Дипломная работа: Разработка системы автоматизированного управления освещением и температурой в помещении на базе микроконтроллера ATmega

Введение …………………………………………………………………………………………………. 7
1 Аналитический обзор современного состояния исследуемой проблемы …. 8
1.1 Обзор и анализ существующих систем автоматизированного
управления «умным домом» …………………………………………………………… 8
1.2 Обзор и анализ существующих методов управления «умным
домом»………………………..…………………………………………….13
1.3 Постановка задачи………………………………………………………..17
2. Разработка автоматизированной системы управления освещением и
температурой ……………………………………………………………………………………….. 19
2.1 Выбор микроконтроллера ……………………………………………………………….. 19
2.2 Выбор ПО……………………………………………………………………………………….. 24
2.3 Структурная схема ………………………………………………………………………….. 31
2.4 Алгоритм программы………………………………………………………………………. 31
2.5 Принципиальная схема оборудования ……………………………………………… 36
2.6 Описание процесса проведения эксперимента …………………………………. 38
3. Экономическая часть …………………………………………………………………………… 48
3.1 Технологическое описание процесса ……………………………………………….. 48
3.2 Определение затрат в схемах автоматизированной системы …………….. 48
4. Безопасность жизнедеятельности………………………………………………………… 57
4.1 Анализ производственных факторов ……………………………………………….. 57
4.2 Расчет установок пожаротушения с комбинированным
углекислотно-хладоновым составом………………………………………………… 60
4.3 Расчет общего искусственного освещения……………………………………….. 62
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 65
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 66
Приложение А. Листинг программы…………………………………………………………. 6

1 Аналитический обзор современного состояния исследуемой
проблемы
На данный момент в информационном мире существует понятие
«интеллектуальное здание» или как принято называть разговорным языком
«умный дом» . «Умный дом» — это комплекс систем, интегрированных в
единое информационное пространство, обеспечивающий максимальную
безопасность людей и имущества, поддерживающий комфортные и удобные
условия труда и отдыха, а также позволяющий увеличить эффективность
функционирования служб при одновременном снижении экс плуатационных
расходов.
Определение «умный дом» может быть применимо только к таким
решениям автоматизации современных зданий, в которых все системы
интегрированы в единый управляющий комплекс. Они способны не только
функционально решать собственные задачи, а также дополнять друг друга,
функционировать как части единой системы.
Существует много классов систем управления от разных
производителей. Иногда, в пределах одной фирмы существуют насколько
линеек систем управления в разных ценовых категориях, с различными
возможностями. Если на одной системе можно автоматизировать целый
город, то возможности других изначально проектировались только для одного
частного дома или квартиры.

1.1 Обзор и анализ существующих систем автоматизированного
управления «умным домом»
В настоящее время существуют разные подходы к системе управления
домом:
1.BPT-система домашней автоматизации с распределённым
интеллектом, использующая закрытый протокол передачи данных.
Реализуется управление освещением,домашней автоматикой,
кондиционированием, отоплением, инженерной и охранной сигнализацией,
гомофонией;
2.LanDrive-платформа для построения шинных распределённых систем
управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками,
электроприборами, а также такими системами, как отопление,
кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа и
протечек воды;
3.C-Bus -протокол для домашней автоматизации, а также автоматизации
зданий, спортивных сооружений и т. д. Данная система с распределённым
интеллектом (без центрального процессора), использующая кабель 5 —
категории (Cat.5), длина которого в одном сегменте может составлять 1000 м.
Таких сегментов в одну систему можно объединять до 255. Протокол C -Bus
был создан Clipsal Integrated Systems для использования в системах домашней
автоматизации и системах управления освещением зданий;
4.AMX — система домашней автоматизации одноимённой компании
Система централизованная, протоколы закрытые, изначально применялись
собственные шины передачи данных. Новые линейки оборудования AMX
используют для передачи стандартные протоколы Ethernet, Wi-Fi иZigbee.
Имеет шлюзы для сопряжения с другими системами (EIB, LON и др.);
5.X10 — протокол управления электроприборами. Сигнал передается по
электрическим проводам либо в радиодиапазоне.
На данный момент из всего разнообразия представленных на рынке
умных систем управления, можно выделить несколько систем, являющимися
типичными представителями в своем классе:
-централизованные: CRESTRON;
-децентрализованные EIB;
-смешанные (псевдодецентрализованные): Х-10.

Система управления домом Crestron
Crestron – это централизованная система управления. В основном она
строится на основе применения широкого спектра управляющих центральных
контроллеров и множества исполнительно — командных блоков. Управляющие
контроллеры Crestron обладают большим набором встроенных возможностей,
высокой производительностью и достаточной гибкостью.
Отличительные качества систем управления Crestron:
— возможность собрать в единый комплекс все разрозненные системы
жизнеобеспечения;
-интегрированное управление из единого центра;
-очень респектабельный дизайн и функциональность дисплеев;
-удобство интерфейса цветных, настенных, сенсорных панелей;
-узнаваемость и престижность.
Основной целью приложений системы управления Crestron является
автоматизация объектов окружения. Данное оборудование применяется для
интегрированного управления аудио — видео системами, освещением, шторами,
жалюзи, микроклиматом, системами безопасности. Система позволяет с
единой панели управления:
— осуществлять необходимые регулировки – включение/выключение
акустических систем;
-установку уровня громкости;
-уровня освещённости;
-открытие/закрытие штор;
-выбирать желаемый источник информации (компьютер, спутниковы
или обычный тюнер, CD, Cdi, LD, или DVD
-проигрыватель,видеомагнитофон);
-управлять устройствами для отображения информации
(видеопроектором, проектором слайдов, монитором, проекционным экраном).
Достоинства системы Crestron
Одним из достоинств систем управления Crestron является очень широкий
ассортимент интерфейсов пользователя: сенсорные панели,
сенсорные радио — панели, клавишные панели управления, радио и ИК -пульты.
Сенсорные панели (настольные и встраиваемые в стену)
характеризуются высоким разрешением, цветными сенсорными экранами
XVGA и создают живое, четкое графическое изображение. Экраны размером
15 или 12 дюймов, могут быть настольными или встраиваемыми, имеют plug —
in модули для Ethernet, компьютера, видео и аудио, беспроводных
соединений.
Сенсорные радио-панели. В поставляемых моделях используется
улучшенная RF — технология Crestron, позволяющая осуществлять управление
по радиоканалу и не быть привязанным к определенному месту помещения.
Клавишные панели обеспечивают легкое управление широким спектром
функций. Кнопки с подсветкой дают возможность использовать панели в
любое время суток. Они позволяют проигрывать WAV — файлы, обладают
встроенными температурными сенсорами, позволяя управлять системой
климат-контроля из любой комнаты.
Радио и ИК-пульты обеспечивают дистанционное управление всеми
приборами дома.
Недостатки системы Crestron
Система управления домом Crestron имеет некоторые недостатки:
-самая высокая цена;
-ограниченный выбор дизайнерских решений внешнего вида и цветов
сенсорных и клавишных пультов управления.

Система управления домом EIB
EIB — это европейский стандарт международной ассоциации ЕIВА
(European Installtio n Bus Association), который объединяет десятки ведущих
европейских производителей электротехнической продукции.
Система EIB децентрализованная. Децентрализованное управление
осуществляется в пределах устройств: являются ли они передатчиками или
приемниками, они связываются друг с другом непосредственно, без иерархии
или сетевого контролирующего устройства. Все устройства (компоненты,
абоненты) обмениваются информацией по общему каналу — шине EIB.
Передача данных осуществляется в соответствии с протоколом шины.
Компоненты осуществляют передачу последовательно, асинхронно (система
является событийно — управляемой), конфликты разрешаются расстановкой
приоритетов сообщений. Передаваемая информация собирается в телеграммы
и через шину передается от источника (сенсора, датчика) приемнику
(активатору, полезной нагрузке) или группе приемников. Сообщения
получают все абоненты, однако реагируют на него только те, кому оно
адресовано. В случае успешной передачи каждый приемник подтверждает
получение телеграммы. При отсутствии подтверждения передача повторяется.
После трех неудачных попыток передача прекращается, а в запоминающем
устройстве передатчика фиксируется информация о неисправности.
Сеть EIB отличается простой, наглядной иерархической структурой,
созданной специально для схемотехники зданий. Системы EIB интегрируются
в энергетические системы зданий, домов или квартир и выполняют:
-управление энергопотреблением;
-управление освещением;
-управление микроклиматом (отопление, кондиционирование,
вентиляция);
-оперативный контроль, индикацию, мониторинг;
-охрану и сигнализацию;
-управление жалюзи;
-взаимодействие с другими системами.
Система EIB устанавливается как в больших зданиях (банки, больницы,
школы, производство), так и в частных коттеджах и квартирах. Система
управляет всем комплексом электрики.
Система EIB имеет следующие достоинства:
-система управления, выполненная на EIB , полностью автономна и
независима от работоспособности компьютера визуализации, она может
работать и хранить в памяти логических модулей все режимы независимо от него.Система EIB
надежна в работе, элегантна в исполнении,
многофункциональна и позволяет гибко перепрограммировать систему под
желания пользователя;
-монтаж компонентов в стандартном электрощите, или установка в
стандартные монтажные коробки;
-выбор внешнего вида универсальных выключателей для EIB огромен и
представлен различными производителями ABB, BERKER, GIRA, MERTEN,
JUNG, SIEMENS;
-отличная проработка программно-аппаратного обеспечения
компонентов, огромные возможности расширения Хорошие средства
создания графического интерфейса.
Недостатки системы EIB
Система EIB имеет некоторые недостатки:
-достаточно высокая цена;
-невысокая скорость передачи команды (около 0,3 сек);
-низкая помехозащищенность;
-невозможность оборудования большого объекта, из-за ограниченного
адресного пространства;
-небольшой ассортимент датчиков движения.

Система управления домом X-10
Х-10- проверенная технология, получившая широкое распространение
на рынках США и Европы. X10 — широкий используемый стандарт в области
домашней автоматизации . X-10 — метод и протокол передачи управляющих
сигналов -команд по силовой электропроводке на электронные модули, к
последним подключены управляемые электробытовые и осветительные
приборы.
С функциональной точки зрения сеть Х-10 включает следующие
компоненты: передатчики, приемники, трансиверы, пульты ДУ, линейное
оборудование, измерительное оборудование.
Передатчики позволяют передавать специальные коды команд в
формате Х-10 по электросети. Такими устройствами являются
-программируемые таймеры, посылающие сигналы в нужное время;
компьютерные модули, выполняющие заданные программы по управлению
электроприборами; датчики температуры, освещенности, движения и др.,
которые при наступлении определенных событий посылают соответствующие
сигналы приемникам.
Приемники принимают команды Х-10 и выполняют их: включают или
выключают свет, регулируют освещенность и т. д. На всех приемниках
имеются селекторы установки его адреса — 16 возможных кодов дома (А — P) и
16 возможных кодов модуля (1 — 16), то есть всего 256 различных адресов.
Несколько приемников могут иметь тот же адрес, в этом случае они
управляются одновременно.
Трансиверы принимают сигналы от инфракрасных или радио пультов
дистанционного управления и передают их в электросеть, преобразовав в
формат Х-10.
Пульты ДУ обеспечивают дистанционное управление устройствами Х-
10 по ИК или радиоканалам. Наиболее удобны универсальные пульты ДУ, с
их помощью можно управлять как устройствами Х — 10, так и аудио/ видео
аппаратурой.
Линейное оборудование повторители/ретрансляторы сигналов, фильтры
скачков напряжения или тока, противопомеховые фильтры, блокираторы
сигналов. Устройства используются для повышения надежности и
безотказности системы в целом. Хотя в простых системах возможно
достижение прекрасных результатов и без использования этих средств, но
всегда лучше подстраховаться.
Измерительное оборудование используется для измерения уровней
полезных сигналов Х — 10 и помех в электросети при выполнении монтажных и
пуско-наладочных работ.
Достоинства протокола Х-10
Протокола Х-10 имеет достоинства:
-низкая цена;
-легкий монтаж компонентов в стандартном электрощите, или простое
включение модулей в электрические розетки. Элементарное
программирование;
-открытый протокол. Возможность легкой интеграции в любую систему
управления от самых разных производителей. Совместимость с любыми
электроустановочными изделиями от большинства производителей. Средств
визуализации много, но от сторонних разработчиков.
Недостатки протокола Х-10
Протокола Х-10 имеет некоторые недостатки:
-низкая скорость передачи информации;
-низкая помехозащищенность: X-10 использует амплитудную
модуляцию, поэтому помехи в электросети легко могут «забить» полезный
сигнал;
-проблема ложного срабатывания: ложные срабатывания от помех в
электросети, вызванных бытовыми электроприборами маловероятны;
-отсутствие обратной связи приемника с передатчиком;
-возможны конфликты устройств X10 разных производителей;
-возможен несанкционированный доступ к устройствам X-10 по
электросети.
1.2 Обзор и анализ существующих методов управления «умным
домом»
На сегодня разработка системы управления умным домом является
одним из приоритетных направлений развития автоматизированных систем. В
современной системе умного дома, имеющей открытую архитектуру, каждая
из систем работает в оптимальном режиме за счет взаимообмена д анными с
другими системами здания, что в итоге позволяет максимизировать
эффективность работы всей системы в целом.
Существующие методы управления умным домом:
-автоматическое управление умным домом на основе датчиков;
-управление умным домом с помощью пульта дистанционного
управления и панели управления;
-удаленного управления.
Автоматическое управление умным домом на основе датчиков
Система управление домом на основе датчиков и микроконтроллеров
используется для управления таких систем, как: системы климат контроля,
системы безопасности, системы контроля освещения, системы контроля
доступа и т.д. В системе содержится следующие типы датчики: датчик
присутствия, датчик дыма, датчик движения, датчик температуры, датчик
освещения, датчик протечки воды и т.д. Архитектура системы
автоматического управления домом на основе датчиков, представлена на
рисунке 1.1…..