XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Инновации в доме: путь к умному будущему
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Наша жизнь не стоит на месте, мы все стремимся вперед. Наши желания и возможности вполне можно воплотить в современной жизни. Технологический прогресс не стоит на месте, и одним из наиболее перспективных направлений развития является умная среда обитания. Стремительное развитие цифровых технологий открывает новые возможности для создания комфортного и безопасного жилого пространства, где каждый элемент работает слаженно и эффективно.
Умный дом перестал быть элементом научной фантастики и превратился в реальность, доступную современному человеку. Умный дом - это жилой дом современного типа, для проживания людей, с использованием автоматизированных высокотехнологичных устройств. В этом доме с помощью современных приборов можно управлять светом, смотреть, кто находится в данный момент в доме. Я решила подробнее ознакомиться с преимуществами такой системы и в дальнейшем спланировать свой жилой дом с использованием современных технологий управлением дома.
Актуальность темы обусловлена растущей потребностью общества в оптимизации бытовых процессов, экономии ресурсов и создании максимально комфортной среды обитания.
Целью данного проекта является исследование современных инновационных технологий в сфере умного дома и определение их потенциала для улучшения качества жизни.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) изучить существующие технологии умного дома; 2) проанализировать их преимущества и недостатки; 3) собрать собственную модель умного дома с некоторыми полезными опциями.
Объект исследования: технологии умного дома.
Предмет исследования: влияние технологий на качество жизни и эффективность использования ресурсов.
Проект имеет важное практическое значение, так как его результаты могут быть использованы для разработки макетов умных домов, отвечающих современным требованиям технологического прогресса.
Гипотеза: умный дом – это удобный современный комплекс, который стремительно развивается и обеспечивает домашний комфорт и безопасность.
Методы исследования: сбор и анализ информации; графический метод; модельно-макетный метод; метод автоматизированного проектирования.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Что такое «умный дом»?
Умный дом – это комплекс устройств, подключенных к интернету, которые автоматизируют рутинные задачи и облегчают жизнь. Система помогает контролировать освещение, отопление, кондиционирование воздуха, аудио- и видеосистемы, а также следить за безопасностью. Управление умным домом может осуществляться со смартфона, планшета, колонки и т. д.
Идея создания умного дома появилась еще в 70-х годах XX века, когда компания X10 разработала протокол для передачи сигналов по электропроводке. Этот протокол был основой для первых систем автоматизации дома, которые позволяли управлять освещением и другими устройствами через дистанционный пульт.
Сегодня умные дома стали более распространенными и доступными благодаря развитию технологий. Существует несколько видов умных домов:
1) полностью автоматизированные дома - это дома, в которых все системы управляются автоматически без участия человека. Они могут контролировать температуру, освещение, открывать и закрывать двери, управлять электроприборами и т.д.; 2) частично автоматизированные дома - это дома, в которых некоторые системы управляются автоматически, а некоторые – вручную; 3) расширяемые дома - это дома, в которых системы управления могут быть добавлены и изменены в будущем в зависимости от потребностей жильцов.
Системы умного дома бывают двух основных типов. Они различаются способом подключения устройств и передачи сигналов. Типы подключения устройств: проводные и беспроводные.
Беспроводной протокол является более популярным способом связи. Он позволяет легко установить компоненты без прокладки кабеля. Проводной канал является более надежным. Он обеспечивает высокий уровень защиты от внешних помех. Выбор зависит от задачи и типа жилья.
Необходимо отметить, что умные дома стали очень популярными благодаря своей энергосберегаемости и возможности экономить время и деньги, а также обеспечить большую степень безопасности.
1.2 Что включает в себя «умный дом»?
Рассмотрим, что включает в себя умный дом. Основные компоненты: датчики, исполнительные устройства, центральные контроллеры и девайсы управления (рис.1).Датчик – устройство, которое регистрирует какое-то событие и сообщает об этом девайсу управления. Датчики могут реагировать на воду, дым, влажность, свет, температуру, движение.Исполнитель – устройство, исполняющее команды. Это может быть бытовая техника, девайс или электронные приборы: стиральные машины, мультиварки, пылесосы, музыкальные центры, розетки, лампы. В качестве исполнителей могут также выступать разные реле и выключатели. Центральный контроллер – большинство систем умного дома управляются через центральный контроллер или хаб, который отвечает за координацию работы всех устройств. Приложения – любая система, с её помощью смарт дом работает на пользователя, который настраивает ее возможности под себя. Как правило, человек управляет всем с помощью одного приложения или голосовых помощников, которые становятся «пультом (рис.2). Например, вы можете настроить, чтобы при отключении света на улице включались наружные фонари.
Остановимся более подробно на датчиках (рис.3).
|
Датчики движения |
Фиксируют присутствие людей для управления освещением или сигнализацией. |
|
Датчики температуры и влажности |
Помогают регулировать климат в помещении. |
|
Датчики открытия/закрытия |
Устанавливаются на двери и окна для контроля доступа и безопасности. |
|
Датчики протечки |
Предупреждают о возможных авариях в водопроводной системе. |
|
Датчики дыма и угарного газа |
Обеспечивают пожарную безопасность |
Датчики отправляют сигналы в контроллер при изменении параметров (например, движение в комнате или повышение температуры). На основе этих данных система выполняет заданные действия (например, включает кондиционер или отправляет уведомление).
Исполнительные устройства – устройства, выполняющие команды, поступающие от контроллера, обеспечивая автоматизацию процессов (рис.4).
|
Умные розетки и реле |
Позволяют удалённо включать/выключать бытовые приборы и отслеживать их энергопотребление. |
|
Умные лампы и светильники |
|
|
Умные термостаты |
|
|
Умные замки |
Обеспечивают безопасный доступ в дом через смартфон, код или биометрию. |
|
Автоматизированные шторы и жалюзи |
|
Центральные контроллеры – устройства, координирующие работу всех устройств, связывая их в единую систему (Рис.5). Контроллер принимает команды от пользователя (через приложение, голосовой помощник или сенсорную панель) и передаёт их соответствующим устройствам. Существует несколько типов контроллеров, выбор зависит от масштаба проекта и целей: Wi-Fi-хабы — подходят для небольших квартир, легко подключаются к домашней сети и управляются через приложение на смартфоне. Шлюзы с поддержкой протоколов Zigbee, Z-Wave или Thread — обеспечивают стабильную связь с десятками устройств, работают даже при потере интернета и потребляют меньше энергии. Промышленные контроллеры — например, KNX или Modbus, которые используются в загородных домах и требуют профессиональной установки.
Девайсы управления - устройства, обеспечивающие взаимодействие между системой умного дома и её пользователями (Рис. 6). Это могут быть: мобильные приложения — позволяют контролировать и настраивать различные функции системы; пульты управления — позволяют управлять устройствами; голосовые ассистенты — позволяют задавать команды через приложение, голос или панель.
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Создание макета умного дома
Изучив основные устройства, приступаем к созданию собственного умного дома.
В качестве контроллера систем моего дома я использовала плату Arduino.
Arduino — платформа для разработки электронных устройств, прототипов и макетов в области электроники, автоматики, автоматизации процессов и робототехники. Включает аппаратную часть (платы) и программное обеспечение (среду разработки, языки программирования). Плата Arduino — программируемый микроконтроллер с собственным процессором и памятью; в каком-то смысле, это мозг робота, который получает данные, обрабатывает их, а затем координирует действия подключенного к нему устройства. Помимо них, на плате есть контакты, к которым можно подключать светодиоды, датчики, моторы. Arduino Uno — стандартная плата на основе микроконтроллера ATmega328, имеет 14 цифровых входов/выходов (6 поддерживают ШИМ) и 6 аналоговых входов. Arduino IDE (Integrated Development Environment) — официальная среда разработки для программирования плат Arduino. Она упрощает процесс написания, компиляции и загрузки кода в микроконтроллер. Основной язык программирования для Arduino — упрощённый C/C++, встроенный в среду разработки Arduino IDE. Я выбрала плату Ардуино, потому что она является оптимальным вариантом для первых проектов и исследований и при этом обладает довольно широким функционалом для моей работы.
Мой умный дом состоит из двух этажей. На первом этаже две комнаты. В первой комнате находится светящееся "звёздное небо", состоящее из нескольких светодиодов и настольная лампа – тоже светодиод. Я могу управлять всем освещением в этой комнате с помощью пульта. В следующей комнате люстра – светодиод – и датчик движения. Люстру можно включить, используя пульт, а также она сама будет загораться, когда датчик зарегистрирует передвижение.
На втором этаже находятся вентилятор и датчик температуры и влажности, на крыше дома прикреплено табло. Вентилятор управляется пультом, также он включается самостоятельно при достижении в помещении температуры 29°C. Дополнительно на табло выводится информация о температуре и влажности, которая поступает от датчика.
Снаружи спереди дома установлен инфракрасный приёмник, который получает сигнал от пульта дистанционного управления. Сзади дома установлен датчик освещения – фоторезистор, включающий уличный фонарь (светодиод), прикрепленный сбоку к стенке дома. Уличный фонарь тоже можно включить с помощью пульта.
Ещё я добавила функцию, чтобы можно было включить и выключить сразу всё освещение с помощью двух разных кнопок.
В плату загружена программа (рис.7), и она управляет всеми системами умного дома.
2.2 Описание основных устройств макета умного дома.
|
Датчик температуры и влажности (DHT11) |
Внутри корпуса на стороне датчиков находятся датчик влажности и датчик температуры NTC (термистор). Чувствительный к влажности компонент имеет два электрода с влагоудерживающей подложкой (обычно соль или проводящий пластиковый полимер), зажатой между ними. По мере поглощения водяного пара подложка высвобождает ионы, что, в свою очередь, увеличивает проводимость между электродами. При увеличении относительной влажности уменьшается сопротивление между электродами, а при уменьшении относительная влажность увеличивает это сопротивление. Т акже для измерения температуры имеется датчик температуры NTC (термистор). Он сделан так, чтобы его сопротивление резко изменялось при изменении температуры. С ростом температуры сопротивление уменьшается. |
|
Д атчик движения (HC-SR501) |
Инфракрасный датчик движения позволяет обнаруживать движение теплых объектов (людей, животных). Сердцем модуля является пироэлектрический сенсор, оснащенный двумя чувствительными элементами. Когда оба этих элемента получают одинаковый уровень инфракрасного излучения от фоновой обстановки, их выходные сигналы компенсируют друг друга, и результирующий сигнал отсутствует. Когда объект с температурой выше нуля перемещается в зоне обнаружения датчика, он сначала перекрывает одну половину сенсора, вызывая появление на ней положительного электрического импульса, а затем другую, вызывая появление отрицательного импульса. Эта последовательность изменений интерпретируется как движение, и на выходе датчик положительный импульс. Для повышения чувствительности и эффективности датчика используется метод фокусировки инфракрасного излучения на устройство с помощью «Линзы Френеля». Линза выполнена из пластика в виде купола и состоит из множества концентрических элементов, она фокусирует тепловое излучение на разные участки датчика. |
|
Светодиод DIP (звёздное небо, люстра, уличный фонарь) |
Д анный диод реализован так: эпоксидный полусферический корпус, внутрь которого помешен катод с треугольной платформой, где размещен кристалл - полупроводник. Рядом расположенный анод соединён с кристаллом с помощью тончайшего проводка. Электрический ток, протекая через полупроводниковый материал, вызывает излучение света. Электроны, находящиеся в полупроводнике, переходят на более высокую энергетическую уровень, а затем возвращаются на более низкий уровень, испуская фотоны света. |
|
Инфракрасный пульт |
В пульте дистанционного управления телевизором находится передающий ИК-диод, это просто лампочка, светящаяся в инфракрасном диапазоне невидимого для нас спектра. Инфракрасное, или тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое испускает любое нагретое до определенной температуры тело. При нажатии на кнопку пульта, ИК-диод начинает и злучать сигнал, и ИК-приемник на телевизоре принимает тот же сигнал. Для того, чтобы передать логическую последовательность, пульт формирует импульсный пакет ИК лучей, информация в котором модулируется или кодируется длительностью или фазой составляющих пакет импульсов. |
|
ИК-приёмник VS1838B |
Основной элемент инфракрасного приемника — фотодиод или фототранзистор, чувствительный к ИК-свету. При попадании излучения на активную область этого элемента в нем возникает электрический ток, который затем усиливается и преобразуется в цифровой сигнал. Под действием внешнего инфракрасного излучения через диод начинает протекать ток. Этот ток затем преобразуется в напряжение и поступает на регулируемый усилитель. Далее сигнал с регулируемого усилителя поступает на полосовой фильтр. Он служит защитой от помех. После того, как сигнал прошёл через полосовой фильтр, он поступает на амплитудный детектор и интегрирующий фильтр. Интегрирующий фильтр необходим для подавления коротких одиночных всплесков сигнала, которые могут быть вызваны помехами. Далее сигнал поступает на пороговое устройство, а затем на выходной транзистор. |
|
Электродвигатель постоянного тока (в работе вентилятора) |
Э лектродвигатель состоит из статора, ротора, или якоря, обмотки якоря, коллектора. При подаче тока на обмотку якоря (через коллектор), которое статор создаёт магнитное поле с помощью постоянных магнитов. Взаимодействие магнитного поля статора и якоря создает электромагнитную силу, которая заставляет вращаться двигатель. Коллектор переключает направление тока в обмотке якоря в нужные моменты, обеспечивая непрерывное вращение ротора. |
|
Дисплеи LCD1602 |
Основной структурный элемент ЖК-дисплея — это пиксель. Каждый пиксель состоит из трех ячеек (субпикселей). К аждая ячейка-субпиксель, в свою очередь, содержит в себе жидкие кристаллы, расположенные слоями таким образом, что из молекул внутри них складывается спираль. Спиралевидная структура кристаллов зажата между двумя электродами и двумя цветными пластинками, покрытыми поляризационной пленкой. В первой ячейке пластинки красные, во второй — зеленые, а в третьей — синие. С одной стороны субпиксель подсвечивается. Свет проходит через первую пластинку (вертикальную) и приобретает вертикальную ориентацию. А затем происходит следующее: если на электродах нет напряжения, то жидкие кристаллы находятся в покое, образуя спираль. Свет проходит через нее и в итоге меняет ориентацию, становится «горизонтальным» и спокойно выходит наружу через вторую пластинку. В результате мы получаем яркий красный, зеленый или синий свет; если же подать на электроды определенное напряжение, то под его воздействием жидкие кристаллы поворачиваются в одно и то же положение перпендикулярно вертикальной пластинке. Свет проходит через них, остается «вертикальным» и упирается в горизонтальную пластинку, которая его не пропускает. Получается более тусклый свет или полное отсутствие света, то есть, черный цвет. |
|
Фоторезистор |
Между двумя токопроводящими электродами размещается полупроводник. В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того, чтобы он проводил ток, необходимо воздействие на вещество внешнего стимулятора. Таким стимулятором может быть термическое воздействие или световое. Под действием фотонов света полупроводник насыщается электронами, в результате чего он становится способным проводить электрический ток. Чем больше электронов образуется, тем меньшее сопротивление току оказывает полупроводниковый материал. |
|
Схема устройства |
2.3 Сборка макета умного дома.
|
Этапы сборки |
Описание |
|
Чертёж и подготовка макета |
Сначала я начертила детали на листе фанеры. Далее вырезали и установили заднюю и боковые стенки и перегородку между комнатами на первом этаже. |
|
Освещение на первом этаже |
Далее сделали освещение на первом этаже. Между потолком первого этажа и полом второго находятся светодиоды, к которым припаяны провода для подачи напряжения, все провода от светодиодов уходят в изоляционную трубку. |
|
Основа второго этажа и оснащение |
После сборки первого этажа прикрепили остальные детали из фанеры и закончили основу второго этажа. К задней стенке прикрепили двигатель вентилятора при помощи кронштейна. На боковой стенке датчик температуры и влажности. Провода от данных приборов идут в ту же изоляционную трубку с правой стороны. |
|
Оснащение первого этажа |
Рядом с левой боковой стенкой на первом этаже присоединили датчик движения, а на крыше дисплей, снаружи уличный фонарь. Провода от них уходят по левой изоляционной трубке. |
|
Проводка |
В се провода выходят в подвал, находящийся под домом. |
|
Плата Ардуино |
В подвале находятся все системы управления домом, которые присоединены к основной плате Arduino Uno, на которую загружена программа, она управляет умным домом. По причине наличия у платы Ардуино только слаботочных выходов, способных питать только одиночные светодиоды, понадобилось прибегнуть к «усилению» этих выходов с применением транзисторов, работающих в данном случае в режиме ключа «вкл-выкл». Сначала были применены транзисторы серии КТ814, но они не подошли, т.к. оказались неспособными работать при низком напряжении питания 5В (работают фактически начиная от 6В). В итоге были подобраны имеющиеся в наличии транзисторы КТ361, КТ326, КТ816 для параллельно соединенных светодиодов, а также более мощный КТ805. для электромотора вентилятора, так он потребляет самый большой ток (до 1 А). Также из-за большой мощности электромотора невозможно было осуществить прямое подключение кабелем к компьютеру для программирования платы Ардуино, т.к. её электропитание также осуществляется от напряжения 5 В этого же порта USB компьютера, ток которого желательно не должен превышать 0,5 А, иначе могут быть сбоив работе компьютера. Для решения этой проблемы сделан второй вывод кабеля с разъемом USB, предназначенный исключительно для питания электродвигателя вентилятора. |
|
Проверка правильности подключения проводов |
П роверяем правильность подключения проводов при помощи мультиметра ("Прозвонка"). |
|
Завершение работ |
Проверка основных устройств. Заключительная отделка макета. |
|
Проверка работы основных устройств |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работая над темой проекта, я пришла к выводу: если не хватает времени на решение бытовых вопросов и хочется облегчить жизнь с помощью новейших технологий, «Умный дом» — лучший выбор!
Я собрала и изучила доступную информацию по этой теме, познакомилась с комплексами новейших технологий, проанализировала плюсы и минусы «Умного дома». Выяснила, что эта технология новая, но не достаточно популярная в нашей стране из-за высокой стоимости и малой информативности о данной технологии.
С каждым годом технологии меняются, предложений становится больше, растёт конкуренция, и система «Умный дом» со временем будет доступней для пользователей. Много учёных работают над проблемой доступности системы «Умный дом» для потребителей. И я думаю, что в ближайшем будущем эта технология будет применена во многих домах и квартирах, делая жизнь людей более безопасной и комфортной.
Необходимо отметить, что цель проекта достигнута, задачи решены и гипотеза подтверждена. Созданный макет умного дома демонстрирует возможности системы «Умный дом», помогает наглядно представить проект и может использоваться в образовательном процессе.
https://disk.yandex.ru/i/LoOHTbjMmGeT3w
ссылка на видео
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
-
Кашкаров А. П. Электронные схемы для «умного дома». М. : NT Press, 2007
-
Коняхин А. В. Информационные технологии в прикладных исследованиях. Рязань, 2023
-
https://arduino-uno-ws.ru/all-articles/datchik-dvizheniya-hc-sr501-princzip-raboty-i-prakticheskoe-primenenie/?ysclid=mjj06s1ibo286856346
-
https://dip8.ru/articles/chto-takoe-svetodiody/?ysclid=mjla2aog54768902538#princip-raboty-i-ustrojstvo-svetodiodov
-
https://dzen.ru/a/W9sVTPO6WwCr_Jy7?ysclid=mjiyj1zlb0272735174
-
https://dzen.ru/a/Xx8byRrhLlHo7R6r?ysclid=mjj013ik3s694398158
-
https://edu.sputnix.ru/docs/orbicraft/arduino/temperature_humidity_sensor
-
https://go-radio.ru/ir-receiver.html?ysclid=mjlrbl7dum200064096
-
https://ichip.ru/sovety/kak-rabotaet-zhk-displejj-prosto-o-slozhnom-198532?ysclid=mjlso9364u719868160
-
https://inner.su/services/elektrodvigatel-postoyannogo-toka/?ysclid=mjlt8s5bb5178766510
-
https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%B9
-
https://vc.ru/tech/868613-kak-rabotaet-infrakrasnyi-pult-poyasnyaem?ysclid=mjlqwvpyvg513285856
-
https://www.asutpp.ru/fotorezistor.html
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис.1 Схема устройства «Умный дом»
Рис.2 Один из видов устройств управления
Рис.3 Различные виды датчиков
Рис.4 Исполнительные устройства
Рис.5 Центральные контроллеры
Рис.6 Устройства управления
Рис.7 Программа для управления системами умного дома.