CC BY
158
УДК 621.396.44
1Волков С. В., 1Колдов А. С., 1Захарова О. В., Чапаев В. С.
хФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ОБЪЕКТА
Введение
В настоящее время очень актуальна проблема разработки, проектирования и создания систем автоматического контроля и управления параметрами объекта. Говоря о таких системах, следует различать два основных понятия: "интеллектуальное здание" (этот термин применяется для объектов коммерче-
ской недвижимости) и "умный дом" (прежде всего, жилые постройки). Системы «умный дом» представляют особый интерес, так как направлены на улучшение условий проживания людей. Они помогают более эффективно и экономично использовать энергетические ресурсы (газ, электроэнергия), воду, делают нашу жизнь комфортнее и безопаснее.
Автоматика «умного» дома выполняет множество разнообразных функций, таких как управление освещением, отоплением, водоснабжением, вентиляцией и климатом, управление системой безопасности и сигнализации, управление системой визуализированного и удаленного управления. В последнее время становятся популярными так называемые «мультирумы» - системы распределения по помещению видео- и аудиосигнала, которые управляются с одного дистанционного пульта. Это только часть функций, которые может выполнять «умный дом», функциональность его ограничивается только фантазией разработчиков и финансовыми возможностями заказчика. В общем, «умный дом» - дорогое удовольствие, и далеко не каждый может позволить себе жить в таком доме.
Рынок систем автоматизации и управления зданиями в настоящее время представляет собой заметный сегмент современной экономики во всем мире, в частности, в Европе, странах СНГ и в Российской Федерации [3].
Темпы роста рынка автоматизации зданий превышают темпы роста рынка строительства зданий, поскольку, помимо оснащения системами управления зданий-новостроек, при реконструкции и ремонте происходит активное оборудование системами автоматизации большей части фонда эксплуатируемых зданий .
Понятие «умный дом», концепция построения.
Понятие «умный дом» было сформулировано еще в 70-е годы прошлого века Институтом интеллектуального здания в Вашингтоне.
«Умный дом» - это система, обеспечивающая продуктивное и эффективное использование рабочего
пространства здания.
Концепция построения «умного дома» основывается на трех моментах [1]:
- безопасность,
- комфорт,
- экономия средств и ресурсов.
Безопасность является основной и главнейшей задачей «умного дома». Почти все функции, которые осуществляет система безопасности «умного дома», человек может выполнить самостоятельно. Однако автоматика сможет предупредить массу очень неприятных ситуаций, таких как капитальный ремонт из-за утечки воды или пожар из-за утечки газа. Система безопасности сможет вести наблюдение за близкими людьми: пожилыми родственниками или маленькими детьми.
Комфорт является немаловажным требованием и одной из целей. Система «умный дом» - самая комфортная система управления домом на сегодняшний день. По статистике [1], требования, предъявляемые к системе бытовой автоматики владельцами дома - это:
- удобство (31%),
- простота использования (18%),
- централизованное управление (11%),
- надежность (8%),
- комфорт (8 %),
- стоимость/качество (6%),
- безопасность (3%).
Для российских потребителей комфорт является доминирующим аргументом. Специальное исследование показало: если во всем мире основными критериями при выборе и проектировании системы автоматизации здания являются возможность экономить на ремонте оборудования, платежах за энергоресурсы и стоимости эксплуатации, то в России основными критериями называют функциональность, удобство эксплуатации и цену.
Экономия средств и энергоресурсов обеспечивается не установкой системы «умный дом», а дальнейшим использованием этой системы. В нашей стране экономия воды и электричества пока не является актуальной. Однако заграницей люди давно озабочены подобными вопросами. Здесь-то «умный дом» и проявляет все свои достоинства. По статистике зарубежных стран [4], интеллектуальные системы позволяют существенно сокращать расходы:
- оплату за тепловую энергию на 50%;
- оплату за воду на 41%;
- оплату за электроэнергию на 30%;
- эксплуатационные расходы на 30%;
- уменьшение выбросов СО2 30 %.
С учетом того, что жилищно-коммунальные хозяйства постоянно пересматривают стоимость электроэнергии, воды и тепла, возможно, уже есть смысл задуматься об экономии этих расходов. И если на сегодняшний день выгода от установки интеллектуальных систем еще не слишком заметна, то через некоторое время она станет очевидной.
Обзор существующих решений по системам «умный дом».
Сегодня на российском рынке представлены разнообразные технологии «умного дома» - от самых
простых до самых сложных и дорогих. Все существующие системы можно обобщённо разделить на три категории [2]:
- централизованные системы,
- децентрализованные системы (шинные),
- системы, работающие по радиоканалу.
К централизованным системам относятся разработки компаний AMX, Creston, Lurton. Они состоят из центрального контроллера, панелей управления и множества исполнительно-командных блоков. К цен-
тральному контроллеру подключаются все остальные системы. Различные компоненты имеют свои микроконтроллеры, но программа взаимодействия находится в одном - главном. От главного контроллера сигналы управления могут идти к исполнителям по различным каналам. Достоинства таких систем:
- доскональная проработка ядра и программного обеспечения;
- возможность собрать в единый комплекс все системы жизнеобеспечения и свести управление ими на единый пульт;
- возможность включать в качестве исполнителей устройства от самых разных производителей систем «умный дом»;
- хорошие средства создания графического интерфейса;
- продуманную работу с аудио/видеотехникой;
- респектабельный дизайн и функциональность панелей управления.
К децентрализованным системам относятся системы Instabus (EIB), Lon Works, C-Bus, Bus Net. Отличием шинных технологий, в частности системы Instabus (EIB), является отсутствие главного управляющего центра. Вся система состоит из сенсоров и активаторов. Сенсоры предназначены для обнаружения какой-либо активности в здании или измерения каких-либо характеристик [5] . Они посылают сообщения активаторам (исполнительным устройствам), которые, в свою очередь, исполняют подходящие команды. Исполнительным устройством может быть светорегулятор, реле управления жалюзи, клапан системы отопления и т. д. Каждый сенсор и исполнительное устройство имеют свой контроллер, подключённый к управляющей шине и действующий вполне самостоятельно, поскольку в него заложена программа с таблицей управляющих сигналов. Одна шина объединяет все электрические устройства здания. Управление шинной системой «умный дом» осуществляется или с клавишных панелей, расположенных в определённых помещениях, или централизованно - с пульта управления или компьютера. Главными достоинствами этой системы является её открытость и способность управлять большим количеством подключаемых элементов.
К радиошинным системам относятся системы GIRA, LEGRAND, BTCINO. Радиошинная система - набор компонентов, использование которых позволяет дистанционно (с помощью радиосигналов) управлять различными потребителями электрической энергии. Все элементы радиошинной системы делятся на две части - радиопередающие и радиоприёмные (исполнительные). Радиопередающее устройство отправляет
управляющую телеграмму, все исполнительные устройства её принимают, но выполняют только те устройства, которые настроены на приём этой телеграммы от данного радиопередающего устройства. Передатчики, получающие питание от батареи, делают систему очень гибкой. Их можно устанавливать даже там, где нет проводов электросети 230 В. Каждое, из исполнительных устройств может быть настроено не более чем на 30 управляющих команд от разных передающих устройств.
Вышеперечисленные системы помимо достоинств имеют ряд существенных недостатков, важнейшими из которых являются высокая стоимость и возможность установки систем только в ходе ремонта или строительства дома. Таким образом, было принято решение разработать систему, полностью отвечающую соотношению цена-качество, имеющую как можно больше необходимых функций, оставаясь при этом доступной для большинства заинтересованных людей.
Обзор создаваемой системы «умный дом».
Проектируемая система «умный дом» должна соответствовать концепции создания систем данного типа, более того, основным критерием при разработке является снижение стоимости по сравнению с аналогами. Конечно, полнофункциональный «умный дом» не каждому по карману. Хотя многие его элементы вполне доступны. Поэтому можно устанавливать систему поэтапно, с возможностью последующего расширения .
Современные технологии создают возможность передачи информации о состоянии объекта на любые расстояния при минимальных затратах на монтаж оборудования [б, 7]. С помощью передачи оперативной информации по GSM-каналам подобные комплексы обеспечивают качественный контроль и управление системами безопасности жилого помещения, которые включают в себя охранно-пожарную сигнализацию, видеонаблюдение [8, 9], контроль доступа, телеметрию [5] , контроль утечки воды и газа [10] .
Обобщенная структурная схема проектируемой системы.
Структурная схема устройства строится исходя из поставленной задачи на проектирование, например, согласно рис. 1.
Основные компоненты системы:
- устройство контроля и управления (управляющий контроллер);
- датчики, подключаемые к аналоговым или цифровым входам системы (движения, регистрации, утечки воды, протечки газа, дыма, иные датчики);
- исполнительные устройства, управляющие нагрузками или другими приборами, подключаемые к выходам управления системы;
- GSM модем (ADSL модем) для оповещения абонента;
- персональный компьютер;
- преобразователь USB-UART для связи GSM модема и микроконтроллера с компьютером.
COM порт найти в современных компьютерах всё труднее. Для большей части практических задач, использующих обмен данными между компьютером и устройством, — управления, отладки, передачи небольших объёмов данных — ничего проще и удобнее, чем преобразование USB-UART, придумать невозможно. Микроконтроллер общается с микросхемой по обычному UART, а микросхема в свою очередь подключается к компьютеру по USB. Компьютер распознает подключенное устройство как COM порт, и работать с ним можно как с обычным COM портом. Все очень удобно, не требует ни мощных микроконтроллеров с интерфейсом USB и специально подобранными кварцами, ни сложных программ.
Принцип действия.
Принцип действия проектируемой системы заключается в получении и обработке GSM микроконтроллером данных с установленных на объекте датчиков. Затем сигнал поступает на исполнительные устройства, где происходит инициализация работы блокировочных и защитных устройств. В случае возникновения нештатной ситуации (срабатывании датчика), GSM микроконтроллер совершает дозвон через подключенный к нему сотовый телефон (GSM модем) на телефон пользователя. Кроме того, имеется возможность управления всеми коммуникационными системами, от отопительной до водопроводной и любой иной. К микроконтроллеру также подключен USB интерфейс, для передачи полученных данных на ПК. В качестве GSM модема очень удобно и экономически целесообразно использовать уже устаревшие, но выпускаемые модемы, например, ТС35 производства компании Siemens, ввиду их низкой стоимости (порядка 600-900 рублей).
Заключение.
Данный способ построения системы значительно упрощает ее создание. Кроме того, использование USB и GSM интерфейсов делает управление системой «умный дом» доступной как дома, так и за его пределами посредством использования мобильных устройств и гаджетов.
Разработка GSM модуля производится самостоятельно на базе мобильного устройства Siemens, что, в свою очередь, также снижает стоимость системы.
Возможность использования датчиков движения [8], утечки газа [10] и протечек воды, систем охранной и пожарной сигнализации расширяет применение проектируемой системы, то есть возможно ее использование не только в жилых объектах, но и в сфере ЖКХ и производственной сфере.
Таким образом, создаваемая система «умный дом» является не только универсальной, но и более дешевой в сравнении с уже существующими.
ЛИТЕРАТУРА
1. «Умный дом» своими руками. Строим интеллектуальную цифровую систему в своей квартире / Тесля Е.В. - СПб: Питер, 2008. - 224 с.
2. «Умный дом» своими руками / В.Н. Гололобов. - М.: НТ Пресс, 2007. - 416 с.
3. http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1809
4. http://www.housecontrol.ru/material/64.php
5. Волков С.В., Дудоров М.Ю., Колдов А.С., Чапаев В.С. GSM-телеметрия. // Надежность и качество. : Труды международного симпозиума: в 2-х т. / Под ред.Н.К. Юркова. - Пенза: Изд- во ПГУ, 2013 - 2т., стр. 57-59.
6. Волков С.В., Бахмутский А.А., Сазыкин П.А. Принципы построения систем контроля удаленных объектов на базе GSM-канала // Надежность и качество. Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том 2. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - С. 12 - 14.
7. Волков С.В., Бахмутский А.А., Сазыкин П.А. Аппаратный GSM контроль // Новые технологии в образовании, науке и экономике. Труды XVII-го Междунар. Симп. - М.: Инф-изд. центр Фонда поддержки вузов, 2007. - С. 21 - 27.
8. Бободжонов Д.А., Волков С.В., Чапаев В.С. Виртуальный прибор для систем видеомониторинга. // Надежность и качество. : Труды международного симпозиума: в 2-х т. / Под ред.Н.К. Юркова. - Пенза: Изд- во ПГУ, 2012 - 2т., стр. 95-99.
9. Волков С.В., Рафиков Р.Р. Система видеомониторинга. // Надежность и качество. : Труды международного симпозиума: в 2-х т. / Под ред.Н.К. Юркова. - Пенза: Изд- во ПГУ, 2013 - 2т., стр. 247-249.
10. Волков С.В., Никулин Е.Ю., Чапаев В.С. GSM-информатор утечки газа // Надежность и качество: Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том2. - Пенза: Инф.-изд. центр ПензГу, 2011, стр.115-117.
