Автоматизація жилого дому - "Розумний дім" (HouseSpirit)
| Назва: "Розумний дім" (HouseSpirit) Розпочато: 28 03(березень) 2011р Завершено: 12 06(червень) 2011р Розташування: м.Ханти-Мансійськ, Росія Учасники:  Олег Сидашов, Роман СавоченкоОпис: Реалізація проекту автоматизації жилого дому - "Розумний дім" (HouseSpirit). |  |
Вступ
Об'єктом автоматизації є жилий дім, оснащений обладнанням, яке підлягає автоматизації. Система призначена для автоматизації дії, виконуваних користувачем або обслуговуючим персоналом для забезпечення безпеки, комфорту, зручності проживання на об'єкті автоматизації — у жилому приміщені (кімната, квартира, приватний дім), а також на прилеглій до нього території (земельна ділянка, двір, сад).
Система призначена для вирішення наступних завдань:
- Контроль доступу на об'єкт автоматизації.
- Контроль мікроклімату у приміщеннях.
- Керування освітленням на об'єкті автоматизації.
- Керування водопровідною мережею на об'єкті автоматизації.
- Керування побутовою та мультимедійною електротехнікою на об'єкті автоматизації.
- Забезпечення віддаленого керування, прямого керування (у режимі реального часу), керування за розкладом об'єктом автоматизації.
- Виявлення та усунення аварійних ситуацій.
Цілями створення системи є:
- Покращення якості життя людини на об'єкті автоматизації.
- Підвищення безпеки об'єкту автоматизації.
- Зниження витрат на проживання: зниження витрат на електроенергію, зниження витрат на використання водопровідної мережі.
- Зниження тимчасових та фізичних витрат на операції, виконувані користувачем на об'єкті автоматизації.
1. Об'єкт автоматизації
Площа об'єкту автоматизації ≈ 300 м2. Температура повітря у приміщеннях, призначених для встановлення серверу, давачів та виконавчих механізмів: від 10 до 25 градусів за Цельсієм. Температура повітря за приміщенями, де встановлюються давачі та виконавчі механізми: від - 30 до 30 °С.
Рівні забруднення, вологості, освітлення, шуму та іонізуючого випромінювання відповідають санітарно-епідеміологічним вимогам до жилих споруд та приміщень (САНПІН 2.1.2.1002-00).
На об'єкті присутнє електромагнітне випромінювання, індуковане побутовими пристроями, а також засобами електроно-обчислювальної техніки (Bluetooth, Wi-Fi, GSM).
Система “Розумний дім. Сервер керування” являє собою програмно-апаратний модуль, який є основним керуючим центром об'єкту автоматизації. Сервер приймає та обробляє сигнали від різних давачів, формує та передає сигнали керування виконавчим пристроям, здійснює зв'язок з користувачем через мережу GSM. Керування системою користувачем здійснюється через веб-інтерфейс.
Система “Розумний дім. Сервер керування” включає наступні підсистеми:
- Підсистема контролю доступа.
- Підсистема контролю освітленням.
- Підсистема контролю мікрокліматом.
- Підсистема контролю водопровідною мережею.
- Підсистема контролю побутовою та мультимедійною електротехнікою.
- Підсистема обробки інформації, яка надходить з давачів.
- Підсистема забезпечення інтерактивної взаємодії з користувачем через Web-інтерфейс та через мережу GSM.
- Підсистема авторизації.
- Підсистема формування звітів.
- Підсистема конфігурації забезпечує механізми додання, витяг та редагування інформації у використаній базі даних, для роботи підсистем 1-8.
Структурна схема системи домової автоматики приведено на рис.1.
Рис. 1. Структурна схема системи домової автоматики.
Для керування різним обладнанням жилого дому було розроблено концентратор та побудовано бездротову мережу ZigBee з пристроїв керування обладнанням. Загальний контроль обладнанням, а також надання користувацького Web-інтерфейсу та інші засоби повідомлення відбуваються сервером домової автоматики. Концентратор мережі ZigBee при цьому підключається до серверу за посередництвом інтерфейсу RS-232 та протоколу ModBus/RTU. Порушення у області контролю автоматики надсилаються користувачу у вигляді SMS-повідомлень через підключений GSM-модем.
Контролер бездротового зв'язку має наступні технічні характеристики:
- Наявність приймально-передавача ZigBee;
- Швидкість передавання даних за протоколом ZigBee не менш 200 Кб/с;
- Наявність USB або COM – порту для підключення з сервером;
- Живлення від мережі 220 В.
GSM-модуль має наступні технічні характеристиками (Siemens TC65):
- Підтримка стандарту GSM-900;
- Наявність USB або COM – порту для підключення до сервера;
- Підтримка AT команд стандарту GSM 07.05 та GSM 07.07;
- Живлення від мережі 220 В.
Апаратна частина серверу:
- процесор архітектури x86_32 або x86_64 (не нижче Intel Core2 Duo);
- оперативна пам'ять класу DDR3, у об'ємі 2ГБ;
- наявність не менш трьох USB - портів.
У якості програмного оточення, для виконання функції автоматизації жилих приміщень - "Розумний дім" використано відкриту SCADA систему 
OpenSCADA, у оточені якої розроблено користувацький Web-інтерфейс "Розумний дім", а також реалізовано опитування та контроль пристроїв за посередництвом ZigBee концентратору.
2. Система автоматизації
Система OpenSCADA має декілька засобів формування користувацьких інтерфейсів візуалізації, починаючи від інтегрованих інструментів розробки типових інтерфейсів контролю різних галузей автоматизації та закінчуючи низькорівневими механізмами бібліотек та інтерфейсів графічних концептів.
У особі інтегрованих інтерфейсів OpenSCADA містить:
- Модуль «UI.VCAEngine» — рушій візуалізації для побудови уніфікованих інтерфейсів та представленням (кінцевої візуалізації) за допомогою різних типів графічних інтерфейсів, а також можливістю роботи як сервер інтерфейсів візуалізації.
- Модуль «UI.Vision» - візуалізатор «UI.VCAEngine» та графічний інтерфейс розробки користувацьких інтерфейсів на основі бібліотеки побудови реактивних графічних інтерфейсів QT4.
- Модуль «UI.WebVision» - візуалізатор «UI.VCAEngine» на основі Web-інтерфейсів: XHTML, XML, CSS, JavaScript, DOM та AJAX.
До низькорівневих механізмів побудови користувацьких інтерфейсів можна віднести будь які інші графічні бібліотеки, у яких є інструменти швидкої розрабки користувацьких інтерфейсів. При цьому кооперація з OpenSCADA відбувається як із джерелом даних та інтерфейсом уніфікованого керування обладнанням за посередництвом різноманітних протоколів.
Для надання можливості вільного формування користувацьких Web - інтерфейсів, безпосередньо у оточенні OpenSCADA, передбачено модуль «UI.WebUser». В цілому OpenSCADA містить всі основні функції типового Web-серверу, а саме:
- Прийом клієнтських підключень за стандартними транспортними протоколами: TCP, UDP, Unix, а також захищеними підключеннями SSL та TLS.
- Підтримка основних функцій протоколу HTTP, у об'ємі запитів GET та POST.
- Динамічне формування користувацького контенту за посередництвом внутрішньої JavaScript (JavaLikeCalc) мови у вигляді потоків з вмістом: мов HTML, XHTML, XML, CSS, JavaScript, зображень різних форматів та інше.
Відповідно, для побудови довільного користувацького інтерфейсу контролю достатньо мати інстальовану систему OpenSCADA з модулями: Transport.Sockets?, Transport.SSL, Protocol.HTTP та UI.WebUser.
2.1. Структура та розташування файлів
З метою зменшення навантаження на повністю динамічне формування користувацького інтерфейсу, а також для спрощення наступного розширення та модифікації стилю Web-інтерфейс було поділено на статичну та динамічну частини.
Статична частина представляє з себе набір шаблонних HTML-файлів, з мітками розташування динаміки, та ресурсні файли: CSS, JavaScript та зображення. В цілому, статична частина представлена файлами, які описані у таблиці нижче:
| Файл | Опис |
| HTML-шаблони (HouseSpirit/Web/*) | |
| main.html | Головний шаблон користувацького інтерфейсу. Містить загальний інтерфейс користувача з міткою розташування вмісту сторінок « |
| auth.html | Шаблон інтерфейсу авторизації з міткою розташування вмісту « Створено для використання модулем протоколу HTTP (/sub_Protocol/mod_HTTP). |
| access.html | Шаблон контролю доступу. |
| temperature.html | Шаблон керування мікрокліматом. |
| light.html | Шаблон керування освітленням. |
| water.html | Шаблон керування водопровідною підсистемою. |
| tech.html | Шаблон керування електронною та побутовою технікою. |
| friend.html | Шаблон керування користувацькими пристроями. |
| user.html | Шаблон диспетчеру користувачів. |
| devices.html | Шаблон диспетчеру пристроїв. |
| loginError.html | Сторінка повідомлення помилки аутентифікації або її відсутності. |
| mess.html | Шаблон повідомлень активних аварійних випадків. |
| report.html | Шаблон формування звітів про порушення, дії та системні повідомлення. |
| welcome.html | Сторінка привітання, яку зображається по замовченню у полі контенту. |
| Ресурси (HouseSpirit/Web/res/*) | |
| stylesheet.css | Каскадні таблиці стилів користувацького інтерфейсу цілком. |
| main.js | JavaScript код головного шаблону, для лічильнику часу та сеансу. |
| devMon.js | JavaScript код реалізації динамічного AJAX інтерфейсу моніторингу пристроїв підсистем. |
| access.png, accesson.png | Зображення підсистеми контролю доступу. |
| temperature.png, temperatureon.png | Зображення підсистеми керування мікрокліматом. |
| light.png, lighton.png | Зображення підсистеми керування освітленням. |
| water.png, wateron.png | Зображення керування водопровідною підсистемою. |
| tech.png, techon.png | Зображення підсистеми управління електронною та побутовою технікою. |
| friend.png, friendon.png | Зображення підсистеми керування користувацькими пристроями. |
| user.png, useron.png | Зображення диспетчера користувачів. |
| devices.png, deviceson.png | Зображення диспетчеру пристроїв. |
| report.png, reporton.png | Зображення формування звітів про порушення, дії та системні повідомлення. |
| help.png, helpon.png | Зображення сторінки допомоги. |
| HouseSpirit.ico | Іконка Web-інтерфейсу. |
| hd_l.png, hd_r.png | Ліва та права частина заголовку. |
| select_l.png, select_r.png | Зображення фону обраного елементу меню ліворуч та праворуч. |
| space_l.png, space_r.png | Зображення вільного пункту меню ліворуч та праворуч. |
| status_l.png, status_r.png status_edge.png | Зображення рядку статусу. |
| Файли звітів (HouseSpirit/Web/reports/*) | |
| rep_{user}.html | Останній звіт користувача user. |
Динамічну частину реалізовано скриптами OpenSCADA на внутрішній мові JavaLikeCalc, які описано у таблиці нижче:
В цілому алгоритм обробки запитів до сторінок наступний (на прикладі http://localhost:10002/WebUser/temperature?script=devMon):
- запит поступає у скрипт /sub_UI/mod_WebUser/hs з транспорту /sub_Transport/mod_Sockets/in_WEB_1, за посередництвом модуля протоколу Protocol.HTTP;
- вантажиться файл шаблону temperature.html;
- здійснюється пошук скрипту сторінки devMon (/sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/devMon). Якщо аргумент script відсутній тоді здійснюється пошук скрипту за назвою сторінки (/sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/temperature);
- здійснюється передача шаблону сторінки до знайденого скрипту для формування динаміки;
- результат виконання скрипту сторінки розташовується у головному шаблоні;
- якщо скрипт сторінки не виявлено, тоді шаблон сторінки розташовує її вміст безпосередньо у головному шаблоні.
2.2. Менеджер пристроїв
Менеджер пристроїв доступний тільки суперкористувачу та формує форму редагування (рис.2), додання та видалення пристроїв двох типів: бінарний та десятковий.
Рис. 2. Менеджер пристроїв.
Створювані пристрої безпосередньо розташовуються у переліку атрибутів параметру конкретно взятої підсистеми контролеру «ZigBee» модуля джерела даних ModBus (/sub_DAQ/mod_ModBus/cntr_ZegBee/). Формат запису атрибута має вигляд:
- «R:0:r:cond:Кондиціонер:bin:10:Включено:лючено:(120|100)» - для бінарного давача:
- R — регістр ModBus;
- 0 — адреса регістру ModBus;
- r — тільки читання;
- cond — ідентифікатор атрибута-давача;
- Кондиціонер — назва давача;
- bin — тип давача - «Бінарний»;
- 10 — перше значення;
- Включено — назва першого значення;
- 0 — друге значення;
- Виключено — назва другого значення;
- (120|100) — координати розташування ({x}|{y}) давача на схемі жилого приміщення.
- «R:3:rw:а у вітальні 1:dec:град. С:y=2*x;:(120|100)» - для десяткового давача:
- rw — тільки читання;
- dec — тип давача - «Десятковий»;
- град. С — одиниця виміру змінної;
- y=2*x; — формула перерахунку зчитаної змінної для відображення;
- (120|100) — координати розташування ({x}|{y}) давача на схемі жилого приміщення.
Крім безпосередньо давачів здійснюється конфігурація та формування порушень у вигляді тексті процедури. Програма формування розташовується у атрибут «var» параметру контролера порушень /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_alarms/prm_rules. Атрибут «var» містить XML дерево вигляду:
<ALARMS>
<it id = "temperature.cond1">
if(x<10) err = "Низька температура: "+x+" < 10";
</it>
</ALARMS>
У Відповідності з цим XML-деревом здійснюється формування порушень та надсилання SMS-повідомлення підписаним користувачам у задачі контролеру /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_alarms, яка виконується з періодом 1 хвилина.
SMS-повідомлення надсилаються через послідовний транспорт /sub_Transport/mod_Serial/out_GSM та за посередництвом користувацького SMS-протоколу (/sub_Protocol/mod_UserProtocol/up_SMS).
Передбачено також функція відкладеної видачі керуючої дії. Для цього користувач встановлює потрібний час, у вигляді: {Min}:{Sec}. Обробка відкладеного керування здійснюється у контролері /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_timers за посередництвом встановлення атрибуту «var» параметру «rules» запитами у вигляді XML дерева:
<TIMERS>
<timer id="temperature.tGhost1" tm="60" user="root">20</timer>
<timer id="temperature.cond1" tm="10" user="root">0</timer>
</TIMERS>
Переклад триває
2.3. Підсистеми
Все подсистемы визуализации обслуживаются скриптом /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/devMon. В этом скрипте осуществляется обработка запросов от скрипта динамической визуализации Web-браузера и передача ему данных об устройствах подсистемы, необходимых для визуализации (рис.3). Данные об устройствах передаются в соответствии с правами доступа вошедшего пользователя.
Рис. 3. Управление подсистемой.
Конфигурация датчиков читается из параметра, соответствующего подсистеме контроллера «ZigBee» (/sub_DAQ/mod_ModBus/cntr_ZegBee). Значения читаются и записываются в атрибуты датчиков этих параметров или через контроллер отложенного управления.
Задача контроллера «ZigBee» исполняется с периодом 1 секунда, в процессе чего осуществляется запрос текущих значений всех сконфигурированных датчиков. Запись значений осуществляется по факту модификации независимо от задачи периодического опроса или через контроллер отложенного управления в случае установки ненулевого времени таймера.
Связь контроллера «ZigBee» осуществляется через последовательный исходящий транспорт /sub_Transport/mod_Serial/out_ZegBee.
2.4. Менеджер пользователей
Менеджер пользователей (рис.4) предназначен для создания, удаления и редактирования учётных записей обычных пользователей.
Рис. 4. Менеджер пользователей.
Пользователи условно делятся на администраторов и простых пользователей. Идентификация пользователя как администратора, в системе OpenSCADA, осуществляется включением его в группу «WebRoot» (/sub_Security/grp_WebRoot). Обычный пользователь включается в группу «Web» (/sub_Security/grp_Web).
В системе OpenSCADA у каждого пользователя (/sub_Security/usr_test1/) есть текстовое поле описания, которое в данном случае служит для хранения его специализированных параметров в виде:
TEL: +380679859815
SMS: true
Report: false
sub_access: --
sub_friend: --
sub_light: --
sub_tech: --
sub_temperature: rw
sub_water: --
В случае с администратором записи прав доступа к подсистемам отсутствуют, но присутствуют общесистемные параметры вроде времени жизни сеанса (/sub_Protocol/mod_HTTP).
2.5. Сообщения
Список сообщений формируется, исходя из перечня активных нарушений по их категории «ALARM:House:*» в виде таблицы с временем, категорией, уровнем и сообщением нарушения (рис.5).
Рис. 5. Сообщения.
2.6. Отчёты
В формировании отчёта указывается временной диапазон и выбираются типы сообщений. Предусмотрена генерация сообщений для типов:
- «Системные события» — включает сообщения об авторизации и выходе пользователей на ресурсе посредством категории сообщений «
- «События подсистем мониторинга и управления» — включает нарушения и запись новых значений по датчикам посредством категории сообщений «
Протокол формируется в виде таблицы (рис.6) с временем, категорией, уровнем и сообщением нарушения, которая также записывается в отдельный файл отчёта, в последствии доступный по ссылке для отдельного открытия.
Рис. 6. Отчёты.
Action source page doesn't exist yet(/Home Page Uk / Using / Smart House / matrials?)
Ссылки