качестве сетевого протокола будем использовать стандартный протокол ModBus RTU.
  • Конфигурация системы будет производиться с помощью компьютера или планшета.
  • И последнее правило – не иметь никаких догматических правил. Если практика покажет, что в каких-то принципах мы ошиблись, значит надо смело перечеркнуть их и взять за основу новые.

Обо всех этих принципах мы еще поговорим при разработке элементов системы.

 

Объект управления.

Я уже говорил, что система будет испытываться и эксплуатироваться на конкретном объекте. Это уже построенный таун-хаус (блокированной застройки) с участком прилегающей территории. Здание состоит из 3 этажей и технического прилегающего помещения. План дома выглядит так.

1й этаж.

План дома

2й этаж.

План дома

3й этаж.

План дома

Предварительно Михаил поставил для системы следующие задачи и функции.

Территория.

  1. Управление светом (зональное, с опциональным автономным режимом). Применяются беспроводные модули управления светом 315MHz на которые сигнал передается по воздуху от контроллера через модули беспроводной связи.
  2. Управление поливом (зональное). Обязательный контроль влажности почвы, на основании которого может быть заблокирован полив. Для контроля используется датчик влажности почвы.
  3. Управление системой доступа (ворота, шлагбаум).
  4. Измерение погодных условий (температура и влажность).

Помещения жилые.

  1. Управление светом (по помещениям + зональное).
  2. Управление вытяжной и приточной вентиляцией (по помещениям). Работает автоматически, сравнивая температуру и влажность воздуха снаружи и внутри помещения, а также с возможностью ручного удаленного "оверрайда". Управление двигателем от релейного модуля, датчики влажности и температуры DHT-22, как в п.4
  3. Управление кондиционерами (по помещениям). Применяются ИК-излучатели.
  4. Управление системами полива комнатных растений (индивидуальное по точкам полива). Аналогично п.2, но без контроля погодных условий.
  5. Управление жалюзи, шторами и т.п. (индивидуальное). Релейные модули управления с датчиками концевых положений.
  6. Контроль температуры и влажности (по помещениям). Стандартные датчики DHT-22
  7. Контроль загазованности (утечка газа, CO2, дым) (по помещениям "риска").
  8. Контроль присутствия человека (по контрольным помещениям).
  9. Управление силовыми розетками и потребителями (в зависимости от проекта и потребностей). Стандартные релейные модули.
  10. Управление мультимедиа устройствами.
  11. Интернет вещей (контроль состояния и управление отдельными приборами – холодильник, например).

Помещения технические

  1. Управление централизованной системой водоснабжения (включая учёт).
  2. Управление централизованной отопительной системой (включая учёт).
  3. Управление централизованным электроснабжением (включая учёт).

Схематично он изобразил задачи системы ”Умного дома” так.

Проект Умный дом

Все это только предварительные требования. Функции каждого локального контроллера, а значит и всей системы, будут определяться на этапе его разработки ”по месту”. Я привел этот перечень скорее, чтобы показать масштабность проекта. Насколько я понял, Михаил придерживается принципа – система должна делать все, что можно делать.

 

На форуме сайта я создам раздел для обсуждения проекта. Если вопросы объемные, требуют представления схем или скетчей, просьба общаться там, а не в комментариях.

Список статей     Следующая глава

5 комментариев на «Глава 1. Вступление. Понятие ”Умный дом”. Принципы построения системы. Объект управления и задачи.»

  1. Эдуард, добрый день! Очень интересны Ваши уроки. Спасибо за подробное описания. Очень актуальна тема «Умного дома». Ваша цитата
    «В общем случае, питание локальных контроллеров будет происходить от отдельной сети напряжением 12 В.»
    И пока не проложены провода хотелось бы уточнить у Вас: Для 12 вольтовой сети нужно будет вести отдельным кабелем, или можно использовать витую пару и для 12 В и для RS-485. И достаточно будет использовать UTP? Если нет, то какие рекомендации можете дать

    • Здравствуйте!
      Все зависит от конкретных условий. Но я думаю, для RS-485 вполне достаточно будет неэкранированной витой пары (UTP). Для питания необходимо еще 2 провода, один из которых (минусовой) будет выполнять функцию общего провода RS-485.

  2. Мне кажется использовать RS-485 интерфейс в готовом доме не рационально в плане того, что надо протягивать провода. Беспроводная технология будет более предпочтительна! Можно использовать модули Wi-Fi или 433Мгц si4463 они более дальнобольные чем Wi-Fi

    • Здравствуйте!
      Возможно. Но все равно для нормальной работы системы нужна сеть резервного питания, нужно тянуть провода.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *