Курсовая работа

Разработка информационной измерительной системы в рамках проекта «Умный дом»

Категория:

Курсовая работа

Дисциплина:

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ)

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

20 руб.

Оценка: 10
Объем страниц: 36
Год сдачи: 2021
Дата публикации: 07.05.2021

Фрагменты для ознакомления

Разработка информационной измерительной системы в рамках проекта «Умный дом»

 

РЕФЕРАТ

Курсовой проект: 36 с., 15 рис., 13 источников.

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, КОНТРОЛЛЕР, ИНТЕРФЕЙС, ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ, «УМНЫЙ ДОМ», АВТОМАТИЗАЦИЯ, КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ЭЛЕКТРОПРИВОД.

Объектом проекта является информационно-измерительная система в рамках проекта «Умный дом».

Цель проекта – проект «Умный дом».

В процессе проектирования и разработки системы «Умный дом» выполнены следующие исследования: была приведена техническая характеристика и наглядно показана его реализация на объектах автоматизации на жилых и частных домах, функционирование системы и её внутренней коммуникации посредством специального программного обеспечения, и доступных каналов связи  Ethernet и lonworks, рассмотрены схемы управления системы «Умный дом» через специальные интерфейсы, автоматизированное рабочее место, интегрированная система автоматизации и диспетчеризации, произведён общий технологический расчет объекта и выбор электромеханического оборудования на базе общественного здания, разобрана технология X-10, произведён сравнительный анализ всех компонентов информационно-измерительной системы проекта «Умный дом».

В курсовом проекте все заимствованные из литературных и других источников теоретические и методологические положения и концепции сопровождаются ссылками на их авторов.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1.1 УПРАВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ INTERNET. 8

1.2 ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ. 9

1.3 КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ДОМОМ ПОСРЕДСТВОМ ПУЛЬТА СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ». 9

1.4 УПРАВЛЕНИЕ ПОСРЕДСТВОМ КПК PALM.. 9

1.5 УПРАВЛЕНИЕ С КОМПЬЮТЕРА (РС) 9

1.6 АСКУЭ БЫТОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.. 10

2 ТЕХНОЛОГИЯ X-10. 13

3 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ». 16

3.1 УМНЫЙ ДОМ НА БАЗЕ ПК.. 16

3.2 УМНЫЙ ДОМ НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРА. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ. ПРЕИМУЩЕСТВА И ВОЗМОЖНОСТИ MEGAD-328. 17

3.3 MEGAD-328. НЕКОТОРОЕ СОВМЕЩЕНИЕ ПОДХОДОВ. 19

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОБЪЕКТА И ВЫБОР ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.. 22

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА: СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И СТРУКТУРНОЙ СХЕМ, РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ.. 23

5.1 РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ВНЕШНИМИ «СУХИМИ» КОНТАКТАМИ   29

5.2 УПРАВЛЕНИЕ ПО ETHERNET-ИНТЕРФЕЙСУ.. 30

5.3 УПРАВЛЕНИЕ ПО СЕТИ LONWORKS. 31

6 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ.. 33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 35

 

ВВЕДЕНИЕ

Система «Умный дом» является актуальным на сегодняшний день инструментом, который предназначен для энергосбережения и индивидуального контроля энергопотребления, как квартиры, так и многоквартирного жилого дома, также других функций, которые помогают упростить быт. Часть процессов в данной системе происходит автоматически, а остальной можно управлять дистанционно. 

Благодаря модульности системы «Умный дом» появляется возможность тонкой настройки отдельных элементов и подсистем. Это позволяет, в первую очередь, добиться значительной экономии ресурсов, а также обеспечить комфортные условия для жизни каждого отдельного пользователя.

Целью данного курсового проекта является проектирование и разработка информационно-измерительной системы в рамках проекта «Умный дом». Различные информационно-измерительные системы представляют собой законченные программно-аппаратные решения,отличающиеся по своим параметрам и сферам применения.


1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 «Умный дом» — это интеллектуальная система управления, которая объединяет в единый комплекс все оборудование, решающее различные задачи в сфере обеспечения безопасности, жизнеобеспечения, развлечений и связи. Любая система «умный дом» состоит из датчиков, через которые поступает информация, и исполнительных устройств.

«Умный дом» — это неотъемлемый атрибут любого современного жилища, в котором совмещены различные инженерные системы: освещение, силовая электрика, отопление, вентиляция, кондиционирование, техника домашнего кинотеатра, охранно-пожарная сигнализация. Без комплексного подхода к решению этих задач, невозможно достигнуть желаемого уюта. Система «умный дом» способна контролировать всю инженерию жилища непрерывно.

Одно из главных достоинств интеллектуальных зданий — это комфорт, который они обеспечивают своим жильцам. Управление освещением дома и придомовой инфраструктуры позволяет создавать различные варианты световых сцен, любые комбинации, в зависимости от времени суток и настроения, одним нажатием на кнопку. Система климат-контроль дает возможность в одно и то же время в разных комнатах воссоздать условия различных климатических зон. Для этого всего лишь нужно задать требуемую температуру на сенсорной управляющей панели.

Еще одно неоспоримое достоинство «умного дома» — это система безопасности. Более того, системы автоматизации продуманы так, что предполагают защиту от любой чрезвычайной ситуации. Во-первых, они обеспечивают защиту от вторжения с помощью камер видеонаблюдения, автоматизации дверей, ворот, роль ставней, охранной сигнализации. Во-вторых, нет практически ни единого шанса пожара — оставленные включенными утюг, щипцы или духовка, будут вовремя выключены, а в случае любого возгорания или задымления сработает пожарная сигнализация. Система контролирует расход воды, электроэнергии, тепла. Это достигается с помощью максимально рационального использования.

В каждом современном здании (доме) в той или и иной степени функционирует большое количество оборудования, обеспечивающего быт, комфорт, уют, связь и безопасность, помогающего отдохнуть и создающего полноценную рабочую среду. Удобство управления этими системами, их интеграция друг с другом, возможность слаженно работать вместе, увеличивая тем самым функциональность каждой из них в отдельности — все это и дает возможность назвать такой дом — умным домом.

В отсутствии человека система «умный дом» будет поддерживать оптимальным образом постоянный микроклимат, сохраняя тем самым уют, комнатные растения и мебель. Она выключит ненужный свет или наоборот будет создавать видимость вашего присутствия, включая и выключая освещение в той или иной комнате время от времени. «Умный дом» позволит вам спокойно и беззаботно отдыхать.

Также не останется незамеченным проникновение в дом постороннего. Система «умный дом» постарается выпроводить его сама, создавая неприятные условия его нахождения в доме и, конечно, сообщит вам и на пульт охраны об этом происшествии, воспользовавшись мобильной связью или электронной почтой.

Хозяин может сообщать «умному дому» не только о том, что он возвращается, но может постоянно управлять им и получать информацию о состоянии систем в доме, находясь при этом, где угодно. Поэтому вам не нужна больше нянька, которая будет следить, чтобы дети не сидели перед телевизором, пока вас нет дома. Вы сможете сделать это сами — удаленно. И «умный дом» поможет Вам в этом.

«Умный дом» — это система интеллектуальной автоматики для управления инженерными системами современного здания.

Любому человеку в доме, в квартире или в офисе важно чувствовать себя комфортно и безопасно. Именно эти две задачи плюс эстетика внешнего вида устройств и есть основные целевые установки, на которые ориентированы системы «Умный Дом». Интеллектуальная автоматика управляет всеми инженерными системами в доме, позволяет человеку централизованно устанавливать комфортные для себя температуру, влажность, освещенность в комнатах и т. д.

Итак, система «умный дом» включает в себя следующие объекты автоматизации:

  • управление освещением;
  • управление электроприводами;
  • климат-контроль;
  • управление системой вентиляции;
  • централизованное управление системами:
  • мультирум;
  • системы видеонаблюдения;
  • ОПС (охранно-пожарная сигнализация);
  • СКД (системы контроля доступа);
  • контроль нагрузок и аварийных состояний;
  • управление инженерным оборудованием с сенсорных панелей;
  • сервер управления.

 

1.1 УПРАВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ INTERNET

Для управления настройкой дома из офиса, машины и т.д. программа системы «умный дом» использует электронную почту, через которую передаются необходимые команды. Для этого основная программа разделяется на два независимых модуля, один из которых находится в доме и принимает сигнал. Другой же находится вместе с пользователем на его рабочем компьютере, планшете или смартфоне.

 

1.2 ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Для управления бытовыми устройствами непосредственно в доме был создан пульт дистанционного управления, позволяющий совмещать в себе управление телевизором, видеомагнитофоном, музыкальным центром, спутниковым ресивером. Он так же позволяет включать и отключать: осветительные приборы, управляемые электрические розетки, различные сценарии освещения. При помощи комбинаций нескольких кнопок можно открыть ворота, поставить дом на охрану и совершить много других различных действий.

 

1.3 КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ДОМОМ ПОСРЕДСТВОМ ПУЛЬТА СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ»

Настенный пульт — основной пульт системы, позволяющий пользователю полноценно работать со всеми функциональными возможностями системы. Предназначен для ввода информации в систему и её отображения. При входе в умный дом, с помощью него, возможно снять систему с охраны, а уходя из дома — установить систему на охрану. Также, можно просмотреть протокол сообщений о событиях, ввести номера телефонов, по которым будет производиться дозвон в аварийных ситуациях и т.д.

 

1.4 УПРАВЛЕНИЕ ПОСРЕДСТВОМ КПК PALM

Различными режимами и устройствами в умном доме можно управлять с помощью жидкокристаллического экрана Touch Screen. Эта возможность реализована на базе карманных персональных компьютеров (КПК) семейства Palm, подключаемых к системе «умный дом».

 

1.5 УПРАВЛЕНИЕ С КОМПЬЮТЕРА (РС)

Дружественная для пользователя программа, работающая в среде операционной системы Windows, позволяет включать и выключать определённые режимы системы «умный дом», а также производить настройки её работы, читать и выводить на печать протокол сообщений.

 

1.6 АСКУЭ БЫТОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Автоматизированные системы коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ) бытовых потребителей предназначены для организации учёта электроэнергии на трансформаторных подстанциях и распределительных устройствах многоквартирных жилых домов, учреждений, офисных зданий и других организаций жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), в коттеджных посёлках (населённых пунктах с преимуществом частного сектора) и садоводческих товариществах.

Сбор информации об энергопотреблении с приборов учёта реализуется, в зависимости от особенностей объекта, с применением одной из апробированных и зарекомендовавших себя технологий:

  • проводная передача данных (RS-485);
  • беспроводная передача данных (ZigBee);
  • передача данных по силовой линии 0,4 кВ (PLC).

Собранные с приборов учёта данные транслируются в центр сбора для консолидации и дальнейшей обработки по сети GSM/GPRS или любым другим доступным каналам связи.

В состав АСКУЭ БП входят следующие устройства:

  • счетчики электроэнергии с функцией хранения в энергонезависимой памяти промежуточных значений вычислений, что важно для обеспечения сходимости данных измерения счетчика и системы;
  • устройства сбора и передачи данных (УСПД), выполненные в виде многоканальных электросетевых модемов (ЭСМ) с интерфейсным модулем и контроллером счетчиков, – для считывания, запоминания и передачи по электросети в локальный блок сбора данных показаний приборов учета;
  • локальные блоки сбора данных (ЛБСД), служащие для управления работой электросетевых модемов, считывания из них показаний приборов учета, их накопления и передачи в центральную диспетчерскую, синхронизации «часов» автономных блоков;
  • в компьютере центральной диспетчерской (ЦД) осуществляется обработка показаний приборов учета, расчет суммы платежа за потребленные ресурсы, учет социального статуса потребителя, поддержка мультитарифного регулирования, выписывание счетов.

Телеметрический выход счетчика электроэнергии подключен с помощью телеметрического кабеля к входу интерфейсного модуля многоканального электросетевого модема, устанавливаемого в этажном щитке. В электросетевых модемах телеметрическая информация интегрируется, показания привязываются ко времени и фиксируются в энергонезависимой памяти в соответствии с заданной извне программой. 
Для передачи в ЛБСД первичная телеметрическая информация преобразуется в ЭСМ в вид, обеспечивающий ее передачу без потери и искажений по электросети. ЛБСД представляет собой автономный модуль с несколькими устройствами для приема и передачи информации. К каждой из трех фаз силовой электропроводки ЛБСД подключен с помощью трех встроенных ЭСМ. Устанавливается ЛБСД либо в трансформаторной подстанции, либо на вводе в здание.         

ЛБСД через последовательный интерфейс и телефонный модем передает данные по коммутируемой или выделенной линии на компьютер ЦД. Для децентрализованных систем считывание первичной информации осуществляется непосредственно из ЛБСД с помощью переносного носителя информации, например ноутбука, подключаемого к ЛБСД. Один ЛБСД обслуживает до 2048 счетчиков. Центральная диспетчерская представляет собой аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и отображения информации о потребляемых ресурсах. Логически программное обеспечение ЦД делится на две части: это оперативная связь с ЛБСД и обработка собранной информации. Вся информация, необходимая при работе программы, и информация, предназначенная для передачи в ЛБСД, хранится в базе данных.
При обработке собранной информации программное обеспечение центральной диспетчерской реализует следующие функции:

  • выписка счетов;
  • печатание счетов для каждой квартиры;
  • обоснование счетов;
  • сведение баланса по балансным группам;
  • формирование сводной таблицы потребления за текущий и предшествующие периоды.

Для защиты метрологических характеристик системы от несанкционированных изменений (корректировок) предусмотрены шифрование информации и многоступенчатый доступ к текущим данным и параметрам. 

 

2 ТЕХНОЛОГИЯ X-10

X10 — это международный открытый индустриальный стандарт, применяемый для связи электронных устройств в системах домашней автоматизации. Стандарт X10 определяет методы и протокол передачи сигналов управления электронными модулями, к которым подключены бытовые приборы, с использованием обычной электропроводки или беспроводных каналов.

Стандарт X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics (ГленротсШотландия) для управления домашними электроприборами.

Для связи модулей сети X10 используется обычная домашняя электрическая сеть. Закодированные цифровые данные передаются с помощью радиочастотного импульса вспышки частотой 120 кГц, длительностью 1мс и синхронизированы с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. За один переход через нуль передаётся один бит информации. Приёмник также формирует окно ожидания вблизи перехода напряжения через 0. Размер окна — 200 мкс. Наличие импульса вспышки в окне — логическая «1», отсутствие — логический «0».

Сами модули сети обычно просто вставляются в розетку, хотя существуют более сложные встраиваемые модули, например, заменяемые розетки, выключатели и пр.

Относительно высокая несущая частота не позволяет сигналу распространяться через трансформаторы или между фазами в многофазных сетях и сетях с расщеплённой фазой. Для сетей с расщеплённой фазой, при передаче сигнала с фазы на фазу может использоваться обычный конденсатор, но для многофазных сетей и тех сетей с расщеплённой фазой, где простого конденсатора мало, необходимо использовать активный повторитель. Но при передаче сигнала с фазы на фазу необходимо учитывать вышеназванное условие — передача бита начинается при пересечении нуля. Именно по этой причине, при переходе с фазы на фазу, сигнал сдвигается на 1/6 цикла.

Ещё одним важным моментом является возможность блокирования сигналов за пределами действия сети, чтобы, например, модули одной сети X10 не влияли на сеть X10 в соседнем доме. В таких случаях для блокирования сигналов используется индуктивный фильтр.

Передаваемый по сети пакет состоит из адреса и команды, отправляемых контроллером управляемому модулю. Более сложные контроллеры также умеют опрашивать такие же управляемые модули об их статусе. Этот статус может быть достаточно простым («включено» или «выключено»), указывать числовое значение (текущее значение яркости, температуры или данные с других датчиков).

Вне зависимости от среды передачи (электрическая сеть или радиосигнал), пакеты X10 состоят из:

  1. бита — код дома;
  2. 4 бита — код модуля (может быть задано несколько модулей);
  3. 4 бита — команда.

Недостатки:

  1. Протокол X10 очень медленный. Около 3/4 секунды занимает передача адреса устройства и команды. Это может быть незаметным при использовании настольного контроллера, но может стать ощутимым при использовании двусторонней связи или при управлении через интеллектуальный контроллер (например, подключённый к компьютеру), особенно при использовании какого-либо сценария для управления несколькими устройствами.
  2. В сети X10 может передаваться только одна команда в конкретный момент времени. Если в одно и то же время будет вестись передача двух и более команд, это вызовет коллизии: команды не будут корректно приняты или же будут выполнены неверные действия.
  3. Устройства защитного отключения могут ослаблять сигнал настолько, что он не будет прочитан.
  4. Некоторые блоки питания, используемые в современной аппаратуре (компьютерах, телевизорах, ресиверах), могут «съедать» проходящие мимо команды сети X10. Это происходит из-за использования конденсаторов на входе блоков питания, которые создают низкое сопротивление для высокочастотного сигнала, сглаживая сигнал. Для подобных устройств существуют входные фильтры, которые позволяют пакетам X10 беспрепятственно проходить мимо подобных устройств.
  5. Некоторые модули X10 некорректно работают (или не работают вообще), если управляют устройством с низкой потребляемой энергией (менее 50 Ватт), например, флуоресцентными лампами.
234