XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматизация сити-фермы ("Умный дом")
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Принято считать, что концепция «Умного дома» берет свое начало в середине прошлого века, но из-за высокой стоимости реализации подобные проекты не получили широкого распространения. Ситуация в корне изменилась с развитием электроники и в настоящее время такие системы хоть все еще не внедряются повсеместно, но уже и не воспринимаются как диковинка. Предлагаем рассмотреть, что представляет собой «Умный дом», его круг задач.
Я выбрал эту тему, потому что я вижу в будущем “Умный дом”, как помещение в, котором все процессы автоматизированы: открытие и закрытие дверей и окон, автоматическая вентиляция, освещение работающее по определенному алгоритму, еда, приготавливаемая без участия человека и тому подобное.
Актуальность темы заключается в том, что система «Умного дома» не только упрощает жизнь людям, но и более эффективно, чем человек, выполняет свои функции. Поэтому, в своем проекте, я предлагаю использовать элементы системы умного дома для автоматизации работающей сити-фермы по выращиванию микрозелени.
Цель исследования: изучить возможность подключения оборудования (элементов) «Умного дома» к сити-ферме и их интеграцию с «Алисой».
Проектным продуктом является: схема, видеоролик и фотоматериалы, касающиеся автоматизации работающей сити-фермы.
Этот продукт уменьшит трудозатраты, связанные с обслуживанием сити-фермы, так как система “Умный дом” выполняет часть функций человека самостоятельно, а также сэкономит ресурсы (электроэнергия, вода).
Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:
Изучить информацию про систему “Умный дом”
Рассмотреть области применения этой системы на практике
Проанализировать возможные варианты подключения “Умного дома” к сити-ферме
Определить методы интеграции “Умного дома” с «Алисой»
Сделать выводы о возможности использования элементов «Умного дома» в автоматизации сити-фермы
Гипотеза: возможность объединения элементов «умного дома» для управления рабочими процессами сити-фермы с помощью умного помощника – «Алисы».
Объект исследования: сити-ферма по выращиванию микрозелени.
Сити-ферма - это оборудование (установка), для выращивания сельскохозяйственных культур в городских условиях. В частности, рассматриваем сити-ферму по выращиванию микрозелени.
Этапы исследования:
1 этап
Предлагается автоматизировать следующие системы сити-фермы:
полив
вентиляция
освещение
2 этап
Установка умных розеток и водяных задвижек (кранов), регулирующих полив, включение/выключение ламп и вентиляторов, в заданное время, на каждом уровне сити-фермы.
3этап
Реализация поддержания оптимального температурного режима с помощью «умной» системы приточной вентиляции.
Контроль неисправностей в режиме on-line.
Объединение всех «умных» устройств (розеток, кранов) в общую систему управления «Умным домом», с помощью специальных приложений для смартфона и «Алисы».
4 этап
Разработка нескольких стандартизованных вариантов работы сити-фермы и интеграция их с голосовым помощником «Алисой».
1.Теоретическая часть
Что такое “Умный дом”
Начнем с того, что такое “Умный дом”? “Умный дом “(англ. smart home) — это автоматизированная система управления всеми приборами в доме, которые объединены в единую экосистему. Система может сама принимать решения и выполнять определенные задачи, без участия человека. Вам остается лишь управлять дистанционно нажатием кнопок на пульте/гаджетах или голосовыми командами.
Идея в том, что в быту существует много рутинных постоянно повторяющихся задач, которые можно и нужно автоматизировать. С этим как раз помогает система умного дома. Например, с ее помощью можно настроить включение света и музыки утром, когда вы просыпаетесь, или включение и регулировку нагрева теплого пола. Когда вы уходите на работу, “Умный дом” не забудет активировать сигнализацию и везде выключить свет.
Составляющие умного дома
Система умного дома состоит из трех основных компонентов: датчики, исполнительные устройства и девайсы управления. О каждом подробней.
Датчики, которые принимают сигналы из oкpyжaющeй cpeды и срабатывают, когда происходит определенное событие. Например, датчик протечек реагирует при затекании под него воды. Датчики следят за событиями в доме, отправляют оповещения, запускают заранее разработанные сценарии.
Исполнитель — это устройство, исполняющее целевую команду. Это может быть бытовая техника, девайс или электронный прибор: стиральные машины, мультиварки, пылесосы, музыкальные центры, розетки и лампы.
Актуаторы — исполнительные устройства, получают команды от контроллера и исполняют их. Это умные розетки, выключатели или диммеры, сирены, камеры, электрические реле, включающие и выключающие по сигналу свет в помещении.
В зависимости от текущих задач и сценариев все элементы умного дома можно подключить к хабу или роутеру, а управление может быть как ручным, так и автоматизированным.
Как работает система “Умного дома”
Обычно система “Умного дома” делится на две части. В первую входит управляющий хаб, во вторую — датчики, отвечающие за работу всей системы. Хаб это управляющий центр “Умного дома”, вы вставляете его в розетку, затем он подключается к Wi-Fi и отвечает за управление и связь с остальными датчиками. Зачем это нужно? Дело в том, что большинство датчиков “Умного дома” беспроводные и работают на аккумуляторах. Если бы они напрямую подключались к Wi-Fi, то срок их работы был бы относительно небольшим. Использование хаба позволяет управлять ими через энергоэффективный радиоинтерфейс.
Таким образом, для начала построения “Умного дома” вам понадобится этот управляющий хаб и несколько датчиков. Выбор датчиков зависит от ваших потребностях. Ниже я расскажу какие датчики бывают и какие функции они выполняют.
Примеры управляющих хабов:
Aqara Hub Gateway
Xiaomi Mi Smart Home Hub
Redmond SkyCenter
«Яндекс.Станция»
Также важно понимать, что такая схема (хаб + датчики) используется далеко не всегда. Разновидностей “Умных домов” очень много. Это может быть как большая система с множеством элементов, так и простая лампочка, управляемая со смартфона.
Примеры устройств “Умного дома”
Освещение
Умный свет — самый распространенный сценарий использования “Умного дома”. В базовом варианте у пользователя есть «умная» лампочка, которую он подключает по Wi-Fi и управляет ей со смартфона. Иногда вместо лампочки используется полноценные люстра, лампа или торшер.
Датчики и безопасность
Важную часть “Умного дома” составляют интеллектуальные датчики. Самые популярные из них — датчики открытия/закрытия двери, датчики освещения и датчики движения.
У датчиков обычно две задачи:
Уведомлять пользователя о событиях;
Быть триггером для других более сложных сценариев. Например, при открытии дверей включается кондиционер или загорается свет.
Датчики утечки газа
Датчики утечки газа анализируют концентрацию метана в воздухе и при превышении определенного порога отправляют уведомление на управляющий хаб, а уже он передает информацию на смартфон или включает звуковые уведомления (в зависимости от настроек).
Стоимость автоматизации дома
“Умный дом” как конструктор — можно начать собирать его с минимального набора функций, например, одной-двух, и потратить до 10 000 руб. А можно установить максимально полную систему под ключ и автоматизировать каждый процесс в доме, тогда цена может дойти и до 1,5–2 млн руб.
Цена на готовые решения тоже разная — от 5000 до 500 000 руб., в зависимости от функциональности. В недорогом комплекте может быть от одного до пяти датчиков, а в дорогом — несколько десятков. Дополнительные датчики, розетки и приборы, не входящие в набор, можно купить отдельно.
Некоторые фирмы предлагают готовое экономичное решение для небольшой квартиры, с установкой — от 59 000 руб.
Итоговая цена будет зависеть от площади квартиры/дома и функций “Умного дома”. В среднем он обойдется в 5000 руб. за кв. м. Система под ключ окупается долго, в среднем 5–8 лет, за счет экономии на коммунальных платежах: электричества, отопления. А если у вас стоит функция контроля аварий (протечек, пожара) или охранная сигнализация — система может окупиться за одно срабатывание.
На российском рынке можно купить продукцию разных компаний-производителей, которые поставляют как отдельные элементы системы, так и готовые комплекты. Самые распространенные: Xiaomi, Яндекс, Google, Samsung и другие. Устройства работают в экосистемах: Google Home, Apple HomeKit, Xiaomi, Samsung Smart Things и т. д.
Преимущества и недостатки системы “Умного дома”
Плюсы:
возможность освободить себе руки, переложить часть рутинных действий на автоматические сценарии;
часть “Умного дома” может стать отличным дополнительным защитным средством, будь то охранная система с датчиками открытия дверей и «умной» камерой или же специальные датчики дыма или утечки газа.
Минусы:
цена — «умные» LED-лампочки стоят от ₽700 до ₽2 тыс., в то время как их обычные аналоги можно найти в магазине за ₽100–200, это же касается и других элементов;
некоторая избыточность функций “Умного дома”;
завязка на сетевом подключении. Представьте, что внезапно у вашего провайдера произошла авария и Wi-Fi-подключение оказалось недоступным. Все «умные» устройства сразу же потеряют половину своих функций, особенно если говорить про дистанционное управление, когда вы не дома.
2. Практическая часть
В начале определяю план (этапы подключения/автоматизации сити-фермы).
Для успешного выращивания микрозелени необходимо постоянно обеспечивать следующие условия:
Достаточный полив
Определенное время освещения
Заданный температурный режим
Хорошая вентиляция
2.1. 1 этап
Предлагается автоматизировать системы: полива, вентиляции и освещения.
Система полива обеспечивает подачу воды из специальной емкости - бака, с помощью погружного насоса, через трубопроводы, в лотки, где размещается микрозелень.
Для автоматизации этой системы, предлагается установить розетку с электронным таймером, которая будет включать и выключать погружной насос, обеспечивающий подачу воды в определенное время, на программируемый промежуток времени.
Система освещения и вентиляции. Для автоматизации устанавливаются розетки с таймером, которые обеспечивают включение и выключение ламп и вентиляторов на определенное время. На каждую из этих систем устанавливается отдельный таймер.
2.2. 2 этап
Необходимо повысить уровень автоматизации систем: освещения, полива и вентиляции, установкой умных розеток, регулирующих полив, включение ламп и вентиляторов, в заданное время на каждом уровне. Интегрировать подключение розеток через приложение, установленное на смартфон.
Предлагается обеспечить подачу воды в основной бак, в автоматическом режиме.
В процессе полива, вода движется по замкнутому контуру, то есть она подается в лотки с микрозеленью и сливается после этого обратно в бак.
Часть воды микрозелень забирает на себя, поэтому периодически в бак требуется добавлять воду.
С этой целью устанавливаем в бак датчик уровня воды, который посылает сигнал на умную задвижку (кран) установленную на подающем воду трубопроводе из системы центрального водоснабжения.
Когда уровень воды достигает минимального заданного значения, датчик установленный в баке, посылает сигнал на «умную» задвижку, которая открывается и подает воду в бак.
После того, как уровень воды в баке достигает максимально заданного значения, датчик посылает сигнал на «умную» задвижку, которая закрывается и прекращает подачу воды.
Таким образом, исключается необходимость постоянного контроля уровня воды в баке и ее долива.
2.3. 3 этап
Поддержание в помещении сити-фермы оптимального температурного режима.
Устанавливаем в приточную вентиляцию «умные элементы» - вентилятор, регулирующие жалюзи, и конвектор подогрева поступающего воздуха.
В помещении сити-фермы размещаем температурный датчик, который настроен на определенный режим и управляет элементами приточной вентиляции в автоматическом режиме, поддерживая заданную температуру. Включение/выключение приточного вентилятора, закрывание/открывание жалюзи и изменяющийся уровень мощности нагревательного элемента.
Дополнительно, по сигналу от температурного датчика подключаются вентиляторы обдува, установленные на каждом уровне сити-фермы.
Устанавливаем датчик, фиксирующий неисправность освещения (перегоревшие лампы), который с помощью приложения информирует о необходимости замены ламп.
Подключаем все рассмотренные выше «умные устройства» к приложению смартфона, для возможности контроля работы сити-фермы и, при необходимости, изменения запрограммированных ранее параметров.
Объединение всех умных устройств (розеток, кранов) в общую систему управления «Умным домом», с помощью специальных приложений для смартфона и Алисы.
2.4. 4 этап
Интеграция приложения с “Алисой”
Разработка нескольких стандартизованных вариантов работы сити-фермы, для управления с помощью голосового помощника “Алиса”.
Например:
Голосовая команда - “Вариант 1” (полив включается 2 раза в день на 10 минут в 9:00 и в 21:00, освещение работает с 8:00 до 22:00, температура воздуха 21°C).
Голосовая команда - “Вариант 2” (полив включается 1 раз в день на 15 минут в 11:00, освещение работает с 10:00 до 18:00, температура воздуха 22°C).
И так далее.
Также возможны варианты отключения освещения и/или вентиляции и/или авто-полива на отдельных уровнях сити-фермы. Это можно регулировать с помощью датчиков, умных задвижек, специального приложения, и голосовых команд «Алисы».
Это обеспечивает экономию ресурсов (электроэнергия, вода, тепло) и снижает трудозатраты.
2.5. Принципиальная схема работы сити-фермы по выращиванию микрозелени
Погружной насос
Основной бак с водой
Подающий воду в лотки с микрозеленью трубопровод
Лотки с микрозеленью
Лампы освещения
Вентиляторы обдува
Сливной трубопровод
Завершая работу, делаю вывод, что я всесторонне изучил систему “Умного дома” и теперь могу использовать ее элементы, для автоматизации работы сити-фермы.
В ходе работы я столкнулся с проблемами:
Сложности с поиском оптимального оборудования, для реализации моего проекта
Вопрос интеграции работы умных розеток с приложением на смартфоне
Чтобы справиться с возникшими проблемами, я изучил специализированную информацию в интернете, посещая сайты описывающие принципы работы “Умного дома” и информационные ресурсы компаний, которые занимаются продажей оборудования по этой тематике.
Мне удалось достичь цели проекта, потому что я внимательно проанализировал возможные схемы применения элементов «умного дома» для автоматизации различных процессов и разработал методику объединения системы «умного дома», в интеграции с «Алисой», с действующей сити-фермой по выращиванию микрозелени.
3. Заключение
В завершении проекта, я могу сказать, что не все, что было исследовано здесь, реализовано на практике. В будущем, необходимо провести полноценное объединение умных розеток, приложения смартфона и «Алисы» в единую рабочую систему.
В следующем году я, возможно, продолжу эту работу для того, чтобы повысить эффективность управляющих систем сити-фермы.
Проведя исследование, я решил проблему своего проекта, так как разработал работающую систему автоматизации сити-фермы и частично уже применил это на практике.
Список литературы:
https://j.etagi.com/stati/obustroystvo/chto-takoe-umnyj-dom/
https://avaho.ru/articles/ns/umnyy-dom-chto-eto-takoe-zachem-nuzhen-i-kak-rabotaet-2332.html
https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2018/02/11/prpoekt-umnyy-dom
https://school-science.ru/7/16/38886