Дипломная работа: Разработка системы автоматизированного управления освещением и температурой в помещении на базе микроконтроллера ATmega

Содержание

Введение ................................................................................................................ 7
1 Аналитический обзор современного состояния исследуемой проблемы .... 8
1.1 Обзор и анализ существующих систем автоматизированного
управления «умным домом» ..................................................................... 8
1.2 Обзор и анализ существующих методов управления «умным
домом»………………………..……………………………………….......13
1.3 Постановка задачи………………………………………………………..17
2. Разработка автоматизированной системы управления освещением и
температурой ..................................................................................................... 19
2.1 Выбор микроконтроллера .......................................................................... 19
2.2 Выбор ПО..................................................................................................... 24
2.3 Структурная схема ...................................................................................... 31
2.4 Алгоритм программы.................................................................................. 31
2.5 Принципиальная схема оборудования ...................................................... 36
2.6 Описание процесса проведения эксперимента ........................................ 38
3. Экономическая часть ....................................................................................... 48
3.1 Технологическое описание процесса ........................................................ 48
3.2 Определение затрат в схемах автоматизированной системы ................. 48
4. Безопасность жизнедеятельности.................................................................. 57
4.1 Анализ производственных факторов ........................................................ 57
4.2 Расчет установок пожаротушения с комбинированным
углекислотно-хладоновым составом......................................................... 60
4.3 Расчет общего искусственного освещения............................................... 62
Заключение ............................................................................................................ 65
Список литературы ............................................................................................... 66
Приложение А. Листинг программы................................................................... 6

1 Аналитический обзор современного состояния исследуемой
проблемы
На данный момент в информационном мире существует понятие
«интеллектуальное здание» или как принято называть разговорным языком
«умный дом» . «Умный дом» - это комплекс систем, интегрированных в
единое информационное пространство, обеспечивающий максимальную
безопасность людей и имущества, поддерживающий комфортные и удобные
условия труда и отдыха, а также позволяющий увеличить эффективность
функционирования служб при одновременном снижении экс плуатационных
расходов.
Определение «умный дом» может быть применимо только к таким
решениям автоматизации современных зданий, в которых все системы
интегрированы в единый управляющий комплекс. Они способны не только
функционально решать собственные задачи, а также дополнять друг друга,
функционировать как части единой системы.
Существует много классов систем управления от разных
производителей. Иногда, в пределах одной фирмы существуют насколько
линеек систем управления в разных ценовых категориях, с различными
возможностями. Если на одной системе можно автоматизировать целый
город, то возможности других изначально проектировались только для одного
частного дома или квартиры.

1.1 Обзор и анализ существующих систем автоматизированного
управления «умным домом»
В настоящее время существуют разные подходы к системе управления
домом:
1.BPT-система домашней автоматизации с распределённым
интеллектом, использующая закрытый протокол передачи данных.
Реализуется управление освещением,домашней автоматикой,
кондиционированием, отоплением, инженерной и охранной сигнализацией,
гомофонией;
2.LanDrive-платформа для построения шинных распределённых систем
управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками,
электроприборами, а также такими системами, как отопление,
кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа и
протечек воды;
3.C-Bus -протокол для домашней автоматизации, а также автоматизации
зданий, спортивных сооружений и т. д. Данная система с распределённым
интеллектом (без центрального процессора), использующая кабель 5 -
категории (Cat.5), длина которого в одном сегменте может составлять 1000 м.
Таких сегментов в одну систему можно объединять до 255. Протокол C -Bus
был создан Clipsal Integrated Systems для использования в системах домашней
автоматизации и системах управления освещением зданий;
4.AMX - система домашней автоматизации одноимённой компании
Система централизованная, протоколы закрытые, изначально применялись
собственные шины передачи данных. Новые линейки оборудования AMX
используют для передачи стандартные протоколы Ethernet, Wi-Fi иZigbee.
Имеет шлюзы для сопряжения с другими системами (EIB, LON и др.);
5.X10 - протокол управления электроприборами. Сигнал передается по
электрическим проводам либо в радиодиапазоне.
На данный момент из всего разнообразия представленных на рынке
умных систем управления, можно выделить несколько систем, являющимися
типичными представителями в своем классе:
-централизованные: CRESTRON;
-децентрализованные EIB;
-смешанные (псевдодецентрализованные): Х-10.

Система управления домом Crestron
Crestron – это централизованная система управления. В основном она
строится на основе применения широкого спектра управляющих центральных
контроллеров и множества исполнительно - командных блоков. Управляющие
контроллеры Crestron обладают большим набором встроенных возможностей,
высокой производительностью и достаточной гибкостью.
Отличительные качества систем управления Crestron:
- возможность собрать в единый комплекс все разрозненные системы
жизнеобеспечения;
-интегрированное управление из единого центра;
-очень респектабельный дизайн и функциональность дисплеев;
-удобство интерфейса цветных, настенных, сенсорных панелей;
-узнаваемость и престижность.
Основной целью приложений системы управления Crestron является
автоматизация объектов окружения. Данное оборудование применяется для
интегрированного управления аудио - видео системами, освещением, шторами,
жалюзи, микроклиматом, системами безопасности. Система позволяет с
единой панели управления:
- осуществлять необходимые регулировки – включение/выключение
акустических систем;
-установку уровня громкости;
-уровня освещённости;
-открытие/закрытие штор;
-выбирать желаемый источник информации (компьютер, спутниковы
или обычный тюнер, CD, Cdi, LD, или DVD
-проигрыватель,видеомагнитофон);
-управлять устройствами для отображения информации
(видеопроектором, проектором слайдов, монитором, проекционным экраном).
Достоинства системы Crestron
Одним из достоинств систем управления Crestron является очень широкий
ассортимент интерфейсов пользователя: сенсорные панели,
сенсорные радио - панели, клавишные панели управления, радио и ИК -пульты.
Сенсорные панели (настольные и встраиваемые в стену)
характеризуются высоким разрешением, цветными сенсорными экранами
XVGA и создают живое, четкое графическое изображение. Экраны размером
15 или 12 дюймов, могут быть настольными или встраиваемыми, имеют plug -
in модули для Ethernet, компьютера, видео и аудио, беспроводных
соединений.
Сенсорные радио-панели. В поставляемых моделях используется
улучшенная RF - технология Crestron, позволяющая осуществлять управление
по радиоканалу и не быть привязанным к определенному месту помещения.
Клавишные панели обеспечивают легкое управление широким спектром
функций. Кнопки с подсветкой дают возможность использовать панели в
любое время суток. Они позволяют проигрывать WAV - файлы, обладают
встроенными температурными сенсорами, позволяя управлять системой
климат-контроля из любой комнаты.
Радио и ИК-пульты обеспечивают дистанционное управление всеми
приборами дома.
Недостатки системы Crestron
Система управления домом Crestron имеет некоторые недостатки:
-самая высокая цена;
-ограниченный выбор дизайнерских решений внешнего вида и цветов
сенсорных и клавишных пультов управления.

Система управления домом EIB
EIB - это европейский стандарт международной ассоциации ЕIВА
(European Installtio n Bus Association), который объединяет десятки ведущих
европейских производителей электротехнической продукции.
Система EIB децентрализованная. Децентрализованное управление
осуществляется в пределах устройств: являются ли они передатчиками или
приемниками, они связываются друг с другом непосредственно, без иерархии
или сетевого контролирующего устройства. Все устройства (компоненты,
абоненты) обмениваются информацией по общему каналу - шине EIB.
Передача данных осуществляется в соответствии с протоколом шины.
Компоненты осуществляют передачу последовательно, асинхронно (система
является событийно - управляемой), конфликты разрешаются расстановкой
приоритетов сообщений. Передаваемая информация собирается в телеграммы
и через шину передается от источника (сенсора, датчика) приемнику
(активатору, полезной нагрузке) или группе приемников. Сообщения
получают все абоненты, однако реагируют на него только те, кому оно
адресовано. В случае успешной передачи каждый приемник подтверждает
получение телеграммы. При отсутствии подтверждения передача повторяется.
После трех неудачных попыток передача прекращается, а в запоминающем
устройстве передатчика фиксируется информация о неисправности.
Сеть EIB отличается простой, наглядной иерархической структурой,
созданной специально для схемотехники зданий. Системы EIB интегрируются
в энергетические системы зданий, домов или квартир и выполняют:
-управление энергопотреблением;
-управление освещением;
-управление микроклиматом (отопление, кондиционирование,
вентиляция);
-оперативный контроль, индикацию, мониторинг;
-охрану и сигнализацию;
-управление жалюзи;
-взаимодействие с другими системами.
Система EIB устанавливается как в больших зданиях (банки, больницы,
школы, производство), так и в частных коттеджах и квартирах. Система
управляет всем комплексом электрики.
Система EIB имеет следующие достоинства:
-система управления, выполненная на EIB , полностью автономна и
независима от работоспособности компьютера визуализации, она может
работать и хранить в памяти логических модулей все режимы независимо от него.Система EIB
надежна в работе, элегантна в исполнении,
многофункциональна и позволяет гибко перепрограммировать систему под
желания пользователя;
-монтаж компонентов в стандартном электрощите, или установка в
стандартные монтажные коробки;
-выбор внешнего вида универсальных выключателей для EIB огромен и
представлен различными производителями ABB, BERKER, GIRA, MERTEN,
JUNG, SIEMENS;
-отличная проработка программно-аппаратного обеспечения
компонентов, огромные возможности расширения Хорошие средства
создания графического интерфейса.
Недостатки системы EIB
Система EIB имеет некоторые недостатки:
-достаточно высокая цена;
-невысокая скорость передачи команды (около 0,3 сек);
-низкая помехозащищенность;
-невозможность оборудования большого объекта, из-за ограниченного
адресного пространства;
-небольшой ассортимент датчиков движения.

Система управления домом X-10
Х-10- проверенная технология, получившая широкое распространение
на рынках США и Европы. X10 - широкий используемый стандарт в области
домашней автоматизации . X-10 - метод и протокол передачи управляющих
сигналов -команд по силовой электропроводке на электронные модули, к
последним подключены управляемые электробытовые и осветительные
приборы.
С функциональной точки зрения сеть Х-10 включает следующие
компоненты: передатчики, приемники, трансиверы, пульты ДУ, линейное
оборудование, измерительное оборудование.
Передатчики позволяют передавать специальные коды команд в
формате Х-10 по электросети. Такими устройствами являются
-программируемые таймеры, посылающие сигналы в нужное время;
компьютерные модули, выполняющие заданные программы по управлению
электроприборами; датчики температуры, освещенности, движения и др.,
которые при наступлении определенных событий посылают соответствующие
сигналы приемникам.
Приемники принимают команды Х-10 и выполняют их: включают или
выключают свет, регулируют освещенность и т. д. На всех приемниках
имеются селекторы установки его адреса - 16 возможных кодов дома (А - P) и
16 возможных кодов модуля (1 - 16), то есть всего 256 различных адресов.
Несколько приемников могут иметь тот же адрес, в этом случае они
управляются одновременно.
Трансиверы принимают сигналы от инфракрасных или радио пультов
дистанционного управления и передают их в электросеть, преобразовав в
формат Х-10.
Пульты ДУ обеспечивают дистанционное управление устройствами Х-
10 по ИК или радиоканалам. Наиболее удобны универсальные пульты ДУ, с
их помощью можно управлять как устройствами Х - 10, так и аудио/ видео
аппаратурой.
Линейное оборудование повторители/ретрансляторы сигналов, фильтры
скачков напряжения или тока, противопомеховые фильтры, блокираторы
сигналов. Устройства используются для повышения надежности и
безотказности системы в целом. Хотя в простых системах возможно
достижение прекрасных результатов и без использования этих средств, но
всегда лучше подстраховаться.
Измерительное оборудование используется для измерения уровней
полезных сигналов Х - 10 и помех в электросети при выполнении монтажных и
пуско-наладочных работ.
Достоинства протокола Х-10
Протокола Х-10 имеет достоинства:
-низкая цена;
-легкий монтаж компонентов в стандартном электрощите, или простое
включение модулей в электрические розетки. Элементарное
программирование;
-открытый протокол. Возможность легкой интеграции в любую систему
управления от самых разных производителей. Совместимость с любыми
электроустановочными изделиями от большинства производителей. Средств
визуализации много, но от сторонних разработчиков.
Недостатки протокола Х-10
Протокола Х-10 имеет некоторые недостатки:
-низкая скорость передачи информации;
-низкая помехозащищенность: X-10 использует амплитудную
модуляцию, поэтому помехи в электросети легко могут "забить" полезный
сигнал;
-проблема ложного срабатывания: ложные срабатывания от помех в
электросети, вызванных бытовыми электроприборами маловероятны;
-отсутствие обратной связи приемника с передатчиком;
-возможны конфликты устройств X10 разных производителей;
-возможен несанкционированный доступ к устройствам X-10 по
электросети.
1.2 Обзор и анализ существующих методов управления «умным
домом»
На сегодня разработка системы управления умным домом является
одним из приоритетных направлений развития автоматизированных систем. В
современной системе умного дома, имеющей открытую архитектуру, каждая
из систем работает в оптимальном режиме за счет взаимообмена д анными с
другими системами здания, что в итоге позволяет максимизировать
эффективность работы всей системы в целом.
Существующие методы управления умным домом:
-автоматическое управление умным домом на основе датчиков;
-управление умным домом с помощью пульта дистанционного
управления и панели управления;
-удаленного управления.
Автоматическое управление умным домом на основе датчиков
Система управление домом на основе датчиков и микроконтроллеров
используется для управления таких систем, как: системы климат контроля,
системы безопасности, системы контроля освещения, системы контроля
доступа и т.д. В системе содержится следующие типы датчики: датчик
присутствия, датчик дыма, датчик движения, датчик температуры, датчик
освещения, датчик протечки воды и т.д. Архитектура системы
автоматического управления домом на основе датчиков, представлена на
рисунке 1.1.....