Глава 1. Системы дистанционного управления - LMS
advertisement
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Департамент электронной инженерии
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
На тему: Система дистанционного управления бытовой техникой с
использованием сети интернет
Студент группы № РТ-71
Карабинович О.М.
(Ф.И.О.)
Руководитель ВКР
преподователь, к.т.н., доцент,
Назаров И.В.
Консультант
старший преподователь,
Богачев К.А.
Москва, 2015
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 2
Глава 1. Системы дистанционного управления ................................................... 5
1.1
Микроконтроллеры .................................................................................... 6
1.1.1 Arduino ............................................................................................................................6
1.2
Датчики и исполнительные устройства ................................................. 10
1.2.1. Термодатчик ............................................................................................................. 10
1.2.2 Реле управления ....................................................................................................... 18
1.3. Системы обогрева помещений .................................................................. 20
Глава 2. Разработка системы дистанционного управления бытовой техники 24
2.1. Выбор компонентов системы .................................................................... 24
2.2. Выбор основных комплектующих системы ............................................. 27
2.2.1 Arduino Uno................................................................................................................ 27
2.2.3 Термодатчик DS 18 B 20 ...................................................................................... 30
2.2.4 Реле модуль подключение к Arduino.............................................................. 32
2.3. Разработка программы системы ................................................................ 33
2.4. Разработка интерфейса системы дистанционного управления .............. 36
2.5 Калькуляция стоимости............................................................................... 39
2.6 Достоинства и недостатки разработанной системы ................................. 40
Заключение ............................................................................................................ 41
Список литературы ............................................................................................... 42
Приложения
2
Введение
Многие люди задумываются, как облегчить себе управление своим
комфортом.
В конце XX века разработчики технологии Java уже предрекли
появление систем, позволяющих увеличить интеллект наших бытовых
приборов. Они говорили, что например холодильники смогут отслеживать, и
по необходимости заказывать по сети интернет продукты, свет будет
включаться сам, там, где это нужно без дополнительных действий человека,
стиральная машинка работает по заложенным программам и остается только
заложить в нее вещи и выбрать режим и многое другое. [1]
Сейчас на рынке представлено большое количество технологий,
позволяющих облегчить нам жизнь.
Большое количество фирм предоставляют возможность разработать
систему управления вашим бытом для вас, но в основном эти системы очень
дорогостоящие. Требуется покупать полностью всю систему.
В данной работе будет рассмотрен один из способов, как это сделать,
на примере системы дистанционного управления бытовой техникой с
использованием сети Internet, для создания и поддержания комфортной
температурой в доме.
На
рынке
существуют
системы,
основанные
на
поддержании
температуры за счет водного отопления, которые так же поддерживают
температуру помещения, основываясь на датчиках температуры, однако не у
всех есть возможность установить такие системы за счет отсутствия водного
отопления. Установка таких систем очень дорогостоящая, трубы портят
внешний вид помещений. Использования электрических нагревателей
оказывается значительно более выгодно при покупке комплектующих к
подобным системам.
3
Отличия разработанной системы заключаются в том, что она позволяет
использовать уже имеющиеся обогревательные системы, а так же позволяют
включить в себя все необходимые датчики. Так же главным отличаем
является то, что есть возможность не только удаленно отслеживать
изменения показаний поставленных датчиков, но так же и управлять
оборудованием дистанционно, с помощью использования сети интернет.
Многие используют дачные дома не только в теплое время года, однако
в холодное время, когда большую часть недели мы проводим в городе и
выбираемся за город в основном на выходные, отслеживать, что бы не
замерзла система водоснабжения, температура в доме не опускалась ниже
определенного уровня, не погибли растения очень сложно. Да и после дороги
значительно приятнее оказаться в теплом доме, а не в помещении,
температура которого слабо отличается от уличной, а возможно и ниже.
Для того, что бы создать те самые комфортные условия была
поставлена
задача
управления
комфортной
температурой
дома
дистанционно. Ведь очень удобно, уезжая, выставить некую планку, ниже
которой температура не должна опускаться, что поможет сохранить
комфортность помещения, а когда вы решили вернуться, можно выставить
уже другую, более комфортную температуру. И все это дистанционно.
Так же, такая система позволит вам сэкономить достаточно приличную
сумму денег. Ведь не требуется оставлять постоянно включенной систему
обогрева. Если на улице станет теплее, система сама отследит это и по мере
необходимости отключит обогрев помещения, или же, если температура
упала, а у вас нет возможности приехать и позаботиться о своем доме,
система включит необходимое в этом случае отопление.
4
Глава 1. Системы дистанционного управления
Система
дистанционного
управления
служит
для
облегчения
использования необходимыми бытовыми приборами.
С помощью недорогих комплектующих можно создать нужную именно
вам системы, которая будет удовлетворять вашим требованиям. Система
позволяет
установить
датчики
отслеживания
большого
количества
различных показателей. Данная система проста в сборке и установке, а так
же имеет достаточно маленькую стоимость, что отличает ее от подобных
систем. Возможность дистанционного управления позволяет приводить
помещение в наиболее приемлемое состояние находясь в любом месте
земного шара.
Система
самостоятельно
отслеживает
показатели,
а
значит
самостоятельно поддерживает требуемые показатели даже без участия
пользователя. Воспользоваться системой можно с любого устройства,
имеющего выход в интернет.
Система состоит из недорогих материалов, что позволяет достаточно
сильно сократить затраты. Возможность самостоятельного выбора системы
обогрева позволяет использовать уже имеющееся оборудование, или же, при
желании, выбрать необходимое оборудование, подходящее для помещения, в
которое устанавливается система.
5
1.1 Микроконтроллеры
1.1.1 Arduino
Arduino – это печатная плата с микроконтроллером и платой
расширения. Имеет открытую архитектуру. Имеют стабилизатор питания,
цепочку сброса, резонатор. В них можно с легкостью добавить новые
элементы, таким образом расширить их функционал. Используется для
создания различных систем. К такой плате можно подключить множество
различных датчиков, устройств для выполнения задач. Внутри платы Arduino
вшит специальный загрузчик, однако присутствует разъем, с помощью
которого можно запрограммировать схему вручную. Так же в некоторые
платы установлены и другие интерфейсы.
Запрограммировать такую плату можно с помощью собственной
оболочки, которою можно скачать бесплатно с официального сайта Arduino.
В ней заложен полный, нужный функционал. С помощью нее можно
написать программу, откомпилировать ее, а так же загрузить в контроллер
Arduino. [2-3]
Язык, для программирования Arduino основан на C/C++, а так же
скомпонован с библиотекой АVR Libс. Он достаточно прост для изучения и
позволяет легко написать необходимый код для управления системой.
Arduino можно так же назвать электронным конструктором, ведь с
помощью нее проектируются электронные устройства. К ней можно
подключить
множество
различных
датчиков,
а
значит
отслеживать
множество параметров, используя одну маленькую плату.
На рынке представлено множество разных систем Arduino и требуется
лишь понять, какая система нужна для решения той или иной задачи.
Сама плата ардуино состоит из микроконтроллеров либо Atmega328,
либо Atmega168, а так же элементарной обвязки для программирования и
6
интеграции ее с иными схемами. Так же на плате в обязательном порядке
есть стабилизатор напряжения 5В и кварцевый резонатор, который задает
тактовую частоту микроконтроллера. Запитывается такой микроконтроллер с
помощью блока питания, аккумулятора, или же от обычного персонального
компьютера.[3]
Arduino имеет как цифровые порты, работающие на обычных
логических 0 и 1, так и аналоговые, которые позволяют принимать и
передавать значения напряжения с точностью до 5 мВ.
Огромное количество библиотек позволяют управлять практически
любыми системами.
Рис 1. Модуль Arduino UNO
Для управления системой необходимо написать программу, которая
будет управлять необходимым оборудованием. Удобство данной системы
заключается в том, что для подключения необходимого оборудования не
7
требуется сильно менять систему. Подключение необходимых датчиков и
введение их в программу происходит очень легко.
Огромное количество датчиков, уже представленных на рынке
позволяет отслеживать практически любые показатели, будь то уровень
наличия газа в помещение, влажность, а значит есть ли протечки воды, и
многое другое. Система так же позволяет включить в себя запорный
механизм, в случае непредвиденной утечки. Для этого требуется просто
включить его в схему и прописать требуемый код для его управления.
Модуль Arduino позволяет расширить количество входов, а значит можно
подключить большое количество средств отслеживания и управления
необходимыми ресурсами.
Существуют разные микроконтроллеры Arduino. Приведем некоторые
из них [2]:
Serial Arduino, программируется с помощью последовательнго
соединения (для этого служит разъём DB-9), используется
ATmega8.
Arduino Extreme, с USB-интерфейсом, предназначенным для
программирования, используется ATmega8.
Arduino Mini, миниатюрная версия Arduino, которая использует
поверхностный монтаж ATmega328. На ней нет конвертера USBUART.
Arduino Nano 3.0, меньше, чем Arduino Mini, использует питание
с помощью USB и поверхностный монтаж ATmega328.
Arduino Diecimila, использует USB-интерфейс и Atmega168 в
DIP28 корпусе.
Arduino Mega выполнен на основе ATmega1280.
Arduino Mega2560
R3 выполнен
на
основе
ATmega2560.
Использует конвертер USB-UART на базе ATmega16U2.
Arduino Uno
R3 (2011),
выполнен
на
основе
ATmega328.
Использует конвертер USB-UART на базе ATmega16U2.
8
Arduino Mega ADK for Android выполнен на основе ATmega2560.
Содержит USB-хост для соединения с телефонами на базе
ОС Android (м/с MAX3421e) и конвертер USB-UART на базе
ATmega8U2.
9
1.2 Датчики и исполнительные устройства
1.2.1. Термодатчик
Термодатчики служат для определения температур в необходимой
зоне.
Существуют несколько типов термодатчиков:[5]
Терморезистивные термодатчики
Полупроводниковые термодатчики
Термоэлектрические термодатчики
Пирометры
Аккустические термодатчики
Пьезэлектрические термодатчики
Терморезистивные термодатчики
Используют принцип изменения электрического сопротивления, при
изменении температуры. Основным элементом в таких термодатчиках
служит терморезистор, который изменяет свое сопротивление при изменении
температуры среды, в которой он расположен.[6]
Такие датчики просты в применении, высокочувствительны и
стабильны в работе. Диапазоны измерений различны.
Терморезестивные датчики подразделяются на:[8]
Резистивные детекторы температуры
Кремневые резистивные термодатчики
Термисторы
Резистивные детекторы температуры (РТД).
Резистивные детекторы температуры состоят из металла. При
изменении температуры, металл меняет свое сопротивление. При росте
10
температуры увеличивается амплитуда колебаний кристаллической решетки,
а значит, электронам сложнее пройти сквозь нее, что ведет к повышению
сопротивления. И наоборот, при уменьшении температуры, сопротивление
падает.[7]
В теории, любой метал может быть использован для РТД, но для
достижения более точных данных, металл должен обладать следующими
характеристиками:
Иметь устойчивость к коррозии
Иметь линейную характеристику зависимости сопротивления от
температуры
Иметь высокую точку плавления
Быть высокопрочным
Рис 2. Изменение сопротивление металла от температуры в РТД
Чаще всего в таких датчиках используется платина, которая обладает
высокой прочностью, или же вольфрам, который используется для датчиков
с возможностью измерения температуры выше 600° С.
Однако такие датчики имеют очень высокую стоимость.
11
Кремниевые резистивные термодатчики (КРТ).
Исходя из названия, основаны на кристаллах кремния, с одной стороны
покрытого металлом, а с другой стороны у него контактная площадка. Они
так же работают на разности сопротивления. При достижении высоких
температур они становятся чувствительными к направлению тока. Дли
избавления от этого соединяют два датчика, у которых чувствительные
элементы
включаются
последовательно.
Эти
датчики
в
основном
используются в автопромышленности. Чувствительность таких датчиков
порядка 0,7%/° С. [9]
Рис 3. Изменение сопротивления кремниевого датчика от
температуры
12
Термисторы – это детекторы в форме капли, стержня, цилиндра,
прямоугольной пластины или толстой пленки.
Изготавливаются такие
датчики из металл-оксидных соединений. Измеряют они температуру по
абсолютной шкале. Их подразделяют на термисторы с отрицательным
температурным коэффициентом (ТОТК) и термисторы с положительным
температурным
коэффициентом
(ТПТК).
У
ТОТК
при
повышении
температуры падает сопротивление. Недостатком таких термодатчиков
является то, что для получения правдивых результатов требуется калибровка.
В процессе калибровки измеряют сопротивление датчика в среде с
достоверно известной температурой. Так же на результат измерения с
помощью термистора влияет его самостоятельный нагрев, а значит
постоянное включение таких датчиков приводит к ложным результатам.[8]
Полупроводниковые термодатчики.
Имеют диапазоны измерения от -55°С до +150°С. Принцип работы
такого датчика – зависимость падения напряжения при изменении
температуры на p-n переходах. Зависимость практически линейная.
Чувствительным элементом служит диод или транзистор, который включают
по схеме диода. Через чувствительный элемент должен идти стабильный ток,
на выходе происходит падение напряжения.
При повышении температуры датчик регистрирует уменьшение
температуры. Это происходит благодаря тому, что они имеют так
называемый ТКН, или температурный коэфициент напряжения. Он примерно
равен -2mV/°С. [8]
Такие датчики можно использовать в качестве термостата, что
означает, что можно запрограммировать их на включение устройств. При
понижении температуры ниже, или же выше запрограммированной,
включается устройство.
13
При необходимости измерять температуру большую, нежели способен
почувствовать полупроводниковый датчик требуется использование других
датчиков, например термопары.
Существуют
аналоговые
и
цифровые
полупроводниковые
термодатчики.
Аналоговые полупроводниковые термодатчики используют падение
напряжения на p-n переходе. В таких датчиках используются два
чувствительных элемента. Выходным сигналом является разность падения
напряжений на них.
Рис. 4. Полупроводниковые термодатчики. Чувствительный элемент
а) диод, б) транзистор
Аналоговые полупроводниковые термодатчики включаются по схеме
диода. У них три выхода, однако третий используют при калибровке. На
выходе
у
такого
термодатчика
появляется
сигнал,
который
равен
напряжению, пропорциональному температуре.
14
Датчик
Диапазоны температур
Точность измерений
LM 35
От - 55 ° С до + 150 ° С
±2°С
LM 75 A
От - 55 ° С до + 150 ° С
±2°С
LM 135
От – 50 ° С до + 150 ° С
± 1,5 ° С
LM 335
От - 40 ° С до + 100 ° С
±2°С
TMP 37
От – 40 ° С до + 125 ° С
±2 °С
TC 1047
От – 40 ° С до + 125 ° С
±2 °С
Таблица 1. Диапазоны температур и точность измерения некоторых
полупроводниковых термодатчиков[9]
Рис. 5 Полупроводниковый термодатчик LM 75 A
15
Термоэлектрические термодатчики.
Так
же
называют
термопарами.
Действуют
с
помощью
термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрический эффект, или эффект Пельтье, появляется, когда
два разных материала пропускают через себя постоянный электрический ток.
В этом случае один из них нагревается, а второй охлаждается.[8]
Рис. 6 Термоэлектрический элемент
Он состоит из двух полупроводников n и m, которые соединены в
контур. По контуру проходит постоянный ток. Температура холодного спая
уменьшается,
а
температура
горячего
увеличивается.
Снижается
температура, за счет того, что при воздействии электрического поля,
электроны, двигающиеся по ветвям элемента переходят в состояние с
энергией выше, чем в состоянии покоя. Повышается энергия благодаря
кинетической энергии атомов ветвей в месте их соприкосновения, благодаря
16
этому спай охлаждается. Однако когда происходит переход с понижением
уровня энергия электронов передается атомам, что нагревает элемент. Это
значит, что температура измеряется за счет разности температур элементов.
Диапазон измерения таких термодатчиков от -200 °С до +220 °С. Диапазон
сильно зависит от используемых материалов.
Пирометр
Пирометр – это бесконтактный датчик, который измеряет температуру
благодаря тепловому излучению тел.
Аккустический термодатчик
В
основном
используют
для
измерения
средней
и
высокой
температуры. Работает он на принципе изменения скорости распространения
звука.
17
1.2.2 Реле управления
Для управления питанием в розетке в схему требуется подключить
реле, которое будет разрывать или соединять схему по требованию системы.
Электромагнитное реле – это некий электронный ключ, который либо
размыкает, либо замыкает электрическую цепь.
При подаче электрического тока на контакты реле появляется
магнитное поле, которое перемещает ферромагнитный якорь реле и
замыкает, либо размыкает цепь.
Существуют несколько видов реле, которые реагируют на изменение
величин. Это могут быть тепловые реле, которые замыкаются, либо
размыкаются
в
случае
изменения
температуры,
акустические
реле,
реагирующие на уровень звукового давления, реле времени, изменяющие
свое состояние при прошествии неких заданных промежутков времени,
фотореле, которые реагируют на изменение уровня освещенности и другие.
Рис 7. Принцип работы реле.
Электромагнитное реле являет собой некий парамагнитный сердечник,
который обозначен как C, на который наматывается катушка L. С якорем Я
связываются электрические контакты К. Когда на катушку подается
напряжение появляется магнитное поле, которое меняет положение
18
контактов, соответственно либо замыкая, либо размыкая электрическую
схему.
Принцип
действия
электромагнитного
реле
–
использование
электромагнитных сил, которые возникаю в металлическом сердечнике,
когда ток проходит по виткам его катушки. Над сердечником находится
якорь в виде пластины с контактами, напротив которых находятся
неподвижные контакты, с которыми замыкается цепь.
В начальном положении этот якорь находится под действием пружины,
а когда подается напряжение, управляющий сигнал заставляет сердечник
притягивать якорь, тем самым замыкая, либо размыкая контакты.
Контакты на реле бывают 3-х типов:
Реле с нормально открытыми контактами
Реле с нормально закрытыми контактами
Реле с перекидным контактом
Если реле замыкающего типа, это значит, что в случае отсутствия
напряжения на реле контакты разомкнуты, а при появлении напряжения на
нем, замыкаются
Если реле размыкающего типа, то при поступлении на реле
напряжения контакты размыкаются, а при отсутствии напряжения контакты
замкнуты.
19
1.3. Системы обогрева помещений
Температура в доме – это важный элемент комфорта. Если температура
опуститься ниже нуля, это может привести к таким серьезным последствиям,
как лопнувшие трубы водоснабжения, что приведет к дорогостоящему
ремонту.
Если оставить дом без отопления на зимний сезон, требуется сливать
воду из водопровода, однако если появляется желание вернуться, не
получиться использовать его вплоть до теплого сезона. Поэтому требуется
поддержание температуры водопровода выше отметки 0 ° С . Для этого
достаточно держать температуру внутри дома на уровне 5 ° С,
Комфортная температура – это температура в некоем замкнутом
пространстве, которое используют люди. Комфортной считается температура
в диапазоне от 15 ° С до 25 ° С .
Для отопления используются различные системы. Это может быть
котел, который нагревает воду и пускает ее по трубам, отапливая
необходимые помещения, или же нагревательные элементы, которые могут
отапливать воздух в помещение, в котором они расположены.
Существует множество видов обогревательных систем. Одни из них
нагревают помещение за счет нагревающегося в них масла, другие имеют
открытый нагревательный элемент, который обогревает помещение за счет
естественной,
или
же
принудительной
конвенции
воздуха.
Есть
инфракрасные обогреватели, которые отличаются от остальных за счет того,
что оно отдает тепло от нагретой у себя поверхности. Существуют газовые
нагреватели, или же кварцевые. У каждого из них есть как плюсы, так и
минусы.
20
Масляные обогреватели
Могут обеспечить прогрев воздуха в достаточно большом помещении
благодаря тому, что масло обладает большой теплопроводимостью, однако
сам нагреватель, нагревается не более 60 °С, что позволяет в достаточной
мере избежать травмоопасности. Работают такие обогреватели практически
бесшумно, лишь в самом начале их работы можно услышать потрескивание,
которое обозначает, что масло разогревается.. Так же они являются пожалуй
наиболее пажаробезопасными.
Недостатком таких обогревателей является то, что разогревается он
достаточно медленно, соответственно быстро нагреть воздух в помещении он
не может. Так же он достаточно сильно убирает влажность, что приводит к
сухости воздуха и влияет на ухудшение состояния окружающих вещей, а так
же неблагоприятно влияет на здоровье. Однако на данный момент на рынке
существуют модели таких обогревателей, оснащенные ионизатором воздуха,
что борется с негативными последствиями на здоровье.[11]
Рис 8. Масляный обогреватель
21
Конверторный обогреватель
Имеет открытый нагревательный элемент, который выделяет тепловые
волны с помощью естественной, или же принудительной вентиляций воздуха
сквозь него. Нагревают помещение очень быстро а потребление энергии
достаточно мало, однако они имеют высокую пожароопасность, а значит в
условиях, когда требуется оставить дом без присмотра их не оставишь
включенными.[11]
Рис 9. Конверторный обогреватель
Тепловентиляторы имеют сравнительно малую цену для своей
мощьности. Горячий воздух, благодаря находящемуся внутри вентелятору
быстро распространяется, что позволяет быстро нагреть помещение. Однако
они обладают открытым нагревательным элементом, что ведет к большой
огнеопасности. Так же имеющийся вентилятор создает достаточно большой
уровень шума, что не ведет к удобствам.
Инфракрасный обогреватель позволяет прогреть пол, стены, а так же
мебель за счет того, что они не прогревают воздух, а отдают ему тепло. Такие
обогреватели потребляют достаточно малое количество энергии, что
позволяет им быть высокоэкономичными. Инфракрасные обогреватели
пожаробезопасны. Однако требуется менять комплектующие, которые
выходят из строя.
22
Рис 10. Инфракрасный обогреватель
Выбор обогревателя, подходящего к системе – это выбор каждого. Все
они
совместимы
с
системой.
23
Глава 2. Разработка системы дистанционного управления
бытовой техники
2.1. Выбор компонентов системы
В соответствии с техническим заданием были выбраны следующие
компоненты:
Arduino Uno
Arduino Relay module
Термодатчик DS 18 B 20
Розетка
Резисторы номиналом 4К7
С помощью них была разработана система, удовлетворяющая
техническому заданию
24
Рис. 15 Схема сбора устройства
Модуль Arduino подключается к компьютеру с доступом в интернет. С
датчиков температуры, расположенных в нужных местах и подключенных с
помощью провода поступает информация о температуре в окружении этих
датчиков.
Температура
выводится
на
созданный
сайт
по
запросу
пользователя. В фоновом режиме данные снимаются каждые 30 минут для
отслеживания температуры.
При нахождении температуры на датчике, находящемся в помещении,
выше установленного порога, подается напряжение на реле, запирающее
питание к розетке, в которую подключается обогревающее устройство.
25
Рис 14. Принципиальная схема устройства
26
2.2. Выбор основных комплектующих системы
2.2.1 Arduino Uno
Arduino Uno – это контроллер, построенный на системе ATmega328.
Arduino Uno имеет 14 цифровых выходов, а так же 6 аналоговых. На
контроллере имеется кварцевый генератор на 16 МГц, разъем для питания
ICSP, USB-разъем для соединения котроллера с персональным компьютером,
кнопка перезагрузки системы.[3]
Рабочее напряжение на плате Arduino равно 5 V
Предельное входное напряжение 6 V – 20 V
Рекомендуемое входное напряжение 7 V – 12 V
Постоянный ток 40 мА
Внутренняя память 32Кб
Тактовая частота 16 МГц
ОЗУ 2 Кб
Запитывается контроллер Arduino либо через внешнее питание с
помощью адаптера AC/DC, либо с помощью батареек, либо с помощью
подключения через USB адаптер к персональному компьютеру.
Работает Arduino с помощью внешнего питания от 6 V до 20 V.
Напряжение питания рекомендуется подавать в диапазоне от 7 V до 12 V.
Имеет выводы на питание
VIN
5V
3V3
GND
27
VIN используют для подачи питания при подключении внешнего
источника питания.
5V является регулируемым источником напряжения и используется для
питания самого микроконтроллера и компонентов платы. Подается питание
либо с помощью регулятора напряжения на вывод VIN, либо от USB-кабеля,
либо от какого либо другого источника напряжения с 5V.
3V3 имеет напряжение на выводе 3,3 V, которое генерируется
регулятором, находящемся на самой плате. Максимальным потреблением
тока на этом выводе является 50 мA.
На вывод GND выводится заземление.
Все цифровые 14 выходов модуля Arduino Uno настраиваются с
помощью функций digital Read(), digitalWrite() и pinMode() на входные и
выходные значения. Каждый из этих 14 выводов имеет свой нагрузочный
резистор с диапазоном сопротивления
от 20 до 50 кОм и имеющий
пропускную способность до 40мА.
Выводы Arduino Uno:
Последовательная шина RX (0) и TX(1)
Внешнее прерывание 2 и 3
ШИМ - 3, 5, 6, 9, 10, 11
SPI - SS(10), MOSI (12), SCK (13)
LED 13
У выводов на плате Arduino Uno существуют специальные функции
RX (0) и TX(1) используют для приема (RX) и передачи(TX) данных
TTL. Выводы имеют подключения к соответствующим выводам микросхем
последовательной шины ATmega328 USB – to – TTL
Внешнее прерывание используется для вызова прерывания на младших
значениях, либо на заднем или переднем фронтах, или же при изменении
значений.
ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) при помощи функции
analogWrite() обеспечивает модуляцию с разрешением 8 бит
28
SPI (последовательный периферийный интерфейс) – с помощью этих
выводов
осуществляют
связь
SPI,
используя
специализированную
библиотеку SPI.
LED является встроенным светодиодом, который подключен к порту с
номером 13. Светодиод загорается, если на выходе значение обладает
высоким потенциалом.
Аналоговые выходы, в количестве 6 штук, имеют разрешение по 10
бит, а значит обрабатывает по 1024 различающихся значений. Диапазон
вывода измерений до 5 V относительно земли. Можно менять верхний
предел с помощью функции analogReference() и вывода AREF
Так же имеется вывод Reset, к которому подключена кнопка
перезагрузки , которая дает возможность перезагрузить микроконтроллер.
29
2.2.3 Термодатчик DS 18 B 20
Рис 11. Термодатчик DS 18 B 20
Термодатчик DS 18 B 20 имеет диапазон определения температур
окружающей среды от – 55 ° С до + 125 ° С. Он является аналоговой
полупроводниковой системой. Такие датчики получают данные в цифровом
виде. Разрешение цифрового сигнала 12-битное по 1-Wire протоколу. При
подключении
его
используется
«паразитное
питание»,
а
значит,
необходимую энергию датчики получают, используя линию сигнала.
Благодаря этому подключается такой датчик с помощью двух проводов.
Датчики можно подключать последовательно, так как у каждого
датчика есть свой уникальный номер, который позволяет идентифицировать
его, однако в таком случае для передачи энергии невозможно использовать
линию
сигнала.
Следовательно
при
последовательном
подключении
требуется так же подавать питание по отдельному, третьему контакту.
30
Датчик температуры DS 18 B 20 имеет постоянную память, внутрь
которой возможно задать начальные граничные значения, выходя за границы
которых датчик перейдет в режим тревоги.
Между ногами сенсора
расстояние слишком мало для установки на саму плату, поэтому при
необходимости монтажа датчика в нее их требуется разгибать.
Характеристики термодатчика DS 18 B 20
Диапазон измерения температуры: от – 55 до + 125 ° C
Точность измерений: ± 0,5 ° C
Задержка при получении ответа: при 12-битном разрешении
750 мс, при 9-битном разрешении 94 мс
Напряжение на питании: 3 – 5,5 В
Потребляемый ток при бездействии: 750 нА
Потребляемый ток при опросе: 1 мА
31
2.2.4 Реле модуль подключение к Arduino
Рис 12. Arduino Relay module
Arduino Relay module используется как модуль реле для управления
розетками.
Управляется напряжением 5 V.
Максимальное напряжение коммутации:
постоянного тока 10A 250V
переменного тока 10А 30V
К ардуино подключается без дополнительной обвязки.
Состоит из трех контактов:
VCC: контакт питания "+"
IN: Вывод входного сигнала
GND: контакт питания "-"
Управление идет с помощью модуля ардуино и команд:
digitalWrite (номер порта, LOW/ HIGH)
При LOW транзистор открыт, при HIGH транзистор закрыт.
Для того, что бы подключить реле, следует включить его контакты в
разрыв одного из проводов питания, которые подключаются к розетке,
питающей обогревательный элемент.
32
2.3. Разработка программы системы
Для организации связи микроконтроллера с датчиками требуется
подключить специальную библиотеку OneWire. Это делается с помощью
команды. [12]
#include <OneWire.h>.
Для подключения самих датчиков требуется прописать строку
OneWire dt(10);
где цифрой обозначается номер порта, к которому подключен
термодатчик.
Так же требуется задать переменную, для обозначения номера выхода,
к которому подключается устройство, а так же установить этот порт на
выходной сигнал.
int razetka = 4;
pinMode(Relay1, OUTPUT);
Для верного
отображения
положительной, либо отрицательной
температуры требуется указать переменную знака, так как данные с
термодатчика приходят в цифровом виде.
Получение температурных данных и перевод их из цифрового кода в
требуемые величины прописывается следующим образом:
dt.write(0xBE); //Считываем данные с датчика 1
33
for ( i = 0; i < 9; i++) //Получаем и анализируем полученные 9 бит
информации побитно
{
data[i] = dt.read();
}
Temper=(data[1]<<8)+data[0];
Temper=Temper; //Записываем в переменную снятые данные
z1=((Temper%16)*100)/16;
//Для перевода снятых данных в
температуру вводим переменную перевода цифрового значения
Так же требуется проверка бита знака, которая позволяет показать,
положительная, или отрицательная температура
if (z1<0) //Проверяем бит знака
{
z1=z1*-1;
}
Такой код требуется прописать как для первого датчика, который
находиться на улице, так и для датчика, находящегося в помещении.
При снятии данных, они записываются в специальную базу. При
следующем снятии значения в этой базе обнуляются и записываются новые.
Для работы системы требуется установить время задержки, перед
следующим считыванием данных. В данном коде значение было выставлено
1 800 000 миллисекундам, что равно 30 минутам.
delay(1800000);
Для проверки, требуется ли включить отопление устанавливается
условный оператор if сравнивающий показания, снятые с термодатчика, с
34
выставленной границей температуры. При показаниях температуры ниже
требуемой, подается команда на реле, которое замыкает цепь и подает
питание на розетку.
if(z2<tnuj)
//Если температура на датчике в доме меньше
допустимой
{
digitalWrite(Relay1, HIGH); // Выключение розетки
}
else
{
digitalWrite(Relay1, LOW); // Включение розетки
}
Полный
тексты
программного
обеспечения
представлен
в
Приложении 1
35
2.4.
Разработка
интерфейса
системы
дистанционного
управления
Для
того,
что
бы
управлять
системой
требуется
разработка
специальной оболочки, которая даст возможность любой момент отследить,
или изменить параметры системы.
Для этих целей было принято решение о разработке сайта, который
позволит получить доступ к данным. Сайт написан с использованием языков
HTML и PHP, а так же использованием табличного способа верстки.
Для защиты от злоумышленников требуется авторизация, которая
подтвердит ваши полномочия по управлению системы и не позволит
сторонним лицам выполнять какие либо действия с системой.
Авторизация
выполнена
с
помощью
языка
PHP.
Процедура
авторизации написана отдельным файлом “registr.php”, а обращение к ней
будет проходить с помощью файла “index.html”
Отправка данных осуществляется с помощью метода передачи данных
POST. Данный метод используется в запросах, при которых веб-сервер
принимает передаваемые данные для хранения.[16]
При входе на сайт появляется окно авторизации.
Рис. 13. Окно авторизации.
В коде регистрации, находящемся в файле registr.php прописывается
логин и пароль пользователя, после попытки авторизации идет сравнивание
36
введенных данных с указанными. В случае удачной авторизации выскакивает
сообщение с надписью «Добро пожаловать!», а в случае отказа авторизации
«Не правильный логин или пароль». При отказе авторизации пользователю
требуется обновить страницу сайта и ввести данные авторизации заново.
Файл “autor.html” содержит код самого сайта. Там прописана форма
авторизации, метод отправки данных. Сайт сделан с помощью табличной
верстки и обладает простейшим интерфейсом.
После авторизации на сайте появляется возможность работать с самой
оболочкой, которая позволяет отслеживать и изменять требуемые параметры.
Рис. 14 Вид сайта с информацией с системы
В листинге кода “index.html”, заключена сама оболочка системы.
Написан он так же с использованием табличной верстки.
В начале кола идет кусок подключения базы данных, в которую
записывается температура, снятая с термодатчика. Написана она с
использованием языка PHP.[13]
<?php
include("readbd.php"); //Подключаем файл для ввода данных в таблицу
?>
На сайте есть две ссылки, при нажатии на которые, показываются
требуемые данные.
37
<a
href="#"
id="led6"
class="button
black"
onMouseDown="command(1);">Температура на улице</a>
<a
href="#"
id="led6"
class="button
yellow"
onMouseDown="command(2);">Температура в помещении:</a>
Так же присутствует текстовое поле с данными о минимально
допустимой температуре. Пользователь может изменить эту температуру
введя новые данные и нажав на кнопку отправки формы.[14]
<input type="text" name="d_ot_t" /> <?php echo ''.$temper3.""; ?>
<input
type="button"
name="izm_d_t"
value="Изменить
минимальную температуру">
В конце программы, с помощью языка AJAX прописывается отправка
данных на Arduino.[15]
Полные
тексты
программного
обеспечения
представлены
в
Приложениях 2-4
38
2.5 Калькуляция стоимости
Arduino Uno = 900 р.
Arduino Relay module = 300 р.
Термодатчик DS 18 B 20 = 60 р. * 2
Розетка 100 р.
Резистор номиналом 4К7 = 10 р. * 2
Шлейф для соединения датчиков = 100 р.
Себестоимость такой системы составляет 1 540 р.
Из калькуляции себестоимости системы, приведенной ниже мы
увидим, что затраты на сбор такой системы невелики, однако для
использования
этой
системой
требуется
дополнительно
наличие
персонального компьютера, для питания и подключения к сети модуля
Arduino, а так же элемент системы, который будет отвечать за нагрев
помещения.
В виде элемента системы, отвечающего за нагрев помещения подойдет
любой радиатор, который питается от электричества.
В виде компьютера можно использовать любой, даже самый
маломощный компьютер, имеющий USB-порт.
Для работы системы требуется наличие постоянного подключения
интернета, однако количество данных, передаваемых по сети достаточно
мало, что позволяет использовать даже мобильный интернет, даже при
низких скоростях. Так как количество передаваемой информации мало, даже
на медленном соединении ответ системы будет не так долог, что позволит
оперативно узнавать о температуре в нужный момент времени.
39
2.6 Достоинства и недостатки разработанной системы
Такая система имеет как достоинства, так и недостатки.
Достоинствами является:
Возможность контроля из любой точки мира при наличии
интернета
Дешевизна
Возможность подсоединения большого количества различных
датчиков и систем управления
Отслеживание и управление необходимыми параметрами внутри
системы
Экономия денежных затрат
Не приходиться задумываться, включил иливыключил ли ты
обогревающий элемент.
Недостатки:
Невозможность работы без сети интернет
Задержка при включении до нескольких секунд
В такой системе конечно есть свои недостатки, ведь в первую очередь,
для работы с ней требуется наличие интернета, а при отключении его мы не
сможем с ней связаться, однако даже при отключении его вы можете быть
уверены, что температура все равно будет поддерживаться в пределах нормы,
ведь интернет в нашей системе служит лишь индикаторами для пользователя.
При невозможности подключиться к интернету наша система все равно будет
выполнять свою функцию и это скажется лишь на невозможности в данный
момент изменить параметры системы дистанционно.
40
Заключение
Была разработана система дистанционного управления бытовыми
приборами на основе отопления. Система может работать автономно.
Стоимость данной системы меньше, чем у систем представленных на рынке.
Система легка в сборке и установке. Она позволяет включить в себя
различные датчики, не рассмотренные в данной работе. Были разработаны
коды программ для системы, а так же написан код сайта, для управления
системой.
При
разработке
системы
были
изучены
различные
типы
термодатчиков, микроконтроллеров и обогревательных систем.
41
Список литературы
1.
Тоби Роберт К. Элсенпитер, Дж. Велт. «Умный Дом строим
сами»
2.
Arduino блокнот программиста Brian W. Evans
3.
http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno «Arduino Uno»
4.
Электротехника и электроника. О.П. Новожилов
5.
З.Ю. Горта. О.И. Чайковский «Датчики. Справочник» Каменяр
6.
http://www.kit-e.ru/articles/measure/2006_1_140.php «Популярные
1995
контактные технологии теплометрии»
7.
http://d.17-71.com/2007/10/23/rezistivnyie-datchiki-temperaturyi/
«Резестивные датчики температуры»
8.
http://www.devicesearch.ru/article/datchiki-temperatury
«Датчики
измерения температуры»
9.
http://mcucpu.ru/index.php/pdevices/datchiki/108-
poluprovodnikovye-datchiki-temperatury
«Полупроводниковые
датчики
температуры»
10.
Яганов П.А. Кремниевые микросенсоры температуры на основе
p-n пере- хода
11.
http://vashtehnik.ru/obogrevateli/vidy-obogrevatelej-dlya-doma.html
«Виды обогревателей»
12.
http://arduino.ua/ru/prog/ «Программирование Ардуино»
13.
PHP.
Рецепты
программирования.
Дэвид
Скляр,
Адам
Трахтенберг
14.
HTML и CSS. Путь к совершенству. Бен Хеник
15.
Е. С. Бенкен, Г. А. Самков "AJAX: программирование для
Интернета" БХВ-Петербург
16.
http://www.linedmk.com/page54.html «PHP и методы передачи
данных GET и POST»
42
17.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
43
