Умный дом

Для отключения питания можно использовать встроенный ключ, который управляется по линии VBAT_SW_EN от GPIO-порта хоста. Отдельное напряжение линий ввода-вывода облегчает согласование уровней для подключения управляющего микроконтроллера с любым напряжением питания в пределах 1,8…3,6 В. Модуль не требует кварца или внешнего тактирования, но сам может выдавать сигнал 32,768 кГц на линию EXT_32K.Рис. 2.10 – Схема подключения CC3000MODТаблица 2.1Технические характеристики СС3000MODСтандарт802.11 b/g, BSS StationВыходная мощностьTX power: +18,0 dBm at 11 Mbps, CCKЧувствительностьRX sensitivity: -88 dBm, 8% PER, 11 MbpsРежимы безопасностиWEP, WPA/WPA2 (AES и TKIP – Personal)Встроенные стеки протоколовTCP/IP stack (IPv4 – DHCP client, DNS, mDNS, ARP), Wi-Fi driver, security supplicant, Auto-calibrated radioПрограммный интерфейсBSD-sockets (~35 APIs)Объем FLASH и RAM на внешнем микроконтроллере, Кбайт5 (Flash) и 3 (RAM)Интерфейс внешнего управленияSPI 16 MГцПропускная способность (TCP), Mbps~4*Число одновременно открытых соединений4 сокета (UDP или TCP)Режимы энергопотребленияАктивный режим (92 мА, тип. ток RX); выключенное состояние (Shutdown Mode) <5 мкАНапряжение питания, В2,7…4,8Рабочее напряжение для линий ввода-вывода (I/O Voltage), В1,8…3,6Размеры, мм16,3 × 13,5 × 2Температурный диапазон, °C-20…70Обновление прошивкиЧерез загрузку Patch в EEPROMВспомогательные интерфейсыI2C для прямого доступа к EEPROM UART для тестирования радиочастиСертификацияFCC, IC, CE (для варианта с ЧИП-антенной)Основное управление осуществляется по пяти линиям интерфейса SPI (рисунок 2.11). CC3000MOD выступает в качестве подчиненного Slave-устройства. Частота тактирования 0…16 МГц. Передача данных осуществляется блоками по 16 бит, первым идет старший бит. Чтение данных происходит по спаду сигнала CLK (CPHA = 1). Если длина блока получается нечетной, то в конце нужно добавить опциональный выравнивающий байт. Специальная линия IRQ (от СС3000MOD к хосту) уведомляет Master (управляющий микроконтроллер) о том, что СС3000MOD имеет некоторые данные, которые необходимо вычитать. Эта же линия сообщает о готовности CC3000MOD к обмену данными по SPI.Рис. 2.11 – Управляющие линии SPIСтруктура SPI-пакета приведена на рисунке 2.12. Первым идет байт «Команда», который включает в себя признак записи или чтения данных. Далее в двух байтах указывается длина блока с учетом выравнивающего байта. Завершают заголовок пакета два байта «Занято» (Busy). Используемый формат SPI-протокола является расширением стандартного SPI. При отправке самого первого SPI-пакета необходимо вставить две паузы по 50 мкс после выставления сигнала CSn и между 4 и 5 байтами (между байтами Busy).Рис. 2.12 – Формат SPI-блока данныхПример SPI-пакета HCI_CMND_SIMPLE_LINK_START, который должен быть отправлен первым со стороны хоста после подачи питания на СС3000, приведен на рисунке 2.13. Для выполнения всех операций по передаче данных через Wi-Fi-сеть производителем предоставляется набор API в виде платформенно-независимого исходного C-кода драйвера хоста, поэтому разработчику не обязательно изучать формат передачи данных на уровне HCI.Рис. 2.13 – HCI-пакетHCI_CMND_SIMPLE_LINK_STARTИмеющаяся на борту EEPROM-память используется для сохранения сетевой конфигурации, MAC-адреса и обновления прошивки, которое реализовано в виде загрузки небольших исправляемых кусков кода (Patch). Обновления прошивки (патчи) выпускаются производителем. Доступ к EEPROM возможен как напрямую, через отдельный служебный интерфейс I2C, так и через основной интерфейс управления SPI c помощью специального API. В EEPROM есть свободная область объемом около 5 Кбайт, где можно хранить пользовательские данные.Интерфейс UART (линии WL_RS232_RX и WL_RS232_TX) предназначены для прямого управления радиочипом с целью тестирования радиочастотных параметров при производстве модуля. Специальная Windows-утилита СС3000 Radio Tool позволяет инициировать непрерывный прием или передачу для калибровки радио. В принципе, в разрабатываемом изделии эти линии можно никуда не подключать.Для разрешения сложных проблем с Wi-Fi-протоколом имеется возможность извлечь отладочную информацию (logging information) из внутренних регистров чипсета CC3000. Отладочная информация существует в виде двух слоев – уровень драйвера (Driver level from pin NS_UART_DBG) и уровень внутренней прошивки (Firmware level from pin WL_UART_DBG). Каждый уровень выводится через специально выделенный для этих целей вывод модуля СС3000MOD – NS_UART_DBG присутствует на выводе 2, в то время как WL_UART_DBG разведен на вывод 4. Данные выдаются по последовательному интерфейсу UART c рабочим напряжением 1,8 В в формате 921600/8/n/1. Для съема информации на ПК необходимо запустить любую терминальную программу и сохранить поступающие данные в бинарном формате. Анализом данных занимается техническая поддержка производителя – документация по формату отладочных данных разработчику не доступна.Для разводки модуля достаточно двух слоев печатной платы, хотя референсный дизайн разведен в четырех слоях. Не рекомендуется проводить сигнальные линии под модулем на том слое, где монтируется сам модуль. При использовании четырех слоев рекомендуется слой 2 делать сплошным земляным полигоном для отвода тепла. Подключение антенны необходимо выполнить с помощью согласованной 50-омной линии, при использовании керамических антенн нужно строго следовать рекомендациям производителя по расстояниям от антенны до линий земли и границ печатной платы. Линии SPI требуется делать минимально возможной длины. Линия питания VBAT должна быть не менее 40 mils, линия VIO_HOST не менее 18 mils. Линию VBAT следует, по возможности, окружать земляными полигонами со всех сторон.Модуль синхронизации на основе BluetoothBlueGiga BLE113 предназначен для использования в связке с маломощными сенсорами и периферией. BLE113 может выступать в качестве хост-узла для пользовательских приложений, не требуя наличия дополнительного внешнего микроконтроллера. В качестве элемента питания модуля может использоваться обычная батарейка-монета с напряжением 3 В или пара батареек типа AAA. Широкий диапазон напряжений питания позволяет работать даже при достаточно сильно разряженном источнике автономного питания. Реализовано несколько режимов пониженного энергопотребления. В режиме сна модуль потребляет всего 500 нА, время пробуждения составляет несколько сотен микросекунд.Возможности модуля расширены интерфейсом I2C, что позволяет использовть разнообразные цифровые датчики, оборудованные данным интерфейсом.Структурная схема модуля представлена на рисунке 2.14.Рис. 2.14 –Структурная схема модуля BLE113В основе BLE113 – однокристальная система СС2541 от Texas Instruments. На модуле интегрированы 32 МГц и 32.678 кГц кварцевые резонаторы, согласующий антенный фильтр и фильтр нижних частот.Модуль соответствует спецификации Bluetooth 4.0, поддерживает режимы ведущего и ведомого, до восьми соединений, GAP, GATT, L2CAP и SMP. Передатчик BLE113 характеризуется мощностью от 0 до -23 дБм, приемник — чувствительностью -93 дБм. В режиме передачи потребляемый ток составляет 18,2 мА (0 дБм), приема — 14,3 мА. В спящем режиме потребляемый ток падает до 0,4 мкА. Список периферийных блоков, которыми оснащен модуль, включает UART, SPI, I2C, PWM и GPIO, а также 12-разрядный АЦП. Габариты модуля равны 9,15×15,75×1,9 мм.Основные технические характеристики:приемопередатчик с поддержкой технологиии Bluetooth 4.0 low energy radio (частоты 2402…2480 МГц, GFSK модуляция);выходная мощность: до +0 дБм (1 мВт);чувствительность приемника: -93 дБм;встроенная керамическая чип-антенна;максимальный ток при передаче: 18,2 мА (при вых. мощности 0 дБм);энергопотребление в режиме сна: 0,4 мкА;микроконтроллер на базе высокопроизводительного однотактного ядра 8051;8 Кбайт RAM (доступно порядка 3…4 Кбайт);128 Кбайт флэш-памяти (не считая стека протоколов, для пользовательских приложений доступно порядка 40…50 Кбайт);напряжение питания: 2,0…3,6 Врабочая температура: -40…85°Cразмеры: 15,75×9,15×2,1 мм.BLE113 обладает богатым набором периферийных устройств:хост-интерфейс UART;интерфейсы для подключения периферийных устройств – SPI, I2C, до четырех ШИМ-каналов, UART (до 1 бит/с), GPIO (до 11 линий, в зависимости от задействованных периферийных устройств);семь АЦП с настраиваемой разрядностью от 7 до 12 бит (производительность АЦП от 4 до 30 тысяч выборок в секунду), встроенный датчик температуры, монитор разряда батареи.Типовая схема включения BLE113 представлена на рисунке 2.15.Рис. 2.15 –Типовая схема включения модуля BLE113Линии ввода-вывода могут работать в качестве входных с подтягиванием к уровню нуля или питания (кроме линий 0 и 1 порта 1), в качестве выходов с нагрузочной способностью до 4 мА. Также линиям портов ввода-вывода могут быть назначены альтернативные функции периферийных устройств.Поддерживаемые особенности Bluetooth:поддержка Bluetooth Smart (low energy);L2CAP, ATT, GATT, GAP и Security Manager;профили Bluetooth Smart;режимы Client и Master;поддержка до восьми соединений в режиме Master;скорость передачи данных более 100 Кбайт/с;обновление прошивки «по воздуху».К другим достоинствам модуля BLE113 относится возможность выполнения написанных для него приложений (для создания приложений используется язык скриптов Bluegiga BGScript и набор разработчика ПО Bluegiga Bluetooth Smart SDK) [4]. Кроме того, с помощью набора Bluegiga Profile Toolkit можно создавать профили Bluetooth Smart.BlueGiga предоставляет ряд инструментов и сред для разработки BLE-приложений, а также для настройки модулей и отладки встроенного программного обеспечения.Bluetooth Smart Software от Bluegiga позволяет разрабатывать приложения без глубокого знания технологии Bluetooth Smart.Сенсорный дисплей 3.2 TFT LCD дисплей Ultra HD 320X480 для MEGA 2560 R3 – цветной графический TFT ЖК дисплей с диагональю 3.2 дюйма и разрешением 480x320 точек для удобного вывода информации при работе с Arduino MEGA 2560 и совместимыми с ней контроллерами. Есть слот SD карты для хранения данных.Характеристики:Размер: 89.92х54.25 мм;Размер дисплея: 67.68х45.12 мм;Размер экрана: 3.2 дюйма;Подсветка заднего фона: 6 белых светодиодов;Разрешение экрана: 480х320 пикселей;Потребляемый ток: 80...110 мА;Тип матрицы: TFT;Рабочее напряжение: 5/3.3 В;Функция тачскрина: нет;Шина данных: 16-канальная параллельная;Интерфейс: 36-контактный, совместимый с Arduino Mega 2560;Контроллер: ILI9486.Рис. 2.16 – 3.2 TFT LCD дисплей Ultra HD 320X480 для MEGA 2560 R3Модуль микрофонного усилителяМодуль микрофона с усилителем на чипе MAX9812. Характеристики:Напряжение питания: от 2.7 до 3.6В;Размер: 20х11мм.Рис. 2.17 – Модуль MAX9812Модуль УНЧУсилитель НЧ 2х3Вт, DC 2.5-5В, класс «D» для Arduino.Мощность: 2х3 WНапряжение: 2,5-5 VРис. 2.18 – Модуль Усилитель НЧ 2х3Вт, DC 2.5-5ВМодуль анализатора спектраМодуль TM10P управляется микроконтроллером STM32F030F4P6. В нем и происходит обработка звукового сигнала поступающего на АЦП. Технические характеристики: Светодиодная матрица: 5х7Каналов АЦП: 1Частота дискретизации: 40 кГцКоличество выборок для преобразования Фурье: 128Количество полос: 5Отображение диапазонов: 1) от 625 Гц до 937.5 Гц; 2) от 1250 Гц до 1562.5 Гц; 3) от 1875 Гц до 3125 Гц; 4) от 3437.5 Гц до 6250 Гц; 5) от 6562.5 Гц до 19687.5 Гц.Максимальный уровень входного сигнала: 3ВНапряжение питания: 5ВРазмер печатной платы: 50.8 х 25.4 ммМодуль разработан в дизайне Troyka-модулейДополнительно в модуле имеется разъем I2C, для запроса данных с АЦП.Браслет – передатчик звука и сигналаIP68 Водонепроницаемый Bluetooth программируемый браслет. Таблица 2.3Технические характеристики браслета IP68РазмерыВесь размер: 250*17*10.8 мм (в комплекте браслет)Вес нетто22 гДисплейOLED В. А.: 22.8*6.8 ммБатареи класса1-7 класс, дивизии 1 сортСрок службы батареи30 дней после подзарядкиИсточник питания3.8 В/75 мАч полимерная литиевая батареяЗащита от попадания водыIP68Модули приёма сигналаBLE112-A-v1 – это модуль, работающий в новом стандарте Bluetooth Low Energy (Bluetooth 4.0 или Bluetooth Smart) и предназначен для создания автономных беспроводных датчиков, способных работать очень долгое время от одного дискового элемента питания. Модуль может передавать данные на мобильный телефон iPhone (начиная с 4S), т.к. компания Apple стала одной из первых в мире кто добавил поддержку Bluetooth 4.0 в свои новые разработки, теперь можно получать информацию от беспроводных автономных датчиков (охрана жилища, медицина, погода, умный дом, потребление энергии, состояние автомобиля и т.п.) на свой гаджет.Технология Bluetooh 4.0 позволяет одному центральному узлу (Master) обслуживать до 800 подчиненных устройств (Slave). Модуль BLE112-A-v1 имеет чувствительность -93 дБм и выходную мощность до +4 дБм, что позволяет передавать данные на несколько десятков метров. Ток потребления в режиме сна составляет всего 400 нА. Простые законченные устройства можно создавать на базе BLE112-A-v1 буквально за считанные дни, благодаря возможности загрузки программ, написанных на специальном языкеBluegigaBGScript™ scriptinglanguage.Рис. 2.19 – Модуль BLE112-A-v1Модуль памятиМодуль позволяет хранить, читать и записывать на SD карту данные требуемые для работы прибора на основе микроконтроллера. Применение устройства актуально при хранении файлов от десятков мегабайт до двух гигабайт. На плате размещен контейнер SD карты, стабилизатор питания карты, вилка соединителя линий интерфейса и питания. Если требуется работать с звуковыми, видео или другими объемными данными, например, вести журнал регистрации событий, данных датчиков или хранить информацию веб-сервера, то модуль SD карты памяти для Arduino даст возможность применить SD карту для этих целей. С помощью модуля можно изучить особенности работы SD карты.Характеристики:Напряжение питания 5 или 3,3 ВОбъем памяти SD карты до 2 ГбайтРазмеры 46 х 30 ммОбмен данными между МК и модулем происходит по интерфейсу SPI. Контакты модуля SD карты памяти для Arduino подписаны. Каждый проводник сигнала соединен с двумя контактами в 2 ряда. Рядом расположенные контакты дублируют друг друга. Приводим назначение и расположение контактов, вид на контакты со стороны штырей.Рис. 2.20 – Модульпамяти2.5. Расчет сметной стоимости проектаСмета затрат проекта включает в себя необходимое оборудование, затраты на заработную плату сотрудников компании-подрядчика и прочие накладные расходы. Общие затраты на разработку и внедрение проекта «умный дом» приведены в таблице 2.4.Таблица 2.4Расчет сметной стоимости проекта№Статьи затратСумма затрат, руб.1.Программное обеспечениеУниверсальное базовое программное обеспечение «Legos»8000.00Итого:8000.002.Аппаратные средстваМатеринская плата 5000.00Модуль обработки речи5000.00Wi-Fi модуль управления5000.00Модуль Bluetooth2000.00Модуль ДУ 3000.00Сенсорный дисплей 5000.00Модуль микрофонного усилителя5000.00Модуль УНЧ5000.00Модуль анализатора спектра5000.00Браслет- передатчик Bluetooth5000.00Модули приема команд Bluetooth5000.00Модуль памяти 5000.00Итого:55000.003.Затраты на оплату услуг компании-подрядчикаИтого:25000.004.Материальные затратыБумага200.00Канцтовары80.00Картридж1300.00Электроэнергия 172.00Итого:1752.00Итого:86752.00Общие затраты на разработку составляют 86752.00 рублей.2.6. Разработка план-графика мероприятийПлан-график мероприятий по проектированию и внедрению системы «умный дом» приведено в таблице 2.2 [10].Таблица 2.2План-график мероприятий№ЗадачаНачалоОкончание1Разработка концепции построения системы01.01.201809.01.20182Проектирование системы09.01.201810.01.20183Поставка оборудования10.01.201801.02.20184Утверждение проекта01.02.201806.02.20185Установка и настройка оборудования06.02.201813.02.20186Настройка программного обеспечения13.02.201816.02.20187Подготовка документации16.02.201824.02.20188Обучающие занятия25.03.201828.03.20189Прием-сдача системы29.03.201810.04.20182.7. Выводы об экономической эффективности проектаДанный проект разработан для жилого дома. От внедрения данного проекта ожидается улучшения следующих показателей:Повышение энергосбережения;Повышение уровня комфорта.В результате реализации разрабатываемой программы у пассажиров компании появится возможность пользоваться услугами сотовой связи на протяжении все пути.Эффект от экономии электроэнергииСравнения затрат электроэнергии до и после внедрения системы приведены в таблице 2.2.Таблица 2.2Сравнение затрат электроэнергииПомещенияЗатраты электроэнергии в год, кВт*чДо внедренияПосле внедренияДворовое освещение18001100Подвальное освещение1400900Санузел900650Гостиная23001600Чердак800600Спальная комната 1900500Спальная комната 21100600Спальная комната 3850450Спальная комната 4900600Итого:109507000При тарифе 2.81 руб./кВт·ч экономия энергопотребления в год составляет:(10950 – 7000) * 2.81 = 11099,5 руб.Показатели экономической эффективности:Сумма сметных затрат на проектирование и внедрение системы «умный дом» составляет 86752.00 рублей;Годовая экономия затрат на электроэнергию составляет 11099.5 рублей в год;Период окупаемости равный отношению суммы затрат на разработку и внедрение к годовой экономии средств составил 7 лет. При этом в случае подорожания электроэнергии период окупаемости будет сокращаться.Анализ экономической эффективности проекта показал, что внедрение подсистемы управления освещением системы «умный дом» позволит в значительной степени сократить энергопотребление. Снижение энергопотребления происходит за счет автоматического отключения освещения, в случае отсутствия в помещении людей, за счет регулировки интенсивности освещения в зависимости от освещенности естественным освещением. Тем не менее, системы «умный дом» в настоящее время направлены больше на повышение комфорта дома, а не на энергосбережение. ЗаключениеЦелью ВКР является разработка многофункционального управляющего контроллера для систем «умный дом».Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:Описана технология «умный дом»;Рассмотрены примеры реализованных проектов;Разработан проект системы;Выбрана спецификацию оборудования;Рассчитана сметная стоимость проекта;Рассчитана экономическая эффективность проекта.Таким образом интеграция устройств управления позволила в среднем сэкономить до 30% электроэнергии и обеспечила качественное функционирование системы освещения здания, снижение затрат на ремонт оборудования благодаря своевременному выявлению его неисправности и более точной локализации поломок, а также безопасность в эксплуатации.Применение устройств и энергосберегающих технологий «умного дома» позволило повысить энергоэффективность использования осветительного оборудования здания, повысить качество жизни человека, сократить расходы, связанные с коммунальными платежами. Управление освещением в здании является одним из элементов энергоэффективного строения.Список литературыВелт Т.Дж. ,Элсенпитер Р.К., Умный Дом строим сами, Кудиц-образ, 2015 – 384 с.Гололобов В.Н., Умный дом своими руками, НТ Пресс, 2013 – 416 с.Что такое «Умный дом» [электронный ресурс], http://www.smartsystems.ru/article/chto_takoe_umnyjj_dom/Умный дом для всех [электронный ресурс] http://www.clever-home.ru/index.php?productID=683Сайт компании Нouseclever [электронный ресурс] http://houseclever.ru/index.php?page=article&id=43ТомКейни, «Smart Homes For Dummies», Астра, 2015 – 340 с.ДикМоре, «Smart Home Hacks: Tips & Tools for Automating Your House», М. 2016 –280 с.Елена Тесля, «Умный дом» своими руками. Строим интеллектуальную цифровую систему в своей квартире, Питер, 2016 – 224 с.Марк Эдвард Сопер, Практические советы и решения по созданию «Умного дома», НТ Пресс, 2015 – 432 с.Гололобов, В.Н. «Умный дом» своими руками,НТ Пресс, 2014 – 416 с.