Підручник з Технології. 10 (11) клас. Ходзицька - Нова програма

ТВОРЧИЙ ПРОЕКТ «РОБОТИЗОВАНА СИСТЕМА "РОЗУМНИЙ ДІМ"»

«Розумна оселя» — це дім, де більшість дій, що виконують у звичайному будинку або квартирі вручну, виконується автоматично. Керувати цим процесом можна за допомогою лише одного пульта. Пультом може бути незвичний нині пристрій, а сенсорний монітор, на якому можна здійснювати регулювання різних функцій. До функцій «розумної оселі» належать насамперед контроль за безпекою (автоматично відкривати/закривати ворота, вмикати систему відеоспостереження, сигналізацію тощо), регулювання важливих для комфортного існування параметрів внутрішнього середовища — температури, вологості, освітлення тощо.

Для того щоб спроектувати і створити таку систему, потрібно виконати певні кроки, відповісти на певні запитання, проаналізувати свої побажання й визначитися з можливостями їх реалізації.

I. Організаційно-підготовчий етап

Розпочинаємо з того, що визначаємо мету проекту.

Для систем «Розумний дім» або «Розумна оселя» метою є створення додаткових зручностей для життя та економія ресурсів. Система автоматизації й роботизації оселі — це не тільки зручність і практичність, це ще й безпека. Адже система має управляти також підсистемами пожежогасіння, захисту від небажаного проникнення. Залишаючи свій будинок або квартиру, обладнані як «Розумний дім», не варто хвилюватися, адже оселя ніколи не залишається без нагляду. Подібна система може забезпечити й суттєву економію коштів, оскільки можна передбачити заходи з регулювання енерговитрат, розрахувати й оптимізувати витрати на охорону тощо.

Отже, розроблення і впровадження проекту має на меті створення додаткових зручностей для життя, економію ресурсів, убезпечення життєдіяльності.

Мета проекту, викладена як сукупність звичайних побажань, не завжди зрозуміла тому, хто намагається втілити проект у життя. Тому на етапі формулювання вимог до майбутнього продукту проектної діяльності (корисна річ, виріб, технологія, їх сукупність) необхідно описати кінцевий продукт так, щоб можна було виокремити складники загальної мети. Цей процес є необхідним для того, щоб можна було спланувати майбутню діяльність виконавця або колективу виконавців, поставити кожному ціль і перевірити її досягнення.

Отже, мету маємо викласти, принаймні частково, у термінах предметної галузі, описавши побажання як бажані функції системи.

Тому, виконуючи декомпозицію побажань (їх уточнення, деталізацію й конкретизацію в окремих діях) і описуючи їх з використанням технічної термінології, ми маємо опрацювати й записати кожне побажання орієнтовно так:

1. Побажання «Я хочу, заїжджаючи на подвір’я, не виходити з машини», формулюємо так:

в’їздні ворота мають бути обладнані електромеханічним пристроєм із дистанційним керуванням для відчинення/зачинення.

2. Побажання «Я хочу мати можливість бачити, що відбувається на подвір'ї, навіть перебуваючи за кордоном» формулюємо так:

на подвір’ї (можливо, й у приміщеннях) мають бути встановлені IP-камери (відеокамери, що мають IP-адреси) у кількості, достатній для віддаленого спостереження за всіма важливими частинами двору.

3. Побажання «Я хочу, щоб опалення оселі в зимовий період коштувало якомога менше» має бути уточнене з точки зору терміну окупності вкладень, оскільки можна запланувати встановлення програмно керованого твердопаливного котла опалення й водяного теплоакумулятора, вартість яких буде порівняна з вартістю одного, двох або більше обсягів газу, витраченого на опалення.

Отже, це побажання маємо викласти так:

вартість додатково встановлюваного обладнання для вдосконалення опалення має окупитися за два (три, чотири...) роки.

Необхідно провести відповідні розрахунки, після чого вже можна сформувати кошторис на придбання й встановлення обладнання, розробити план робіт щодо його узгодження з іншими пристроями.

4. Побажання «Я хочу, щоб при виході з будинку (квартири, іншого приміщення) мені було нагадано, що в приміщенні залишилися увімкненими потужні електроприлади (праска, обігрівач, кондиціонер тощо)» формулюємо так:

у системі електроживлення має бути встановлено датчик споживаної потужності і створено відповідну систему сповіщення.

5. Побажання «Я хочу, щоб системи «Розумної оселі» працювали завжди, незалежно від системи електропостачання» формулюємо так:

складники програмно-апаратного забезпечення системи «Розумної оселі» мають живитися від джерела безперебійного електроживлення, можливо, із підзаряджанням від електромережі і/або сонячних батарей, отже, потрібно спланувати виготовлення або придбання відповідних засобів автоматики.

У такий спосіб мають бути записані й обговорені всі побажання. Завершення формулювання вимог до продукту проектування (обладнання «розумної оселі») здійснюють для кожної вимоги записом алгоритму роботи пристрою і/або програмного засобу, що їх реалізують.

Після того як сформульовано всі (або майже всі) побажання щодо функцій, які матиме система, можна переходити до наступного етапу проектування.

II. Конструкторський етап

Конструювання систем автоматичного управління «Розумний дім», «Розумна оселя», як і будь-яких інших складних апаратно-програмних систем, має розпочинатися з поелементного аналізу складових майбутньої системи, оскільки має бути прийняте рішення щодо архітектури її апаратно-програмної реалізації.

Загального алгоритму дій на цьому етапі запропонувати неможливо — слід для кожного елемента системи або бажаної функції знаходити прототипи, фокальні об’єкти, порівнювати ефективність уже реалізованих на їх основі пристроїв і рішень та їхню вартість.

Як приклад реалізуємо побажання щодо автоматичного увімкнення світла на сходах (у коридорі, на території, що охороняється, тощо).

Використовуємо датчик руху (мал. 15, с. 155) і скетч:

Реалізуємо такий алгоритм:

Вимкнути світло. Чекати півсекунди.

Якщо є рух, то увімкнути світло на півхвилини, інакше — вимкнути світло.

Подібний алгоритм може бути реалізований і окремим пристроєм, виконаним як спеціалізований, причому навіть у комплекті з освітлювачем (мал. 20).

Мал. 20. Інфрачервоні датчики руху

Побажання «Я хочу, щоб при виході з будинку (квартири, іншого приміщення) мені було нагадано, що в приміщенні залишилися увімкненими потужні електроприлади» виконати буде дещо складніше.

Найкоректнішим, найпростішим (і найдорожчим) варіантом виконання такого побажання може бути використання датчиків вимірювання активної потужності*.

Вихідний сигнал цих датчиків (4-20 мА) досить просто узгодити з вхідними параметрами майже всіх цифрових пристроїв, але вартість датчиків разом з електронними системами досить велика.

Можна використати й аналоговий датчик струму з комплекту Arduino, вартість якого також досить велика.

Тому завдання можна реалізувати простіше — шляхом використання датчиків струму, сигнал яких пропорційний сумі активної і реактивної складової. Таким датчиком може бути простий трансформатор струму, до вторинної обмотки якого під’єднано електронне реле, або випрямляч, від якого живиться соленоїд із розміщеним усередині герконом. Подібну конструкцію можна знайти в мережі Інтернет.

У найпростішому випадку можна створити пристрій, алгоритм роботи якого полягає в логічному множенні двох сигналів «сила струму більше порогового значення» і «вихідні двері відкриваються», а результатом роботи якого буде світіння табло з повідомленням: «У квартирі увімкнено потужні споживачі електрики». Для реалізації цього алгоритму можна застосувати скетч, у якому закодовано поданий вище алгоритм з використанням операції логічного множення (&&):

Важливим на етапі конструювання є вибір виконуючих механізмів (пристроїв), які відіграють роль проміжної ланки між виходами блоку керування (Arduino або іншого) і силовими колами. Це необхідне для того, щоб: 1) розділити кола блоку керування і силові кола (зазначений прийом конструювання називають гальванічною розв’язкою); 2) збільшити потужність керуючого впливу.

Найчастіше з цією метою використовують електричні (електромеханічні) реле, часто — з одно- чи двотранзисторними підсилювачами (мал. 21), або пристрої з оптопари і потужного польового транзистора або симістора. Часто виконуючими механізмами можуть бути серводвигуни (мал. 18, с. 157).

Мал. 21. Електромеханічне реле та схема його під'єднання

Автоматизувати інші процеси також можна, комбінуючи вже розроблені пристрої, що створюються для вирішення конкретних задач і випускаються серійно (мал. 20, с. 159).

На етапі конструювання системи необхідно здійснити якомога ширший пошук уже відомих, розроблених її елементів, а також провести пошук їх із точки зору вартості як окремих елементів, так і системи в цілому. Слід брати до уваги, що іноді використання більш дорогих датчиків або виконуючих механізмів суттєво зменшує вартість системи в цілому.

Після погодження всіх конструктивних особливостей бажано створити орієнтовний кошторис або кілька варіантів кошторису комплектуючих (без урахування вартості виконання робіт), зазначивши в ньому функціональне призначення компонентів, виробників і орієнтовну вартість. Приклад частини кошторису, де відображено лише кількість і вартість комплектуючих та їх призначення, подано в таблиці.

Вартість комплектуючих виробів варіанта проекту «Розумна оселя» (зі спільним використанням автономних автоматичних пристроїв і пристроїв, керованих засобами платформи Arduino)

№ з/п

Назва

К-ть

Вартість одиниці, грн

Сума, грн

Назва та сайт можливого постачальника

1

DFRduino UNO R3

1

559

559

2

Макетна плата (400 points) MB-102

1

66

66

3

Analog 50A Current Sensor (AC/DC)

1

455

455

4

Relay Module 2 relay, 5V

2

77

154

5

Waterproof DS18B20 Digital

Temperature Sensor for Arduino

2

51

102

...

...

...

...

...

...

Знаючи вартість комплектуючих, можна приблизно оцінити загальну вартість системи, до того ж розглянути різні варіанти. Можливо, здійснити заміну деяких датчиків і виконуючих механізмів, що працюють з контролером Arduino, на спеціалізовані модулі, для яких контролер непотрібний. Таким чином можна використати контролер з меншою кількістю входів і виходів, а отже — дешевший.

Наступним кроком конструювання буде створення ескізу розташування складових, який краще виконувати в масштабі, із дотриманням правил креслення. Це необхідно для того, щоб оцінити відстані, на які потрібно прокладати лінії зв’язку та силові кабелі тощо, визначити розміри зон чутливості датчиків присутності та ін.

На цьому етапі додатково перевіряють доцільність тих чи інших конструкторських рішень. Наприклад, для вмикання освітлення в’їзних воріт та їх дистанційного відчинення можна використати управління від контролера Arduino, але для цього потрібно прокласти чотири сигнальні лінії (до датчиків і первинних виконавчих механізмів — реле) та силову лінію для живлення механізму відкривання воріт і живлення освітлення. Якщо ж використати автономні пристрої, на кшталт зображеного на малюнку 20 (с. 159) для увімкнення освітлення і подібного для відчинення воріт, можна обмежитися однією силовою лінією і, можливо, однією сигнальною, яка дублюватиме управління воротами.

Результатом конструкторського етапу має бути остаточна схема розташування складових системи, набір креслеників (схем) приєднання кожного датчика і виконуючого механізму (вони додаються разом із відповідними схемами і програмами до кожного датчика або отримуються на сайті виробника).

III. Технологічний етап

На цьому етапі бажано виконати макетування й перевірку електричних кіл, уведення й налагодження програмної частини — спочатку для кожного датчика і виконавчого механізму, потім для системи в цілому.

Надалі, конкретизувавши план робіт і подавши його у формі тексту і/або діаграм Ганта (мал. 22), можна розпочинати його втілення в комплект конструкторсько-управлінської документації й виконання.

Мал. 22. Приклад діаграми Ганта

IV. Завершальний етап

Презентація — дуже важлива частина проектної діяльності, яка може виконуватися як після завершення робіт для представлення корисного виробу широкому колу можливих споживачів, так і на початку проектування з метою аналізу завдання й обговорення командою процесу виконання проекту.