XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Умный дом
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На осенних каникулах я с одноклассниками ездил на экскурсию в г. Казань. Одним из туристических мест был город Иннополис. Иннополис – это современный передовой город, в котором разрабатываются и внедряются IT-технологии. В городе можно увидеть роботов-официантов и такси-беспилотников. Вернувшись домой, я стал искать больше информации об этом удивительном городе. И нашел, что в Иннополисе впервые были опробованы элементы «умного» управления дома по программе «Умный дом». Сегодня в Иннополисе тестируют «умные» счетчики и домофоны. А я хочу в своей квартире провести эксперимент с другим элементом «Умного дома» - регулирование теплоносителя в радиаторе отопления при помощи умного термостата.
Цель работы: узнать базовые принципы работы умного дома, разобрать и изучить отдельный узел на примере батареи отопления в спальне.
Задачи исследования:
1.Изучить литературу, интернет-ресурсы по теме.
2.Провести экспериментальное исследование.
3. Сделать вывод по проделанной работе и рассказать о ней с помощью презентации.
Предмет исследования: управление климатом в спальне, при помощи непрерывного контроля температуры и регулирования теплоносителя в радиаторе отопления.
Объект исследования: Свердловский проспект дом 7, квартира 73.
Гипотеза: Я предполагаю, что при помощи умного дома можно управлять климатом, тем самым снижая расходы по тепло потреблению.
Методы исследования: сбор литературы, экспериментальное исследование, наблюдение, описание.
Актуальность работы. Актуальность темы исследования обусловлена высоким потенциалом развития систем «Умного дома». Основными преимуществами данной системы являются автоматизация большинства процессов в квартире, а также контроль над состоянием электроприборов, освещения, отопления и системы водоснабжения.
Глава 1. Теоретическая часть
Что такое программа «Умный дом».
Из покон веков человечество изобретало всё новые способы облегчить себе жизнь, орудия труда, механизмы и вот наступила эра электро-вычислительных машин (ЭВМ), многие процессы были переведены под контроль ЭВМ, сначала отдельные машины (станки), а затем и целое производство, на сегодняшний день один человек при помощи ЭВМ может управлять целым заводом или предприятием. Производство, учет и контроль энергосетевых ресурсов выполняют ЭВМ. Развитие и упрощение ЭВМ привело к созданию «Умного дома» - интеллектуальной системы управления, которая обеспечивает автоматическую работу всех инженерных сетей дома. Управление энергосистемой, отоплением, вентиляцией, безопасностью и другими процессами в вашем доме всё это можно при помощи данной технологии.[3]
Система «Умный дом» — это система домашних устройств, способных выполнять действия и решать определенные задачи без участия человека. Например, автоматическое включение и выключение света, коррекция работы климатической системы, системы безопасности и другие процессы. (Приложение 1.) Уникальное качество этой системы — это гибкость, пользователь сам настраивает оптимальные для него параметры в зависимости от его потребностей, а система оптимизирует настройки сводя затраты используемых на это ресурсов к минимуму, чем экономит время и деньги пользователя. Данная система так же имеет возможность модернизации, что позволит использовать новые устройства, не меняя всей системы, а заменяя или добавляя лишь те устройства, которые дадут наибольшую эффективность.[4]
Из чего состоит «Умный дом»?
Принцип работы «умного дома» заключается в центральном компьютере, принимающем сигналы от командных устройств, затем эти сигналы передаются исполнительным системам.[6]
Система «Умного дома» включает в себя три типа устройств (Приложение 2):
- контроллер (хаб) — это управляющее устройство, соединяющее все элементы системы друг с другом и связывающее её с внешним миром;
- датчики (сенсоры) - устройства, получающие информацию о внешних условиях;
- актуаторы — это исполнительные устройства, непосредственно исполняющие команды. Это самая многочисленная группа, в которую входят различные выключатели, розетки, сервоприводы, сирены и так далее. [1]
Почти во всех случаях контроллер соединен с остальными устройствами по радиоканалу, что упрощает размещение и подключение, а также не требует многочисленных проводов.
Автоматизация отопления при помощи системы «Умный дом».
Автоматизация отопления в жилых домах возможна посредством регулирования температуры теплоносителя всей системы или отдельным управлением радиаторами в комнатах.[7] Регулирования температуры теплоносителя производится управление котлом. Это чаще всего встречается в загородных домах, когда управляется процессом нагрева теплоносителя (воды) в зависимости от температуры воздуха на улице, который циркулируется по батареям во всём доме. [2]
Управление радиаторами осуществляется путём установки умной термоголовки, которая управляет радиатором в комнате (открывает или закрывает его). Более подробно рассмотрим этот способ автоматизации отопления. Будем управлять радиатором в спальне нашей квартиры умным термостатом. (Приложение 3) Умный термостат — это термоголовка, которая устанавливается на радиатор отопления и, воздействуя на клапан, регулирует подачу в него теплоносителя из системы отопления. Если клапан в термостате открыт полностью, то в комнате будет теплее, а если он закрыт — холоднее.[5]
Управление температурой воздуха в спальне.
Мы настроили наш термостат на температуру 260С и установили термодатчики, которые измеряют температуру и влажность в режиме реального времени. Один датчик установили непосредственно на батарею, второй датчик установили в спальне, которая измеряет температуру воздуха. (Приложение 4, 5)
По диаграмме 2 видна цикличность нагрева и остывания радиатора в течении дня. Умная термоголовка 13 раз полностью закрыла радиатор, когда в комнате температура дошла до 260С и открыла его при остывании. По диаграмме 1 мы видим, что температура воздуха в комнате держится на комфортной нами заданной температуре. (Приложение 6)
Глава 2. Практическая часть
2.1. Экспериментальное исследование
Для наглядной демонстрации работы умной термоголовки по программе «Умный дом» мы собрали стенд. Он продемонстрирует как реагирует умная термоголовка на внешние воздействия окружающей среды. (Приложение 7)
Стенд состоит из расширительного бака, где находится теплоноситель – это вода, управляемого крана и умной термоголовки. Сейчас в комнате около 23 градусов по Цельсию. Термоголовка настроена на поддержание температуры не ниже 20 градусов по Цельсию.
Смоделируем охлаждение внешней температуры (например открытие окна), для этого охладим умную термоголовку надев замороженную форму на неё.
Подождав некоторое время, мы видим, что кран перекрывавший радиатор начал открываться умной термоголовкой и теплоноситель поступает в радиатор отопления.
Убрав замороженную форму с умной термоголовки, она автоматически прогревается до температуры воздуха в нашей комнате и перекроет кран.
Заключение.
Изучив базовые понятия и принципы работы «Умного дома» в нашем доме, я понаблюдал, как автоматически, без участия человека можно управлять климатом в спальне.
Моя гипотеза подтвердилась, прописав правильный сценарий можно управлять температурой воздуха в комнатах, избегая излишнего нагрева, как следствие - экономия энергии. На мой взгляд при помощи внедрения таких систем в наши дома, также можно экономить электричество, тепловую энергию и воду, делать нашу жизнь комфортнее, автоматическими системами включения света, открывания закрывания штор, проветриванием помещений, очистки воздуха и воды.
В случае отъезда из дома на длительное время, можно регулировать отопление с поддержанием минимальной температуры и нагревать заблаговременно, чтобы по возвращению была комфортная температура дома.
Умный дом можно использовать для обеспечения безопасности: система контроля протечек воды, задымления, контроля углекислого газа или горючего газа, потери давления, видеонаблюдения и других систем контроля.
В глобальном смысле это позволит экономить наши тепло ресурсы, сжигать меньше газа и нефти, выбрасывать меньше дыма в атмосферу. Что сделает нашу планету чище и лучше.
Используемые литература и интернет-источники
Гололобов В.Н. «Умный дом» своими руками. / Гололобов В.Н. - М.: НТ Пресс, 2007.-34с.
Сопер М.Э. Практические советы и решения по созданию «Умного дома» / Сопер М. Э. - М.: НТ Пресс, 2007.-118с.
Элсенпитер Т.Р., Дж. Велт. «Умный Дом строим сами» / Элсенпитер Т. Р., Велт Дж / КУДИЦ-ОБРАЗ. 2005.-10с.
Электронный ресурс: http://www.ab-log.ru/page.php дата обращения 12.12.2022г.
Электронный ресурс: http://www.ydom.ru/ дата обращения 12.12.2022г.
Электронный ресурс: https://kakpravilnosdelat.ru/umnyj-dom-svoimi-rukami/ дата обращения 12.12.2022г.
Электронный ресурс: https://home-matic.ru/2022/10/upravlenie-otopleniem-umniy-dom/ дата обращения 12.12.2022г.
Приложение 1. Что такое программа «Умный дом»?
Приложение 2. Основные виды устройств «Умного дома»
Приложение 3. Умный термостат – термоголовка
Приложение 4. Установка датчика на радиаторе
Приложение 5. Установка датчика в спальне
Диаграмма 2 (температура радиатора)
Диаграмма 1 (температура воздуха в спальне)
Приложение 6. Диаграммы температуры
Приложение 7. Экспериментальное исследование