Умный дом

Умный дом - это интеллектуальная система управления, обеспечивающая согласованную и автоматическую работу всех инженерных сетей дома. Такая система грамотно распределяет ресурсы снижает эксплуатационные затраты и обеспечивает понятный интерфейс контроля и управления. Система должна быть спроектирована так, что все сервисы могли бы интегрироваться друг с другом с минимальными затратами (с точки зрения финансов, времени и трудоемкости), а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом.
Разработка содержит в себе следующие задачи:
• Создание интегрированной системы управление квартирой - системы с возможностью обеспечения комплексной работы всех инженерных систем дома: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других.
• Передача фу ...

Оглавление
Введение 3
Термины, определения и сокращения 5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМЫ "УМНЫ ДОМ" 6
1.1 Задачи и состав системы "Умный дом" 6
1.2 Системы и протоколы автоматизации 8
1.3 Этапы проектирования 15
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ "УМНЫЙ ДОМ" 18
2.1 Объект автоматизации 18
2.2 Структурная схема организации сети 20
2.3 Система освещения 27
2.3.1 Структурная схема 27
2.3.2 Выбор микроконтроллера 28
2.3.3 Выбор, описание и расчеты элементной базы 30
2.4 Система контроля протечек воды 38
2.4.1 Структурная схема 38
2.4.2 Выбор микроконтроллера 40
2.4.3 Выбор, описание и расчеты элементной базы 41
2.5 Система кондиционирования воздуха 48
2.5.1 Структурная схема 48
2.5.2 Выбор микроконтроллера 49
2.5.3 Выбор, описание и расчеты элементной базы 51
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА 55
3.1 Теоретический анализ проекта 55
3.2 Расчет сметы затрат проекта 57

Введение
Любое здание или квартира - административное, производственное или жилое состоит из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества, выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее.
В 1970-х годах Институтом по разработке интеллектуального здания в Вашингтоне было сформулировано понятие «умный дом»: Здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства.
Принцип системы «умный дом» предполагает совершенно новый подход в организации жизнеобеспечения строения, в котором за счет комплекса программно-аппаратных средств значитель но возрастает эффективность функционирования и надежность управления всех систем и исполнительных устройств.
Под «умным домом» следует понимать систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать. Одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам, то есть система объединяет отдельные подсистемы в единый управляемый комплекс. Важной особенностью и свойством «Умного дома» отличающим его от других способов организации жизненного пространства является то, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством. Человек одной командой задает желаемую обстановку, а уже автоматика в соответствии с внешними и внутренними условиями задает и отслеживает режимы работы всех инженерных систем и электроприборов. В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и сигнализации, и прочим. В доме, оборудованном системой «Умный дом» достаточно одним нажатием на настенной клавише (или пульте дистанционного управления, сенсорной панели и т. п.) выбрать один из сценариев. Дом сам настроит работу всех систем в соответствии с вашим пожеланием, временем суток, вашим положением в доме, погодой, внешней освещённостью и т. д. для обеспечения комфортного состояния внутри дома.

Максимальное число приемопередатчиков nMAX определяется делением типового значения сопротивления приемопередатчика (по-английски величина unit loads (UL)) на величину RINFQ.nMAX=ULRINFQ=121.183=10.14кОм.Таким образом, максимум 10 стандартных трансиверов UL или 20 * 0.5ULили 80 * 0.125UL могут быть подключены к шине.В качестве витой пары используем экранированную витую пару STP 5 категории длиной 25м. Это 4х парный кабель, используется при построении локальных сетей и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар. В нем присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки.Для нашей сети он будет самым подходящим. При построении сетей с использованием шины RS-485 необходимо учитывать, что драйверы кRS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Линия связи должна быть сплошной, не иметь ответвлений и соединений типа «звезда». На каждый из концов линии RS-485 должны быть установлены терминаторы – согласующие резисторы сопротивлением 120 Ом.2.3 Система освещения2.3.1 Структурная схемаДля того чтобы построить структурную схему, необходимо знать, из каких функциональных блоков будет состоять конечный прибор. Поэтому, так как требуется создать систему освещения, то соответственно необходимы источники освещения. Так же необходимо управляющее устройство, которое будет обрабатывать, и исполнять необходимые операции, такие как выбор режима работы системы освещения и осуществление регулирования яркостью освещения - для этих целей нам необходим «микроконтроллер» и датчики. Для управления силовыми ключами будем использовать порты микроконтроллера, настроенные на вывод. Силовые ключи необходимы для коммутации ламп с источником питания.Помимо этого, для работы всех этих устройств необходимо питание, подводимое ко всей схеме – на структурной схеме (рисунке 11) это блок «питание». Рисунок 11 – Структурная схема системы освещенияЧто бы осуществить управление всей системой необходимо программное приложение, которое облегчит понимание предназначения тех или иных настроек системы и визуализирует процесс работы системы – для этих целей нам необходимо заказать программное приложение, выполненное на PC.Для реализации проекта нам необходимо организовать связь микроконтроллера c PC, для этого будем использовать стандарт RS-485 и интерфейсную микросхему MAX485.Принцип действия данного устройства можно представить следующим образом: акустические и оптические возмущения воздействуют на датчики, в случае наличия сигналов на обоих датчиках, сигнал поступает на микроконтроллер, который обрабатывает полученный сигнал и через блок силовых ключей включает нужную лампу. В качестве осветительного прибора целесообразно использовать для экономии электроэнергии светодиодные лампы. 2.3.2 Выбор микроконтроллераВ качестве контроллера выбран однокристальный микроконтроллер AT89C51-20PI серии 80С51 (отечественный аналог КМ1816ВЕ51). Этот микроконтроллер обладает значительными функционально-логическими возможностями и представляет собой эффективное средство автоматизации. Так как для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевскими переменными (истина/ложь), реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями, то очень важной особенностью МК51 является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях.AT98C51-20PI выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющим 40 внешних выводов. Для работы микроконтроллера требуется один источник электропитания +5.5В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода, AT98C51-20PI взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода. Цоколёвка корпуса AT98C51-20PI и наименования выводов показаны на рисунке 12. Р1.0-140-VCC Р1.1-239-Р0.0 Р1.2-338-Р0.1 Р1.3-437-Р0.2 Р1.4-536-Р0.3 Р1.5-635-Р0.4 Р1.6-734-Р0.5 Р1.7-833-Р0.6 RST-932-Р0.7 RXD-1031-ЕА/VPP TXD-1130-ALE INT0-1229-PSEN INT1-1328-Р2.7 T0-1427-Р2.6 T1-1526-Р2.5 WR-1625-Р2.4 RD-1724-Р2.3 XTAL2-1823-Р2.2 XTAL1-1922-Р2.1 VSS-2021-Р2.0 Рисунок 12 - Цоколёвка корпуса AT98C51-20PIКорпус микроконтроллера (МК) имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы на выполнение специализированных функций обмена информацией со средой.Синхронизация МК. Опорную частоту синхронизации определяет кварцевый резонатор РГ-05 с типом корпуса М, добротностью 2000х103, статической ёмкостью менее 9пФ, допустимым отклонением рабочей частоты ±10х10-6. Кварцевый резонатор имеет гибкий тип выводов, предназначенных для соединений пайкой, миниатюрный плоский корпус, хорошо компонуется в современной аппаратуре. Он подключается к выводам XTAL1 и XTAL2. По рекомендации изготовителей микроконтроллера в цепи синхронизации устанавливаются два конденсатора КД-1 ёмкостью 20пФ каждый.Системный сброс AT98C51-20PI по рекомендации изготовителей осуществляется путём подачи на вход RST сигнала 1. Для уверенного сброса этот сигнал должен быть удержан на входе RST по меньшей мере в течение двух машинных циклов (24 периода резонатора). Время, необходимое для полного заряда ёмкости, обеспечивает уверенный запуск резонатора и его работу в течение более чем двух машинных циклов.Связь микроконтроллера с датчиками и исполнительными механизмами обеспечивается через все имеющиеся выходные порты. Таблица 4 - Характеристики микроконтроллера AT89C51-20PIХарактеристикаЗначениеЕмкость Flash памяти8 КбайтНапряжение питания5±20% BДиапазон рабочих частотот 0 Гц до 24 МГцОЗУ емкость256 байт2.3.3 Выбор, описание и расчеты элементной базыДатчики Фотоэлектрические датчики наиболее разнообразны по своим характеристикам и сфере применения, однако их принцип работы одинаков. Излучаемый датчиком свет рассеивается, отражается или поглощается объектом, и эти изменения воспринимаются фотоприемником. Благодаря тому, что применяется микропроцессорная обработка сигнала, можно воплотить самые разнообразные функции. Так же их стоимость очень низка, поэтому мой выбор остановился на них. В результате сравнения различного рода моделей выбор пал на HPTB1-48B.В качестве микрофона выбор пал на довольно распространенный за свои параметры и хорошую чувствительность по оптимальной цене, микрофон МКЭ-3. Параметры датчиков в таблице 5 и 6 соответственно. Таблица 5 – Характеристики микрофона МКЭ-3ХарактеристикиЗначениеРабочее напряжение4.5ВДиапазон частот50…15000ГцШум30дБАЧувствительность4-20мВ/Па Таблица 6 – Характеристики фототранзистора VT1 HPTB1-48BХарактеристикиЗначениеСредняя рассеиваемая мощность150мВтЗона чувствительности0.19ммМакс. напряжение коллектор-эмиттер30ВМакс. напряжение эмиттер-коллектор5ВРабочий диапазон температур-40 – +85 °CТок коллектора0.5мАТок коллектора в затемненном режиме100нАДиапазон чувствительности длин волн500 – 1100нМПитаниеГлавной особенностью схемы является использование для питания МК не обычного стабилитрона, а интегрального источника опорного напряжения DA1 параллельного типа. Это позволяет отказаться от отдельного ИОН и снизить потребляемый ток. Выбираем ИОН серии LM4040 с классом точности 1%.Выбор диодного моста VD2, рассчитанного на ток 6 А, для работы с небольшим током нагрузки (максимум 0.55 А) объясняется тем, что лампы иногда перегорают во время работы. Возникающий при этом импульс тока амплитудой более 10...20А способен повредить одноамперные мосты, такие как КЦ402 или КЦ405.Диодный мост должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 600В.Для гашения избытка сетевого напряжения, поступающего на вход ИОН, используется балластное сопротивление, образованное резисторами R1 и R2. Принцип действия ИОН параллельного типа совпадает с обычным стабилитроном, поэтому для расчёта гасящего резистора можно применить классическую формулу:R=(Uвх-Uст)(Iн+Iст),                                                        (7)где Uвх – входное (ограничиваемое) напряжение, снимаемое с выхода диодного моста; Uст – напряжение стабилизации стабилитрона; Iн – ток нагрузки; Iст – ток стабилитрона.Изменим формулу с учётом падения напряжения на двух диодах диодного моста и добавив коэффициент, учитывающий разброс сопротивления резистора:R=(Uвх-2*Uд-Uст)(Iн+Iст)*Kr (8)Рассчитаем максимальное сопротивление резистора, обеспечивающего минимальный ток стабилитрона при наихудших условиях:Минимальное среднее значение выпрямленного напряжения Uвх при 10%-ном допуске на напряжение сети составит 198В. Но здесь следует также учесть снижение напряжения под воздействием мощной нагрузки. При максимальной яркости лампы снижение 4 В.Uвх = 198 – 4 = 194ВНаибольшее падение напряжения на диодном мосту Uд будет при максимальной нагрузке. При Iн=0.55 А, прямое напряжение для одного диода составляет около 0.73В.Отклонение стабилизированного напряжения равно 1%. Uст = 5 + 0.05 = 5.05В.Минимальный ток, для работы стабилитрона, составляет Iст = 0.1 мАПоскольку в схеме используются два резистора, каждый из которых имеет допуск 5%, принимаем Кr = 0,9.Минимальное сопротивление резистора МК составляет 20 кОм. Суммарный максимальный ток потребления по цепи +5В:В худшем случае, т.е. при напряжении 5.05 В: Подставим полученные данные в исходную формулу (8): ОмТаким образом, балласт должен иметь сопротивление не более 48 кОм. Его можно получить, соединив последовательно два резистора по 23кОм.Теперь для найденного сопротивления балластного резистора рассчитаем, не выйдет ли из строя стабилитрон, если сетевое напряжение увеличится до уровня ограничения защитного диода VD1, а также при воздействии других неблагоприятных факторов. Преобразуем ранее использованную формулу (8) к следующему виду:Iст=Uвх-2*Uд-UстR-Kr-Iн (9) Для расчёта принимаем следующие численные значения:Максимальное напряжение ограничения защитного диода Uвх = 548В.При отсутствии нагрузки падение напряжения на одном диоде диодного моста составит Uд = 0,65 В.Минимальное напряжение стабилизации стабилитрона:Uст = 5 – 0.05 = 4.95 ВR = 23000 + 23000 = =46000 ОмКоэффициент сопротивления Кr =0.95, т.к. при этом ток стабилитрона будет больше.Минимальный ток нагрузки будет при не нажатых кнопках. При номинальном напряжении питания 5В этот ток равен 2,2 мА. Значит при минимальном напряжении Umin=4,95В ток будет равен: мА мА Мощность ИОН, рассеиваемая при таком токе, составит P= 5 * 0.00583 = 29.15мВтЭто более чем на порядок меньше его максимальной мощности 500 мВт. Следовательно, выбранное сопротивление балластного резистора можно использовать в схеме.Расчёт мощности балластного резистора. Используется два 2 Вт резистора, соединенных последовательно. Помимо снижения температуры, это повышает надёжность устройства, т.к. в случае пробоя одного из резисторов, второй предотвратит выход ИОН из строя. Чтобы обеспечить равномерный нагрев, номиналы резисторов должны быть одинаковыми. Предпочтительны отечественные 2Вт резисторы серии МЛТ-2. Их габариты несколько больше импортных аналогов серии С2-23, зато они меньше нагреваются.Фильтрующий конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Через несколько секунд после окончания регулировки яркости её значение запоминается в EEPROM. Согласно описанию МК, ток программирования составляет 6 мА (при 5 В, 25°С). Отсюда следует, что по сравнению с током потребления в обычном режиме ток при записи возрастает почти в четыре раза: I=(2.2+6)2.2=3.7мА При таких условиях накопленный заряд конденсатора быстро истощается, что приводит к уменьшению напряжение питания МК и образцового напряжения АЦП. Визуально это выглядит как кратковременное однократное моргание лампы через несколько секунд после окончания регулировки яркости.Поскольку заранее неизвестно, при какой амплитуде пульсаций, моргание становится заметно, конденсатор подбирается экспериментально.Номинал 1000 мкФ позволяет устранить моргание после окончания регулировки яркости. Дальнейшему повышению ёмкости конденсатора препятствуют малые габариты устройства.Выбор номинального напряжения конденсатора. Этот параметр в значительной степени определяет срок его службы. Рекомендуется, чтобы рабочее напряжение составляло 80…100% от номинального. Выбираем конденсатор с напряжением 6,3 В.Верхний предел температурного диапазона, на который рассчитан выбранный конденсатор, составляет 105°С. Это ещё один параметр, в значительной степени влияющий на срок службы конденсатора. Выбор обусловлен также тем, что корпус устройства немного нагревается от ламп, диодного моста и балластного резистора.Резисторы R3 и R4 образуют делитель, необходимый МК для измерения напряжения сети и определения момента перехода фазы через нуль. Делитель должен быть рассчитан таким образом, чтобы при максимальном входном напряжении Uвх выходное напряжение делителя Uвых не превышало напряжение питания МК. Эта величина определяется прямым напряжением внутреннего диода МК. Согласно описанию МК, АЦП рассчитан на обработку низкоомных сигналов (10 кОм и менее). Поэтому для нижнего плеча делителя напряжения выберем номинал равный 9,1 кОм, чтобы предусмотреть 5%-ный допуск сопротивления.Для вычисления минимального сопротивления верхнего плеча делителя воспользуемся стандартной формулой:Uвых=(Uвх*R4)(R3+R4) (10) R3=(Uвх-Uвых*R4)Uвых                                (11)Введём коэффициент Квх, определяющий максимальное отклонение сетевого напряжения: R3=(Uвх*Kвх-Uвых*R4)Uвых             (11.1)Поскольку необходимо знать полный размах сетевого напряжения, перепишем формулу с учётом амплитудного значения:R3=(Uвх*Kвх*1.41-Uвых*R4)Uвых (11.2)Учтём падение напряжения на двух диодах диодного моста: R3=(Uвх*Kвх*1.41-2*Uд-Uвых*R4)Uвых             (11.3)Падение напряжения на предохранителе не учитывается, т.к. оно составляет всего 0,2В при максимальной нагрузке.Осталось добавить коэффициенты Кr, определяющие отклонение резисторов от номинала: R3=Uвх*Kвх*1.41-2*Uд-Uвых*R4*Kr4*Kr3Uвых (11.4) Переходим к подстановке численных значений.Входное напряжение Uвх = 220 В, его отклонение Квх = 10%.В качестве значения Uд берётся минимальное падение напряжения, т.к. в этом случае сопротивление резистора R3 будет больше. Минимальное падение напряжения на диодах моста будет при минимальном токе, т.е. при отключенной нагрузке. Падение напряжения на одном элементе при токе нагрузки 10мА равно примерно: Uд = 0.65ВБлагодаря использованию фильтрующего конденсатора большой ёмкости, пульсациями БП можно пренебречь. Поэтому минимальное напряжение питания МК определяется минимальным напряжением стабилизации ИОН:Uвых = 4.95ВКr = 5%Кr4 = 0.95Кr3 = 1.05Подставляя численные значения в формулу (11.4), получаем:R3=220*1.1*1.41-2*0.65-4.95*9100*0.95*1.054.95=614264ОмБлижайшим сопротивлением из стандартного ряда, превышающим полученное значение, является номинал 620 кОм.Расчёт потребляемой мощностиПотребляемый ток складывается из следующих составляющих: ток делителя напряжения Iд, ток стабилитрона Iст, и ток нагрузки блока питания Iн. P = Uвх • (Iд + Iст + Iн) (12)Ток делителя напряжения определим по закону Ома с учётом падения напряжения на диодах выпрямительного моста: P=Uвх*(Uвх-UдRд+Iст+Iн) (12.1)Для расчёта тока стабилитрона и тока нагрузки:  Iст+Iн=(Uвх-2*Uд-Uст)Rб                                                    (13)С учётом коэффициента, учитывающего отклонение сопротивлений резисторов, конечная формула будет иметь вид: P=Uвх*(Uвх-2*UдRд*Kr+Uвх-2*Uд-UстRб*Kr) (14)Рассчитаем максимальную мощность, потребляемую устройством в ждущем режиме, при номинальном напряжении сети Uвх = 220В и минимальном напряжении стабилизации Uст = 4,95В.Падение напряжения на диоде выпрямительного моста Uд = 0,65 В.Общее сопротивление делителя напряжения определяется суммой последовательно включенных сопротивлений:Rд = 620000 + 9100 = 629100ОмRб = 23000 + 23000 = 46000ОмОтклонение номиналов резисторов 5%, т.е Кr = 0,95.P=220*220-2*0.65629100*0.95+220-2*0.65-4.9546000*0.95=1.15ВАПотребляемый устройством ток от сети в ждущем режиме при номинальном сетевом напряжении, составляет 4,0мА.P = 220 * 0.004 = 0.88 ВАПоскольку в ждущем режиме устройство представляет собой чисто активную нагрузку, активная мощность в данном случае эквивалентна полной мощности: Р = 1.15ВА = 1.15Вт.2.4 Система контроля протечек воды2.4.1 Структурная схемаВ состав системы (рисунок 13) входят следующие основные узлы: датчики утечки воды; микроконтроллер; электромагнитные клапаны. Поскольку по нормам электробезопасности запрещается подача высоких напряжений в бытовые устройства управления водоснабжением, то в состав подобной системы входит вторичный источник питания. Как правило, это аккумулятор, подзаряжаемый от сети при помощи зарядного устройства. Удобство использования аккумулятора состоит в том, что система защиты от протечек воды сохраняет функционирование при нарушении подачи электроэнергии. Одним из основных устройств системы защиты от протечек воды является датчик обнаружения утечки воды. Такой датчик с одной стороны должен иметь высокую чувствительность, с другой стороны – защиту от ложных срабатываний, поскольку при наличии высокой влажности воздуха, но отсутствии слоя воды на полу при высокой чувствительности может произойти срабатывание датчика. Датчик должен иметь минимальное число проводов для подключения к блоку контроллера. Датчик должен иметь малую стоимость и высокую надежность работы. Работоспособность датчика должна сохраняться и при затоплении датчика водой.Схема обнаружения воды должна выдавать сигнал при соприкосновении контактов датчика с водой. Качество и стабильность работы схемы обнаружения воды будут определять метрологические характеристики датчика утечки воды в целом. Для регулировки чувствительности такой схемы предусмотрен сигнал обратной связи от блока логической обработки. Рисунок 13 - Структурная схема системы утечки воды.Блок логической обработки анализирует сигнал от схемы обнаружения воды и принимает решение о выдаче сигнала тревоги. По сигналу блок логической обработки может инициализировать процесс самоконтроля датчика утечки воды или перевести его в режим работы с другим значением чувствительности. Очевидно, что такой блок логической обработки должен быть выполнен на основе микроконтроллера.Блок обмена информацией представляет собой приемопередатчик интерфейса. Особенность такого блока состоит в том, что обмен информацией должен производиться по тем же проводам, по которым подается напряжение питания датчика. Блок формирования сигнала управления электромагнитным клапаном служит для подачи сигнала закрытия клапана в случае сигнала тревоги. Для подачи такого сигнала управления используются два отдельных провода. Удобнее всего в качестве сигналов управления использовать замыкание контактов реле.