Интеллектуальная система жилых зон на основе информационно-измерительных систем управления

Важдаев К. В.

Vazhdaev К. V.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Инфокоммуникационные технологии и наноэлектроника»,

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», доцент кафедры «Управление и сервис технических систем»,

ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 338.465.4

Абдрахманов В. Х. Abdrakhmanov V. Kh.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Инфокоммуникационные технологии и наноэлектроника»,

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, Российская Федерация

Салихов Р. Б. Salikhov Я. B.

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инфокоммуникационные технологии и наноэлектроника»,

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, Российская Федерация

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЖИЛЫХ ЗОН НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Сегодня создается рынок решений в области Machine to Machine и Интернета вещей, основанных на беспроводных технологиях. Одним из первопроходцев этого рынка стала разработка и создание проекта «Интеллектуальная система жилых зон на основе информационно-измерительных систем управления».

В целях повышения энергосбережения часто необходимо поддерживать требуемый температурный или климатический режим в помещении. Также бывает необходимо дистанционно отслеживать параметры или управлять устройством дистанционно, например, менять температурный режим, программу функционирования по дням недели. Представляемые в статье идеи по разработке «Интеллектуальная система жилых зон на основе информационно-измерительных систем управления» являются примером реализации Интернета Вещей (Internet of Things) в Умном городе (Smart City).

Решение проблем энергоресурсосбережения возможно путем повсеместного внедрения современных автоматизированных систем мониторинга и управления (АСМУ) теплопотреблением зданий. Существующие пилотные решения АСМУ отоплением и распределенными информационно-управляющими системами приборного учета выполняются с помощью коммутируемых линий связи, беспроводных GSM-сетей, глобальных каналов Internet и решают частные вопросы мониторинга состояния и удаленного управления оборудованием тепловых пунктов. Для простых и бюджетных решений удаленного мониторинга хорошо подходит глобальная сеть Internet ввиду ее широкой распространенности в России (подведена практически к каждому жилому дому, предприятию и учебному заведению) и относительной простоты реализации. В реализации различных функций интеллектуальных систем жилых зон на основе информационно-измерительных систем управления используются акустооптические датчики.

Проект «Интеллектуальная система жилых зон на основе информационно-измерительных систем управления» — это новая концепция на многосложную систему управления и контроля жилых зон. Пользователь системы будет получать информацию с единого центра, находящегося у него дома или в офисе, при помощи сотового телефона, телевизора, голосового управления, а также удаленно при помощи сайта системы.

На российском рынке нет прямых конкурентов, так как предлагаемые аналоги либо дорогостоящие, либо имеют ограниченный функционал.

Новизна разработки заключается в предлагаемых новых помехоустойчивых методах определения местоположения объекта с использованием избыточного числа точек (в том числе и перемещаемых), относительно которых измеряется расстояние. Предложены оригинальные помехозащищенные алгоритмы получения информации от объекта и проведены предварительные эксперименты с парами приемопередатчиков, разработаны и изготовлены макетные платы для датчиков.

В статье проведен анализ основных тенденций развития интеллектуальных систем жилых зон. В результате сделан вывод о целесообразности использования для связи с устройствами ZigBee-технологии. Предложено в основе построения сети использовать так называемую ZigBee-технологию. Технология передачи данных ZigBee применяется в промышленности для создания сетей передачи измерительной информации. Отличительной особенностью сетей ZigBee является легкость их наращивания путем установки допол-

нительных приемопередающих модулей. Сами модули могут иметь различные варианты исполнения и в зависимости от задачи отличаться повышенной экономичностью или повышенной излучаемой мощностью, компактностью исполнения.

Ключевые слова: интеллектуальная система, энергосбережение, управление климатом, погодные регуляторы, датчики, автоматизация, мониторинг режимов, ZigBee-технология, XBeePRO и XBeeZNet 2.5 модули, MESH-топология.

INTELLIGENT SYSTEM OF LIVING AREAS ON THE BASIS OF INFORMATION-MEASURING CONTROL systems

Today, the market of solutions is created in the area of Machine to Machine and Internet of Things, which basis of wireless technologies. One of the pioneers of this market is «Intelligent system of living areas on the basis of information-measuring control systems».

In order to improve energy conservation is often necessary to maintain the required temperature and climatic conditions in the room. Also, it is necessary, to remotely control the parameters — for example, to change the temperature. Presented in the article ideas on the development of «Intelligent system of living areas on the basis of information-measuring control systems» are an example of the implementation of the Internet of Things in Smart City.

Solving problems of energy saving is possible by the widespread introduction of modern automated monitoring and control systems of heat consumption of buildings. Such existing pilot systems of heating management and distributed information and control metering systems are made via dial-up lines, the wireless of GSM-networks, the global Internet channels and solve particular issues of status monitoring and remote control of heat equipment points. For simple and low cost solutions for remote monitoring well suited Internet global network, in view of its high prevalence in Russia (is brought to almost every dwelling house, dwelling-house in enterprises and educational institutions), and the relative ease of implementation.

«The Intelligent system of living areas on the basis of information-measuring control systems» is a new concept in the polysyllabic living areas of management and control system. Users of the system will receive the information from a single center, located at his home or in the office, using cell phone, TV, voice control, as well as remotely via the site system.

There are no direct competitors on the Russian market, as proposed analogues either costly or have limited functionality.

The novelty lies in the development of the proposed new error-correcting methods for determining the location of an object using an excess number of points. The original algorithms radio interference of obtaining information from the object (including the calculation of the exact location of an object using a trained neural network) are proposed, and preliminary experiments with pairs of transceivers are conducted, it is designed and manufactured prototyping boards for sensors.

The article analyzes of the main trends in the development of intelligent systems of living areas are done. As a result, the conclusion was done about practicability of using to communicate with ZigBee-technology devices. It is proposed basis of building a network to use the so-called ZigBee-technology. ZigBee data transmission technology used in the industry to create a signal transmission networks. A distinctive feature of the ZigBee network is the ease of their capacity by installing additional transceiver modules. The modules themselves may have different versions and, depending on the different tasks of increased efficiency and higher power, compact design.

Key words: intelligent system, energy-saving, climate control, weather controls, sensors, automation, monitoring modes, ZigBee-technology, XBeePRO and XBeeZNet 2.5 modules, MESH-topology.

Сегодня многие строения хозяйственного или жилого назначения состоят из ключевых подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные проблемы в процессе работы этого строения. По мере увеличения этих подсистем и количества выполняемых ими функциональных задач управление и обработка подсистем становятся все более сложными. Также стремительно увеличиваются расходы на содержание обслуживающего персонала, ремонт и технического обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации больших административных и производственных зданий и комплексов.

Современное строение — это мегаполис в миниатюрной модели. Можно сказать, что в этом строении действуют все отделы, являвшиеся ранее непременными атрибутами мегаполиса. В таких строениях обычно существует административная служба или

администратор, которые осуществляют обслуживание практически круглосуточно. Конечно, в настоящее время существует большое количество автоматики, которая сама выполняют возложенные на нее функции: отопительные системы, вентиляция, поддержание микроклимата, системы освещения, пожарная и охранная сигнализация, контроль входа/выхода и т.п., но управление и обслуживание всех этих систем автоматики требует наличия специализированного персонала, обязанностью которого являются контролирование работы этих устройств и устранение неполадок в случае выхода их из строя.

Сегодня создается рынок решений в области Machine to Machine и Интернета вещей, основанных на беспроводных технологиях. Одной из первых на этом рынке стала разработка проекта «Интеллектуальная система жилых зон» [1].

Решение проблем энергоресурсосбережения возможно путем повсеместного внедрения современных автоматизированных систем мониторинга и управления (АСМУ) теплопотреблением зданий [2]. Существующие пилотные решения АСМУ отоплением и распределенными информационно-управляющими системами приборного учета [2 - 7] выполняются с помощью коммутируемых линий связи [2], беспроводных GSM-сетей [3], глобальных каналов Internet [4, 5, 7] и решают частные вопросы мониторинга состояния и удаленного управления оборудованием тепловых пунктов. Для простых и бюджетных решений удаленного мониторинга хорошо подходит глобальная сеть Internet [4, 5] ввиду ее широкой распространенности в России (подведена практически к каждому жилому дому, предприятию и учебному заведению) и относительной простоты реализации. В реализации различных функций интеллектуальных систем жилых зон на основе информационно-измерительных систем управления используются акустооп-тические датчики [8, 9, 10].

Предложено в основе построения сети при разработке проекта «Интеллектуальная система жилых зон» использовать ZigBee-технологию. Технология передачи данных ZigBee применяется в промышленности для создания сетей передачи измерительной информации. Отличительной особенностью сетей ZigBee является легкость их наращивания путем установки дополнительных приемопередающих модулей. Сами модули могут иметь различные варианты исполнения и в зависимости от задачи отличаться повышенной экономичностью или повышенной излучаемой мощностью, компактностью исполнения. Датчик вместе с модулем и элементом питания может иметь вес в несколько граммов и размещаться в труднодоступных местах, в том числе в таких, куда подвод информационных кабелей невозможен или сопряжен со значительными трудностями. Примеры: датчики температуры, датчики движения, датчики влажности, газоанализаторы, размещаемые в труднодоступных местах пожароопасных помещений и т.д.

Радиус действия типичных сетей ZigBee составляет 1-10 км. Наличие в указанных модулях вывода специального сигнала RSS, пропорционального принимаемой мощности радиосигнала от других модулей, делает возможным кроме получения информации о различных параметрах объекта вычислять еще и его текущие координаты в пределах локальной области.

Новизна разработки заключается в предлагаемых новых помехоустойчивых методах определения местоположения объекта с использованием избыточного числа точек (в том числе и перемещаемых), относительно которых измеряется расстояние. Предложены оригинальные помехозащищенные алгоритмы получения информации от объекта (включая вычисление точного местоположения объекта с помощью обучаемой нейросети), проведены предварительные эксперименты с парами приемопередатчиков, разработаны и изготовлены макетные платы для датчиков.

Если проектировщику необходимо организовать связь «точка-точка» или «звезда», то ZigBee-модули

используются как самостоятельные приборы. При проектировании полноценной сети ZigBee («MESH») требуется микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee. Модуль с таким контроллером называют координатором. Он обычно сопряжен с диспетчерским компьютером. Кроме координатора в сети присутствуют еще модули с функциями определения оптимального маршрута передачи (Routers) и простые модули конечных устройств (End Devices) — датчиков, исполнительных устройств, выключателей (рисунок 1).

Нами проводились эксперименты с ZigBee-модулями компании DIGI: XBeePRO и XBeeZNet 2.5. Модули XBeeZNet 2.5 (рисунок 2) являются законченными узлами, способными самостоятельно подключаться к сети с MESH-топологией и передавать данные, поступающие от внешнего хост-процессора.

©

<i>

Coordinator

Router

| Е | End Device Рисунок 1. Структура ZigBee-ссти с MESH-топологией

Рисунок 2. Внешний вид ХВее-модулей

Благодаря встроенному ZigBee-стеку все операции по формированию сети, присоединению новых устройств, прокладке оптимальных маршрутов сообщений осуществляются автоматически, без участия внешнего микроконтроллера. Для передачи данных существует ограниченный набор простых управляющих команд, которые могут выполняться даже на самом недорогом 8-разрядном внешнем микроконтроллере. XBeeZNet 2.5 модули имеют возможность выступать и как абсолютно самостоятельные узлы. В этом случае за прием/передачу информации отвечают имеющиеся на модуле периферийные узлы: порты ввода-вывода, АЦП и ЦАП. Если будут применяться ZigBee-модули без внешнего микроконтроллера, то прием или передача данных будет происходить под управлением команд, поступающих по эфиру от координатора или любого другого узла сети.

В процессе испытаний модулей была разработана и успешно испытана простейшая беспроводная система для удаленного измерения температуры с помощью ZigBee-модуля. Схема измерительного модуля представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема температурного датчика

Измерение температуры производится с помощью аналогового датчика LM19, преобразующего температуру в диапазоне от минус 55 °С до 130 °С в выходное напряжение, измеряемое с помощью АЦП модуля XBeeZNet 2.5. В связи с тем что диапазон выходного напряжения ЬЫ19 (0,303...2,485 В) превышает максимальное измеряемое напряжение АЦП модуля (1,2 В), в схеме применен делитель напряжения на резисторах, понижающий выходное напряжение LM19 в 2 раза. Ток потребления LM19 составляет менее 10 мкА, поэтому датчик позволяет существенно экономить энергию батарей при работе ZigBee-модуля в спящем режиме.

Измерительный модуль (рисунок 4) работает от двух батарей типа «АА». Светодиод «НЬ1» отображает режим работы модуля: если он светится постоянно, модуль не присоединился к ZigBee-сети; если мигает 2 раза в секунду, произошло присоединение модуля к ZigBee-сети; если редкие короткие вспышки, то модуль находится в спящем режиме и периодически просыпается для запроса данных от родительского узла. В этом простом проекте применение встроенного АЦП и возможность удаленной отсылки

команд позволили отказаться от применения внешнего микроконтроллера.

Данный микрокомпьютер будет обрабатывать данные со всех систем, также все управление будет вестись через него, что позволит объединить все системы в одной коробке.

Основные функции системы:

• автоматический контроль над передвижениями внутри строений и на прилегающих территориях;

• определение и контроль температуры внутри и снаружи помещений;

• оповещение голосом, а также звуковыми сигналами;

• контроль над целостностью водопровода;

• возможность удаленной передачи данных;

• управление через Internet;

• самотестирование системы;

• возможность оперативного просмотра протокола работы системы;

• автоматическое выключение света после ухода жильцов. После ухода всех жильцов система после 10 мин переходит в режим энергосбережения и отключает освещение во всем доме. Система будет отслеживать жильцов по наличию в зоне видимости мобильного телефона;

• автоматическое включение света в прихожей в момент прихода жильцов. Система будет вас встречать, включая свет, а также приятную музыку. Принцип работы системы основан на предыдущем примере;

• автоматическое вкл./выкл. света в ванной комнате. Данная система позволит управлять светом в ванной комнате без применения механических выключателей. Вся система будет управляться с помощью ультразвуковых и инфракрасных датчиков;

• система снайпер. Включение света с помощью хлопка или щелчка;

• система «Рассвет» в спальнях. Данная функция будет увеличивать яркость света в комнате, имитируя рассвет. Система начинает работать за 30 мин до звонка будильника;

Рисунок 4. Температурный датчик на базе модуля XBee

• ночная подсветка. Система подсвечивает путь ночью, когда вы идете в ванную комнату;

• экономичный режим системы отопления. В данном режиме система отопления будет поддерживать температуру не ниже 10 °С, что предотвратит замерзание системы отопления;

• система приведения во время отпуска. Данная система будет включать свет в доме на 2 ч. Система будет имитировать жильцов в доме;

• система ЖКХ. Будет снимать показатели со счетчиков (газа, воды и электроэнергии) и предавать ЕРКЦ;

• зеркало со сводкой основных новостей. Зеркало будет выводить информацию о последних событиях, погоду и новости. Зеркало с выходом в сеть, также оно будет синхронизироваться с Интеллектуальной системой жилых зон;

• возможность полного контроля жилых зон как внутри объекта, так и снаружи;

• контроль над водопроводной сетью (целостность, контроль замерзания протекающей жидкости);

• охранно-пожарная функция и др.

Достоинства Интеллектуальной системы

жилых зон:

• простота установки и обслуживания (не требует профессиональных знаний);

• многофункциональность (все функции совмещены в общем модуле);

• возможность увеличения функциональных возможностей;

• автоматический контроль и сохранение информации;

• наблюдение за работой и управление Интеллектуальной системой жилых зон из любой точки мира, где имеется доступ к сети Internet;

• своевременный сервис и консультация из любой точки мира по телефону;

• контроль и диагностика системы на базе Android, Windows;

• невысокая цена.

Кроме того, несомненным достоинством является блочная система «Интеллектуальная система жилых зон». Проект «Интеллектуальная система жилых зон» предполагает производить контроль, диагностику и управление любым техническим устройством «умного дома» на расстоянии.

Выводы

Данная система объединила в себе существующие решения и востребованные наборы функций из Интернет вещей, а также вобрала новые интересные технические решения.

Проект «Интеллектуальная система жилых зон» — это совокупность программного обеспечения и набора модулей, необходимых для реализации данного технического устройства.

Интеллектуальная система жилых зон может быть реализована как в максимальной комплектации, так и в виде отдельных модулей.

Управление и контроль над системой возможно производить с любого устройства и в любом месте, где имеется доступ к сети Интернет.

Список литературы

1. Zanella A., Bui N., Castellani A., Vangelista L., Zorzi M. Internet of Things for Smart Cities // IEEE Internet of Things J. — Feb., 2014. — Vol. 1. — № 1.

— P. 22-32.

2. Анисимов А.Л., Астапкович А.М., Касаткин А.А. Системные проблемы создания распределенных информационно-управляющих систем приборного учета. — Режим доступа: http://guap.ru/guap/skb/docs/ article_v3.doc. (Дата обращения: 12.06.2014).

3. Диспетчеризация приборов учета через интернет [Электронный ресурс]. — URL: http://www. t2system.ru.

4. Автоматизация и диспетчеризация систем теплоснабжения зданий [Электронный ресурс].

— URL: http://www.halax.ru/avtomatizacija-dispetcherizacijasistem.html.

5. Система мониторинга «HeatCAM» [Электронный ресурс] — URL: http://heating.sumdu.edu.ua.

6. Загирняк М.В., Перекрест А.Л. Опыт внедрения и использования автоматизированной системы мониторинга температурных режимов и удаленного управления теплопотреблением Кременчугского национального университета // Электротехнические и компьютерные системы. — 2014. — № 15 (91). — С. 423-426.

7. Шестака А.И., Мельникова Л.В., Бушер В.В. Современные методы автоматизации зданий // Электротехнические и компьютерные системы.

— 2013. — № 11 (87).— С. 82-89.

8. Ураксеев М.А., Важдаев К.В. Акустооптические преобразователи: теоретические предпосылки и новые разработки // Датчики и системы. — 2000.

— № 1. — С. 35-37.

9. Ураксеев М.А. Акустооптические датчики физических величин. Уфа: Уфимск. гос. акад. эконом. и сервиса, 2008. — 111 с.

10. Важдаев К.В. Акустооптические устройства и их применение в приборах и информационно-измерительных системах // Нефтегазовое дело. — 2012.

— Т. 10. — № 1. — С. 148-151.

References

1. Zanella A., Bui N., Castellani A., Vangelista L., Zorzi M. Internet of Things for Smart Cities // IEEE Internet of Things J. — Feb., 2014. — Vol. 1. — № 1.

— P. 22-32.

2. Anisimov A.L., Astapkovich A.M., Kasatkin A.A. Sistemnye problemy sozdaniya raspredelennykh infor-matsionno-upravlyayushchikh sistem pribornogo ucheta.

— Rezhim dostupa: http://guap.ru/guap/skb/docs/arti-cle_v3.doc. (Data obrashcheniya: 12.06.2014).

3. Dispetcherizatsiya priborov ucheta cherez internet [Elektronnyi resurs]. — URL: http://www.t2system.ru.

4. Avtomatizatsiya i dispetcherizatsiya sistem teplosnabzheniya zdanii [Elektronnyi resurs]. — URL: http://www.halax.ru/avtomatizacija-dispetcherizacijasis-tem.html.

5. Sistema monitoringa «HeatCAM» [Elektronnyi resurs]. — URL: http://heating.sumdu.edu.ua.

6. Zagirnyak M.V., Perekrest A.L. Opyt vnedreniya i ispol'zovaniya avtomatizirovannoi sistemy monitoringa temperaturnykh rezhimov i udalennogo upravleniya teplopotrebleniem Kremenchugskogo natsional'nogo uni-versiteta // Elektrotekhnicheskie i komp'yuternye sistemy. — 2014. — № 15 (91). — S. 423-426.

7. Shestaka A.I., Mel'nikova L.V., Busher V.V. Sovremennye metody avtomatizatsii zdanii//Elektro-tekhnicheskie i komp'yuternye sistemy. — 2013. — № 11 (87). — S. 82-89.

8. Urakseev M.A., Vazhdaev K.V Akustoopticheskie preobrazovateli: teoreticheskie predposylki i novye raz-rabotki // Datchiki i sistemy. — 2000. — № 1. — S. 35-37.

9. Urakseev M.A. Akustoopticheskie datchiki fizich-eskikh velichin. Ufa: Ufimsk. gos. akad. ekonom. i servisa, 2008. — 111 s.

10. Vazhdaev K.V. Akustoopticheskie ustroistva i ikh primenenie v priborakh i informatsionno-izmeritel'nykh sistemakh // Neftegazovoe delo. — 2012. — T. 10. — №1. — S. 148-151.

Мухамадиев А. А. Mukhamadiev А А

кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Фаррахов Р. Г. Farrakhov К. G.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.38:669

КАЛИБРОВКА АКУСТООПТИЧЕСКОГО МОНОХРОМАТОРА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

В статье представлена разработанная методология калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением. Описаны структурная схема оптического блока, его составные части, монохроматор с электронным управлением, состоящий из акустооптического перестраиваемого фильтра, драйвера, соединительных кабелей и программного обеспечения, основные технические характеристики акустооптического монохроматора.

Предложен способ калибровки акустооптического монохроматора, предполагающий использование эталонного источника излучения с известными характеристиками и приемника оптического излучения с целью установления соответствия заданной длины волны пропускания монохроматором длине волны излучателя.

Представлена структурная схема и фотография разработанной системы для калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением. Описаны устройства, применяемые в данной системе калибровки, и приведены их технические характеристики.

В результате проведенных экспериментальных исследований получены калибровочные характеристики спектрального разрешения для коллимированного пучка, значения управляющей частоты для реперных лазерных длин волн, дифракционная эффективность.

Разработанная методика калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением позволяет уменьшить суммарную погрешность за счет минимизации ее систематической составляющей, а также дает возможность уменьшить время и трудоемкость процедуры калибровки.

Ключевые слова: измерение температуры, акустооптический преобразователь температуры, акустоопти-ческий перестраиваемый фильтр, оптический блок.