Программа Автоматизация научных исследований

• Название: Программа Автоматизация научных исследований
• Дата: 30.12.2022
• Размер: 1.67 Mb.
• Имя файла: index.docx
• Тип: Программа; #869539
• страница: 7 из 11

Архитектура элементов системы управления «ум- ным домом»

После выбора основных технологий, необходимо определиться с ар- хитектурой аппаратных средств разрабатываемой системы управления эле- ментами «умного дома». Сделав выбор в пользу одной из архитектур, нуж- но выбрать устройства, используемые для построения системы домашней автоматизации, удовлетворяющей поставленным требованиям.

1. Архитектура аппаратных средств

Для построения системы управления элементами «умного дома» су- ществуют два совершенно разных принципа: централизация (или распреде- ленный принцип) и децентрализация [6]. Рассмотрим эти принципы более подробно:

1. 
   Децентрализованный принцип управления «умным домом» пред- ставлен на рисунке 1.
   

Рис. 1 Децентрализованный принцип управления «умным домом»
При таком принципе построения все элементы «умного дома» ра- ботают независимо. Они могут делиться информацией, передавать между собой команды, но центральный контроллер, который мог бы брать на себя функции сбора этой информации, отправки команд и принятие решений, отсутствует. С учетом такой организации, а так- же, принимая во внимание, что вычислительные средства отдельных компонентов очень малы, при децентрализованном принципе практи- чески невозможно реализовать высокоинтеллектуальные алгоритмы управления. В большинстве случаев, это очень простые схемы, кото- рые трудно назвать по-настоящему «умными».

Достоинства децентрализованных систем:

• 
  Из-за отсутствия центрального контроллера, выход из строя од- ного или нескольких модулей существенно не влияет на работу системы в целом, следовательно, такая система отличается по- вышенной надежностью.
  
• 
  Децентрализованные системы просты в расширении. В системах данного вида достаточно проста процедура добавления нового модуля на имеющуюся шину, поддерживающего протокол пере- дачи данных этой шиной.
  

К недостаткам децентрализованных систем можно отнести:

• 
  Высокая стоимость подобных систем, относительно централизо- ванных.
  
• 
  Достаточно низкая скорость работы децентрализованных систем, в следствие проведения процедуры обработки данных в разных модулях.
  
• 
  Возникновение технических сложностей и увеличение размера системы в силу того, что модули (датчики, исполняемые устрой- ства) обладают собственными контроллерами обработки данных.
  

2. 
   Централизованный (или распределенный) принцип управле- ния «умным домом» представлен на рисунке 2:
   

Рис. 2 Распределенный принцип управления «умным домом»
Данный принцип принципиально отличается от децентрализованного: каж- дый компонент системы находится под управлением центрального контрол- лера или сервера, которым может выступать компьютер, микроконтроллер и т.д. Все события обрабатываются сервером, именно он выносит решение

относительно последующих действий: что включать, а что нет. Централи- зованный принцип является высокоперспективным, если брать во внима- ние реализацию высокоинтеллектуальных алгоритмов. Потенциал системы прямо пропорционально зависит от ресурсов сервера. Кроме управления системами освещения, отопления, вентиляции, безопастности и другими инженерными системами, рассматриваемый «умный дом» способен решать такие ресурсоемкие задачи, как видеонаблюдение, мультимедия, распозно- вание речи и образов и др.

К достоинствам централизованного подхода, можно отнести:

• 
  Возможность построения сложных систем управления «умным до- мом». Сервер обладает достаточной производительностью и несет ак- туальную информацию о подключенных к нему модулей.
  
• 
  Высокая скорость обработки информации относительно систем, ос- новывающихся на децентрализованном принципе, так как сбором ин- формации с модулей занимается сервер, минуя модульную обработку.
  
• 
  Компактность, техническая простота и низкая стоимость модулей (датчиков, исполнительных устройств).
  

Единственным недостатком данных систем является:

• 
  Надежность (при выходе из строя сервера, вся система перестает функционировать).
  

Анализируя совокупность достоинств и недостатков обоих подходов, можно сделать вывод, что в рамках данной работы, использование центра- лизованного подхода, как основного, в построении системы «умного дома» наиболее оправдано. Только при таком подходе возможно реализовать си- стему, которая будет удовлетворять концепции в построении системы «ум- ный дом».

В тоже время, не стоит забывать о достоинствах децентрализован- ных систем управления, т.к. достоинства присущие такой модели являются недостатками централизованной системы управления. Применение децен- трализованного подхода в совокупности с централизованным рекоменду- ется применять в наиболее ответственных узлах системы управления «ум- ным домом». Такое дублирование, в рамках данной работы, применяется

в системе реализации управления освещением. Без применения децентра- лизованного подхода в этой системе, при возникновении сбоев на сервере, управление освещением будет невозможным, поэтому в целях предотвра- щения таких ситуаций, было принято решение применения совокупности подходов. Для реализации архитектуры данного вида, применение децен- трализации должно быть заложено в логике работы контроллера освеще- ния, поэтому при выборе контроллера данная особенность была учтена.

2. Выбор аппаратных средств «умного дома»

В связи с выбором централизованного подхода, как основного, в по- строении системы управления элементами «умного дома» необходимо опре- делиться с сервером. Для повышения надежности системы, было принято решение о использовании совокупности подходов для реализации управ- ления освещением. Кроме этого, в связи с вышеизложенным, необходимо осуществить выбор контроллера освещения.

Выбор сервера для «умного дома»

Самым распространенным решением является использование персо- нального компьютера (ПК). Подобный выбор имеет ряд недостатков:

• 
  необходимость наличия свободного места для установки ПК;
  

• 
  высокий уровень шума;
  
• 
  значительное потребление электроэнергии ПК.
  

На сегодняшний день, имеется ряд альтернатив персональным ком- пьютерам, это, в первую очередь, одноплатные компьютеры, которые ниве- лируют недостатки, характерные для ПК. Перечислим основные преиму- щества одноплатных компьютеров:

• 
  цена и доступность;
  

• 
  низкий уровень шума и потребление электроэнергии;
  

• 
  достаточная производительность для их использования в качестве сервера «умного дома»;
  
• 
  набор различных интерфейсов для подключения перефирии;
  

• 
  небольшой размер.
  

Анализируя преимущества одноплатныых компьютерев перед персо- нальными целесообразно, в рамках данной работы, в качестве сервера «ум- ного дома» использовать одноплатный компьютер BeagleBone Black. Этот мини-компьютер обладает всеми необходимыми характеристиками, а имен- но:

• 
  наличие инструментария Linux;
  

• 
  возможность активного взаимодействия с сетью и интернетом;
  

• 
  на плате расположено множество разъемов для подключения внеш- них устройств, сети и питания;
  
• 
  небольшой размер платы – 87x55 мм.
  

Выбор контроллера для системы освещения

В качестве многофункционального контроллера освещения был вы- бран модуль MegaD-328. Главной особенностью этого модуля является то, что он может функционировать как в распределенной, так и в децентра- лизованной схеме управления.

В рассматриваемом модуле подключенными устройствами при де- централизованном подходе (рисунок 3) возможно управление посредством встроенного Web-интерфейса, который позволяет задавать логику работы этих устройств.



Рис. 3 Децентрализованная схема управления в модуле
В случае, если система домашней автоматизации строится под управ- лением сервера (рисунок 4), в котором заложены все высокоинтеллектуаль- ные алгоритмы, то модуль выполняет команды, которые были получены от сервера.




Рис. 4 Централизованная схема управления в модуле

Логику работы этого контроллера можно описать так: при присут- ствии сервера, контроллер будет выполнять его инструкции, но при воз- никновении неисправности, повлекшей выход из строя сервера, выполне- ние всей логики управления устройствами будет происходить по определен- ным ранее алгоритмам в контроллере. Иными словами, интеллектуальное управление системой домашней автоматизации происходит с использовани- ем сервера, но если произойдет сбой – ключевые узлы будут продолжать функционировать.

В контроллере, отвечающем за освещение, применяется стек техно- логий TCP/IP в качестве сетевого и транспортного протоколов, а это выяв- ляет значительные возможности. Во-первых, во всех современных устрой- ствах осуществляется поддержка стека TCP/IP, а это означает, что нет необходимости в установке дополнительного программного обеспечения для управления контроллером. Во-вторых, применение стека TCP/IP обеспе- чивает маршрутизацию, выделение, выставление приоритетов и позволяет выполнять любые действия с сигналами между контроллером и компонен- тами «умного дома». Вместо непрерывного опроса подключенных элемен- тов, контроллер имеет возможность как сообщать о выполнении команды серверу, так и посылать управляющую инструкцию устройству.

Все данные передаются по протоколу прикладного уровня – http, что

обеспечивает большое удобство интегрирования в общую систему «умного дома». Для управления MegaD-328, с использованием сервера, нет необ- ходимости в дополнительном специфическом программном обеспечении. Инструкции от MegaD-328, аналогично данным, передаются по протоколу http, а это дает возможность обработки сообщений от контроллера, путем установки на сервер Web-сервера.

Выбор компонентов для микросети 1-wire

В виду отсутствия у сервера COM-порта, основным (ведущим) эле- ментов для создания микросети 1-wire, который необходим для связи сер- вера и датчиков температуры, будет выступать адаптер 𝐷𝑆9490𝑅#.

В качестве датчиков температуры будут выступать 𝐷𝑆18𝐵20. Он об-

менивается данными по 1-Wire шине и, при этом, может быть как един-

ственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором. Диапазон изме- рений от –55^∘C до +125^∘C и точностью 0.5^∘C в диапазоне от –10^∘C до

+85^∘C. В дополнение, 𝐷𝑆18𝐵20 может питаться напряжением линии дан-

ных («parasite power»), при отсутствии внешнего источника напряжения. Каждый 𝐷𝑆18𝐵20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который позволяет, общаться с множеством датчиков 𝐷𝑆18𝐵20 установ- ленных на одной шине. Такой принцип позволяет использовать один мик- ропроцессор, чтобы контролировать множество датчиков 𝐷𝑆18𝐵20, рас- пределенных по большому участку.

3. Архитектура микросети 1-wire

Для контроля температуры была реализована микросеть 1-wire, пред- ставленная на рисунке 3.



Рис. 5 Реализованная микросеть 1-wire
Топологией сети 1-wire является общая шина. Основной и единствен- ный компонент, который применяется в качестве связки между сервером и сетью 1-wire – это миниатюрное устройство 𝐷𝑆9490𝑅# с портом USB. В качестве подчиненных (ведомых) компонентов сети используются темпе- ратурные датчики 𝐷𝑆18𝐵20. Ведомый элемент может передать данные в

сеть только по запросу от мастера. Самопроизвольно, без запроса, ни один из ведомых элементов ничего «сообщить» сети не может.

Все температурные датчики подключены по схеме с использованием паразитного питания, без эксплуатации линии питания в кабеле.

4. Архитектура системы освещения

Использование MegaD-328в централизованной схеме управления си- стемой домашней автоматизации представлено на рисунке 6.




Рис. 6 Схема использования MegaD-328с сервером.

Децентрализованная схема представлена на рисунке 7.




Рис. 7 Схема использования MegaD-328 без сервера.
Каждый функционально-завершенный набор контроллера освещения состоит из двух модулей: интерфейсный (контроллер) и исполнительный. Подключение ламп накаливания, системы отопления, системы охла- ждения осуществляется к исполнительному модулю. Данный модуль вклю- чает в себя семь стандартных входов (для подключения приборов) и семь симисторных выходов. Монтированные в модуль симисторы способны ком- мутировать нагрузку до 1.4 ампера (это около 300 ватт) переменного тока 220 вольт. Бесшумность – это одна из причин использования симисторов. Недостатком их использования является слабая переносимость коротких замыканий. Дополнительно, рассматриваемый модуль имеет три из семи выходов, которые обладают функцией диммирования (процесс управления уровнем потребляемой мощности). Эта функция нашла свое применение в рамках данной работы для управления (по оптимальному алгоритму)

нагревателем и охлаждающим компонентом.

Интерфейсный модуль оснащен разъемами RJ-45, питания и допол- нительными аналого-цифровыми портами.

5. Программная архитектура

Взаимодействие компонентов можно представить следующим обра-

зом:


Рис. 8 Программная архитектура системы «умный дом»
Центральный контроллер – это программа, написанная на Node.JS, служащая для автоматизации домашнего оборудования различного вида. Иными словами, центральный контроллер выступает ядром системы и, од- новременно, шлюзом для связи по Ethernet.

При помощи встроенного web-сервера центральный контроллер вы- ступает платформой для визуализации и позволяет отображать события с использованием Socket.IO библиотеки. Постоянные запросы к серверу (no- polling) отсутствуют, сервер сам «говорит», когда нужно обновить графи- ческий элемент. Ресурсоемкий процесс постоянных запросов отпадает и,

таким образом, уменьшается время реакции на события. Кроме того, кон- троллер дополнительно выступает в качестве прокси-сервера между ви- зуализацией и приборами. При этом, не важно, сколько запущено копий визуализации, нагрузка на приборы всегда одинаково низкая.

Подключение нового оборудования происходит через, так называе- мые, адаптеры или драйверы. Драйвер – это JavaScript файл, запускаю- щийся в отдельном Node.JS процессе и обслуживающий одно устройство или службу. На данный момент реализованы драйвера для интерфейса 1- wire и контроллера MegaD-328.

Интегрированный в центральный контроллер механизм скриптов поз- воляет автоматизировать систему при помощи языка JavaScript. Анало- гично драйверам, запускается в своем процессе и служит для выполнения пользовательских скриптов. Все возможности среды Node.JS можно ис- пользовать и в скриптах (например доступ к дисковой системе, сетевые функции и т.д.). Также можно использовать огромное количество готовых библиотек через пакетный менеджер (npm).