Математическая
морфология.
Электронный
математический и медико-биологический журнал. - Т. 14. -
Вып. 4. - 2015. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-48-html/TITL-48.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-48-html/cont.htm
УДК 681.3.048
ДИСПЕТЧЕРСКИЙ
БЛОК УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Ó 2015 г. Деменков Д. М., Якименко И. В.
В работе
описаны требования к разработке системы управления бытовыми датчиками,
представлена структурно-функциональная схема диспетчерского блока управления.
Ключевые слова: система домашней автоматизации,
бытовые датчики, диспетчерский блок управления.
Концепция систем домашней автоматики, появившаяся в
семидесятых годах прошлого века, была ориентирована, прежде всего, на экономию
электроэнергии, которая обходилась, да и по сей день обходится американцам и
европейцам очень дорого. В ее основе лежали принципы размещения в жилом доме
различных датчиков (движения, инфракрасных и других), определявших, находится
ли кто-нибудь в помещении. Это позволяло включать и выключать свет в
зависимости от наличия людей в комнате, а также при необходимости регулировать
его мощность. По мере развития высоких технологий, концепция стала обрастать
дополнительными возможностями. Она предполагает новый подход в организации
жизнедеятельности в доме, при котором на основе комплекса высокотехнологичного
оборудования создается единая автоматизированная система управления,
позволяющая значительно увеличить эффективность функционирования и надежность
управления всех систем жизнеобеспечения.
Безопасность и повышение экономичности жилища
становятся все более актуальными для представителей среднего класса, в том
числе российского. Такие элементы системы, как защита от несанкционированного
проникновения, пожара, утечки воды и газа, начинают рассматриваться уже не как
элемент роскоши, а как необходимость. И, несмотря на то, что большинство
потенциальных потребителей априори уверено в чрезмерной дороговизне таких
систем, подобные
функциональности сейчас уже можно реализовать в обычной городской квартире или
на даче по вполне приемлемой цене. При этом, около трех лет назад появились
устройства контроля и управления системами жизнеобеспечения, основанные на
использовании беспроводных технологий, а потому не требующие больших затрат на
монтаж.
Отсюда следует, что приоритетными направлениями систем
домашней автоматизации являются:
- безопасность;
- экономия энергоресурсов;
- централизованный контроль за
всеми инженерными системами объекта (диспетчеризация).
Актуальность разработки в данном направлении
обусловлена высоким потенциалом развития систем автоматизации жилых зданий,
отсутствием единых стандартов устройств, включенных в эти системы, а также
необходимостью развития направления домашней безопасности и контроля сенсорной
сети.
Интеллектуальный комплекс из бытовых датчиков
представляет собой автоматизированную систему управления автономными
устройствами, предназначенными для обеспечения безопасности жизни и оповещения
людей об аварийных ситуациях. Каждый элемент системы постоянно выполняет определенную
задачу и взаимосвязан с другими устройствами комплекса.
Характерной чертой автоматизированной системы контроля
безопасности жилого помещения является то, что она является управляемой и
работает по заранее продуманному алгоритму. Интеллектуальный комплекс может состоять
из большого количества устройств, размещенных по всему объему здания. При
разработке следует стремиться подбирать компоненты под интерьер жилых
помещений.
Проведя анализ состояния научно-технической проблемы в
сфере домашней автоматизации, стоит цель – разработка автоматизированной системы
управления бытовыми датчиками, включающая в себя проектирование сенсорной сети
в сфере обеспечения безопасности и разработку диспетчерского блока управления
системой.
В работе используется централизованная архитектура,
которая предполагает наличие
центрального контроллера, управляющего подключенными к нему модулями, т.к. она
является наиболее экономной. В системе реализуется новый подход к решению проблем
энергосбережения в сети датчиков, снижению затрат на монтаж и обслуживание
элементов системы, что позволяет одновременно сократить как энергопотребления
сетевых устройств, так и время доставки сообщений.
Принцип построения автоматизированной системы контроля
жилого сектора заключается в расположении технических элементов-датчиков в местах
возможного возникновения аварийной ситуации.
Главной целью данной разработки является создание
уникального модуля автоматизированной системы - диспетчерского блока управления
или, другими словами, «мозга» системы, который обеспечивает сбор и обработку
информации о состоянии датчиков. Он следит за тем, как функционируют все подсистемы,
оптимально распределяет нагрузки, предупреждает и, по возможности,
предотвращает аварийные ситуации.
Требования к разработке:
- направление домашней автоматизации – безопасность в
сфере газопользования и водоснабжения;
- ориентация на российский рынок;
- решение должно быть относительно недорогим;
- минимальные затраты на монтаж элементов системы.
Оператор должен иметь возможность устанавливать большую часть элементов самостоятельно
(руководствуясь инструкцией по эксплуатации), без вмешательства
квалифицированных служб;
- оператор должен иметь возможность в любой момент
проверить исправность исполнительных устройств с помощью органов управления или
пульта;
- решение должно максимально быстро реагировать на
аварийную ситуацию и сигнализировать оператору об аварии;
- система должна иметь функцию автоматической
самодиагностики и сообщать о неисправностях оператору;
- центральный диспетчерский блок должен иметь органы
управления и индикации для настройки и оповещения оператора об аварийных
ситуациях;
- наличие
удаленного контроля датчиками и исполнительными устройствами;
Дополнительно:
- система должна быть расширяемой, обновляемой и
гибкой к изменению конфигурации.
Практически значимой особенностью разрабатываемой
системы является применение беспроводных технологий сотовой связи в частных
домах, в секторе, где нет проводного интернета.
Сфера создания интеллектуальных жилых помещений
постоянно развивается. Совершенствуются технологии создания самих датчиков.
Блоки системы объединяют в отдельные модули. Например, в датчики встраивают
электронные преобразователи, и выходной сигнал с датчика имеет цифровую
форму.
При создании уникальной автоматизированной системы
управления бытовыми датчиками очень важно, чтобы она была универсальна, проста
в монтаже и управлении. Применение беспроводных технологий для связи датчиков с
блоком управления значительно снизит затраты денег и времени на монтаж и, одновременно,
сделает систему более гибкой, расширяемой и современной.
Функциональность интеллектуального комплекса можно
расширять путем добавления беспроводных датчиков, беспроводных выключателей и
исполнительных устройств, которые отдельно продаются в магазинах. Разнообразие
оборудования позволяет построить систему любой сложности.
Идея внедрения беспроводных технологий заключается в
обеспечении передачи информации от диспетчерского блока управления на мобильный
телефон или смартфон. Исполнительные устройства и сигнализаторы могут
передавать данные как по беспроводному каналу, так и
по интерфейсу RS485 внутри контролируемого
объема здания.
Электронный блок управления блоком (печатная плата с
установленными компонентами) необходимо разместить в герметичном двухсекционном
корпусе из высокопрочного ABS пластика с открывающейся прозрачной крышкой из
поликарбоната фирмы GIANTA (см. рисунок 1). Выбор
корпуса обусловлен относительно невысокой ценой, отверстиями под кабельные вводы
для подключения шлейфовых устройств, эргономикой и
простотой конструкции.
Рисунок 1 – Внешний корпуса GIANTA
Под прозрачной крышкой можно установить дисплей с
органами управления. Под закрытой второй секцией будут расположены клеммы для
подключения питания и исполнительных устройств.
К блоку управления подключены газосигнализаторы
различных типов по интерфейсу RS485.
Структурно-функциональная схема блока управления
представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структурно-функциональная схема блока
управления
В качестве сигнализаторов горючих
газов выбраны СГГ10-Б производства «ФГУП
«СПО «Аналитприбор», предназначенные для выдачи
сигнализации о превышении установленных пороговых значений довзрывоопасной
концентрации горючих газов (метана или пропан-бутановой
смеси) в воздухе жилых помещений, либо помещений котельных различной мощности,
оборудованных газогорелочными устройствами, работающими на природном (ГОСТ
5542-87) или сжиженном (ГОСТ 20448-90) газах.
Рисунок 3 – Внешний вид сигнализатора СГГ10-Б
- сигнализаторы размещены в вертикальном положении вне
зоны действия прямых воздушных потоков от приточно-вытяжной вентиляции;
- сигнализаторы устанавливаться не ближе 0,5 м от
источников тепла, например, батареи отопления и нагревательных приборов;
- при контроле содержания природного газа (метана)
сигнализаторы должны размещаться как можно выше над полом (не ниже 30 см от
потолка) и на расстоянии от 1 до 5 м от источников газа.
Питание СГГ10-Б осуществляется от
сети переменного тока 220 В. Сетевой кабель питания подключается
непосредственно к сигнализатору.
В качестве сигнализаторов угарного газа выбраны
СТГ-3-И-СО производства «ФГУП «СПО «Аналитприбор», предназначеные для
выдачи звуковой и световой сигнализации о превышении установленных пороговых значений
массовой концентрации вредных веществ СО.
Рисунок 4 – Внешний вид сигнализатора СТГ-3-И
Сигнализатор размещается в гараже. Питание
осуществляется напряжением от 10 до 36 В постоянного
тока. Линия питания сигнализатора подключена к блоку управления.
Выбор сигнализаторов обусловлен невысокой ценой,
эргономикой и надежностью встроенных сенсоров.
К разрабатываемому блоку управления подключаются
исполнительные устройства. В качестве исполнительного устройства для
сигнализаторов горючих газов используется электромагнитный клапан КЭГ-9720 с
импульсным управлением 40В. Клапан встраивается в газопровод. Клапан подключается
к клемме блока управления.
Рисунок 5 – Внешний вид клапан КЭГ-9720
В качестве устройства защиты от протечки воды выбран
датчик протечки swf 5.1 с релейными выходами (сухой
контакт), способный контролировать затопление в целой зоне благодаря своей
конструктивной особенности - сенсорным элементом устройства служит специальный
чувствительный кабель, который способен детектировать протечку по всей своей
длине. Другие преимущества: отсутствие постоянных потенциалов на чувствительных
элементах датчика, оснащен блоком управления, имеющим индикацию, настройки
чувствительности и времени задержки и др. Внешний вид датчика представлен на рисунке
6.
Рисунок 6 – Структурная схема датчика протечки
Выводы датчика swf 5.1
подключены к клемме блока управления. В качестве исполнительного устройства для
защиты от протечек выбран механизм отключения подачи газа с управлением
постоянного тока GRV1525. Внешний вид устройства представлен
на рисунке 7.
Рисунок 7 – Механизм отключения подачи газа для защиты
от протечек
Механизм устанавливается в месте подвода воды в
помещение и, при срабатывании сигнализации «авария», поворотный рычаг
устройства перекрывает ручку подачи воды. Механизм подключается к клемме блока
управления.
Выбор исполнительных устройств обусловлен удобством
размещения, конструктивом, принципом управления и
невысокой ценой.
Внутри блока расположен модуль управления.
Электрическая принципиальная схема модуля управления включает в себя
структурные блоки:
- формирования питания;
- управления исполнительными устройствами;
- связи с сигнализаторами;
- индикации;
- связи с внешними устройствами.
Центральным звеном модуля является микроконтроллер,
который осуществляет управление устройствами и передачу данных по заранее
разработанному алгоритму. При возникновении аварийной ситуации блок выдает
информацию на устройство индикации, срабатывает соответствующее исполнительное
устройство, срабатывают «сухие» контакты реле на блоке, передаются данные на
мобильный телефон. Для осуществления описанных операций достаточно использовать
микроконтроллер фирмы Atmel
ATmega32.
В настоящий момент ведется разработка принципиальной
схемы, выбор GSM (3G) модуля для связи с мобильным устройством и выбор
дисплея для диспетчерского блока управления. Основной целью является создание
дешевой и надежной системы.
Литература
1. Использование электронных газосигнализаторов для
обеспечения безопасности объектов промышленного и коммунального газоиспользования/ Люлин Б. Н.,
Манвелова Н. Е., Орехов Е. О.- С.-Пб.: Газинформ, 2007, №1/ 16с.
2. ГОСТ 27540-87. Сигнализаторы горючих газов и паров
термохимические. Государственный стандарт.1988г, 34с.
3. Умный дом. Объединение в сеть бытовой техники и
системы коммуникаций в жилищном строительстве./ В. Харке.
//Техносфера, 2006 г.
4. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений:
Учебник/ Е. Н. Бухаркин, В. М. Овсянников, К. С. Орлов
и др.; Под ред. Ю.
П. Соснина. - М.:
Высшая школа, 2001 - 415 с. ил.
5. ГОСТ Р 52350.29.2-2010 (МЭК
60079-29-2:2007). Взрывоопасные среды. Часть 29-2 Газоанализаторы. Требования к выбору,
монтажу, применению и техническому обслуживанию газоанализаторов горючих газов
и кислорода. Национальный стандарт Российской федерации. М.: Стандартинформ. 2011г, 82с.
6. Гимаров В. А., Дли М. И., Круглов В. В. Задачи распознавания нестационарных
образов //Известия Российской академии наук. Теория и системы управления.
2004. № 3. С. 92-96.
7. Дли М. И., Какатунова Т. В.
Нечеткие когнитивные модели региональных инновационных систем // Интеграл.
2011. № 2. С. 16-18.
8. Бояринов Ю. Г., Борисов В. В., Мищенко В. И., Дли М.
И. Метод построения нечеткой полумарковской модели функционирования сложной
системы // Программные продукты и системы. 2010. № 3. С. 26.
9. Гимаров В. А., Дли М. И., Битюцкий
С. Я. Нейро-нечеткий метод классификации объектов с
разнотипными признаками //Системы управления и информационные технологии. 2004.
Т. 16. № 4. С. 13-18.
10.
Бояринов Ю. Г.,
Стоянова О. В., Дли М. И. Применение нейро-нечеткого
метода группового учета аргументов для построения моделей
социально-экономических систем // Программные продукты и системы. 2006. № 3. С.
7.
DISPATCH CONTROL UNIT IN THE SYSTEM OF HOME AUTOMATION
Demenkov M. D., Yakimenko
I. V.
The paper describes requirements for the
development of management system household sensors, presents the structural-functional diagram of the Supervisory control
unit.
Key words: home automation system, home sensors, a dispatch
control unit.
Филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г.
Смоленске
Поступила
в редакцию 12.12.2015.