Умный дом: основы технологии и ее преимущества
Умный дом – это комплексная система автоматизации управления различными устройствами, расположенными в частном доме или квартире. Первые появления подобной системы зафиксированы в середине двадцатого века, и только сейчас она получает распространение, все больше потребителей выбирает этот способ контроля за техническим оснащением жилого помещения. Из каких элементов состоит технология умного дома, и каковы ее сильные и слабые стороны, поговорим в сегодняшней статье.
Что такое умный дом
Умный дом представляет собой совокупность трех основных направлений:
- повышение уровня безопасности жизни;
- улучшение комфорта жизни;
- эффективность и экономия ресурсопотребления.
Чтобы стало понятно, что же из себя представляет данная технология, рассмотрим наиболее яркие примеры установки в жилом помещении системы умный дом.
- Понятие «комфортной» жизни слишком субъективно, и у каждого члена семьи оно может быть свое. Но в этом и плюс технологии – подстроить выполнение заложенных сценариев можно для каждого, для будних дней и выходных. Примером комфортного пробуждения станет будильник с любимой мелодией, открывающиеся шторы и ожидающий на кухне горячий кофе.
- Уход за детьми, пожилыми людьми и животными станет проще. Система мониторинга передаст в режиме онлайн видеоинформацию, а также информацию о здоровье и самочувствии, о пропуске приема лекарств, о недостатке сна. Для этого используются специальные браслеты. Компьютер и телевизор отключатся вовремя, не дав ребенку перенапрячься. А животные не останутся голодными с автоматическими мисками.
- Безопасность жизни в умном доме обеспечивается круглосуточным видеонаблюдением, ограничением числа людей, которым разрешен допуск в дом. Настройки помогут ограничить не только проход конкретного человека, но и задать временной промежуток, когда этому человеку дозволено быть в доме. В период длительного отсутствия хозяев дома система способна имитировать присутствие человека (включение света, закрытие штор)
- Создание комфортного микроклимата осуществляется путем соединения работ четырех систем: охлаждения, отопления, увлажнения и осушения воздуха.
- Благодаря использованию различных датчиков (освещения, движения, звука), экономия электроэнергии с технологией умного дома достигает от 20 до 40% ежемесячно.
Плюсы технологии
Думаю, что преимущества умного дома уже стали понятны и очевидны читателю, но для большей наглядности я вынесу их в отдельный абзац.
- Значительная экономия электроэнергии. Несмотря на впечатление о том, что вся система состоит из технического оснащения, именно ее использование дает возможность экономить на расходах, применяя различные способы снижения электротрафика.
- Технология является надежной системой безопасности, которая сообщит не только о проникновении в дом чужих людей, но и о возникновении пожара, потопа, а также о выходе за пределы дома человека в неустановленное для этого время.
- В доме, который обслуживается по технологии умного дома, всегда комфортно, летом дом поддерживает прохладу, зимой тепло, воздух не пересушен от центрального отопления. Обычные бытовые действия больше не будут занимать столько времени, работу на себя возьмет система, освободив вам время для личных дел.
- Простое обслуживание, как и интеллектуальное управление умным домом, доступно каждому взрослому члену семьи, для этого не нужно обладать специальными знаниями или опытом.
Минусы технологии
Неправильно будет не рассказать и о недостатках умного дома. Чтобы принять окончательное решение, необходимо изучить вопрос со всех сторон.
- Основной минус установки системы умный дом – стоимость оборудования. Недостаток весьма субъективен, поскольку система может состоять для каждого дома из своего количества инженерных решений. Но полностью укомплектованный и автоматизированный дом обойдется хозяину в миллионы рублей.
- Возможность сбоев системы не исключена, поскольку технология зависит от техники и ее обслуживания. Для снижения рисков выбирайте проверенных производителей, дающих полноценную гарантию на приборы.
- Еще один теоретический недостаток – утечка информации, заложенной в систему, и ее попадание в чужие руки (в том числе информация личного характера, здоровья и прочих сведений, которые могут быть использованы во вред). Используйте современные системы защиты, и помните, что в той или иной степени этому риску подвержен каждый пользователь сети Интернет.
Несмотря на недостатки, систему умного дома выбирают все большее количество потребителей. Это удобство и комфорт, который обеспечивается не за счет личного свободного времени – является новейшей технологией будущего.
Источник
Современные информационные технологии дома
Цифровые технологии в быту
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Облик современного мира меняется каждый день: если прошлые два столетия стали этапом стремительного развития промышленности, то XXI век – время расцвета информационных технологий и цифровизации. Информатизация — это инструментарий в виде компьютеров, программ и информационных кабельных сетей, которые облегчают работу человека. Цифровизация – это преобразование информации в цифровую форму, которое приводит к повышению эффективности экономики и улучшению качества жизни. Цифровая система обладает независимостью действий. Она умеет анализировать и прогнозировать, самостоятельно выбирая оптимальный способ решения. Она выполняет задачи, которые перед ней ставит пользователь. Иными словами, цифровая система – более развитый объект, чем машина, но менее, чем искусственный интеллект.
Цифровые технологии окружают людей со всех сторон: они есть в каждом современном доме, учреждении, на предприятиях, заводах, в больницах, школах, университетах. Основной сферой, где активно проходит цифровизация в России и в мире, является экономика. Цифровая экономика – экономическая деятельность, основанная на цифровых технологиях, связанная с электронным бизнесом и электронной коммерцией и производимыми и сбываемыми ими электронными товарами, и услугами.
В конце 2018 года была утверждена Государственная программа «Цифровая экономика РФ», в соответствии с которой были утверждены ведомственные проекты: «Цифровое сельское хозяйство», «Цифровая промышленность», «Цифровой транспорт и логистика», «Цифровая энергетика».
Тема цифровизации очень интересна, потому что она еще не изучена и перспективна, важно научиться подчинять себе машины, научить их выполнять поставленные человеком задачи.
Цель работы: создать и отработать схему дистанционного управления различными приборами, то есть оцифровать информацию о некоторых действиях с бытовыми приборами («Интернет вещей»).
1.Познакомиться с перечнем цифровых технологий в экономике.
2.Изучить возможности платформы Arduino и микроконтроллера ESP8266.
3.Создать систему дистанционного управления приборами для нагрева воды, полива растений, как элементов создания в последующем проекта «Умная теплица».
Объект исследования: система предметов, объединенных между собой в сеть посредством цифровых технологий «Интернет вещей» на платформе Arduino.
Предмет исследования: процесс дистанционного управления приборами для нагрева воды и полива растений.
Гипотеза. Предположим, что можно самостоятельно создать систему дистанционного управления приборами с помощью цифровых технологий. Я полагаю, что, отработав применение цифровых технологий в системе дистанционного управления приборами, я смогу в дальнейшем реализовать проект «Умная теплица».
1. Изучение и анализ литературы (теоретический способ).
2. Проведение экспериментов (опытный или экспериментальный способ).
Глава 1 Основные сведения
1.1 Виды цифровых технологий
Цифровые технологии – это технологии, использующие электронно-вычислительную аппаратуру для записи кодовых импульсов в определенной последовательности и с определенной частотой. Цифровые технологии в основном используются в вычислительной цифровой электронике, прежде всего, в компьютерах, а также в различных областях электротехники и др.
Перечень основных сквозных цифровых технологий приведен в федеральном проекте «Цифровые технологии». Это:
нейротехнологии и искусственный интеллект;
системы распределенного реестра;
новые производственные технологии;
компоненты робототехники и сенсорика;
технологии беспроводной связи;
технологии виртуальной и дополненной реальностей.
Каждая из этих технологий имеет свои перспективные направления развития. Для реализации своего проекта мне необходимо применить технологии беспроводной связи, поэтому рассмотрим подробнее данное направление.
Исследовательская и консалтинговая компании «Gartner» представила 10 перспективных беспроводных технологий, которые, в ближайшие годы будут развиваться в корпоративных и бытовых сетях. Это:
2) сотовые сети пятого поколения (5G);
3) беспилотные автомобили «Сети «Автомобиль, подключенный ко всему»;
4) беспроводная зарядка большого радиуса действия;
5) энергоэффективные сети дальнего радиуса действия. Беспроводные дистанционные сети с низким энергопотреблением LPWAN, которые являются идеальным решением для приложений и техники Интернета вещей;
6) беспроводное зондирование. Беспроводные технологии будут применяться в качестве систем зондирования и навигации, например, как автономный радар у роботов и беспилотного транспорта;
7) улучшенный беспроводной трекинг — развитие технологий для определения местоположения устройств, подключенных к этим сетям;
8) сети миллиметрового диапазона волн. Подразумевается использование частот в диапазоне от 30 ГГц до 300 ГГц – с длинами волн от 10 мм до 1 мм соответственно. Этот диапазон носит название «экстремально высоких частот» (Extremely high frequency, EHF);
9) сети с обратным рассеянием (Backscatter). Устройства используют энергию Wi-Fi для питания и саму сеть Wi-Fi – для передачи собственных данных через нее. Эти устройства могут стать основой для относительно простых решений интернета вещей – таких как датчики и сенсоры в умных домах и офисах.
10) программно-определяемое радио (Software-Defined Radio, SDR) – одна из наиболее свежих и перспективных беспроводных технологий, где подавляющее число операций по обработке радиосигнала переносится с микросхем на программное обеспечение.
В своей работе я буду использовать технологию « Интернетвещей » ( англ . Internet of Things, IoT). Идея, что устройства могут обмениваться информацией друг с другом без участия человека появилась достаточно давно. Еще в конце 70-х обсуждалась возможность полной автоматизации передачи данных. Тогда подобный подход назывался «повсеместные вычисления» (pervasive computing). Технологиям потребовалось несколько десятилетий развития для того, чтобы наконец стало возможным заговорить об Интернете вещей.
Во второй половине девяностых британец Кевин Эштон работал на компанию Procter and Gamble и занимался оптимизацией производства. Он заметил, что оптимизация напрямую зависит от скорости передачи и обработки данных. Когда сбором и обработкой данных занимаются люди, то на это могут уйти дни. Использование радиочастотной идентификации (RFID) позволило ускорить процесс передачи данных непосредственно между устройствами. Именно тогда у него и появилась идея — а что, если вещи будут собирать, обрабатывать и передавать данные без участия человека? Как бы это называлось? «Интернет вещей», подумал Эштон, и оказался провидцем.
Потребовалось почти десятилетие для того, чтобы словосочетание «Интернет вещей» вошло в повседневную жизнь. Вместе с искусственным интеллектом IoT стал передовым направлением развития информационных технологий. Так, в 2008 году IPSO Alliance создал союз компаний, которые поддержали разработку технологий, связанных с Интернетом вещей. Это послужило сигналом для крупных корпораций. Одним из основных направлений развития IoT являются системы управления зданиями «Умный дом». Сегодня Интернет вещей используется фактически во всех сферах жизни человека. Например, он очень востребован в медицине. Это привело к созданию нового термина – Интернета медицинских вещей (Internet of Medical Things). На нем основываются «умные города» (Smart Cities). Он также используется в разработке гаджетов для «умного дома». Еще одна область применения – сельское хозяйство. Интернет вещей представляет собой совокупность нескольких видов беспроводной связи. В различных проектах Интернета вещей IoT-соединение может строиться на базе таких технологий, как Wi-Fi, Bluetooth, RFID, LPWAN, LTE, 3G, 2G, NFC, ZigBee, Li-Fi, Z-wave, LoRa и др.
Значимое место в IoT-проектах занимают собирающие информацию (о городской среде, о здоровье человека, о состоянии оборудования на заводе) датчики – давления, влажности, света, движения, теплового потока, уровня и др. Благодаря беспроводной связи и различным протоколам они способны взаимодействовать между собой, и отправлять собранную информацию для её последующего анализа человеком или искусственным интеллектом.
Интернет вещей— концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека. Интернет вещей – это система предметов, объединенных между собой в сеть. Интернет вещей – это полностью автоматизированный цикл работы приборов и систем за счет их подключения к беспроводной сети.
1.2. Знакомство с Arduino
Arduino — торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники. Она представляет из себя электронную плату, в которую можно воткнуть множество разных устройств и заставить их работать вместе с помощью программы, написанной на языке C ++ в специальной среде программирования. В этом случае Arduino — это инфраструктура и среда, в которой можно собирать совместимые между собой электронные и механические компоненты в единое устройство, а потом через обычный компьютер за две минуты запрограммировать поведение этих самых железок так, как нам нужно.
Написав программу на обычном компьютере, мы управляем с ее помощью не виртуальными объектами, а вполне себе реальными датчиками, двигателями, экранами. Программная часть состоит из программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.
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.
Таким образом, благодаря Arduino мы меняем мир вокруг себя.
Глава 2. Выполнение проекта
Вся работа над проектом разбивается на следующие этапы:
I этап. Определение актуальности темы, гипотезы, изучение литературы. Результат этого этапа описан в главе 1.
II этап. Приобретение необходимых деталей для создания макета. Нам понадобились следующие детали, которые были приобретены в магазинах «Электронные компоненты» и «А rduino . ru »: 2 платы Ардуино, Микроконтроллер ESP8266, датчик влажности почвы, датчик температуры, электропомпа, 2 реле, провода, электрочайник.
III этап. Написание программы и сборка электронных систем.
2.1 Устройство и принцип работы удаленного доступа нагревом
Обычные электрические чайники есть почти в каждом доме, поэтому я решил модифицировать имеющийся дома электрический чайник и сделать из него WiFi -чайник. Поскольку у меня уже был опыт работы с Ардуино, я выбрал плату Аrduino. Главной составляющей wifi-чайника является, конечно же, wifi-модуль, я использовал микроконтроллер ESP8266 китайского производителя Espressif Systems с интерфейсом Wi-Fi. Микроконтроллер привлек внимание в 2014 году в связи с выходом первых продуктов на его базе по необыкновенно низкой цене. Из-за соотношение низкой цены и производительности микроконтроллер имел огромную популярность. Для контроля температуры я использовал водонепроницаемый термодатчик (цифровой) DS18B20. Так как чайник должен включаться программно, то ещё понадобилось 1-канальное реле — электромеханическое коммутационное устройство, принцип действия которого основан на воздействии магнитного поля, сдвигающего контакт.
Из этих элементов я собрал электрическую схему, подключил её к компьютеру, написал скетч. Саму электрическую схему смонтировал в чайник.
Подключение к Wi-Fi сети
Запуск локального сервера
Ожидание запроса от пользователя (ждёт, пока пользователь
даст команду)
При получении запроса (например, на чайник) отправляет сигнал на реле, которое замыкает контакты чайника
Отослать пользователю ответ: «Чайник включён»
Если температура воды достигает 100 (Температура кипения) ТО:
Выключить чайник, отослать ответ пользователю, «Чайник отключён»
Для демонстрации схемы использован макет печатной платы, спроектированной в EasyEDA.
Скриншот работы программы на экране имеет вид:
2.2 Устройство и принцип работы удаленного доступа поливом
Правильный и регулярный полив всех садовых культур на участке – залог их хорошего роста и плодоношения. Вода жизненно необходима растениям, без нее они просто завянут и погибнут. Но если у вас не всегда есть возможность приехать на дачу и вовремя полить свои насаждения, то вас выручит система автоматического полива.
Для этого проекта мы использовали следующие компоненты:
• Микро контролер ESP8266;
• Датчик влажности почвы
•Сосуд с водой и сосуд с землей
• реле (электромеханическое коммутационное устройство, принцип действия которого основан на воздействии магнитного поля сдвигающего контакт)
Работа скетча (программы):
Подключение к Wi-Fi сети
Запуск локального сайта(сервера)
Ожидание запроса от пользователя (ждёт, пока пользователь даст команду)
При получении запроса (например, на полив) отправляет сигнал на реле, которое замыкает контакты электропомпы(насос)
Отослать пользователю ответ: «Полив включён»
Подождать 30 секунд, отключить полив
Отослать пользователю ответ, “Полив выключен”.
Таким образом, цель достигнута, задачи решены, гипотеза доказана. Создана система дистанционного управления приборами с помощью цифровых технологий беспроводной связи на платформе Arduino.
Благодаря проведенной работе я освоил способ дистанционного управления приборами нагрева воды и полива и далее смогу по этому же принципу создавать другие системы.
Кроме мониторинга состояния, подключение к сети позволит управлять системой. Это бывает важно когда, например, пошёл дождь и нужно отменить запланированный по расписанию полив, или менять длительность полива в зависимости от погоды.
Создание аналогичных проектов своими руками весьма увлекательное и полезное занятие. Для этого необходимо понимание базовых принципов управления электроприборами и систем автоматики, знание техники безопасности при работе с током, опыт сборки электросхем, навыки программирования и понимание общих алгоритмов работы.
Перспективой развития проекта будет изучение ведомственного проекта «Цифровизация сельского хозяйства» и макетная установка «Умная теплица», а также выявление условий применения дистанционного управления в реальной практике.
Список информационных источников
Белайчук А. Топ-10 технологических трендов 2019 года по версии Гартнер // Сайт bmps . ru . (http://bpms.ru/post/20190102-gartner-top-10-trends/). Просмотрено 10.11.2019.
Датчики газов. Принципы работы. (2018) // Портал Arduino — kit . ( https :// arduino — kit . ru / blogs / blog / project _22 ). Просмотрено: 06.11.2019.
Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino . – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
Программа Цифровая экономика Россия 2024. // Сайт https://data-economy.ru// Просмотрено 20.11.2019.
Ревич Ю. В. Занимательная электроника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
Источник