Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТУРИЗМА И СЕРВИСА»
Факультет Сервиса
Кафедра информационных систем и технологий
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
на тему: Разработка информационных подсистем Умного дома для ООО «ДжемТек»по специальности: 230201.65 «Информационные системы и технологии»
Дмитрий Валерьевич Левицкий Студент К.т.н., доцент, Андрей Арьевич Роганов Руководитель Москва Лист 2014 г.
ДП.02.01.З.08/031.14.ПЗ Изм Лист Дата № докум. Подпись
РЕФЕРАТ
ДП.02.01.З.08/031.14.ПЗ Изм Лист Подп. Дата № докум.Лист ЛиРазраб. Листов Левицкий Д.В.
тер.
у Пров. Роганов А.А. РЕФЕРАТ Лист ДП.02.01.З.08/031.14.ПЗ гр. 02.ИСЗ-08-1, Роганов А.А.
Н. конт. Изм Лист Роганов А.А. Дата РГУТиС № докум. Подпись Утв.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 84 листов отчета, 35 рисунков, 15 таблицы, 5 формул, 0 приложения, 3 части отчета, 25 использованных источников.Ключевые слова: умный дома, системы автоматизации, проектирование, оборудование.
Целью дипломной работы является разработка информационных подсистем умного дома для заказчика. В дипломной работе проведен обзор и сравнительный анализ существующих технологий умного дома. Проведен анализ предметной области и разработаны подсистемы умного дома для заказчика. Подобранно необходимое оборудование, начиная от контроллеров управления и заканчивая разработкой человеко-машинного интерфейса. Степень внедрения: проект находится на стадии внедрения. Дата запуска проекта в работу середина зимы 2014 года. В разработанном решении в полном объёме реализованы технические и программные требования заказчика. В ходе работ проведен полный цикл внедрения:от анализа систем заказчика до фактической разработке проекта умного дома и запуска проекта в работу. В настоящее время проводиться отладка программного обеспечения по настоящему проекту в доме заказчика. В данном дипломном проекте рассматривается расчет и проектирование информационных подсистем умного дома заказчика. Целью дипломного проекта является создание и обоснование проекта умного дома заказчика. Для достижения этой цели в дипломной работе решаются следующие задачи:
–Разработка структуры промышленной сети;
– Выбор элементной базы для реализации сети;
– Разработка программного обеспечения контроллера BC9000;
– Разработка человеко-машинного интерфейса;
– Отладка программного обеспечения;
– Расчет затрат на создание умного дома Лист ДП.02.01.З.08/031.14.ПЗ Изм Лист Дата № докум. Подпись ESSAY The explanatory note contains 84 sheets of the report, 35 drawings, the 15th tables, 5 formulas, 0 appendices, 3 parts of the report, 25 used sources.
Keywords: clever houses, automation systems, design, equipment.
The purpose of the thesis is development of information subsystems of the clever house for the customer. In the thesis the review and the comparative analysis of existing technologies of the clever house is carried out. The analysis of subject domain is carried out and subsystems of the clever house are developed for the customer. Podobranno the necessary equipment, beginning from controlers of management and finishing development of the human-machine interface. Extent of introduction: the project is at an introduction stage. Date of start of the project in work the middle of winter of 2014. In the developed decision technical and program requirements of the customer in full are realized. During works the full cycle внедрения:от the analysis of systems of the customer to the actual development of the project of the clever house and project start is carried out to work. Now to be carried out software debugging according to the present project in the house of the customer. In this degree project calculation and design of information subsystems of the clever house of the customer is considered. The purpose of the degree project is creation and justification of the project of the clever house of the customer. For achievement of this purpose in the thesis the following problems are solved:
– Development of structure of an industrial network;
– Choice of element base for network realization;
– Development of the software of the BC9000 controler;
– Development of the human-machine interface;
– Calculation of expenses for creation of the clever house СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
В современных интеллектуальных зданиях системы автоматизации и управления зданиями занимают ключевое место, обеспечивая взаимосвязь всего инженерного оборудования и систем здания.В ряде исследований последних лет показана устойчивая тенденция к возрастанию доли стоимости и объема инженерных систем и систем автоматизации в общей стоимости строительных объектов. Развитие этой тенденции к настоящему моменту привело к качественному изменению места и роли систем автоматизации и управления зданиями с одной стороны и концепции взаимной увязки инженерного оборудования объектов и организационно-технических решений по эксплуатации с использованием систем автоматизации и управления зданиями с другой стороны.
В то же время, системы автоматизации и управления зданиями формируют базу для создания новых сервисов для пользователей в рамках объекта. Это находит выражение в повышении потребительской привлекательности интеллектуальных зданий, выражающейся, в частности, в снижении страховых рисков за счет повышения устойчивости интеллектуальных зданий к различным дестабилизирующим факторам и снижении расходов на эксплуатацию, т. е. в повышении эффективности интеллектуальных зданий по сравнению с традиционными решениями.
Дешевая рабочая сила и энергоносители замедляют продвижение технологий автоматизаций зданий на российский рынок, однако конкуренция на рынке недвижимости делает их все более востребованными.
Вместе с тем, экономический рост последних лет, ведет от избытка электроэнергии в прошлом к ее дефициту в будущем, что, в свою очередь, создает предпосылки более широкого внедрения энергосберегающих технологий и алгоритмов управления, которые, в первую очередь, обеспечиваются системами автоматизации зданий.
Целью работы является создание микропроцессорной системы управления зданием, внедрение которой даст возможность управлять работой ее объектов (освещением, электроснабжением, вентиляцией, отоплением) в автоматическом режиме.
Основные задачи разработки системы: анализ существующих методов построения системы автоматического управления зданием, выбор наиболее подходящей аппаратной базы, выбор средств разработки программного обеспечения для контроллера и человеко-машинного интерфейса, разработка алгоритмов управления работой объекта и реализация этих алгоритмов в программном обеспечении для контроллера и человеко-машинного интерфейса.
Утв.
За последние 20...30 лет системы автоматизированного управления перестали быть модной экзотикой. Вне зависимости от области применения, будь то здание, сборочный цех или поезд метро, целью внедрения таких систем являются снижение эксплуатационных расходов, обеспечение важной информацией, повышение безопасности и комфорта. Но, несмотря на то, что журналистов модных изданий сейчас больше интересуют достижения традиционных ITкомпаний, прогресс в области автоматики управления может в ближайшем будущем оказать на наше мироощущение не меньшее воздействие, чем появления сотовых телефонов и Internet.
Для того чтобы понять, как сильно изменились возможности в области автоматизации за последние годы и как они еще поменяются, важно осознать значение некоторых технологических прорывов, которые произошли за последние годы. Разработчики не стоят на месте. Предсказать, как далеко они уйдут вперед всего через несколько лет, можно только, бросив взгляд назад.
После завершения эры мэйнфрэймов, широкое развитие получили сети миникомпьютеров, а затем, дешевых персональных ЭВМ, способных, тем не менее, решать достаточно сложные профессиональные задачи. Аналогичные процессы проходили и в технологии автоматизации, где в последнее время широкое распространение получили децентрализованные системы управления. Бум в развитии микропроцессорной техники сделал возможным появление относительно дешевых «умных» датчиков и исполнительных механизмов, наделенных собственным интеллектом. Объединенные в сети, подобные устройства находят все более широкое применение в системах автоматики различного назначения.
Правда, на пути технического прогресса оказалось немало серьезных препятствий. Мало того, что системы автоматики различного назначения были автономны, но и сходные по управляющим функциям системы различных производителей были, как правило, несовместимы между собой. Фирмы-разработчики использовали свои закрытые коммуникационные протоколы и не предусматривали интерфейсов для взаимодействия с системами других производителей. Являясь собственностью отдельных компаний, соответствующие продукты и технологии автоматизации с трудом поддавались интеграции друг с другом. Для решения этой проблемы требовались дорогостоящие технические решения, связанные с написанием нового программного обеспечения, изменения топологии сети и закупки дополнительных компонентов.
Таким образом, в определенный момент на рынке сложились объективные предпосылки для успешного внедрения новых подходов в области автоматизации.
Идея создания «умных» зданий впервые появилась в США. Самые первые "умные дома" – начали оборудовать электроникой в 1950-х годах. (А сегодня почти все мы уже привыкли к таким вещам, как микроволновые печи, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, встроенные в стенку телевизоры с дистанционным управлением).
Как комплексное решение задачи сначала появились Intelligence Buildings (интеллектуальные здания), основой которых были структурированные кабельные сети. Система позволяла коммутировать и использовать один и тот же кабель для нужд АТС, компьютерной сети, системы безопасности и т.д. Потом начали появляться системы мультиплексирования каналов связи, позволяющие передавать по одному кабелю различную информацию одновременно. Бурно развивающаяся информатика позволила форсировать эти работы, когда всем стало ясно, что любой проект кабельной системы здания устаревает к моменту завершения строительства.
Поскольку развитие данного направления представлялась более чем сверхприбыльным, на него были пущены немалые средства, и в результате появилась идея «умного дома». Типичный пример такого здания показан на рис 1.1.
«Умный дом» - это комплекс электроники, которая работает внутри или снаружи дома и выполняет централизованное управление всеми (или почти всеми) инженерными системами. Под инженерными системами понимается всё техническое оборудование дома (от канализации до аудио-видео техники). Идея «умного дома» состоит в том, что единый комплекс электроники согласованно управляет работой всего инженерного обеспечения дома.
Очень важно, чтобы алгоритмы взаимодействия подсистем в доме были гибкими, и могли приспосабливаться под изменяющиеся нужды владельца дома.
Самая главная аксиома «умного дома» состоит в том, что система управления и её инженерные подсистемы должны быть построены по блочному принципу.
Это означает, что каждая подсистема должна уметь работать автономно, чтобы её работу можно было отладить и обслуживать, отключив оборудование от центрального управления. Основные системы «умного дома» показаны на рис 1.2.
«Умный дом» имеет ряд преимуществ: позволяет экономить до 10-18% электроэнергии, повышать комфорт и безопасность и т.д.
Принцип работы «умного» дома заключается в центральном компьютере, принимающем сигналы от командных устройств, затем эти сигналы передаются исполнительным системам. Управление различными устройствами осуществляется простейшей системой автоматики.
Впервые задача по созданию «умного дома» была решена в 1978 году компаниями Х10 USA и Leviton, которые разработали технологию для управления бытовыми приборами по проводам бытовой электросети. Но технология эта была рассчитана на напряжение 110В и частоту сети 60 Гц, поэтому не получила распространения в России. Впрочем, Х10 сегодня уже считается устаревшим, поскольку создавался для управления электроосветительными устройствами и поддерживал всего шесть команд управления питанием. Для создания «интелЛист лектуального дома» этого явно недостаточно. Аудио- и видеотехника требуют как минимум команд смены каналов, изменения громкости, перемотки и управления воспроизведением; а ведь требуется управлять еще системой HVAC (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха). В поисках решений этой проблемы различными компаниями предпринимались попытки к разработкам новых протоколов передачи данных.
На сегодняшний день насчитывается более трех сотен разных протоколов передачи данных в системах автоматики. Все они должны соответствовать определённым требованиям.
В системах автоматизации ошибка в передаваемых от контроллера или к нему данных означает сбой исполнительного механизма. Стоимость такой ошибки может быть очень велика. Поэтому краеугольными требованиями, предъявляемыми к протоколу передачи данных, является надежность протокола, его устойчивость к ошибкам и возможным обрывам линии. В табл. 1.1 приведены возможные варианты инженерных решений этой задачи.
Системы контроля и управления зданий подвергаются расширению несколько раз в течение жизненного цикла. Как правило, если предприятие осваивает новую продукцию или расширяет производство, существующие датчики либо заменяются, либо дополняются более точными. При этом, протягивая линии связи к новым контроллерам или интеллектуальным адресным датчикам, зачастую приходится сталкиваться с жесткими требованиями топологии используемого протокола. Поэтому в данном случае, идеальным будет протокол, имеющий минимальные требования к топологии линий. Такой протокол принято называть протоколом со свободной топологией. Вторым крайне необходимым свойством является возможность добавления новых физических сегментов сети при помощи репитеров без останова всей системы. Однако для этого требуется наличие энергонезависимой памяти в каждом узле сети и наличие как локальной (на самом узле) так и удаленной процедур добавления нового устройства в протоколе управления устройствами. Эти процедуры должны быть определены недвусмысленно, ясно и четко и быть безошибочно реализованы так, чтобы всевозможные узлы и контроллеры могли взаимодействовать между собой.
Таблица 1.1 Варианты решений, применяемые для повышения устойчивости протоколов передачи данных к ошибкам Задача, решаемая системой передачи данных Применяемое решение.
Передача сообщений одноадресных, мультиадресных, циркулярных с получением подтверждения от каждого (а не любого) адресуеНадежная передача сообщений, контроль цемого узла.
лостности Защита от сбоев Изоляция сбойных участков и восстановление. Дистанционное управление посредством удаленных команд процессом изоляции и отключения сбойных узлов.
Основными доступными сейчас и в будущем вариантами протоколов являются:
– Решения, основанные на CAN, такие как CAN автоматизация, DeviceNet, J1850 и SDS.
– Шины простых сенсоров Seriplex и Bitbus;
–Промышленная шина EtherCat;
– Инструментальные шины IEEE488.
Естественно существуют и другие схемы, предназначенные для решения специфических задач. Компании, разработчики протоколов, не предполагали продавать их третьим организациям, а планировали использовать их в своей работе. В табл. 1.2 сведены несколько характеристик вышеприведенных протоколов.
Промышленная шина EtherCAT разработана немецкой фирмой Beckhoff.
EtherCAT - это Ethernet-решение для автоматизации, которое отличается высокой производительностью и простотой использования. С помощью EtherCAT можно дополнить Ethernet-топологию типа «звезда» простой линейной структурой. Однако выборочно EtherCAT может быть соединен с «классическими»
коммутаторами для интеграции дополнительных Ethernet устройств. Таким образом EtherCAT подходит не только для сложных, но и для малых систем автоматизации, таких как автоматизация небольшого офиса или загородного коттеджа.
Таблица 1.2Основные характеристики протоколов передачи Область при- Автоматиза- Дискретная Автоматиза- Автоматиза- ством Уровни OSI/ISO Поддержка ров сетевого уровня С позиции Ethernet шина EtherCAT является ни чем иным, как самостоятельным большим пользователем Ethernet. Этот «пользователь» принимает и посылает Ethernet-пакеты. Но внутри «пользователя» нет никакого Ethernetконтроллера с подсоединенным процессором. Вместо этого там находится множество подчиненных EtherCAT компонентов системы. Они обрабатывают поступающий поток пакетов и вынимают из них необходимые данные или, говоря другими словами, они обрабатывают и передают пакет дальше следующему подчиненному компоненту EtherCAT. Последний подчиненный EtherCAT компонент системы возвращает уже полностью обработанный пакет первому компоненту в виде ответа для осуществления процесса управления. При этом прохождение пакета через каждый компонент EtherCAT замедляется только на несколько наносекунд. Благодаря оптимальному использованию полосы пропускания Ethernet с помощью EtherCAT могут эффективно передаваться также и небольшие объемы данных. Достоинством шины EtherCAT является короткое время цикла и высокая скорость осуществления передачи. EtherCAT может в 30 мс опрашивать 1000 устройств ввода-вывода с любым цифровым распределением, при этом считывая и записывая с полным дублированием. Для передачи аналоговых значений необходимо 50 мс. EtherCAT поддерживает почти любую сетевую топологию. При использовании кабеля UTP максимальное расстояние между двумя пользователями может достигать 100 м. Количество узлов в сети практически неограниченно, так как их число может доходить до 65535.
С точки зрения аппаратного обеспечения технология EtherCAT находит применение в модулях ввода-вывода. В отличие от контроллеров ввода-вывода, у которых отличается внешний и внутренний протокол обмена, протокол EtherCAT полностью сохраняется вплоть до отдельного модуля ввода-вывода.
Следующий протокол передачи для управления системами «умного дома – это протокол X 10. Торговая марка Х-10 принадлежит американской корпорации, расположенной в Сиэтле. За годы существования технологии (с 1978 года) продано уже более 100 миллионов устройств. И популярность систем Х-10 продолжает нарастать.
X-10 это протокол передачи управляющих сигналов по проводам силовой сети (220В, 50Гц) внутри дома. Формат кода был впервые представлен в для Sears Home Control System and the Radio Shack Plug 'n Power System. С тех пор многие компании, включая такие как Leviton Manufacturing Co., General Electric, C & K Systems, Schlage Lock Co., Stanley and Heath/Zenith Co развили и воспроизвели стандарт X-10 в своих изделиях, предназначенных для систем управления домом. Система Х-10 получила широкое распространение во многих развитых странах.
«