Мой творческий проект по технологии умный дом. Проектная работа по информатике на тему "умный дом"

Предварительный просмотр:

Фестиваль творческих открытий и инициатив «Леонардо»

Научно-исследовательская работа

« Проект «Умный дом» в среде Arduino »

Подготовил:

Ливенский Вадим Николаевич,

обучающийся 6 класса

Руководитель работы:

Мельникова Татьяна Александровна,

учитель информатики

МОУ «Мантуровская СОШ»

Курск, 2017

Введение

С каждым годом тема «Умный дом» завоевывает все большую и большую популярность и, как в свое время автомобиль, интеллектуальное жилище становится не роскошью, а необходимостью. Из прежних игрушек умная автоматика перерастает в неотъемлемую часть современного дома. И с каждым годом система управления становится все сложнее и сложнее. Эта тема заинтриговала нас своей способностью делать пребывание в собственном жилище наиболее комфортным и безопасным.

Главной целью в нашей научной работе на тему «Умный дом» является исследование и рассмотрение возможности современной интеллектуальной системы управления зданием в доступной и понятной для школьников форме.

Гипотеза: Если изучить возможности системы «Умный дом», то можно реализовать их в среде Arduino на основе программного кода.

Цель: Ознакомиться с возможностями системы "Умный дом" и реализовать применение элементов системы в среде Arduino.

Задачи исследования:

• собрать необходимую информацию, посвященную комплексной системе управления "Умный дом";
• создать свой аналог элементов управления системы в среде Arduino.

Объект исследования: беспроводная связь (среда Arduino) на основе программного кода .

Предмет исследования:

• процесс управления двигателем;
• процесс управления климатом и отоплением и другими устройствами, которые можно подключить к общей системе.

Методы исследования: сбор материала по теме, его анализ и обработка.

1. Понятие умный дом

Заглянем в прошлое. В давние времена жильём для человека были места созданные природой. У древних людей были дома, в пещерах. Дома даже есть на деревьях, из камней. Есть дома на севере. Это – ЧУМЫ, из кожи оленей. Существуют дома в скалах. Это очень необычно и интересно. Потом с развитием методов обработки материала, когда люди научились делать топоры и пилы - дома стали строить из дерева. Дома стали деревянные. А ведь в сказках тоже мы наблюдаем различные дома. Знаменитая избушка на курьих ножках. Замки королей и царевичей. Чем больше люди придумывали материалы и способы их строительства, тем больше рождались новые дома. Кирпичные, многоквартирные. Сейчас у людей много накоплено знаний, и они стремятся к чему-то новому. Из простых домов люди стали делать умные дома.

Умный дом (англ. intelligent building) - жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт (в том числе безопасность), и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопи-тельными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и прочим.

По оценкам аналитиков рынок умного дома активно развивается. К 2020 году общий объем мирового рынка достигнет $51.77 млрд. В период с 2013 по 2020 года среднегодовые темпы роста рынка будут на уровне 17.74% . Основными игроки в этой отрасли за рубежом - Siemens AG (Германия), Schneider Electric SA (Франция),TELETASK (Бельгия), ABB Ltd. (Швейцария), компания Ingersoll-Rand PLC (Ирландия), Tyco International Ltd. (Швейцария), Emerson Electric Co. (США), Legrand С.А. (Франция), Crestron Electronics, Inc. (США) , Lutron Electronics, Inc. (США), Control4 Corporation (США), и др.

Объемы российского рынка значительно скромнее. В 2012 году объем рынка у нас в стране превысил 56 млн. евро или 2,3 млрд. рублей. В 2013 году по предварительным оценкам рынок вырос на 30% - до 65 млн. евро или почти 3 млрд. рублей. К 2017 году его общий объем может достигнуть 176 млн. евро или 7,9 млрд. рублей .

Концепция «умного дома», родившаяся в семидесятых годах прошлого века, была ориентирована, прежде всего, на экономию электроэнергии. В основе концепции лежало размещение в жилом доме различных датчиков, определявших, находится ли кто-нибудь в помещении, что позволяло включать и выключать свет в зависимости от наличия людей в комнате. По мере развития высоких технологий, концепция стала обрастать дополнительными возможностями.

Сегодня система «умный дом» осуществляет управление освещением , отоплением и вентиляцией, охраной и видеонаблюдением, аудио- и видеоаппаратурой, бытовой техникой, климатом в зимнем саду, поливом газона и очисткой бассейна, открытием форточек и ворот, перекрытием газа и воды в случаях аварии и т.д. Участие людей при этом сводится к минимуму.

Интеллектуальный дом хорош тем, что предлагает разумный подход к использованию энергоресурсов. Для оптимизации расходов на освещение в подсобных помещениях дома возможна установка датчиков движения, которые автоматически включают свет только в присутствии человека. Или, например, система отопления следит за тем, чтобы в ночные часы и во время отсутствия хозяев температура в доме понижалась. А система вентиляции будет включаться только периодически, с заданными временными интервалами. При этом надо помнить о том, что кроме существенной экономии денег бережное использование энергии привносит существенный вклад в решение проблем экологии. Система "умный дом" может оказать неоценимую услугу и спасти от солидных трат в случае протечек воды, утечки газа или возгорания, благодаря установленным датчикам утечки воды, датчикам затопления, детектору дыма. Ведь случайная авария может стать причиной испорченного имущества и загубленного ремонта. Интеллектуальные системы учета и контроля энергоресурсов смогут не только перекрыть воду или газ, но и вовремя сообщить о случившемся хозяину. И, конечно же, не будем забывать об охранной сигнализации, которая в случае нарушения общественного порядка позволяет передать вызов в отделение милиции.

Микроклимат «умного дома» с высокой точностью отслеживает параметры воздуха в помещениях и корректирует ее в соответствии с программой или согласно командам пользователя. Централизованное управление кондиционерами, системой отопления гарантирует комфортные условия для проживания в любое время года. Система включает принудительную вентиляцию или открывает окна для проветривания помещений.

В общих чертах, система состоит из следующих элементов:

• Специальный контроллер или компьютер (управляет всей системой)
• Множество датчиков (передают информацию контроллеру)
• Исполнительные устройства (по команде контроллера управляют различными объектами, например гаражными воротами)
• Источники питания (обеспечивают бесперебойное электроснабжение для всех элементов системы)
• Линии связи (соединяют между собой все вышеперечисленные устройства)

Система работает следующим образом. К контроллеру подключено множество датчиков и исполнительных устройств. В качестве линий связи могут быть использованы: отдельно проложенные провода, существующая электропроводка или радиоканал. Пользователь настраивает алгоритм работы контроллера под свои требования. Сотни раз в секунду контроллер опрашивает датчики, следящие за состоянием всех систем «умного дома». После опроса этих датчиков система анализирует ситуацию и в зависимости от установок, заданных ей пользователем, принимает то или иное решение. Исполнительные модули и системы получают команды и включают-выключают соответствующие устройства: освещение, систему охраны, кондиционирование воздуха, отопление, подачу воды и т.д.

Кроме автоматического режима система управляется и автономно, например, с помощью «умного» обучаемого пульта. Универсальным пультом дистанционного управления можно управлять не только телевизором и домашним кинотеатром. С его помощью легко активировать любую функцию «умного дома»: задать различные сценарии освещения , открыть и закрыть ворота, поставить дом на охрану и т.д.

Больше всего впечатляет то, что управлять системой можно,– через интернет (используя электронную почту) или мобильную связь (используя SMS-сообщения). Сидя на работе, например, можно дать команду подготовиться к вашему возвращению домой - включить систему "климат-контроля" , подогреть пол, разогреть сауну и т.п.

Важно отметить, что все инженерные подсистемы «умного дома» должны иметь возможность работать в автономном режиме. В случае, если какая-то из подсистем вышла из строя, то и вся система не сможет исправить проблему, поскольку «умный дом» является надстройкой над остальными инженерными системами.

Самые "умные" здания мира

Первым «интеллектуальным» зданием в мире стал «дом трона» японского профессора Кена Сакамуры в Токио, построенный в конце 1980-х годов. Датчики погоды открывали окна, когда дул свежий бриз, и включали кондиционер, когда становилось жарко; если радио играло слишком громко, окна автоматически закрывались, чтобы не потревожить соседей; если звонил телефон, компьютер снижал звук аудиосистемы, и так далее.

Самым известным и дорогим на сегодня ($100 млн.) стал дом, построенный в США для человека по имени Билл Гейтс, знаменитого создателя корпорации Microsoft. Это многоэтажная вилла, оснащенная самым "продвинутым" оборудованием. В здании осуществляется компьютерный контроль и управление всем инженерным оборудованием, поддерживается оптимальный микроклимат в каждом помещении. При входе в жилище каждый посетитель получает специальный электронный значок, который обеспечивает подключение ко всем информационным службам дома. В дальнейшем этот значок сообщает датчикам, где находится гость, для того, чтобы дом смог выполнить все его пожелания. В темное время суток каждого сопровождает движущаяся световая волна, при этом, чем дальше светильник находится от человека, тем меньше его яркость.

Все стены оборудованы встроенными телевизионными экранами. С помощью того же универсального пульта управления на экраны выводятся любые изображения из огромного архива картин, видеозаписей, фильмов и телепрограмм. Системы автоматического управления климатом , освещением , телефонами и множеством других электронных устройств доведены до логического совершенства, но при этом человек не становится «рабом» электронного «мозга» своего дома, поскольку в любой момент может вернуться к традиционному «ручному» управлению - рядом с электронными панелями мирно уживаются и «старомодные» выключатели.

2. Выполнение эксперимента.

В разработке проекта «Умный дом» использовалась Arduino 1.8.1

Программа Arduino - марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники , ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE ) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат , продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

Программы Arduino можно использовать для выполнения базовых команд, таких как создание вспышек LED-устройств, или комплексных функций, таких как передача данных по Интернету. Для определенных приложений доступны различные схемы Arduino.

Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. В концепцию Arduino не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно.

Язык программирования

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC ).

Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

• setup() : функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.
• loop() : функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Описание системы

Для электронной схемы «Умный дом» использовались следующие элементы:

1. Проблемная ситуацияПроекты "умных" домов предполагают
постройки жилого типа, которые
оборудованы с помощью
высокотехнологичных устройств и
автоматизации. И мы решили узнать
подробнее об этих устройствах и системах
и каких видов они бывают.

2.Цель проекта

3.Задачи

4.Критерии и требования к нашему будущему дому

5.Исследования

6. Варианты будущего дома, интерьер и ландшафт

7. Выбор систем

8. Влияние систем умного дома на человека и экологию

Наш будущий дом

9. Самооценка и оценка

Еще несколько лет назад при упоминании термина «умный дом», люди представляли себе настоящее чудо прогресса, доступное только состоятельным. Интересная, но практически бесполезная игрушка для богатых – думали потребители. А что сегодня?

Мнение кардинально изменилось! Высокие технологии завоевали наше доверие благодаря своим практичным решениям. Экономия ресурсов, безопасность, повышенный комфорт, контроль за всеми процессами в помещении – изобретение полностью изменило нашу жизнь. Умный дом или Smart Home – система уникального взаимодействия человека и жилого пространства, где все процессы автоматизированы. Больше такие технологии не является роскошью – интеллектуальные решения становятся доступными и многофункциональными.

Smart Home – технологии управления домом

Газ, вода, отопление – серьезная статья расходов. А как вам перспектива уменьшить все выплаты на 25-30%? И это вполне реально. Оборудование «умный дом» – без преувеличения настоящий интеллектуальный помощник, который умеет оптимизировать затраты ресурсов. Особенно это ощущают хозяева загородных домов, где установлены счетчики. Достаточно задать нужную программу и ваш «помощник»:

• Контролирует температуру в каждой комнате, причем учитывает, присутствуют ли хозяева в доме. Как только вы отправились на работу или учебу, умный дом начинает снижать температуру в комнатах, а к вашему возвращению повышает ее, чтобы добиться необходимого уровня комфорта.
• Следит система за потреблением энергии. Указываем в «сценарии», что кондиционер нужен нам только вечером, а все электрические приборы должны быть отключены в ваше отсутствие (стиральная машина, магнитола, освещение и т.д.) – все выполнено!
• Подтекает кран, забыли отключить воду – система моментально обнаружит такие моменты и прекратит подачу воды.

Проанализировав такие выгоды, вы через пару месяцев убедитесь, что дом умный и интеллектуальный – реальная возможность экономить! Управлять и задавать разные «команды» своему помощнику можно с любого места города – вам нужен лишь мобильник или планшет.

Интеллектуальный дом – система безопасности на гране фантастики!

«Неинтеллектуальные системы безопасности» – это просто трата денег, которая навряд ли защитит вас в патовой ситуации. И совсем по-другому дело обстоит с технологией будущего – проект по технологии умный дом поражает своими решениями и «способностями».

Секрет в том, что система может быть оснащена сложнейшими сценариями реагирования на разные ситуации. Вы будете иметь возможность принять решение (дистанционно), как реагировать на нестандартное происшествие:

Ну и, конечно, проект по технологии умный дом – это ваши «глаза и уши»! Интегрированные камеры и специальный алгоритм будут следить за вашими нянями, работниками и детьми в ваше отсутствие. В доме есть комнаты, в которые запрещено входить – при попытке туда проникнуть «взломщик» услышит предупреждение, а вы узнаете о такой попытке.

Совершенство в мелочах – оборудование для умного дома вам в помощь

Надоело каждый раз включать и выключать свет, задергивать шторы, ставить любимую музыку в каждой из комнат? Уникальная система создаст неповторимый комфорт в любом помещении для своего хозяина. Ярко светит солнце – система моментально приспустит жалюзи. Стало темно – откроет шторы, проследит, чтобы вечером занавески были плотно закрыты и сразу включился свет. Да и переживать о забытых включенных приборах больше не придется – управляйте всеми розетками одновременно.

Дом умный заботится и о вашем отдыхе – устанавливаются специальные колонки и мониторы. Ставьте любимую музыку или фильмы, и они будут практически «ходить» за вами по всем комнатам. При вашем перемещении будет включаться монитор и колонки.

А еще оборудование умноного дома настоящий «имитатор» хозяев в их отсутствие. Уезжаете на отдых или в командировку – система по заданному сценарию будет открывать, и закрывать шторы, включать свет и музыку, создавать реалистичные шумы (голоса, смех, лай собаки).

Технологии Смарт хаус – климат для комфортной жизни

Пожалуй, самое большое преимущество интеллектуальной технологии – особый микроклимат в каждой комнате. Сценарий позволит охлаждать воздух в спальне (на время сна), а перед пробуждением нагреет его. Тренируетесь или работаете в кабинете – воздух будет соответствовать оптимальной температуре. Помимо этого, ваш умный дом создаст настоящий оазис – влажность воздуха, его очистка, система проветривания.

Проект по технологии умный дом – это решение одной из актуальных проблем: несогласованная работа нескольких приборов. Например, при работе кондиционера (на охлаждение) дом сам выключит радиатор или отопительный котел. Никакого «соревнования» приборов – только экономное потребление (самостоятельно трудно уследить за такими моментами).

Хотите расслабиться в своем уютном и умном доме? Сложный сценарий дарит такую возможность:

• Уникальные ароматы, которые по команде окутают комнату: морской бриз, аромат цветов, запах фруктов.
• Приятные звуки: пение птиц, шум набегающей волны, тихая музыка.

И, конечно, ваш «помощник» может позаботиться о домашних любимцах и комнатных растениях – функции автополива растений, кормление животных в определенные часы.

Проект по технологии умный дом – тысяча решений на каждый день

Комфортно, тепло, уютно и безопасно. А что еще дарит вам интеллектуальный дом? Возможностей масса, ведь каждый проект – это воплощение ваших желаний:

• Романтическое свидание – уникальная программа, которая за считаные минуты наполнит комнату особым настоянием. Достаточно незаметно нажать кнопку на телефоне или пульте управления – свет тускнеет, включается музыка, появляются приятные ароматы, раскладывается мебель и т.д.
• Любое мероприятие – программа для вечеринок, просмотра фильмов, убаюкивания ребенка, встречи гостей. Учитываются все мелочи: от выключения света до включения светомузыки.
• Приятное пробуждение – умный дом разбудит вас легко и приятно. Главное, составить подробный сценарий: приоткрытые шторы, легкая музыка, бодрящий голос близких.
• Воспитываем детей! Умный дом еще и отличный педагог – во время вашего отсутствия он проконтролирует, чтобы ребенок весь день не сидел за компьютером и телевизором. Можно задать условия, при которых доступ к сети будет восстановлен – например, побегал на велодорожке 30 минут, 60 минут сиди в сети.

Умный дом, который создает для вас отличные условия жизни, защищает, дарит комфорт – больше не фантастика, а доступная реальность. Единый пульт управления, продуманная панель, где интегрированы все приспособления – нажмите одну кнопку и вы забудете, что такое бытовые проблемы!

Понятие У́умный дом (англ. digital home) жилой автоматизированный дом современного типа, организованный для удобства проживания людей при помощи высокотехнологичных устройств. Под «умным домом» следует понимать систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Основной особенностью интеллектуального здания является объединение отдельных подсистем в единый управляемый комплекс.англ.домвысокотехнологичных

Разберём всё по пунктам. 1) Регулировка отопления Наверняка, каждый житель хотел бы иметь в многоквартирном доме регулятор отопления в квартире, чтобы с его помощью создавать комфортные для себя условия проживания в зимний период. На самом деле, далеко не каждый знает, что это такое, и для чего нужна регулировка отопления в квартире. На самом деле она дает возможность: Носителю свободно двигаться по трубам отопительного контура, избегая завоздушенности. Это позволяет ему полноценно отдавать тепло помещению, создавая приятный микроклимат. Дает возможность снижать до 20-25% затраты, уменьшая нагрев радиаторов. Как показывает практика, понижение нагрева воздуха в помещении всего на 1 градус дает экономию до 6%. Регулировка температуры батареи отопления в квартире позволяет увеличивать подачу тепла, если его недостаточно.

Система управления освещением это интеллектуальная сеть, которая позволяет обеспечить нужное количество света, где и когда это необходимо. Эта система широко применяется в коммерческой и жилой недвижимости, в промышленности и для внутренней и наружной рекламы. Большинство таких систем способны автоматически регулировать освещение. Автоматизация представляет собой один из трех основных механизмов оптимизации освещения, наряду с использованием энергоэффективных ламп и грамотным расположением светильников. Системы управления освещением используются для максимизации экономии энергии, в том числе с учетом строительных норм, стандартов зеленого строительства и энергосберегающих программ. Системы автоматического управления освещением часто встречаются под названием умное освещение. 2)Управление освещением

4)Управление с телефона Сегодня невозможно представить уумный дом без управления с мобильных устройств. Когда все только начинали свою эпопею с умным домом, то возможность управлять с телефона была одной из главных, а если быть совсем честным, то в списке ответов а зачем это вообще нужно? управление с мобильных устройств было на первом месте.

5)Удалённый доступ через Интернет Современными системами уумный дом можно управлять удаленно из любой точки мира. Достаточно настроить средство связи и подключиться к интернету. Естественно в самом доме также должен находиться компьютер, осуществляющий обратную связь и санкционирующий доступ к Центру управления извне. Управление умным домом через интернет происходит через интерфейс программы, установленной на компьютере в здании. Вы можете осуществлять управление умным домом через интернет в любой момент времени и запрашивать отчеты о событиях, которые произошли за время вашего отсутствия.

6)Системы мультимедиа Мультимедийные системы включают в себя: мультирум; домашний кинотеатр; медиа сервер; телевидение; Централизованное управление аудио, видео и фото-контентом, - это современно, удобно и достаточно просто. При этом: сама аппаратура может находиться где угодно, телевизоров и источников звука может быть сколько угодно; они могут работать как угодно - все одновременно или по очереди; аппаратура может транслировать изображение или звук куда угодно - только в одно или сразу в несколько помещений. Управление всеми компонентами multiroom можно осуществлять как с помощью клавиш самих устройств, так и: настенных клавиш; пульта ДУ; сенсорных панелей; компьютера; мобильного телефона; планшета.

6 причин «ЗА» систему управления мультимедиа «умного дома» 1) Централизованная трансляция аудио- или видеосигнала в любое помещение 2) Централизованное хранилище данных 3)Автоматическое снижение уровня громкости звука воспроизведения при входящих звонках 4) Система внутреннего интеркома 5) Smart Sound 6) Уумный домашний кинотеатр

7)Ворота, жалюзи и рольставни Все типы ворот: Подъёмно-поворотные. Открывайте и закрывайте со смартфона, из любого места. Откатные. Переживаете, что забыли закрыть ворота? - Проверьте и закройте их с телефона. Секционные. Можно настроить дополнительный брелок, один на все ворота. и не только. Распашные. Мгновенно получите уведомление, если кто-то открыл ворота.

8)Бытовая техника и электроника Рынок «умной» бытовой техники довольно молод и наиболее широкое проникновение такие устройства имеют в развитых странах. Так, например, по данным американской Consumer Electronics Association, в США каждый пятый домовладелец, у которого подключен скоростной интернет, купит хотя бы один «уумный» бытовой прибор в течение года (начиная с октября 2015 года), так что продажи таких девайсов только в США вырастут с 20,7 млн единиц техники в 2014 году до 35,9 млн на конец 2016 года. Интересно, что более половины этих потенциальных покупателей – моложе 35 лет. В других странах спрос на «умную» технику будет зависеть от уровня проникновения широкополосного интернета, от покупательской способности населения (зачастую «умная» техника дороже чем аналогичные приборы, не обладающие интеллектом) и других факторов. По данным исследования GfK, проведённого на рынках 7 развитых стран, 91% опрошенных имеют представление о подобного рода технологиях, 51% считают, что использование таких технологий может существенно изменить качество их жизни.

9) Вентиляция и кондиционирование Существует простой и доступный по цене вариант создания «умного» климат-контроля – самостоятельно собрать автоматическую систему с помощью специальных электронных устройств, которые помогут удобно и эффективно управлять климатом, находясь как внутри дома, так и на расстоянии. Это могут быть контроллеры и GSM- модемы, управляющие работой отопительных систем и кондиционеров, а также позволяющие следить за температурой в разных помещениях с помощью специальных датчиков. Цены на такие контроллеры и модемы начинаются от – рублей, но чтобы собрать всю систему, потребуются датчики и другое дополнительное оборудование.