Система управления жизнеобеспечением дома «Умный дом»

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕМ ДОМА

«УМНЫЙ ДОМ»

 

Большинство из нас представляют себе «Умный дом» этаким фантастическим скопищем проводов, компьютеров, раздвигающихся дверей и таинственных механических голосов. Но на самом деле Вы сами можете сделать свой дом умным, не совершая при этом кардинальных изменений. Ведь «Умный дом» — это самый обычный дом или квартира, жить в котором не только приятно, но и удобно.

Цель данной работы - создание системы автоматизации дома, призванную уменьшить расход энергии, а так же качественно повысить уровень жизни.

Данная система выходит  за рамки функций жизни обеспечения  и представляет спектр услуг не только необходимых, но также желаемых для удобства жизни человека. На сегодняшний день данная система не только управляет отоплением, светом, имеет приятный и дружественный web интерфейс, умеет синтезировать речь и взаимодействовать с GSM сетью (отправлять/принимать смс) , но и сочетает в себе мультимедийный сервер, торрент сервер, сервер имен локальной сети, видеонаблюдения, DHCP сервер, DynDNS сервер и многое многое другое.

С учетом практичности, надежности и универсальности данная система  имеет огромный потенциал на рынках Беларуси и ближнего зарубежья.

В данной работе я придерживаюсь  следующих принципов:

1. В моем понимании важно, чтобы Умный Дом или система домашней автоматизации строились на открытых стандартах, протоколах, из доступных и дешёвых компонентов.

2.  Необходимо максимально использовать накопленный опыт.

Идеологически важным элементом системы является центральный блок управления. Компьютер в роли головы системы обеспечивает универсальность, гибкость, расширяемость, простоту в использовании. С помощью компьютера можно решать огромное количество совершенно различных задач в рамках одной системы. Большое количество доступного программного обеспечения и библиотек  позволяют насытить центральный мозг системы обширнейшей функциональностью. В компьютере есть практически все для аппаратного и программного объединения различных элементов в единую систему. Современное движение производителей оборудования к использованию широко распространённых протоколов и стандартов (RS232, USB, Ethernet, Wi-Fi), принятых в компьютерном мире, значительно облегчает интеграцию блоков и создание системы Умного Дома. Нельзя забывать и то, что в современном информационном обществе, пропитанным духом Интернета, Умный Дом нужно понимать не только и не столько как управление коммуникациями, климатом и оборудованием, сколько тем, что помогает экономить энергоресурсы и повысить комфорт, а так же средством, позволяющим качественно изменить уровень жизни.

Создание на базе ПК головного мозга системы  Умного Дома из программно-аппаратных кирпичиков, оснащённых Web-интерфейсом, является перспективным занятием, в  котором может участвовать не один разработчик-пользователь.

В качестве операционной системы  была взята Debian GNU/Linux. Данная операционная система как нельзя лучше вписывается  в идеологию конструирования, потому что сама по себе собрана как конструктор  из разных модулей, написанных разными людьми.

В качестве рабочей станции  был выбран сервер от компании Sun - SunFire v120.

Для обеспечения непрерывной  работы в любой, независимой от электросети  ситуации, к серверу был подключен  источник бесперебойного питания. Также  к ибп был подключен маршрутизатор.

Ядро системы автоматизации  использует пакет owfs для управления 1-wire компонентами. Программы управления написаны на PHP и perl. Использованы также  возможности awk, bash. В качестве сервера  баз данных использован MySQL, а задачи Web-сервера выполняет Apache HTTPD.

После установки owfs (для микросети  на базе протокола 1-wire)  возникла необходимость  написания управляющих программ: управление освещением, отоплением, вентиляцией. Для этих целей был выбран язык программирования PHP.

У любой автоматизированной системы должен быть интерфейс, через который она общается с пользователем. Информация, например, с датчиков температуры и влажности, нужна не только для управления отоплением, но и для того, чтобы не одеть в мороз вместо шубы и валенок пляжный костюм. Причем для меня было важно, чтобы этот интерфейс был доступен с любого компьютера в доме, а также извне, из Интернета. Для реализации этой задумки идеально подходит технология Web в общем и HTTPD-сервер Apache в частности. Не нужно забывать и о способе хранения различных данных. Для хранения объемных табличных данных нужна система управления базами данных СУБД. Например, информацию со всех датчиков и исполнительных механизмов я храню в отдельных таблицах. Таким образом, через Web-интерфейс можно всегда получить информацию о том, когда произошло то или иное событие, какой модуль сработал или построить месячный график наружной температуры, потребляемой электроэнергии или воды.

В качестве интерфейса общения  с пользователем выбрана HTTP-технология или попросту Web. Такой интерфейс доступен с любого компьютера домашней сети, а также из Интернета. Нет необходимости что-то устанавливать на клиентском компьютере.

Прежде всего, нужно сказать, что Web-сервер домашней автоматизации - это всего лишь интерфейс, а не основное ядро системы. Ядром системы в нашем случае является комплекс скриптов, работающих постоянно или запускаемых по расписанию, через cron, которые записывают результаты своей работы в базу данных. Например, каждые 5 минут запускается PHP-скрипт, который опрашивает все датчики температуры и записывает полученные данные в соответствующие таблицы БД. 

Любой интерфейс  состоит не только из функционального  программного кода, но и из некоторого графического представления, внешнего вида, дизайна. Интерфейс должен быть понятным, удобным в работе, а в нашем случае еще и легко изменяемым, расширяемым, ну и конечно более-менее красивым. Для системы автоматизации "Умный дом" на мой взгляд наиболее отвечает этим требованиям блочно-колоночная организация Web-интерфейса. Например, один блок или группу блоков можно задействовать для отображения информации с камер наблюдения, другой блок для отображения работы системы отопления, третий для индикации состояния устройств или энергопотребления. Кроме того, такой интерфейс лучше сделать "резиновым", то есть подстраиваемым под разные разрешения экрана от 1024х768 и выше.

Использование единого сервера, центра домашней автоматизации, весьма удобно с точки зрения программной  организации работы системы. Ведь к  компьютеру можно достаточно просто, без использования сложных аппаратных механизмов подключить множество совершенно различных интерфейсов, сетей и протоколов, которые могут управляться единым программным обеспечением, что значительно упрощает схему сети, не требует специального оборудование, делает всю систему более гибкой и значительно ускоряет процесс обмена информацией между системами.

Компания Maxim/Dallas выпускает множество компонентов  для микросетей 1-wire, с помощью  которых можно создавать различные  модули и устройства. Среди прочих есть и температурные датчики DS1820 и DS18B20. Это маленькие микросхемы с 3-мя ножками.  Данные датчики продаются практически в любом радио-магазине, так как в настоящее время используются повсеместно. Стоимость одного датчика порядка 7000 руб.

Для подключение  всей конструкции потребуется «ведущей сети», основной и единственный компонент, который является связкой между компьютером/контроллером и сетью 1-wire. Его можно с легкостью собрать самому, но на данном этапе было решено купить в Интернет-магазине готовый. DS9490R - миниатюрное устройство с портом USB. Есть также устройства для COM-порта.

Для управления светом из локальной  сети достаточно зайти в стандартный  веб-интерфейс программы owfs, кликнуть на чекбокс свойства PIO и нажать кнопку Change.

 

Смонтировав датчики температуры, у системы появляется постоянный источник данных о внешней среде, на базе которого и строится система управления отоплением.

В нашем случае стандартная  система управления достаточно проста: вентиль, открыв который мы подаем горячую  воду в батареи, и соответственно температура повышается, закрыв — понижаем.

Опросив датчики температуры, и обнаружив, что последняя отличается от необходимого  на некоторое значение система, в соответствии с таблицей распределения температур повернет вентиль на определенный градус.

Стоит отметить, что таблица  распределения температур в каждом случае различна, и данные для построения оной в своей основе эмпирические.

Компания Maxim/Dallas выпускает  большое количество компонентов, применимых для решения задач управления. В номенклатуре Dallas есть такие элементы как DS2405, DS2406P, DS2408P.

DS2405 - 1-канальный ключ (в  текущий момент снят с производства, а в качестве замены рекомендуется  использовать 2-канальный DS2413)

DS2406P - 2-канальный ключ

DS2408S - 8-канальный ключ

Практически все задачи, связанные с исполнительными устройствами и дискретными датчиками возможно реализовать с помощью адресуемых ключей. Включение-выключение света в любых комбинациях, управление отоплением, вентиляцией, опрос любых датчиков, в том числе охранных, аварийное отключение воды, в случае протечки, имитация присутствия, когда никого нет дома.

Логичный вопрос - зачем  так все усложнять, если проще  использовать фотореле. Ответ можно  сформулировать в виде вопроса: А  что если никого нет дома? Зачем  включать освещение? Достаточно дать компьютеру знать состояние сигнализации, чтобы он принял решение включать, когда это нужно и не включать, когда это не нужно. Это только простейший пример. Фотореле, увы, не обладает интеллектом. Экономия и комфорт - две вещи, которые должны ставиться во главу угла, когда речь идет об автоматизации дома.

Подобным образом на базе 1-wire можно реализовать простейшее управлением освещением или любой  другой нагрузкой. А как быть, если нужно включать лампочку или любое  другое устройство не только по команде с компьютера, но и с помощью обычного выключателя (кнопки)?. Данный вопрос решается следующим образом: один канал используется для управления нагрузкой, а другой для определения состояния выключателя (кнопки). Работает такой элемент достаточно надежно, а главное быстро, несмотря на специфическую программную обработку.

Для видео наблюдения была выбрана камера Logitech HD Webcam C310.

Причины ее выбора следующие:

• относительная низкая цена

• HD разрешение (съемка видео на p720)

Поскольку для Web-интерфейса Умного Дома у нас уже формируются снапшоты каждую минуту, стало необходимым написать программу для анализа изображения.

Festival— обобщенная многоязычная  система синтеза речи, разработанная  Аланом В. Блэком в Исследовательском  Центре Речевых Технологий (CSTR) в университете Эдинбурга.Распространяется под свободной лицензией, аналогичной лицензии BSD. Она предлагает полную систему синтеза речи с различными API, а также среду для разработки и исследования методов синтеза речи. Система написана на C++ со Схема-подобным командным интерпретатором для общей настройки и расширения.

Благодаря наработкам МГУ, а  также словарям ударений и голосу Карлова, появилась возможность  подарить системе управления домом  возможность говорить на русском  языке.

Теперь появилась возможность  сразу давать команду (SayText ""). А имея запущенный TCP-сервер, также  появляется возможность посылать команды  не только непосредственно из командного режима, но и с помощью, например, PHP-скриптов, что в свою очередь  открывает огромные возможности перед конструктором.

Проект  «Умный дом» позволяет не только вывести на новый уровень качество жизни, но и предлагает доступный и экономичный вариант обеспечения экономии энергоресурсов.