2
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 3
ГЛАВА 1. Исследование аппаратной части проекта ........................................... 5
1.1 Побор компонентов для построения системы автоматизации здания ..... 5
1.2 Обзор архитектуры модуля ESP8266 ......................................................... 15
1.3 Обзор среды разработки Arduino IDE ........................................................ 18
1.4 Обзор платформы Raspberry Pi B+ ............................................................. 19
ГЛАВА 2. Проектирование автоматизированной системы управления
зданием ................................................................................................................... 22
2.1 Разработка схемы взаимодействия компонентов системы. ..................... 22
2.2 Разработка схемы локальной сети для обеспечения взаимодействия
компонентов системы. ....................................................................................... 27
2.3 Разработка схемы электропитания системы. ............................................ 29
2.4 Разработка схем подключения внешних датчиков и исполнительных
устройств ............................................................................................................. 30
ГЛАВА 3. Разработка программных модулей ................................................... 34
3.1 Разработка унифицированного программного обеспечения для модулей
ESP8266. .............................................................................................................. 34
3.2 Разработка схемы БД для хранения данных о работе системы .............. 42
3.3 Разработка модуля автоматической обработки данных и управления
модулями ESP8266. .......................................................................................... 43
3.4 Разработка пользовательского интерфейса управления системой. ........ 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 56
3
Введение
С развитием технологий широкое распространение получили
всевозможные электронные устройства, призванные облегчить нам жизнь,
выполняя, как правило, рутинные операции. В последнее время все чаще
начинают появляться отдельные устройства, умеющие взаимодействовать с
глобальной сетью Интернет. Так в последние годы появились IP видео
камеры, системы охраны с подключением к сети, метеостанции и даже,
казалось бы зачем, чайники, хлебопечки и прочая бытовая техника.
При всем многообразии устройств автоматизации есть пара
принципиальных моментов, которые заставили взяться за разработку
собственной системы:
1. Отсутствие единой точки администрирования всеми
устройствами, подключенными к сети передачи данных.
2. При реализации системы «умный дом» на базе именитых
производителей цена вопроса автоматизации даже небольшой квартиры
будет очень высокой.
3. Проблема безопасности систем на открытом исходном коде.
В сети интернет очень много всевозможных проектов автоматизации
управления домом. Данные проекты разрабатываются энтузиастами по всему
миру. При рассмотрении большого количества проектов мной были
рассмотрены многие нюансы эксплуатации данных систем. Как правило,
группа энтузиастов, начиная проект, нацелена на получение монетарной
прибыли как результата развития проекта, поэтому на ранних этапах
проектирования систем делается упор на работу строго в сети Интернет и
взаимодействия с серверами этой группы, либо крайне ресурсоемки и не
позволяют использовать простые и доступные компоненты.
Актуальность данной работы заключается в том, что на данном этапе
развития технологий есть потребность создания простой, надежной,
модульной системы управления коммуникациями в жилых помещениях и
предприятиях.
4
Цель данной работы – расширение возможностей управления
инженерными системами здания.
В рамках работы предстоит разработать распределенную модульную
систему управления зданием, которая позволит расширить и оптимизировать
функциональные возможности управления оборудованием здания, упростить
администрирование данного оборудования и оптимизировать затраты на
содержание и эксплуатацию объекта.
Задачи, которые необходимо выполнить для достижения указанной
цели:
1) Обзор архитектуры модуля ESP8266.
2) Разработка электрической схемы подключения модуля ESP8266 к
источнику питания. Проработка схем подключения внешних датчиков и
исполнительных устройств к модулям.
3) Разработка унифицированной микропрограммы для модуля
ESP8266.
4) Разработка структуры БД для хранения данных необходимых для
работы системы.
5) Разработка модуля обработки операций в системе.
6) Разработка web интерфейса управления системой для конечного
пользователя.
5
ГЛАВА 1. Исследование аппаратной части проекта
1.1 Побор компонентов для построения системы
автоматизации здания
При рассмотрении поставленной задачи мной была проанализирована
современная элементная база датчиков температуры, влажности,
освещенности, движения, пламени, тока, напряжения, протечки, анализаторы
газов (CO2, CO). По результатам исследований датчики были разделены на 3
группы по типу выдаваемого значения (сигнала):
1. Бинарные датчики. На выходе имеют логический 0 или 1
2. Цифровые датчики.
3. Аналоговые датчики.
К бинарным датчикам можно отнести датчики движения, протечки,
пламени, герконы. Их основная задача регистрировать факт события.
К цифровым датчикам можно отнести датчики температуры и
влажности. Позволяют получать точные данные по измеряемым параметрам
в цифровом виде. Требуют использование соответствующих протоколов
обмена данными.
К аналоговым датчикам можно отнести анализаторы газа, датчики
освещенности, датчики тока, датчики напряжения.
Для разработки мной были выбраны следующие датчики:
Датчик температуры DS1820. Цифровой проводной датчик с
однопроводным интерфейсом 1-Wire. Каждый датчик температуры имеет 64-
битный индивидуальный идентификационный код, поэтому по одному
сигнальному проводу может быть подключено и опрошено большое число
датчиков. Интерфейс 1-Ware позволяет экономить цифровые порты
ввода/вывода контроллеров, которые опрашивают и обрабатывают
информацию с датчиков. Датчик DS1820 имеет широкий диапазон
измеряемых температур от -55 до +125 градусов Цельсия. При этом
6
погрешность измерений не превышает 0,5 градуса. Максимально время
отклика датчика 750мс.
Принцип измерения основан на сравнении частоты двух генераторов.
Частота одного из них зависит от температуры, другого нет. Разность частот
генераторов определяет значение температуры.
Датчик DS1820 зарекомендовал себя как крайне надежный, недорогой
и простой в эксплуатации датчик. Для использования данного датчика в
жидкости или другой условно агрессивной среде существует модификация в
герметичном корпусе.
Возможные области применения датчиков DS1820:
1. Контроль температуры теплых полов. Датчики можно
«вживлять» непосредственно в толщу бетонной стяжки.
2. Контроль температуры в системе вентиляции.
3. Контроль температуры в системе отопления.
4. Контроль температуры различной аппаратуры (контроль
перегрева насосов, реле, блоков питания и т.п.)
Общий вид датчика представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Датчик DS1820
Данный датчик был выбран потому что:
1. Интерфейс 1-Ware позволяет создать шлейф из датчиков. Это, в
свою очередь, позволяет использовать большое количество
датчиков, подключенных к одному порту.
2. Датчик ds1820 может работать в режиме паразитного питания, при
этом датчик подключается по 2-м проводам (земля и дата). При
7
таком подключении датчику для работы хватает питания,
снимаемого с цифрового порта микроконтроллера.
3. При подключении шлейфа датчиков практически не увеличивается
время опроса всего шлейфа, так как команда на формирование
передаваемого значения передается сразу всем датчикам в шлейфе, а
время опроса формируется из максимального периода
формирования значения (750мс) + время передачи значения датчика
умноженное на количество датчиков.
4. Датчики DS1820 обладают высокой точностью.
Для эксплуатации инфраструктуры здания, например
включение/выключение света, управление жалюзи, и прочими элементами
системы конечному пользователю могут потребоваться выключатели и
кнопки управления, расположенные в привычных для него местах. С
обычными тактовыми кнопками, обычно, вопросов не возникает, и
останавливаться на их подробном рассмотрении я не буду. Так как модный
дизайн помещения не всегда позволяет красиво вписать механический
выключатель, было решено проработать вариант сенсорного выключателя.
Для этих целей рассматривается чип TTP223, рисунок 2.
Рисунок 2. Микросхема TTP223
Данная микросхема может работать в двух режимах:
1. Блокируемый. В этом режиме при воздействии на чувствительный
элемент (сенсорное поле), микросхема коммутирует нагрузку. При
8
повторном воздействии на чувствительный элемент чип разрывает
цепь.
2. Не блокируемый. Режим тактовой кнопки. При воздействии на
чувствительный элемент цепь нагрузки замкнута, при прекращении
воздействия – цепь размыкается. Именно в данном варианте я буду
использовать данный чип.
К достоинствам данной микросхемы можно отнести:
1. Крайне малые размеры, всего несколько миллиметров.
2. Малое энергопотребление в режиме ожидания, порядка 5
микроампер.
3. Минимальная необходимая обвязка для настройки и работы.
Сенсорные выключатели, построенные на базе данного чипа, могут
быть установлены как открыто, в декоративном корпусе, так и скрытно, под
панелью стены или любым другим покрытием.
Для реализации механизма распределенного управление нагрузками,
например освещением, требуется организация проходных выключателей. Для
организации совместного использования нескольких настенных
выключателей и программного управления в системе управления
используется бистабильное (импульсное) реле. Данные импульсные реле
выпускаются в нескольких вариантах исполнения. В разрабатываемой
системе используется реле BIS-411, рисунок 3.
Рисунок 3. Бистабильное реле BIS-411.
9
Данное реле имеет ряд преимуществ:
1. Импульсное управление. Ширина управляющего импульса от 50 до
1000 мс.
2. Исполнение в корпусе, предназначенном для установки на DIN
рейку в электрическом распределительном щитке.
3. Имеет большой заявленный ресурс работы на отказ.
Комбинированный датчик измерения температуры и влажности
DHT22(AM2301). Диапазон измерения температуры -40~80℃. Диапазон
измерения влажности 20%..90%. Выполнен в корпусе, рассчитанном для
эксплуатации в уличных условиях. Так же датчик в данной модификации
имеет необходимый «обвес» для прямого подключения к контроллеру.
Области применения DHT22:
1. Отслеживание температуры и влажности в системе вентиляции,
как отдельного помещения, так и здания в целом
2. Отслеживание температуры и влажности окружающей среды
(датчик метеостанции).
Общий вид датчика представлен на рисунке 4.
Рисунок 4. Датчик DHT22
Датчик DHT22 был выбран по следующим соображениям:
1. Датчик смонтирован в корпусе, адаптированном для работы в
уличных условиях, что позволяет использовать его в домашней
метеостанции, а так же для контроля параметров вентиляции.
2. Датчик имеет весь необходимый для подключения к
микроконтроллеру обвес.
3. Работает по протоколу 1-wire
10
Для работы с силовыми нагрузками были выбраны твердотельные реле,
построенные на симисторах с контролем фазы и оптической развязкой
управляющих и силовых выводов. Данные реле подбираются согласно
нагрузке, которую планируется коммутировать через них. Примером
твердотельного реле могут служить: модуль SSR-40 DA,
GDM10048ZD3_100A или аналогичные им.
Принципиальная схема и общий вид модулей представлен на рисунке
5.
А.
Б. В.
Рисунок 5. А. Принципиальная схема твердотельного реле. Б.
промышленное реле GDM10048ZD3_100A. В. Реле SSR-40 DA
В своем проекте я использовал твердотельные реле SSR-40 DA,
поскольку они являются наиболее бюджетными, по сравнению с
аналогичными промышленными реле, а так же выпускаются на меньшие
токи нагрузки, сопоставимые с нагрузками от бытовых приборов.
Отличительной особенностью твердотельных реле являются:
1. Малое энергопотребление управляющего контура для включения
и поддержания в открытом состоянии симисторного перехода.
11
2. Большие токи коммутации при малых габаритах релейного
модуля.
3. За счет наличия контроля фазы включение и выключение реле
происходит в момент прохождения через ноль.
4. Широкий диапазон напряжения управляющего сигнала то 3 до 32
вольт.
5. Управляющая и коммутирующая цепи гальванически развязаны.
Это позволяет без дополнительной доработки подключать управляющие
выводы твердотельного реле напрямую к контроллеру.
К недостаткам можно отнести:
1. Чувствительность твердотельного реле к перегреву. При
разогреве свыше 70 градусов может наблюдаться ухудшение выходных
параметров симистора. При коммутации больших нагрузок может
потребоваться установка реле на радиатор.
2. Довольно большие габариты по сравнению с обычными,
электромагнитными реле при использовании модулей, рассчитанных на
малые токи коммутации.
3. Не желательно использование твердотельных симисторных реле
с индукционными нагрузками без использования дополнительных фильтров.
Для управления всевозможными задвижками, кранами, жалюзи и
прочими механизмами, требующими вращательного движения, могут быть
использованы сервоприводы с заданным углом поворота или с заданной
скоростью вращения. Так же можно использовать приводы с концевыми
выключателями. В данной работе сервоприводы не использовались.
При построении локальной сети для обеспечения обмена данными как
между сервером и пользователями, так и между отдельными модулями и
сервером будем использовать маршрутизатор Zyxel Keenetic 4G III.
Данный маршрутизатор имеет на борту, помимо стандартного набора
функций маршрутизаторов, поддержку 3G/4G USB модемов, умеет работать
с сервисами динамических имен (например, DynDNS), имеет поддержку