CC BY
30
4. 1НФОРМАЦ1ЙН1 ТЕХНОЛОГИ
НАТУ
УКРЛ1НИ
t ,
Hl/IUB
Науковий в!сн и к НЛТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280122
Article received 20.02.2018 р. Article accepted 28.02.2018 р.
УДК 004.942
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
й> EE3 Correspondence author R. V. Sydorenko roman.v.sydorenko@lpnu.ua
I. Г. Цмоць, Р. М. Картнець, Р. В. Сидоренко
Нацюнальний утверситет "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украта
СТРУКТУРИ ТА АЛГОРИТМИ РОБОТИ П1ДСИСТЕМ УПРАВЛ1ННЯ М1КРОКЛ1МАТОМ
I ОСВ1ТЛЕННЯМ РОЗУМНОГО БУДИНКУ
Сформовано вимоги до тдсистем управлшня мшромматом i освiтленням розумного будинку, основними з яких е: за-безпечення комфортного мiкроклiмату проживання, освiтлення та зменшення споживання енергоресурав. Визначено, що забезпечити такi вимоги можна шляхом використання сучасних телекомуткацшних технологiй та мiкроконтролерних систем управлшня опаленням, кондицюнуванням, вентилящею, температурою тдлоги, внутрiшнiм i зовнiшнiм освпленням. Проаналiзовано апаратно-програмнi засоби, якi пропонуе ринок для синтезу систем управлшня розумним будинком, i показано, що недолжом таких засобiв е необхдають 1х адапгацп до вимог конкретного застосування та вiдносно висока цна, яка обмежуе 1х використання. Запропоновано для синтезу пiдсистем управлшня мшромматом i освiтленням використовувати готовi компоненти, як реалiзуються у виглядi готових модулiв. Показано, що тдсистеми управлiння мiкроклiматом i освгг-ленням розумного будинку зв'язують в единий комплекс рiзне обладнання та шженерш системи будинку. Розроблено, з ви-користанням платформи Arduino, структури тдсистем управлшня мжромматом i освiтленням розумного будинку, як адаптуються до вимог конкретного користувача та забезпечують тдвищення комфортностi проживання, зменшують споживання енергоресурав i мають невисоку вартасть. Основними компонентами розроблених пiдсистем управлшня мшрокшма-том i освiтленням е платформа (плата) Arduino, яка складаеться з мжроконтролера Atmel AVR, елеменпв обв'язки для прог-рамування та штеграцп з iншими пристроями, давачiв освiтленостi, руху, температури, вологостi та сили вiтру, засобiв за-безпечення мiкроклiмату - обiгрiвачi, пiдiгрiв тдлоги, газовий котел, зволожувачi повiтря, витяжки та жалюзi. Розроблено блок-схеми алгоримв роботи пiдсистем управлiння мiкроклiматом i освiтленням розумного будинку. Запропоновано для управлшня розумним будинком використовувати як дротовi (кнуюч1 комунжацп), так i бездротовi (мережа Internet, мобшь-ний зв'язок) засоби зв'язку. Показано, що контроль i встановлення необхiдних параметрiв у розроблених пiдсистемах управлшня мiкроклiматом i освiтленням розумного будинку можна здшснювати за допомогою як сенсорних пультш, так i мобшь-них додаткiв.
Krnuoei слова: розумний будинок; пiдсистема управлшня; освплення; мжроммат; давачц платформа Arduino; апарат-но-програмт засоби.
Вступ. Сучасний будинок - це складний набiр рiзних систем та комушкацш, як1 управляються з використан-ням технологiй розумного будинку, забезпечують ком-фортне проживання його мешканщв i зменшують енер-говитрати. В основi iнгелектуального управлiння будинком лежить принцип нерозривного зв'язку вах дючих у примiщеннi функцюнальних систем: управлiння м^ок-лiматом, водопостачанням та водоввдведенням, газопос-тачанням, електропостачанням та освiтленням. 1нформа-цiйнi технологи розумного будинку повинш зв'язати в единий комплекс рiзне обладнання та iнженернi пiдсис-теми житла, керувати ними так, щоб забезпечувати ви-соку енергоефективнiсть i створювали максимально комфортний стан для проживання.
Розвиток телекомушкацш та м^опроцесорноТ тех-нiки забезпечуе вдосконалення роботи засобiв управ-
лiння розумним будинком, яш вiдповiдають за тдви-щення 3py4HOCTi та комфорту проживання. Перспектив-ним е розроблення сучасного розумного будинку, який мае вмгга розтзнавати конкретнi ситуацп, що вщбува-ються у примщенш та вiдповiдно на них реагувати. Це означае, що бшьштсть процеав у будинку виконуе не людина, а iнтелектyальнi шформацшш компоненти, як1 е невiд'емними складовими частинами розумного будинку.
Тому актуальною проблемою е розроблення апарат-но-програмних засобiв yправлiння розумним будинком, яш повиннi зв'язати в единий комплекс рiзне обладнання та iнженернi пiдсистеми будинку, забезпечити тдвищення комфортносп проживання та зменшення споживання енергоресурав.
1нформащя про aBTopiB:
Цмоць 1ван Григорович, д-р техн. наук, професор кафедри автоматизованих систем управлiння. Email: ivan.tsmots@gmail.com Картнець Роман Михайлович, магiстр кафедри автоматизованих систем управлшня. Email: roman.karpinec@gmail.com Сидоренко Роман Вшторович, асистент кафедри автоматизованих систем управлшня. Email: roman.v.sydorenko@lpnu.ua Цитування за ДСТУ: Цмоць I. Г., Картнець Р. М., Сидоренко Р. В. Структури та алгоритми роботи тдсистем управлшня
мтро^матом i освггленням розумного будинку. Науковий вiсник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 1. С. 108-111. Citation APA: Tsmots, I. G., Karpinets, R. M., & Sydorenko, R. V. (2018). The Structure and Algorithms of the Operation of Climate Control and Lighting of the Smart House. Scientific Bulletin of UNFU, 28(1), 108-111. https://doi.org/10.15421/40280122
Аналiз останшх дослiджень та публiкацiй. Аналiз наявних апаратно-програмних 3aco6ÍB, як пропонуе ри-нок для синтезу систем упрaвлiння розумним будин-ком, показуе, що так засоби реaлiзуються у виглядi го-тових модулiв (Kliuiko & Zlotenko, 2015; Tesliuk, et al., 2012; Medykovskyi, et al., 2015). Недолшом таких моду-лiв е вГдносно висока цша, яка обмежуе !х використан-ня. У роботах (Umnyi Dom, n.d.; Inzhenemye sistemy, n.d.; Obzornaia statia o sisteme "Umnyi dom", n.d.) роз-глянуто основнi iнженернi системи розумного будинку та системи упрaвлiння ними. Визначено можливост ш-женерних систем, сформовано вимоги до систем управ-лiння клiмaт-контролем, освiтленням i безпекою. Показано, що основними недолшами наявних систем управ-лiння та !х апаратно-програмних зaсо6iв е необхiднiсть !х адаптацп до вимог конкретного застосування.
В роботах (Vozmozhnosti Umnogo Doma, n.d.; Home Sapiens, n.d.; Hrytsiuk, et al., 2010) проaнaлiзовaно засоби зв'язку, як використовують для упрaвлiння розумним будинком, та показано, що для упрaвлiння можна використовувати як дротовi (наявн комуткацл), так i 6ездротовi (мережа Internet, мобшьний зв'язок).
З aнaлiзу лiтерaтурних джерел видно, що недолшом наявних систем i апаратно-програмних зaсобiв управлш-ня розумним будинком е висока вартють i нео6хiднiсть !х адаптацп до вимог конкретного користувача.
Метою досл1дження е розроблення структур та ал-горитмiв роботи тдсистем упрaвлiння мiкроклiмaтом i освiтленням розумного будинку.
Основш результати дослiдження. Основними зав-даннями пiдсистеми упрaвлiння м^октматом розумного будинку е забезпечення комфортного мшроктма-ту проживання та зменшення споживання енергоресур-сiв. Для виконання таких завдань розроблено тдсисте-му упрaвлiння мiкроклiмaтом будинку, базову структуру яко! наведено на рис. 1.
Рис. 2. Структура тдсистеми управлшня освiтлення будинку
Основними компонентами розроблено! тдсистеми упрaвлiння освгтленням е плата Arduino, дaвaчi освГт-лення та руху, жaлюзi, засоби внутршнього, зов-нiшнього та точкового освгтлення.
Шдсистема управлтня микроклиматом будинку. Процес центрaлiзовaного упрaвлiння мiкроклiмaтом е одним з найскладшших у системi життезабезпечення будинку. Пiдсистемa упрaвлiння мiкроклiмaтом будинку забезпечуе упрaвлiння такими засобами: опаленням; кондицiонувaнням; вентиляцiею; температурою тдлоги.
Пiд час традитйно! побудови господaревi доводиться управляти кожним iз цих зaсо6iв окремо. Причому можливi ситуацл, коли в мiжсезоння кондицювання по-чинае "боротися" з вентилящею. Це призводить до прис-кореного зносу обладнання i тдвищеного енергоспожи-вання. Щоб уникнути подiбного, нео6хiднa едина тд-система, яка об'еднае упрaвлiння всiмa засобами, яю за-безпечують мiкроклiмaт будинку. З li допомогою температуру в будь-якш кiмнaтi можна вiдрегулювaти прямо з наспнно! пaнелi або переносного пульта керування.
Рис. 1. Структура тдсистеми упрамння мiкроклiмaтом розумного будинку
Основними компонентами розроблено! тдсистеми упрaвлiння мшроктматом е платформа (плата) Arduino, яка складаеться з м^оконтролера Atmel AVR i з еле-ментiв обв'язки для програмування та im^^am! з гнши-ми пристроями, дaвaчi температури, вологостi та сили вiтру, засоби забезпечення мiкроклiмaту - обiгрiвaчi, пiдiгрiв пiдлоги, газовий котел, зволожувaчi повiтря, витяжки та жалюзи
Основними завданнями пiдсистеми упрaвлiння ос-вiтленням будинку е забезпечення комфортного освгтлення та зменшення споживання електрично! енергп. Для виконання завдань, пов'язаних з освiтленням, розроблено тдсистему упрaвлiння освiтленням будинку, базову структуру яко! наведено на рис. 2.
Рис. 3. Блок-схема алгоритму роботи тдсистеми упрaвлiння мiкроклiмaтом розумного будинку
rocnogapH HeMae BgoMa, ane nigcucTeMa noBigoMuTL HoMy npo cuny BiTpy, onagu, TeMnepaTypy Ha Bynuui i b npHMi^eHHax, oTpHMae i BuKoHae HaKa3u - HanpuK^ag, BigHHHHTH BiKHa, ^o6 npoBiTpHTH KiMHaTH. Po3 noH HeTLcH chhlhhh BiTep a6o go^ - aBToMaTHKa ix 3anuHHe. y cne-kothhh niTHin nonygeHL yBiMKHe KoHguuioHepu h onyc-thtl ^:anro3i. y nigcucTeMi MiKpoKHiMaTy TaKo^ Mo^nHBe CTBopeHHH pi3Hux cueHapiiB po6oTH 3ane^Ho Big 3ob-HimHLoi Ta BHyTpimHLoi cmyauii.
HanpHKnag, kohu Heo6xigHo npuixaTH b 3aMicLKHH 6y-guHoK, to nogaroTL KoMaHgy 3 Mo6inLHoro Tene^oHy a6o 3 IHTepHeTy, i cucTeMa "po3yMHHH 6yguHoK" nigroTye Horo go Bamoro npui3gy. EnoK-cxeMy anropuTMy po6oTH nig-cucTeMH ynpaBniHHH MiKpoKniMaToM po3yMHoro 6yguHKy HaBegeHo Ha puc 3.
y ko^homy npuMi^eHHi nigcucTeMa nigTpMMye mgu-BigyanLHi napaMeTpu - TeMnepaTypy, BonoricTL, npunnMB cBi^oro noBiTpH. npuqoMy 3ane^Ho Big BynuHHoi TeMne-paTypu i noTpi6Hoi mBugKocTi nporpiBy (a6o ^ 3a 6a^aH-hhm rocnogapiB), Bu6upae i BMuKae Ha Heo6xigHy noTy^:-HicTL oguH a6o KinLKa TennoBux npunagiB - pagiaTopu onaneHHH, Tenni nignoru, TennoBeHTunHTopu, KoHguui-oHepu b pe^MMi o6irpiBy.
^o6 cTBopuru KoM^opTHi ymobu g^H cHy, go Honi TeMnepaTypa 3hm3utlch, a BpaHui - mgBu^uTLcH. ^K^o HagoBro igeTe 3 goMy, to b hlomy BcTaHoBnroeTLcH eKoHo-MiHHuH pe^uM (+15-16 °C). 3a Tpu-HoTupu roguHu go no-BepHeHHH Mo^Ha gaTu KoMaHgy Tene^oHoM a6o Hepe3 Ih-TepHeT, i go noTpi6Horo MoMeHTy aBToMaTuKa BcTaHoBuTL y npuMi^eHHHx 3agaHi KniMaTKHHi napaMeTpu.
Рнс. 4. EnoK-cxeMa a^ropuTMy po6oTu пigcнcтeмн ocBrrne hhhm 6yguHKy
WdcucmeMa ynpaeninnx oceimnennoM. ynpaBniHHH oc-BiraeHHHM - ogHa 3 HaftBarauBimux ^yHKuift po3yMHoro 6yguHKy, 3aBgHKK HKiH 3a6e3nenyeTLcH He TinLKu oco6nu-buh KoM^opT, a H 3HaHHa eKoHoMiH cno^uBaHoi eneKTpo-eHeprii. y nigcucTeMi ynpaBniHHH ocBrraeHHHM 3a gono-Mororo nnaT^opMu Arduino, ceHcopHux nynLTiB Ta mmux 3aco6iB ^opMyroTLcH curHanu ynpaBniHHH HacTiHHMMu na-HenHMu Ta g^epenaMu cBrraa b pi3Hux npuMi^eHHax (3o-Hax), a TaKo^ cTBoproroTLcH cBrraoBi KapTuHu b oKpeMiH KiMHaTi. ^hh uLoro y naM'HTL cucTeMu 3aBaHTa^:yroTLcH roToBi cBrraoBi cueHapii, Bu6ip ogHoro 3 hkux gae 3Mory BBiMKHyTu cBrranLHuKu, BcTaHoBneHi b pi3Hux HacTuHax KiMHaTu hu 6yguHKy. Ochobhumu 3aBgaHHHMu nigcucTeMu ynpaBniHHH ocBiTneHHHM e ^opMyBaHHH curaaniB ynpaB-niHHH: BHyTpimHiM ocBiTneHHHM; 3oBHimHiM ocBiTneHHHM; tohkobum ocBiTneHHHM; HcKpaBicro ocBiTneHHH.
nigcucTeMu ynpaBniHHH ocBiTneHHHM npauroroTL 3a anropurMoM, 6noK-cxeMy HKoro HaBegeHo Ha puc. 4. y bu-nagKy, kohu Big6yBcH pyx (HanpuKnag, y pa3i Bxogy b 6y-guHoK a6o go BaHHoi KiMHaTu) - gaBaH aKTMBi3yeTLcH i ne-pegae curHan Ha nnaTy Arduino, HKa ^opMye curHan yBiM-KHeHHH ToHKoBoro ocBiTneHHH.
Внсновкн. noKa3aHo, ^o anapaTHo-nporpaMHi 3aco6u nigcucTeM ynpaBniHHH po3yMHuM 6yguHKoM noBuHHi 3B'H3aTu b eguHuH KoMnneKc pi3He o6nagHaHHH, iH^eHepHi nigcucTeMu 6yguHKy Ta 3a6e3neHyBaTu aganTauiro go bu-Mor KoHKpeTHoro KopucTyBana.
Po3po6neHo Ha 6a3i nnaT^opMu Arduino HagiHHi Ta ge-meBi nigcucTeMu ynpaBniHHH MiKpoKniMaToM i ocBiTneH-hhm, HKi ynpaBHHroTLcH hk 3a gonoMororo nynLTiB, TaK i3 BuKopucTaHHHM IHTepHeTy Ta 3a6e3nenyroTL uinogo6oBuH MoHiTopuHr 6yguHKy.
BuKopucTaHHH po3po6neHux nigcucTeM ynpaBniHHH MiKpoKniMaToM i ocBiTneHHHM 3a6e3nenye nigBM^eHHH KoM^opTHocTi npo^uBaHHH MemKaHuiB i 3HaHHe 3MeH-meHHH cno^MBaHHH eHepropecypciB.
llepe^iK BHKopHCTaHHX g^epe^
Home Sapiens. (n.d.). Home Sapiens - programmnoe obespechenie umnogo doma. Retrieved from: http://techvesti.ru/node/4627. [In Russian].
Hrytsiuk, Yu. I., Nazar, M. B., & Polishchuk, M. O. (2010). Al-horytmy ta metody styskannia danykh. Visnyk Lvivskoho derzhav-noho universytetu bezpeky zhyttiediialnosti: zb. nauk. prats, 4( 1), 7-13. Lviv: Vyd-vo LDU BZhD. [In Ukrainian]. Inzhenernye sistemy. (n.d.). Inzhenernye sistemy vashei kvartiry i doma. Retrieved from: http://ingsvd.ru/main/smarthome. [In Russian]. Kliuiko, Yu. I., & Zlotenko, B. M. (2015). Rozrobka intelektualnoi systemy keruvannia osvitlenniam "rozumnoho budynku". Tekhno-lohii ta dyzain, 2(15). Retrieved from: http://nbuv.gov.ua/ UJRN/td_2015_2_8. [In Ukrainian]. Medykovskyi, M. O., Tkachenko, R. O., Tsmots, I. H., Tsymbal, Yu. V., Doroshenko, A. V., & Skorokhoda, O. V. (2015). Intelektu-alni komponenty intehrovanykh avtomatyzovanykh system upravlin-nia Lviv: Vydavnytstvo Lvivskoi politekhniky. 315 p. [In Ukrainian]. Obzornaia statia o sisteme "Umnyi dom". (n.d.). Retrieved from:
http://portfolio.textsale.ru/10/12343. [In Russian]. Tesliuk, V. M., Berezkyi, O. M., Berehovskyi, V. V., & Tesliuk, T. V. (2012). Rozroblennia neirokontrolera dlia upravlinnia pidsystemoiu osvitlennia intelektualnoho budynku. Zbirnyk naukovykh prats IP-ME im. H. Ye. PukhovaNAN Ukrainy, 64, 137-143. [In Ukrainian]. Umnyi Dom. (n.d.). Retrieved from: http://electronic-home.com.ua/. [In Russian].
Vozmozhnosti Umnogo Doma. (n.d.). URL: http://www.bau.ua/lib-rary/art-vozmozhnosti_umnogo_doma. [In Russian].
И. Г. Цмоць, Р. М. Карпинець, Р. В. Сидоренко
Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина
СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ ПОДСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ
И ОСВЕЩЕНИЕМ УМНОГО ДОМА
Сформированы требования к подсистемам управления микроклиматом и освещением умного дома, основными из которых являются: обеспечение комфортного микроклимата проживания, освещения и уменьшения потребления энергоресурсов. Определено, что обеспечить такие требования можно путем использования современных телекоммуникационных технологий и микроконтроллерных систем управления отоплением, кондиционированием, вентиляцией, температурой пола, внутренним и внешним освещением. Проанализированы аппаратно-программные средства, которые предлагает рынок для синтеза систем управления умным домом и показано, что недостатком таких средств является необходимость их адаптации к требованиям конкретного применения и относительно высокая цена, которая ограничивает их использование. Предложено для синтеза подсистем управления микроклиматом и освещением использовать готовые компоненты, реализуемые в виде готовых модулей. Показано, что подсистемы управления микроклиматом и освещением умного дома связывают в единый комплекс разнородное оборудование и инженерные системы дома. Разработаны, с использованием платформы Arduino, структуры подсистем управления микроклиматом и освещением умного дома, которые адаптируются к требованиям конкретного пользователя и обеспечивают повышение комфортности проживания, уменьшают потребление энергоресурсов и имеют невысокую стоимость. Основными компонентами разработанных подсистем управления микроклиматом и освещением является платформа (плата) Arduino, которая состоит из микроконтроллера Atmel AVR, элементов обвязки для программирования и интеграции с другими устройствами, датчиков освещенности, движения, температуры, влажности и силы ветра, средств обеспечения микроклимата - обогреватели, подогрев пола, газовый котел, увлажнители воздуха, вытяжки и жалюзи. Разработаны блок-схемы алгоритмов работы подсистем управления микроклиматом и освещением умного дома. Предложено для управления умным домом использовать как проволочные (существующие коммуникации), так и беспроводные (сеть Internet, мобильная связь) средства связи. Показано, что контроль и установление необходимых параметров в разработанных подсистемах управления микроклиматом и освещением умного дома может осуществляться с помощью как сенсорных пультов, так и мобильных приложений.
Ключевые слова: умный дом; подсистема управления; освещение; микроклимат; датчики; платформа Arduino; аппаратно-программные средства.
I. G. Tsmots, R. M. Karpinets, R. V. Sydorenko
National University "Lviv Polytechnic", Lviv, Ukraine
THE STRUCTURE AND ALGORITHMS OF THE OPERATION OF CLIMATE CONTROL
AND LIGHTING OF THE SMART HOUSE
The authors have specified the requirements for the climate control subsystems and lighting of the smart house to be as follows: providing a comfortable microclimate of living; lighting and reducing energy consumption. We have determined that such requirements can be met by using modern telecommunication technologies and microcontroller systems for heating, air conditioning, ventilation, floor temperature, and internal and external lighting. The existing hardware and software offered on the market for the synthesis of smart house management systems are analyzed. We have shown that the disadvantage of such means is the need for their adaptation to the requirements of particular application and a relatively high price that can limit their use. We suggest using ready-made components available in the form of ready modules for the synthesis of climate control subsystems and lighting. The results of the study have shown that the subsystems of climate control and lighting of the smart house connect heterogeneous equipment and engineering systems of the house in a single complex. Using the Arduino platform, we developed the structure of the subsystems of climate control and lighting of the smart house, which suit the requirements of the individual user and provide improved living comfort, reduce energy consumption and have low cost. The main components of the developed climate control and lighting subsystems are the Arduino platform (board), consisting of the Atmel AVR microcontroller, strap elements for programming and integration with other devices, light sensors, movement, temperature, humidity and wind power, microclimate facilities such as heaters, floor heating, gas boiler, air humidifiers, hoods and blinds. The block diagrams of operation algorithms of the subsystems of climate control and lighting of intellectual house are developed. It is proposed to use both wired (existing communications) and wireless (the Internet, mobile communication) communication means for management of the smart house. It has been shown that monitoring and setting of necessary parameters in the developed subsystems of climate control and lighting of the smart house can be carried out using both touch-sensitive remote controls and mobile applications.
Keywords: smart house; control subsystem; lighting; microclimate; sensors; Arduino platform; hardware and software tools.
