Разработка системы управления освещением комплекса «Умный дом»

В ходе дипломной работы была разработана система управления освещением входящая в комплекс «Умный дом». В аналитической части дипломной работы рассматривались существующие современные системы управления освещением, а также был выполнен обзор устройств, входящих в систему. В расчетной части был выбран объект управления, в качестве которого была 2-х комнатная жилая квартира, площадью 108 м2. Далее разработав схему автоматизации и указав на структурной схеме способ подключения периферийных устройств к микроконтроллеру, был обоснован выбор программно-аппаратных компонентов системы. После чего был разработан алгоритм системы управления освещением в автономном режиме, а также была разработана структура программного обеспечения для последующей реализации. В разработке пользовательского интерфейса ...

Введение….………………………………………………………………………......3
Глава 1. Анализ существующих технологий управления освещением комплекса «Умный дом»………………………………………..…………………………….... 4
1.1 Обзор современных подходов построения систем управления освещения «Умного дома»……………………………………………………………………… 4
1.2 Анализ технических средств автоматики системы управления…..……….14
1.3 Постановка задачи……..…………………………………………………….. 25
Глава 2. Разработка системы упоавления освещением…………………….…….25
2.1 Умный дом как объект управления……………..…………………………...25
2.2 Разработка схемы автоматизации…………………..………………………..32
2.3 Обоснование выбора средств автоматики и программной среды разработки…………………………………………………………………………..33
2.5 Разработка блок-схемы алгоритма автономного управления………..…….36
2.6 Разработка структуры разрабатываемого программного обеспечения.......39
2.7 Разработка пользовательского интерфейса ручного управления……….....40
2.8 Моделирование компонентов системы управления освещением умного дома в программной среде Proteus ISIS…………………………...………………44
Глава 3. Расчет экономической эффективности внедрения разработанного программного обеспечения……………………………………...…………………44
3.1 Описание выполняемой работы по технико-экономическому анализу.......44
3.2 Расчет себестоимости разрабатываемой системы …………………….....…44
3.3 Экономическая эффективность разработки…………………………….…..51
Глава 4. Расчет систем освещения и вентиляции жилого помещения………….52
4.1 Анализ условий труда в выбранном помещении………...………………….52
4.2 Описание данного помещения…..…………………………………………...53
4.3 Проверка естественного освещения……..………………………………….54
4.4 Расчет искусственного освещения………..…………………………………56
4.5 Расчет системы кондиционирования в управляемом помещении………....58
Заключение…...……………………………………………………………………..63
Список использованной литературы……………………………………………...64
Приложение А………………………………………………………………………65
Приложение Б…………………………………………………………………..…. 66

В данной дипломной работе рассматриваются современные системы управления освещением. Разработана схема автоматизации освещения в жилом помещении, а также разработан алгоритм работы системы управления освещением в автономном режиме. Программа автоматизации была разработана в среде CodeVisionAVR. Интерфейс пользователя реализован с помощью программной среды Delphi 7.
Выполнен расчет экономической эффективности разработанного программного обеспечения. По безопасности жизнедеятельности рассчитывались системы освещения и вентиляции в выбранном жилом помещении.

32Стоимость, тенгеот 1870Микроконтроллер ATmega32 имеет 32 контактных вх/вых, а также шину питания 2.7 – 5.5, что позволяет использовать его в качестве центрального электронного устройства для управления всей системой в автоматическом режиме. По шине питания от микроконтроллера осуществляется информационный обмен со всеми устройствами, подключенными к данной шине. На рисунке 2.24 показано расположение контактов ATmega32, где к порту PAO и PA1 подключена шина питания и канал связи.Рисунок 2.24 - Расположение контактов микроконтроллера ATmega32При выборе датчика движения ключевыми характеристиками являются радиус действия (не менее 12 м) и порт данных (RJ45). Настенный датчик движения mFi-MSW компании Ubiquiti mSensors является единственным представленным на рынке Казахстана, который по характеристике радиус действия соответствует поставленной задачи. Питание датчика осуществляется по витой паре (UTP5). Ниже представлена сравнительная характеристика 3-х датчиков (см. таблицу 2.7).Т а б л и ц а 2.7 - Сравнительная характеристика датчиков присутствияХарактеристикиmFi-MSWds-756hАврора-ДИ87Радиус действия, м20х2010x1010х10Порт данных (питание)RJ45RJ45RJ45Вес, кг0,1270,2150,273Размеры, мм146x66x52155x50x38139x58x45Температурный режим, 0С-10 / 55-10/400/40Стоимость, тенге192027801800При выборе оптического датчика, так же как и при выборе датчика движения, главной характеристикой, предъявляемой к датчику, является зона срабатывания (не менее 12 м). По данной характеристике, а также по стоимости нас полностью устраивает оптический датчик BH1715FVC компании ROHM Semiconductor [10]. Питание оптического датчика осуществляется от витой пары. Сравнительная характеристика 3-х оптических датчиков разных производителей представлена в таблице 2.8.Т а б л и ц а 2.8 - Сравнительная характеристика оптических датчиковХарактеристикиBH1715FVCADS-A53Honeywell-T6Измерительный диапазон освещенности, лм0-650000-450000-100000Зона срабатывания, м201010Порт данных (питания)RJ45RJ45RJ45Вес, кг0,2510,2180,31Размеры, мм172x56x40158x45x31182x61x38Стоимость, тенге315028004680Выбор ламп освещения был произведен согласно нормативному документу СНиП РК «Естественное и искусственное освещение», по которому главным показателем является световой поток, обеспечивающий зрительный и психоэмоциональный комфорт в жилых помещениях.В объекте управления используются 4 типа ламп, их характеристики приведены в таблице 2.9.Т а б л и ц а 2.9 - Характеристики ламп освещения Характеристики/тип ламплюминесцент-ная типа ЛТБЦЦлюминесцент-ная типа ЛЕсветодиод-ная с цоколем Есветодиод-ная с цоколем GФирма изготовитель, модельPhilips Tornado Spiral ЛЛ 20/827 Е27Narva LT 36W/950 ColourluxPhilips LED 6,5/550 E27Ecola G9 LED 3,8WМощность, Вт20366,53,8Световой поток, лм9002350550400Индекс цветопередачи, Ra>85>90>90>90Цветовая температура, К2700350030002700Срок службы, ч8000100005000050000Стоимость, тенге970180026001350В качестве исполнительных механизмов в системе используются активирующие устройства (активаторы), которые выполняют направленные им команды и контролируют подключенные нагрузки. Помимо подключения магистральной шины (канал связи) через съемные клеммы, они должны быть подключены к линии питания на 220 В [12].Программные среды. Главной средой программирования микроконтроллера ATmega32 является программный продукт CodeVisionAVR c компиляторами языков С и Assembler. Данная среда разработки распространяется бесплатно по лицензии FreeDemoVersion. При программировании микроконтроллера, была использована встроенная библиотека с необходимыми переменными и функциями для управления МК ATmega32. Также каждому устройству, подключенному к общей шине был присвоен свой ром-код, по которому осуществлялся либо опрос, если это был датчик, либо отправка сигнала управляющего воздействия, если это был исполнительный механизм.Для реализации пользовательского интерфейса используется среда разработки Delphi 7, являющееся объектно-ориентированной, что позволяет реализовывать необходимый функционал интерфейса пользователя. Программная среда Delphi 7 позволяет через компонент любого физического интерфейса подключать разрабатываемый интерфейс пользователя непосредственно к микроконтроллеру через протокол 1-Wire. По этому протоколу через общую шину данных, программно производится опрос всех установленных в систему датчиков. У каждого датчика и исполнительного механизма имеется свой уникальный ром-код, по которому установленная в микроконтроллер программа распознает датчик или исполнительный механизм для последующего принятия решения по разработанному алгоритму. Таким образом, при автономном режиме микроконтроллер сам регулирует систему управления освещением.При отладке системы в качестве среды моделирования используется программный продукт фирмы Labcenter – Proteus VSM, который позволяет спроектировать компоненты системы, показать их взаимодействие, а также отладить всю систему для последующего внедрения в объект управления. Данная среда моделирования отличается интуитивно понятным интерфейсом, что немаловажно для разработки системы управления, а также имеет большую библиотеку компонентов, применяемых в разработанной СУО. Все программные среды разработки были выбраны по главному критерию – бесплатно распространяемые, а также по функциональным возможностям, удовлетворяющих техническим требованиям разрабатываемой СУО. Также при выборе программных сред разработки системы управления освещением учитывалось знание этих программных продуктов разработчиком [13].2.4 Разработка алгоритма работы системы в автономном режимеСхема функционирования системы управления освещением (СУО) представлена на рисунке 2.25.Рисунок 2.25 - Схема функционирования СУО- Оптический датчик реагирует на освещенность помещения. Датчик должен реагировать на свет в видимой области спектра. - Акустический датчик реагирует на звуки внутри помещения; Полоса частот его чувствительности должна находиться в пределах слышимости человека.- Датчик движения реагирует на движение внутри помещения; Используется датчик движения на основе пироэлектрического датчика с линзой Френеля. Реагирует на изменение пространственного расположения источников инфракрасного излучения.- Пользовательское управление (ПУ) реагирует на сигналы от пользователя через пользовательский интерфейс.- С помощью выключателей осуществляется ручное управление.- Устройство управления (микроконтроллер) принимает сигналы от этих пяти вышеперечисленных элементов, оценивает их и на основе полученных данных решает, включать или нет ключевой элемент.- Ключевой элемент (активатор) коммутирует нагрузку (световую точку).- Схема питания обеспечивает все вышеперечисленные узлы требуемым им питанием.Ниже приведен алгоритм работы СУО в автономном режиме (см. рисунок 2.26).Рисунок 2.26 - Алгоритм работы СУО1) Начало работы, включение СУО в сеть.2) После включения в системы в сеть производится тестирование оборудования – включение и выключение световых точек.3) Далее происходит считывание порогов реагирования на свет и звук, и начинается бесконечный цикл.4) В цикле происходит опрос оптического датчика.5) Если на улице темно, идет опрос датчика движения.6) После опроса датчика движение происходит опрос оптического датчика.7) При обнаружении датчиками человека в помещении, происходит перезапись времени послесвечения.8) После перезаписи времени послесвечения, включается световая точка;9) Когда прекращается шум или движение, начинается проверка на равенство нулю времени послесвечения.10) При неравенстве нулю начинается декремент времени послесвечения;11) При равенстве нулю, выключается световая точка.12) После всех предыдущих операций, происходит корректировка порогов звука, освещенности и движения и возврат в начало цикла.2.5 Разработка структуры ПОРазрабатываемое программное обеспечение системы управления освещением сводится к разработке двух больших модуля – модуль автоматического управления и модуль интерфейса пользователя (см. рисунок 2.27).Рисунок 2.27 - Структура программного обеспеченияВ программном модуле автоматического управления располагаются четыре подсистемы: подсистема опроса датчиков, подсистема сравнение показаний от датчиков, подсистема выработки управляющих воздействия и подсистема запуска исполнительных механизмов (активаторов). Все подсистеме реализованы на языке С программной среды CodeVisionAVR, листинг программы приведен в приложении Б.Во втором программном модуле интерфейса пользователя располагаются два подмодуля, один из которых внедряется на сервер, в нашем случае персональный компьютер, а второй подмодуль является web – приложением с удаленным доступом для управления разработанной СУО. Все подсистемы подмодуля серверного интерфейса пользователя реализованы в программной среде Delphi 7, язык программирования которого является объектно-ориентированный. Листинг программы приведен в приложении В.2.6 Разработка пользовательского интерфейсаПри разработке учитывалась нормативная цветопередача на основе эргономики и технической эстетики. При запуске приложения появляется главное окно интерфейса пользователя, (см. рисунок 2.28). Рисунок 2.28 – Главное окно пользовательского интерфейсаВ главном меню выпадающего списка имеется три компонента: настройка COM-порта, настройка пользователя и опрос датчиков. Для подключения интерфейса пользователя к микроконтроллеру, следует настроить COM-порт (см. рисунок 2.29).Рисунок 2.29 – Настройка канала связи с микроконтроллером через COM-портПосле настройки переходим к настройке пользователя (см. рисунок 2.30), где мы можем наблюдать имеющиеся у нас комнаты. Для управления световыми точками, в которые объединены все светильники в каждой комнате, нажимаем на кнопку «Открыть управление светильниками» и переходим на окно управления освещением, (см. рисунок 2.31).Рисунок 2.30 – Окно настроек пользователяРисунок 2.31 – Окно управление освещениемВ окне управления освещением имеется возможность управлять всеми световыми точками, в которые объединены все светильники в одном помещении. При необходимости включить какую-либо световую сцену, нажимаем по кнопке «Открыть» световые сцены и переходим в окно световых сцен (см. рисунок 2.32).Рисунок 2.32 – Окно управление световыми сценамиДалее имеется возможность ручного опроса датчиков, как показано на рисунке 2.33. Шкала показывает текущее состояние датчиков и исполнительных механизмов по комнатам. Рисунок 2.33 – Окно показаний датчиков системыТакже возможен ручной опрос датчиков с выводом необходимых параметров о них, такие как: серийный номер датчика, его ром-код, состояние и т.д. Окно опроса датчиков показано на рисунке 2.34.Рисунок 2.34 – Окно опроса датчиков системы2.7 Моделирование системы управления освещением умного дома в программной среде Proteus ISISДля проверки необходимых компонентов разработанной системы, было выполнено моделирование устройство и их взаимодействие, а также связь с этих устройств с пользовательским интерфейсом, разработанном в программной среде Delphi 7. Ниже на рисунке 2.34 представлена схема системы, состоящая из 4 датчиков, 6 световых точек, соответствующих группам светильников в каждом помещении, выбранного микроконтроллера ATmega32, цепи питания и COM-порта для связи с интерфейсом пользователя.Рисунок 2.34 – Схема моделирования компонентов системы управления освещениемПри запуске процесса моделирования, цепь питания подает необходимое напряжение для всех устройств в схеме. В микроконтроллер через виртуальный программатор закачена разработанная программа в среде программирования CodeVisionAVR, которая позволяет в ручном режиме опрашивать датчики, а также включать световые точки, в качестве которых в данной схеме используются LED-лампы (D). При поступлении сигнала от интерфейса пользователя зеленым цветом на компоненте СOM-порт в схеме видно, как реагирует система на воздействие от пользователя (см. рисунок 2.35).Рисунок 2.35 – Схема включения процесса моделированияТаким образом, смоделировав необходимые компоненты системы управления освещением, было наглядно продемонстрировано управление освещением в ручном режиме от разработанного пользовательского интерфейса.Глава 3. Расчет экономической эффективности внедрения разработанного программного обеспечения 3.1 Описание выполняемой работы по технико-экономическому анализуТехнико–экономическое обоснование является одним из первых обобщающих документов обоснования инвестиций и содержит укрупненные данные о работе, потребность в материальных, энергетических и трудовых ресурсах, а также содержит ряд показателей, дающих представление о коммерческой, бюджетной и экономической эффективности рассматриваемой работы и в первую очередь представляющих интерес для участников-инвесторов проекта. В выпускной работе необходимо разработать систему программных продуктов для управления освещения «умного дома». Разрабатываемое программное обеспечение позволит уменьшить энергозатраты, повысит безопасность обслуживания светового оборудования и создаст комфорт в выбранном объекте управления, в данной работе это 2-х комнатная квратира. Настоящее технико-экономическое описание обосновывает необходимость осуществления проекта и его привлекательность, для автоматизации управления освещением в жилом доме. Это система позволит сэкономить затраты на электричество. Также эта система позволит создать настраеваемый комфорт по желанию клиента, где он может выбрать уровень освещенности, автоматическое включение освещения по голосовому сигналу, выключения всех световых прибором по одной кнопке, и т.д. Разрабатываемая система реализовывается на относительно недорогом программном обеспечении Delphi 7 и среде моделирования Proteus. Таким образом, необходимо рассчитать количество средств, для внедрения и осуществления поставленных целей. Цели и задачи.Основными целями экономического обоснования, являются:– Расчет всех затрат на разрабатываемый проект.– Расчет себестоимости данного проекта.– Расчет срока окупаемости проекта по созданию системы управления освещением комплекса «Умный дом».3. 2 Расчет себестоимости разрабатываемой системыПоскольку работа включает в себя в основном интеллектуальный труд, необходимо рассчитать затраты на разработку программы: рассчитать заработную плату персонала, задействованного в разработке, стоимость комплектующих материалов, затраты на электроэнергию и прочие расходыС = ФОТ + А + Сэл + Спр+Ссоц+ Спенс, (3.1) где С – затраты на разработку проекта;ФОТ - фонд оплаты труда.А – амортизационные отчисления за приобретенный компьютер, рассчитывается как отчисления за год.Фонд оплаты труда (ФОТ) состоит из основной (Сос) и дополнительной (Сдоп) заработной платы , (3.2) Сос = Зрд*t + Зид*t (3.3)где Сос – заработная плата персоналу, принимающему участие в разработке проекта – 2 человека: руководитель и инженер-разработчик.Дополнительная заработная плата (премии и т. д.) вычисляется в размере 10% от основной заработной платы , (3.4)где Соб – затраты на оборудование;Сэл – затраты на электроэнергию;Спр – прочие расходы;В выполнении проекта задействовано 2 человека, каждый из которых должен выполнить свою задачу, поэтому нужно рассчитать порядок работ, а также основную заработную плату, все расчеты представим в виде таблицы (см. таблица 3.10). Воспользуемся формулой 3.3 Сос = Зрд*t + Зид*t ,где Сос – основная заработная плата персонала;Зрд – заработная плата за день руководителя;Зид – заработная плата за день инженера-разработчика;t – количество рабочих дней для разработки проекта;Т а б л и ц а 3.10 - Длительность цикла в днях по каждому виду работ№Наименование этапов и содержание работИсполнительДлительность цикла в днях по каждому виду работ12341Постановка задачиРуководитель22Разработка содержанияработыРуководитель+Инженер-разработчик23Сбор данныхИнженер-разработчик5Окончание таблицы 3.104Анализ действующихсистемИнженер-разработчик45Выбор и обоснование оборудованияИнженер-разработчик36Выбор системы освещенияИнженер-разработчик17Разработка схемыавтоматизацииИнженер-разработчик68Определение функции ПОИнженер-разработчик39Разработка алгоритма ПОИнженер-разработчик510Разработкаблок-схемы ПОИнженер-разработчик211Моделированиеэлементов управленияИнженер-разработчик312Создание алгоритма взаимодействияИнженер-разработчик313Моделирование системы управленияИнженер-разработчик514Отладка всей системыИнженер-разработчик315Итого46Определим заработную плату каждого работника за один рабочий день – для этого ежемесячный размер заработной платы работника делится на количество рабочих дней за прошедший месяц (это дня – шестидневная рабочая неделя):- для руководителя , (3.5)где Змес - ежемесячный размер заработной платы руководителя тенге/день.- для инженера-разработчика, (3.6)где Змес - ежемесячный размер заработной платы инженера-разработчика; тенге/день.Определим заработную плату каждого работника за час работы и, по каждому наименованию проведённых работ – суммарную заработную плату (см. таблицы 3.11 и 3.12).Заработную плату за один час вычислим, разделив заработную плату работника за день на количество часов рабочего дня (при 8 часовом рабочем дне):- для руководителя , (3.7) тенге/час.- для инженера-разработчика , (3.8) тенге/час.Т а б л и ц а 3.11 – Заработная плата персоналаИсполнителиКо-во чел.Зар. плата за час, тенгеЗар. плата за день, тенгеЗар. плата за месяц, тенгеРуководитель1468,8375090 000Инженер-разработчик1364,6291770 000Итого28336667160 000Посчитаем основную заработную плату персоналу за весь период разработки проекта (формула (3.2)), который составляет 46 рабочих дня (см. таблицу 3.11)Сос = Зрд*t + Зид*t = 3750*46 +2917*46 = 306682 тенге.Данная основная заработная плата была подсчитана с учетом количества рабочих дней, необходимых для разработки проекта. Но для уменьшения затрат, подсчет основной заработной платы будет вестись по количеству фактических часов, затраченных разработчиками для создания проекта. Так как практика показывает, что в течение рабочего дня на фактически выполненную работу тратится не весь рабочий день, а какая-то определенная часть [14]. Порядок работ и трудоемкость их выполнения представлены в таблице 3.12.В таблице показана оплата за каждый выполненный модуль участникам проекта. Стоимость каждого выполненного модуля рассчитывается как почасовая оплата на количество затраченных часов. Т а б л и ц а 3.