Дипломная работа: Проектирование и реализация системы управления по технологии «Умный дом»

Содержание

Введение....................................................................................................................... 9
1 Аналитика ............................................................................................................... 10
1.1 Анализ предметной области ........................................................................... 10
1.2 Комплектующие макета «Умный дом» ......................................................... 10
1.2.1 Пульт ДУ ................................................................................................... 10
1.2.2 Микроконтроллер AVR……………………………… …………….….16
1.2.3Каркас макета ............................................................................................ 21
1.2.4 LCD-дисплей............................................................................................. 24
1.2.5 Электронное реле.……………………………… ………………….…..26
Вывод ...................................................................................................................... 27
2Технологии и программное обеспечение ............................................................. 28
2.1Технология взаимодействия пульта с микроконтроллером ......................... 22
2.2Технология работы микроконтроллера с LCD-дисплеем............................. 39
2.3Технология подсоединения сторонних устройств к плате ........................... 32
2.4Windows 7 .......................................................................................................... 33
2.5ProteusPro ........................................................................................................... 34
2.6CodeVisionAVR ................................................................................................. 35
2.7Photoshop……………………………………………………………………..36
Вывод ...................................................................................................................... 37
3Программная реализация ....................................................................................... 38
3.1 Схемотехнческое моделирование .................................................................. 38
3.2Компонентная программная реализация ........................................................ 38
3.3Библиотеки ........................................................................................................ 41
3.4Печатная плата и её изготовление .................................................................. 42
3.5Бытовые устройства на макете……………… ……………………...……...47
3.6Общий концепт макета……….……………… …………………..…….…...50
3.7Представление кода .................................................................................... …..50
Вывод ...................................................................................................................... 51
4Технико-экономическое обоснование проекта…………………………….…...52
4.1Описание работы и обоснование необходимости…………………….……52
4.2Трудовые ресурсы, используемые в работе……………………………..….52
4.3Расчет стоимости работы по проектированию и разработке…………..….53
4.4 Расчет затрат на амортизацию……………………………………………...59
4.5Цена программного продукта….…………………………………………...62
5 Безопасность жизнедеятельности....................................................................... ..64
5.1 Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов
проектируемого объекта, воздействующих на персонал................................... 64
5.2 Расчет пожарной безопасности проектируемого объекта ........................... 69
5.3 Расчет уровня шума ......................................................................................... 72
Заключение ................................................................................................................ 73
Список использованной литературы ...................................................................... 74
Приложение А ........................................................................................................... 75
1.1Анализ предметной области
Системы автоматического управления и контроля за функционированием
бытовых приборов называются системами «Умный дом». «Умный дом»
предусматривает объединения всех инженерных систем и устройств в одну
единую сеть с установкой диспетчерского пульта дистанционного управления
для контроля и мониторинга параметрами их работы.
Также если происходят или достигаются параметры критических
значений, происходит оповещение владельца об этом посредством вывода
информации на ЖК-дисплей. Система «Умный дом» позволяет полностью
контролировать освещение в помещении, задавать нужную температуру и
проводить проветривание, включать и выключать розетки и приборы для
питания, производить мониторинг траты энергии, воды и позволяет сэкономить немалое количество денег.
То есть «Умный дом»предусматривает
рациональное использование всех подсистем помещения в зависимости от
заложенной программы, времени суток, наличия хозяина, либо его отсутствия.
При помощи системы предоставляется возможность удаленного управления и
контроль над помещением.
«Умные дома» в РК на протяжении некоторого периода набирают
популярность. Услуги автоматизации и контроля над приборами в помещениях
предоставляют такие компании, как«Digis», «AdvaconSystems»,
«BuildingControl», «SmartHouseCompany». Некоторые из них предоставляют
свои услуги также для бизнеса, образования, рекламы или конференц системы.

1.2Комплектующие макета «Умный дом»

1.2.1 Пульт ДУ
Пульт дистанционного управления (ДУ) широко применяется во многих
электронных устройствах: аудиои видеотехника, акустические устройства,
системы освещения, кондиционеры и т.п. Его основной принцип действия
основан на транспортировке команд управления при помощи модулированного
потока излучения от пульта управления к приемнику (приемный модуль).
В создании устройства с пультом ДУ можно воспользоваться имеющимся
на рынке готовым приемо -передающим модулем, комплектами микросхем для
их изготовления или произвести разработку собственной установки.
В случаях когда система или устройство разрабатывается на основе
микроконтроллера, можно воспользоваться готовым пультом, например, от ТВ,
а приемный модуль попробовать реализовать на том микроконтролл ере,
подключив лишь к нему фото приемный модуль. Такой подход осуществляет
получение желаемого результата с минимальными расходами времени и
средств. В разработке программного обеспечения декодируемого сигнала ДУ
необходимо лишь знать определенный протокол транспортировки данных того
или иного пульта.
Пульт ДУ после нажатии определенной кнопки формирует своеобразную
кодовую последовательность, в которой создается световой поток,
испускаемый инфракрасным светодиодом. На практике в пультах дистанционного управления производится три разновидности модуляции
(Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Виды модуляции в пультах ДУ

Отправляемый пультом своеобразный пакет световых импульсов основан
из информационного поля и заголовка. Заголовок, как правило, представляет
импульс. Длительность импульса и за ним следующей паузы позволяют понять
и определить тот самый тип используемого протокола. В информационном
поле содержатся биты команды и адреса. Количество битов команды и адреса, а
также порядок размещения в поле зависит только от разновидности протокола.
Адрес, модулированный пультом, всегда является постоянным и не может
зависеть от нажатой кнопки. Устройства разных типов, как правило, имеют
различающиеся адреса, что в итоге позволяет исключить их срабатывание в
один промежуток времени от одного пульта при одном и том же протоколе
обмена. Код команды напротив выявляет нажатую кнопку и для различных
систем может быть одинаковым. Таким образом, взаимоисключение пультов
ДУ от разных устройств обусловлена либо различием протоко лов, либо
различием адресов при одних и тех же протоколах. В таблице 1.1 показаны
структуры информационных полей разновидных протоколов систем ДУ.

Т а б л и ц а 1 . 1 – Структуры информационных полей протоколов ДУ
В тех случаях, когда кнопка пульта уже нажата, вслед за главным пакетом
отправляется последовательные повторы (Рисунок 1.2), которые могут
представлять:
1 повторение главного пакета;
2 только заголовок главного пакета с изменяемой длительностью паузы;
3 только команда (или информационное поле) главного пакета, исключая
заголовок.
Рисунок 1.2 – Вид сигнала пульта ДУ при удержании кнопки

Временами требуется установить беспроводное соединение между
устройствами и для этой цели чаще всего применяется Bluetooth и Wi-Fi. Но
ведь совсем одно - передавать определенный видео материал и огромные
файлы, а другое - править устройством или механизмом на 10 команд.
Радиолюбители частенько производят, обеспечивают и переделывают заново
модули приемников и передатчиков для работы с уже готовыми
шифраторами/дешифраторами команд. В обоих случаях мы имеем возможность
воспользоваться доступными RF-модулями.
Разновидности модулей
RF-модули для транспортировки данных осуществляют работу в
диапазоне УКВ и пользуются стандартными частотами, 868МГц, 2,4ГГц либо
433МГц (реже используются 315МГц, 450МГц, 490МГц, 915МГц и др.) Чем
больше несущая частота, тем с высшей скоростью возможна передача
информации.
Как правило, изготовляемые RF-схемы определены для работы с
определенным протоколом транспортировки данных. Чаще остальных это SPI
(RS-232) или UART. Обычно SPI модули обходятся дешевле и позволяют
воспользоваться нестандартными (пользовательскими) протоколами передачи.
Также существуют модели HM-*315 и HM-*433 различающиеся главной
(несущей) частотой (315МГц и 433МГц соответственно). Помимо этого,
существуют модули похожие по способу работы, поэтому передаваемая
информация может оказаться полезной владельцу и других модулей.
Передатчик
Практически все RF-модули подразумевают под собой маленькую
печатную плату с контактами для присоединения питания, транспортировки
данных и главных управляющих сигналов. Его вид представлен на Рисунке 1.3.
В передатчике HM-T868 имеется 3-х контактный разъем: GND(общий),
VCC(+питания) и DATA(данные), а также кусочек наконечника для припайки
самой антенны.
Рисунок 1.3 – Вид передатчика RF-модуля
Приемник
Приёмник HM-R868 (Рисунок 1.4) внешне похож на соответствующий
ему передатчикно на его разъеме существует дополненный четвертый контакт
это ENABLE, при отправления на него питания приемник функционирует.
Рисунок 1.4 – Вид приёмника RF-модуля
По документации рабочим напряжением является 2,5-5В и чем больше
напряжение, тем выше «дальность» работы. На Рисунке 1.5 представлена схема
соединения приёмника и передатчика.
Радио-удлинитель при подаче
напряжения на вход DATA передатчика, на выходе DATA приемника также
будет давать такое же напряжение (при том, что на ENABLE также будет
обеспечено напряжение). Также есть несколько нюансов. Во-первых: частота
транспортировки данных (в работе - 600-4800 бит/с). Во-вторых: если на входе
DATA нет сигнала больше чем 70мс, то передатчик уходит в сонный режим
(отключается). В-третьих: если на месте приема ресивером нет работы
передатчика, то на его выходе возникает некий шум. Из вышесказанного
следует, что если при входе сигнал на трансмиттере будет отсутствовать менее
70мс и осуществляться в верном диапазоне частот, то модули будут как
обычный провод (на остальные помехи и другие сигналы не обращаем
внимания).
Рисунок 1.5 – Вид схемы соединения приёмника и передатчика

Имеется возможность подключения RF-модуля напрямую к
вычислительно - аппаратному UART или компьютеру с помощью MAX232 . В
собственных целях пользуются модулями и пакетами видов: стоп - бит и старт -
биты, байты с информацией, контрольный байт(или несколько). Первый старт -
бит нужно сделать более длинным, это добавит времени для того, чтобы
передатчик очнулся, приемник построился под него, а принимающий
микроконтроллер осуществил прием. До этого времени информацию лучше
считывать и верифицировать отдельными битами, даже если один из них
неверный — завершаем прием и начинаем слушать эфир снова. Дальше
транспортируемую информацию считывают сразу по байтам, вставляя в
соответствующие регистры/переменные. В конце приема выполняем
контрольное выражение, если его итог равен главному байту, то выполняем
нужные по требованию действия с полученной информацией, по - другому
заново прослушиваем эфир. Взамен арифметических операций используются
логические биты: AND, NOT, OR и, в частности, XOR.
1.2.2Микроконтроллер AVR
Микроконтроллер - это специальная микросхема, предназначенная для
управления различными электронными устройствами. Микроконтроллеры
впервые появились в 1971 году, кстати, в том же году, что и микропроцессоры
общего назначения. Создатели микроконтроллеров разработали гениальную
идею совместить процессор, ПЗУ, память и периферию внутри единого
корпуса, внешне напоминающегопростую микросхему. С тех пор производство
микроконтроллеров ежегодно во много раз больше производства процессоров,
а их потребление не снижается. На данный момент их выпускают десятки
компаний, причем производятся не только современные 32-битные
микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги). Внутри
каждого семейства часто можно встретить почти одинаковые модели,
различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти. Всё дело в том, что
микроконтроллеры применяются преимущественно во встроенных системах, в
игрушках, в станках, в массовой домашней технике, в домашней автоматике –
там, где нужна не мощность процессора, а, скорее, баланс между ценой и
достаточной функциональностью. Именно поэтому самые старые типы
микроконтроллеров еще до сих пор в ходу – они многое могут: от
автоматического открывания дверей и включения полива газонов до
интеграции в систему «Умный дом». При этом существуют и более мощные
микроконтроллеры, способные выполнять сотни миллионов операций в
секунду и обвязанные периферией «до зубов». У них и задачи
соответствующие. Таким образом, разработчик сначала оценивает задачу, а уж
потом выбирает под нее подходящее «железо». Сегодня существует более 200
модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя
десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов.
Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC
фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы
TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую
разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их
производства (Рисунки 1.5-1.7)....