558. Миннивалеев, Т.Н. Буровой насос как источник интенсивных колебательных процессов/Т.Н. Миннивалеев//Современные технологии в нефтегазовом деле-2015: сборник трудов Международной научно-технической конференции в 2-х т./отв. ред. В.Ш.Мухаметшин. -Уфа: Аркаим, 2015. -Т.2.-С. 76-81.
УДК 004.771
Бычков Алексей Андреевич Bychkov Alexey Andreevich
Магистрант Master student
Липецкий государственный технический университет
Lipetsk State Technical University Олимпиев Никита Валерьевич Olimpiev Nikita Valerievich Магистрант Master student Университет ИТМО ITMO University Пашенцев Максим Сергеевич Pashentsev Maxim Sergeevich Магистрант Master student
Воронежский государственный университет Voronezh State University
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ
АВТОМОБИЛЯ
DEVELOPMENT OF THE SYSTEM FOR REMOTE CONTROL OF PARAMETERS AND CONTROL OF ELECTRICAL EQUIPMENT
OF THE VEHICLE
Аннотация, в данной работе проведено исследование возможности разработки и проектирования системы дистанционного контроля параметров и управления электрооборудованием автомобиля с использованием микроконтроллера. Рассматриваемая система включает две части реализации. управление автомобиля с помощью микроконтроллера и клиент-серверное приложение. Разработанное решение состоит из нескольких компонентов. готового веб-приложения для управления системой, спроектированная и реализованная база данных, спроектированная архитектура, перечень используемых микроконтроллеров и физических модулей для включения в электроцепь автомобиля. Рассмотрены и реализованы протоколы общения между электронным блоком управления автомобиля и микроконтроллером.
Abstract: in this paper, the possibility of developing and designing a system for remote control of parameters and control of electrical equipment of a car using a microcontroller is
investigated. The system under consideration includes two parts of implementation: vehicle control using a microcontroller and a client-server application. The developed solution consists of several components: a ready-made web application for system management, a designed and implemented database, a designed architecture, a list of used microcontrollers and physical modules for inclusion in the vehicle's electrical circuit. Communication protocols between the vehicle's electronic control unit and the microcontroller are considered and implemented.
Ключевые слова: Интернет вещей, система дистанционного доступа, микроконтроллер, удаленное управление автомобилем, клиент-серверное приложение, Arduino.
Keywords: Internet of Things, remote access system, microcontroller, remote car control, client-server application, Arduino.
В современном мире автоматизации процессов и внедрения цифровых технологий, активно развивается область "Интернет вещей". В настоящее время на рынке существует много устройств дистанционного запуска двигателя с помощью радиопультов управления. Данный метод управления очень прост в реализации, не требует никаких дополнительных программных продуктов для управления системой. Наличие пультов управления упрощает систему и снижает входной порог пользователей, доводя его до абсолютно любого массового пользователя.
Однако данный метод начинает устаревать, на его смену приходит дистанционное управление через смартфон. Рынок устройств дистанционного управления автомобилем через смартфон относительно мал. В большинстве новых авто данная функция имеется штатно, но, доля рынка подержанных легковых автомобилей в России по итогам первых 8 месяцев 2020 года составила 78,9%. Такие данные приводит аналитическое агентство "Автостат" [1]. Такая статистика обосновывает актуальность исследования на тему разработки универсальной системы дистанционного управления автомобилем любой марки. В эту систему должен входить дистанционный запуск двигателя, управление некоторыми электроприборами автомобиля, отслеживание текущих параметров. Дистанционный запуск позволит заранее прогреть или охладить салон авто, в зависимости от времени года. Мониторинг и статистический анализ параметров работы двигателя автомобиля может дать необходимые для автовладельца данные о состоянии автомобиля. Эта система призвана повысить комфорт и удобство пользования автомобилем.
Цель работы - исследовать возможность реализации встраиваемой системы дистанционного контроля параметров и управления электрооборудованием автомобиля с использованием микроконтроллера.
Для достижения поставленной цели выделим следующие задачи:
1. провести обзор существующих аналогов;
2. спроектировать модель системы;
3. разработать информационную базы;
4. реализовать программную и аппаратную часть.
Рынок устройств дистанционного управления автомобилем через смартфон относительно мал. Из крупных автопроизводителей рассмотрим:
o Tesla;
o Kia Motors Corporation;
o Volkswagen AG.
"Tesla" является ведущей в производстве электрокаров. Их автомобили стали первыми, для открытия и запуска которых не требуются ключи. Всё, что нужно для их использования - смартфон и специальное приложение.
Инженеры "Tesla" проделали большую работу в сфере безопасности дистанционной передачи данных между смартфоном и автомобилем. Ведь со смартфона можно не только запустить/заглушить машину, управлять её системой мультимедиа, но и открыть её. Учитывая высокую стоимость автомобилей этой марки, это делает их более привлекательными для авто угонщиков, обладающими навыками взлома программных продуктов и беспроводных сетей.
Другие перечисленные бренды специализируются на выпуске классических автомобилей на ДВС, однако их достижения в создании систем дистанционного управления автомобиля немного уступают решениям от "Tesla". Для анализа решений данных фирм, с точки зрения потребителя, был использован веб-форум автовладельцев Drive2.ru [2].
Системы от KIA Motors позволяют не только выполнять запуск двигателя, но и отслеживать ряд параметров автомобиля: температуры в салоне и на улице, оборотами двигателя, отслеживания маршрута автомобиля по GPS.
Система от VAG позволяет отслеживать параметры автомобиля, такие как: напряжение аккумулятора, уровень топлива, пробег, параметры автомобиля, техосмотр автомобиля и его VIN номер.
После проведения анализа нами была выбрана следующая модель управления системой. Объектом управления является автомобиль, в частности его электросеть и силовой агрегат (двигатель).
Автоматизируемые процессы: запуск двигателя; управление электрооборудованием автомобиля; сбор и обработка информации с датчиков и электронного блока управления (далее ЭБУ) автомобиля.
Наша система нацелена на владельцев поддержанных автомобилей, предусматривающих проток передачи данных OBD-II, а также новых автомобилей, для которых не предусмотрен подобный функционал.
Пользователи системы:
1. Основной пользователь - водитель автомобиля: запуск/остановка двигателя, управления электроприборами автомобиля, просмотр параметров работы двигателя и статистические данные.
2. Администратор: регистрация новых пользователей и их автомобилей, редактирование набора управляемого электрооборудования, изменение описания и наименования элементов системы.
Объектом контроля и управления является автомобиль отдельная большая и сложная система, к которой присоединяется разрабатываемая система. От автомобиля поступают данные в систему, и производиться контроль его некоторых функций, что позволяет его выделить как источник входной и приёмник выходной информации.
Система должна выполнять следующие функции: управление запуском двигателя автомобиля, управление элементами электрооборудования
автомобиля; статистический анализ данных, получаемых от ЭБУ автомобиля; вывод параметров работы двигателя в реальном времени; вывод ошибок работы двигателя; администрирование системы и базы данных.
На рисунке 1 представлена ER-диаграмма системы в нотации Чена. Для защиты информации и обеспечения безопасности связи между автомобилем и сервером используется протокол HTTPS. Для шифрования данных в нём применяется протокол SSL/TLS [3], который используется на уровень ниже, поверх HTTPS.
Физическая модель базы данных приведена на рисунке 2.
Рис. 1. ЕЯ-диаграмма системы
Рис. 2. Физическая модель базы данных
Сущность "Пользователь" описывает пользователей системы и хранит данные для аутентификации, их ФИО и номер телефона, а также тип учётной записи пользователя.
Сущность "Автомобиль" описывает автомобиль, который принадлежит пользователю и хранит в себе информацию о его наименовании.
Сущность "ЭБУ" описывает электронный блок управления автомобиля, в частности, данные, которые система считывает из него.
Сущность "Ошибка" описывает ошибки, считываемые из ЭБУ автомобиля и содержит в себе код, наименование, описание дату и время появления ошибки.
Сущность "Параметр работы двигателя" описывает конкретный параметр работы двигателя и содержит в себе наименование, значение и описание параметра, а также дату и время считывания.
Сущность "Управляющее реле" описывает реле управления электрооборудованием автомобиля и содержит в себе наименование управляемого электрооборудования, и управляющий пин на микроконтроллере.
Сущность "Датчик" описывает датчики, установленные в автомобиль, для контроля электрооборудования и содержит в себе наименование электрооборудования, контролируемого датчиком, принимающий сигнал пин на микроконтроллере, значение датчика в определённы момент времени, дата и время считывания.
Сущность "Поездка" описывает поездку на автомобиле, которая измеряется с момента запуска двигателя до момента его остановки, и содержит в себе время начала и время окончания, пройденное расстояние.
Для реализации системы была выбрана платформа на базе автомобиля ВАЗ-2110 с инжекторным двигателем и электронной системой управления двигателем (далее ЭСУД) 2111-1411020-70 на базе ЭБУ Bosch M1.5.4 R83.
Для обращения к ЭБУ используется адаптер OBD-II на базе микроконтроллера ELM327 с интерфейсом подключения USB. Простота в
настройке и использовании, а также большой перечень поддерживаемых ЭБУ являются основными факторами выбора данного адаптера.
Для общения между ЭБУ и адаптером используется протокол KWP2000 [4], использующий стандарты ISO 14230.
Для включения в электроцепь автомобиля были использованы следующие аппаратные средства: Arduino UNO R3 на базе чипа ATmega328; радио-модуль rf24L01+; GSM/GPRS SIM900R Shield; модуль-реле базирующийся на SONGLE SRD-05VDC.
Для взаимодействия микроконтроллеров друг с другом используются радио-модули nRF24L01+. Беспроводной способ передачи данных между микроконтроллерами облегчает монтаж системы. Радио-модуль nRF24L01+ подключается к плате Arduino UNO.
Для передачи данных от автомобиля на сервер используется GSM/GPRS shield SIM900, со специально приобретённой SIM-картой.
Были выбраны модули с одноканальными электромагнитными реле номиналами 10 А при 250 и 125 В переменного тока и 10 А при 30 и 28 В постоянного тока. Управляющая группа контактов состоит из двух наборов по три и четыре контакта. Первый набор содержит контакты: GDN - заземления, VCC - постоянное питание +5В, IN1 и IN2 - управляющие контакты. Второй набор имеет контакты с перемычкой (джампер) между JD-VCC и VCC и открытый GDN. При использовании перемычки электромагнит реле напрямую получает питание от реле и при выходе реле из строя, может быть повреждён микроконтроллер. Во избежание подобной ситуации питание для модуля подключается от отдельного источника питания 5V на второй набор к контактам GDN и JD-VCC.
Для реализации проекта используются следующие средства программирования, СУБД и др.: PyCharm; SQlite; Git; Heroku; Arduino IDE; PowerDesigner. Был выбран функционально-ориентированный подход программирования. Серверное приложение состоит из набора функций, никак не связанных друг с другом, кроме обращения некоторых друг к другу.
Так же был применён паттерн MVC (model-view-control), предполагающий разделение приложения на уровни: представление, контроллер и модель, таким образом, что модифицирование каждого из уровней может осуществляться независимо [5]. Схема взаимодействия уровней представлена на рисунке 3.
Модель Изменение Контроллер
данных
t Отправка запросов J L
Отправка ответа в виде Запрос на изменение данных ■
данных для отображения
I_
Представление
Передача команд управления/изменения данных
Просмотр информации
Рис. 3. Схема взаимодействия уровней приложения
Для реализации серверной части и веб-приложения использовались следующие программные средства: Python, JavaScript, Flask, jQuery, AJAX.
Также используются библиотеки: Werkzeug, SQLAlchemy, Flask-Login, Gunicorn, Jinja2 [6].
Для реализации программной части модулей Arduino использовать следующие библиотеки: softwareserial.h, SIM900.h, AmperkaGPRS.h, rf24.h, ArduinoJson.h [7].
Веб-приложение реализует пользовательский интерфейс системы дистанционного контроля параметров и управления электрооборудованием автомобиля. Для этого приложение предлагает элементы управления, а также вывод информации о автомобиле. Пользователь нашей системы имеет следующие возможности: авторизация; регистрация; выход из системы; выбор автомобиля для управления; запуск/остановка двигателя; просмотр параметров работы двигателя; просмотр ошибок работы двигателя.
В результате получим законченную систему со следующим функционалом:
1. регистрация;
2. авторизация;
3. выбор автомобиля;
4. запуск двигателя;
5. просмотр параметров работы двигателя;
6. просмотр ошибок ЭБУ;
7. остановка двигателя;
8. выход из системы.
На рисунке 4 представлена диаграмма состояний системы дистанционного контроля параметров и управления электрооборудованием автомобиля.
Рис. 4. Диаграмма состояний
Последействия "вход пользователя" система переходит в состояние 1 из которого доступны действия выхода и выбор автомобиля. При выборе действия "выбор автомобиля", система предлагает пользователю список доступных ему автомобилей, и после выбора система переходит в состояние 2. В этом состоянии становиться доступен так же "запуск двигателя" и просмотр ошибок. После действия "запуск двигателя" система переходит в состояние 3 из которого можно вернуться в предыдущее состояние 2 посредством действия "остановка двигателя". В состоянии 3 доступны действия просмотра ошибок, просмотр параметров в реальном времени и статистических данных. Во всех состояниях системы пользователю доступен выход из системы.
Схема взаимодействия компонентов системы отображена на рисунке 5.
Internet
Сервер и база данных в облаке
GFRS
HTTP
Клиент пользователя
KWP-2000
OBD-II _J
Рис. 5. Схема взаимодействия компонентов системы
Система позволяет авторизовать зарегистрированного пользователя, и зарегистрировать нового. С помощью администрирования сервера через консоль, завершается процесс регистрации, созданием машины в БД или привязке к пользователю уже существующего автомобиля.
Для корректной проверки функционала был разработан эмулятор ЭБУ, который имитирует передачу данных от самого ЭБУ на микроконтроллер. Функции, задающие значения параметров выполнены в виде генераторов случайных чисел. Ошибки были прописаны заранее и внесены в базу данных.
На главной странице, которая представлена на рисунке 6 отображается наименование автомобиля, к которому выполнено подключение в настоящий момент, ФИО текущего пользователя, а также расположены кнопки для запуска/остановки двигателя, смены автомобиля и выхода из системы.
На странице "Параметры", представленной на рисунке 7, отображается набор параметров работы двигателя в реальном времени, получаемых от системы.
На странице "Ошибки", представленной на рисунке 8, отображаются все ошибки, которые были зафиксированы системой.
Система дистанционого контроля автомобиля
Главная Параметры Ошибки
подключен
Автомобиль Десятка
владелец
Бычков Алексеи Андреевич
Сменить автомобиль
Рис. 6. Главная страница веб-интерфейса
В ходе работы была спроектирована встраиваемая система дистанционного контроля параметров и управления электрооборудованием автомобиля с использованием микроконтроллера. Таким образом, цель работы -исследовать возможность реализации такой системы - достигнута, а поставленные задачи - выполнены.
Система сконструирована с использованием архитектурных принципов, что подразумевает дальнейшее развитие и наращивание мощностей для увеличения функционала и горизонтальной масштабируемости. Также присутствует возможность изменять её без существенных затрат на работу с уже существующей базой.
Система дистанционого контроля автомобиля Главная Параметры Ошибки
Параметр Значение
Температура охлаждающей жидкости (°С) 35
Скорость вращения двигателя (об/мин) 1240
Скорость автомобиля (км/ч) 0
Напряжение бортсети (В) 14.1
Часовой расход топлива (л/час) 1.22
Путевой расход топлива (л/100км) 0
Цикловой расход воздуха (мк/такт) 92.67
Массовый расход воздуха (кг/час) 13.7
Положение дросельной заслонки (%) 0
Положение регулятора XX (шагов) 71
Коэффициент коррекции времени впрыска 1.102
Угол опережения зажигания (°ПКВ) 23.0
Признак выключения двигателя нет
Признак холостого хода да
Средний расход топлива (л/100км) 9.2
Рис. 7. Страница "Параметры"
Система дистанционого контроля автомобиля
Главная
Параметры
Код Наименование
Р0170 Неисправность в электрической цепи датчика положения дроссельной заслонки
Р0501 Неисправность датчика скорости автомобиля
Р0560 НдПРяжениесистемы (бортовой сети)-неисправность
Ошибки
Дата
2020-06-23
12:21:19
2020-06-23
12:21:19
2020-06-23
13:05:58
Рис. 8. Страница "Ошибки"
Соответственно, полученные нами результаты могут быть использованы при разработке промышленной встраиваемой системы дистанционного контроля параметров и управления электрооборудованием автомобиля.
Библиографический список:
1. В России рынок автомобилей с пробегом в 3,7 раза больше рынка новых машин. [Электронный ресурс]. URL: https://www.autostat.ru/news/45802/ (дата обращения: 01.12.2020).
2. Сообщество автовладельцев. [Электронный ресурс]. URL: https://www.drive2.ru/communities/ (дата обращения 30.11.2020).
3. Lee H. K., Malkin T., Nahum E. Cryptographic strength of ssl/tls servers: current and recent practices // Proceedings of the 7th ACM SIGCOMM conference on Internet measurement. - 2007. - С. 83-92.
4. Samuel J. Developing Diagnostics on KWP 2000 and CAN. - SAE Technical Paper, 1998. - №. 981112.
5. Liu L. et al. Design and actualization of universal MVC pattern [J] // Journal of university of science and technology of china. - 2010. - T. 6.
6. Relan K. Database Modeling in Flask //Building REST APIs with Flask. - Apress, Berkeley, CA, 2019. - C. 27-58.
7. Barbon G. et al. Taking Arduino to the Internet of Things: The ASIP programming model //Computer Communications. - 2016. - T. 89. - C. 128-140.
УДК 62-713.1
Гаврилов Артем Геннадьевич Gavrilov Artem Gennadyevich
старший преподаватель senior lecturer
Чистопольский филиал «Восток» КНИТУ-КАИ Chistopol branch "Vostok" KNITU-KAI
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИИ
AUTOMATED COOLING SYSTEM FOR PROCESS EQUIPMENT
AT THE ENTERPRISE
Аннотация, в данной статье рассматривается применение автоматизированных оборотных систем для охлаждения воды, которая применяется для переработки сырья и охлаждения оборудования, тем самым позволяя снизить затраты на электроэнергию и увеличить срок службы оборудования.
Abstract: this article discusses the use of automated recycling systems for cooling water, which is used for processing raw materials and cooling equipment, thereby reducing energy costs and increasing the service life of equipment.
Ключевые слова: градирня, водоотведение, цикл, датчики, температура, погрешность, вентилятор, насос.
Keywords: cooling tower, drainage, cycle, sensors, temperature, error, fan, pump.
Вода является драгоценным сырьем, заменить которое невозможно. Использование воды на предприятиях характеризуется отношением расход воды для переработки одной тонны сырья, что примерно составляет один кубический метр свежей воды. Главной целью использования оборотных систем является снижение потребления речной воды и улучшение качества сточных вод. Для повышения эффективности процесса использования и охлаждения воды для производственных нужд, целесообразно использование автоматизированных системы управления технологическими процессами водооборотных циклов.
Полная автоматизация технологического процесса позволяет не только добиться высоких показателей эффективности производства охлажденной воды
