Умный дом на микроконтроллере

Целью работы является разработка микроконтроллерной системы управления умным домом для последующего внедрения данной системы в жилые здания для обеспечения комфорта, безопасности и рационального контроля жизнедеятельности человека. Для этого необходимо решить следующие задачи:

• разработать структурную схему системы;
• разработать алгоритм работы системы;
• провести обзор и выбор основных компонентов системы;
• выполнить моделирование МК СУ умным домом;
• произвести 3D моделирование квартиры с установленными в ней элементами разработанной системы.

Практическая ценность

Создание и внедрение микроконтроллерной системы «умный дом» позволит сделать проживание в доме с данной системой более комфортным и безопасным, а также снизить энергопотребление из общей энергосети посредством более рационального использования электроэнергии.

1. Разработка структурной схемы системы УД

На рисунке 2.1 представлена структурная схема системы «умного дома». На данном рисунке (Рисунок 2.1) представлена структура системы умного дома (УД). Внедрение данной системы в жилые дома позволит снизить затраты энергии на 10-12% за счет оптимального управления системами отопления, кондиционирования и освещения, а также повысить уровень безопасности.

2.1 Описание устройства и работы системы УД

Микроконтроллерная система управления умным домом (УД) работает следующим образом: Измерительные датчики, установленные в системе, передают данные на микроконтроллер, который является основным и самым главным элементом всей системы. Далее, в зависимости от алгоритма работы, микроконтроллер посылает команды управления на исполнительные устройства, подключенные к системе.

3. Исполнительные устройства и датчики системы управления УД

Для системы управления умным домом (УД) необходимы исполнительные устройства (сервопривод, дисплей и т.д.), микроконтроллер и датчики (влажность, температура, звук и т.д.).

Характеристика и описание микроконтроллера AtMega2560 Arduino
Ардуино – эффективная аппаратно-программная платформа для проектирования и создания новых устройств разработанная компанией Arduino Software. Программирование осуществляется на языке С/C++. Микроконтроллер имеет в наличии совместимые платы для расширения пользовательских возможностей.

Характеристики микроконтроллера приведены в таблице 3.1.

Недостатки:

• Ограниченность внутренней памяти контроллера
• Необходимость пере прошивки микроконтроллера при каждом изменении кода

Преимущества:

• Простота в использовании и доступность микроконтроллера
• Реализация поставленной задачи в два счета при использовании стандартных библиотек программирования без углубленного изучения
• Быстрый и простой вывод данных на различные дисплеи
• Быстрый обмен данными посредством одного кабеля-USB

Обзор сервопривода для системы управления:

Таблица 3.1 – Характеристики сервоприводов

Тип	Параметр	Значение
Сервопривод – SG90	Вес	13 г
	Крутящий момент	2 кг/см
	Рабочее напряжение (DC)	4-8 В
	Потребляемая мощность	0,25 Вт

Так как задачей сервопривода в данной системе является контроль положения жалюзи, данный сервопривод (SG90) подходит по характеристикам для выполнения данной задачи.

3.1 Обзор датчиков

Обзор датчика влажности и температуры.

В таблице 3.2 приведены характеристики датчика влажности и температуры DHT11.

Параметр	Значение
Выходной сигнал	Цифровой
Погрешность измерений	2%
Диапазон измерения температуры	0 – +50 градусов
Потребляемый ток (мА)	30 мА
Потребляемая мощность	0,15 Вт/ч
Диапазон измерения влажности	20% – 90%
Рабочее напряжение питания (DC)	5 В

Выбран датчик влажности и температуры DHT11 т.к. он наиболее доступен и соответствует требованиям по напряжению питания, виду выходного сигнала и диапазону измерений.
Обзор датчика звука

В таблице 3.6 приведены характеристики датчика звука

Параметр	Значение
Выходной сигнал	Цифровой
Потребляемый ток (мА)	30 мА
Потребляемая мощность	0,14 Вт
Рабочее напряжение питания(DC)	3-5 В

Выбран датчик звука FC-04 т.к. он наиболее доступен и соответствует требованиям по мощности, напряжению и току питания.

Обзор и выбор датчика движения:

В таблице 3.4 приведены характеристики датчика движения.

Выходной сигнал	Цифровой
Задержка выходного сигнала	0,3 – 1,8 с
Рабочий диапазон, дальность работы	120 градусов, 7 м
Рабочее напряжение питания (DC)	5-20 В
Потребляемая мощность	0,35 Вт

Выбран датчик движения SR501 т.к. он наиболее эффективен, доступен и соответствует требованиям.

В данной системе датчик движения будет использоваться для системы безопасности, поэтому датчик SR501 является наиболее подходящим в связи с тем, что его радиус действия превышает радиус действия других подобных датчиков.

Обзор и выбор датчиков освещенности:

В таблице 3.5 приведены характеристики наиболее доступных датчиков освещенности.

Параметр	Значение
Выходной сигнал	Цифровой
Регулировка чувствительности	+
Ток питания (мА)	30 мА
Рабочее напряжение питания (DC)	3-5 В
Потребляемая мощность	0,09 Вт

Выбран датчик освещенности LM393 т.к. он наиболее доступен Прост в подключении и соответствует требованиям. Задачей датчика освещенности является проверка уровня освещенности в помещении и датчик LM393 подходит для выполнения данной задачи, так как соответствует требованиям и наиболее доступен по сравнению с другими подобными датчиками

4. Разработка алгоритма и программы управления системой УД

Алгоритм системы умного дома работает следующим образом: Микроконтроллер, управляющий системой получает данные от различных датчиков, подключенных к системе. На первом месте находится датчик влажности и температуры. Системой проводится проверка, соответствует ли текущая температура оптимальной. Если температура превышает норму, включается кондиционер, если температура ниже нормы, то включается отопление. Затем получают данные с датчика освещенности. Система проверяет текущий уровень освещенности в помещении, если он ниже нормы, то подается команда на сервопривод, управляющий положением жалюзи с целью их открытия. Следующим проверяются показатели датчика движения. Если датчик подает положительный сигнал, это означает что на территории находится посторонний, а за этим следует оповещение системы безопасности о том, что на территории посторонний. И на последнем месте находится датчик звука. Его целью является контроль освещения в помещении при помощи хлопка. Если датчик регистрирует хлопок, то производится проверка текучего состояния освещения. Если оно было включено – то будет выключено, если выключено – то включится. О всех действиях пользователь будет оповещен.

5. Расчет и моделирование системы управления «умного дома»

Датчик движения – потребляемая мощность 0,35 Вт

Датчик звука – потребляемая мощность 0,14 Вт

Датчик влажности и температуры – потребляемая мощность 0,15 Вт

Датчик освещенности – потребляемая мощность 0,09 Вт

Суммарная потребляемая мощность датчиков – 0,73 Вт

Мощность выдаваема Arduino Mega – 2,5 Вт

Вывод: подобранные компоненты подходят для подключения к платформе Arduino Mega, так как мощность потребляемая датчиками системы не превышает, мощность выдаваемую микроконтроллером.

На рисунке 5.1 представлена модель работы Arduino в среде PROTEUS

Из рисунков видно, что при превышении комфортной для человека температуры внутри помещения подается управляющий сигнал для включения системы кондиционирования(L1). Если температура ниже нормы, подается управляющий сигнал для включения системы отопления(L2). Из полученных результатов можно сделать вывод о работоспособности системы.

6. 3D моделирование расположения датчиков системы

На рисунках 6.1 и 6.2 показано примерное расположение датчиков системы «Умный дом» в жилых помещения квартиры. Такое решение является универсальным практически для любой планировки жилья.

Заключение

• Построена структурно-функциональная схема системы УД
• Проведен обзор и выбор основных компонентов системы
• Составлен алгоритм и программа работы системы УД
• Проведено моделирование и анализ результатов роботы системы УД
• Произведена сборка макета микроконтроллерной системы умного дома
• Произведена отладка собранного макета
• Примерная стоимость установки данной системы 150000 ₽