Проект "Умный дом"

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы «Школа № 1371 «Крылатское»»

УМНЫЙ ДОМ

Выполнил:

Причиненко Никита Артемович

 ученик 4 «Д» класса ГБОУ школы № 1371

Руководитель:

Семенова Альбина Бальжинимаевна

 учитель ГБОУ школа № 1371

Москва, 2022г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………...3

1.Теоретическая часть исследования……………………………………6

1. 1 Системы «Умного дома»………………………………………….…6

1.1 Работа «Умного дома»………………………………………………..8

2. Практическая часть исследования……………………………………10

2.1 Анализ систем «Умного дома»……………………………………...10

2.2 Анкетирование……………………………………………………….12

2.3 Моделирование макета «Умного дома»……………………………14

2.4 Эксперимент. Проверка работы датчиков…………………………17

Выводы…………………………………………………………………...20

Заключение……………………………………………………………….22

Список литературы……………………………………………………....24

Приложения………………………………………………………………25

ВВЕДЕНИЕ

Все мы стремимся к комфорту и безопасности нашей жизни. Однажды в соседнем подъезде случился пожар. Это сильно напугало меня, и я все время думал об этой ситуации. Что я могу сделать чтобы жить в своем доме, не опасаясь за себя и свою семью? Как сделать свой дом безопасным?

В наше время высоких технологий существует множество решений этой ситуации. Самое современное решение на сегодняшний день - «Умный дом».

Почему для рассмотрения своей проблемы я выбрал именно «Умный дом»?

 Потому что технологии «Умного дома» позволяют обезопасить мой дом и сделать его комфортнее, тем самым решая сразу два поставленных мною вопроса.

С пяти лет я занимаюсь программированием и мне нравиться развиваться в этом направлении. Именно поэтому мне хотелось запрограммировать датчики «Умного дома» самому, а не воспользоваться уже существующими на рынке готовыми вариантами.

Цель проекта: изучить возможности «Умного дома».
Создать макет своего «Умного дома» на контролере Arduino.

Задачи проекта:

1. Собрать информацию о системах «Умного дома».

2. Изучить принцип работы «Умного дома».

3. Выбрать систему «Умного дома» под свои потребности.

4. Провести анкетирование.

5. Собрать макет «Умного дома».

6. Запрограммировать датчики.

7. Проверить работу датчиков.

8. Сделать выводы.

Гипотеза: я смогу создать макет «Умного дома» и запрограммировать датчики для автоматизации его работы. Собранная мною система «Умного дома» сможет распознавать различные ситуации, происходящие в доме, и реагировать на них в соответствии с заданными алгоритмами.

План работы

• Изучить информацию в интернете и справочной литературе об «Умном доме».
• На основе полученной информации разработать теоретическую часть проектной работы.
• Провести опрос среди одноклассников.
• Принять решение о выборе системы «Умного дома».
• Собрать макет «Умного дома».
• Запрограммировать датчики.
• Проверить работу датчиков.
• Сделать выводы.

Методы исследования

В своей работе я использовал следующие методы исследования:

Метод анализа для того чтобы изучить понятие «Умный дом».

Метод анкетирования для того чтобы понять, что знают мои одноклассники об «Умном доме».

Метод моделирования для создания макета «Умного дома».

В эксперименте созданы реальные условия для проверки работы датчиков.

Продолжительность проекта – 5 месяцев.

1. ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 СИСТЕМЫ «УМНОГО ДОМА»

Умный дом – это жилой современный дом, который управляется при помощи систем автоматизации и высокотехнологичных устройств. 

Система «Умного дома» умеет распознавать различные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать по прописанным заранее алгоритмам.

Системы «Умного дома»

1.Система безопасности:

• Пожарная безопасность
• Утечка газа
• Протечка воды

        2.Система охраны:

• Видеонаблюдение
• Открытие дверей
• Разбитие стекла

        3.Система климат-контроля:

• Отопление
• Вентиляция
• Кондиционирование

          4. Система освещения:

• Управления лампами
• Регулирование освещения

          5.Система Мультирум:

• Управление домашним кинотеатром
• Управление музыкальными системами

6. Система управления бытовой техникой:

• Управление роботом пылесосом
• Управление умным чайником
• Управление мультиваркой

7.Система управления домовой инфраструктурой:

• Управление воротами
• Управление шторами
• Управление окнами
• Управление поливом

1.2. РАБОТА «УМНОГО ДОМА»

 «Умный дом» состоит из интеллектуальных устройств, подключенных через сеть Интернет.

Система «Умного дома» состоит из трех типов устройств:

Контроллер - управляющее устройство, соединяющее все элементы системы друг с другом и связывающее ее с внешним миром.

Датчики - устройства, получающие информацию о внешних условиях.

Актуаторы – исполнительные устройства, которые выполняют команды. Это умные выключатели, умные приборы, умные розетки, сирены.

Устройства управления — с их помощью можно узнать о состоянии системы, настроить режим работы, отдать команду для устройств. Очень часто этим органом становится смартфон с установленным приложением.

Как происходит работа «Умного дома»:

• сбор информации с помощью датчиков;

• анализ данных и принятие решения, посредством программируемого микроконтроллера;
• реализация принятых решений с помощью подаваемых команд, на различные подключенные в систему устройства.

 Система автоматизации «Умного дома» может предоставить:

• беспроводную связь между элементами;
• включение и отключение оборудования со смартфона;
• голосовые команды;
• возможность создания своих сценариев управления.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 АНАЛИЗ СИСТЕМ УМНОГО ДОМА

Проанализировав соответствующую литературу и сайты в Интернете, я узнал о том, что такое «Умный дом», какие системы «Умного дома» бывают. Что нужно для его работы.

Для своего макета я выбрал и хочу установить:

Систему безопасности:

• Датчик огня.

Анализирует наличие пламени.

• Датчик газа.

Анализирует качество воздуха.

Систему освещенности:

• Датчик освещенности.

Определяет степень освещения.

• Датчик движения.

Определяет присутствие человека.

Систему климат-контроля:

• Датчик температуры и влажности.

Измеряет показатели.

• Датчик осадков.

Определяет наличие осадков.

Вывод: выбранные мною датчики смогут обезопасить мое жилье и сделать его более комфортным.

Итоги первого этапа исследования:

Проведя анализ всех систем автоматизации «Умного дома», я выбрал для себя наиболее мне подходящие. Которые решают мои вопросы о безопасности и комфорте моего жилья.

2.2 АНКЕТИРОВАНИЕ

Я всегда интересуюсь ИТ технологиями и уже давно пытаюсь развиваться в этом направлении.

Мне стало интересно что мои одноклассники знают об «Умном доме»?

Знают ребята что «Умный дом» может взять вопросы безопасности на себя?

Сделать комфортнее их проживание?

Что «Умный дом» можно сделать в обычной квартире?

Я провел опрос среди учеников 4-«Д» класса школы №1371.

 Всего было опрошено 32 человека.

Вопросы анкеты находятся в Приложении №1

Анкетирование показало, что не все ребята знают о возможностях «Умного дома».

44% опрошенных не знали, что «Умный дом» способен защитить их от опасных ситуаций таких как пожар, утечка газа и взрыв, затопление.

49% (39% - не знаю и 10% - нет) думают, что в квартирах нет возможности установить «Умный дом».

На вопрос хотят они жить в «Умном доме»?

35% (16% - не знаю и 19% - нет) возможно поменяли бы свое решение, если бы знали больше о возможностях «Умного дома».

Результаты анкетирования находятся в приложении №2 и №3.

Вывод: анкетирование показало, что ребята недостаточно информированы о возможностях «Умного дома».

Итоги второго этапа исследования:

По итогам анкетирования я решил показать свой проект одноклассникам и ознакомить их с возможностями «Умного дома».

2.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ МАКЕТА «УМНОГО ДОМА»

Одной из задач моего проекта было создание макета «Умного дома».

Я собрал свой макет «Умного дома» из фанеры. Это одноэтажный дом.  Размеры дома 18 см длина, 13 см ширина и 10 см высота.

На макет «Умного дома» я установил выбранные мною датчики:

• Датчик огня
• Датчик газа

• Датчик освещенности
• Датчик движения

• Датчик температуры и влажности
• Датчик осадков

Также на макет «Умного дома» установлены исполнительные устройства:

• Светодиоды
• Вентилятор
• Сервоприводы
• ЖК экран
• Звукоизлучатель
• Сенсорные кнопки

Мозгом моего «Умного дома» я выбрал плату Arduino Uno.

Arduino Uno - это микроконтроллер к которому я подключил выбранные мною датчики. Arduino Uno считывает данные с датчиков (дождя, огня, газа, движения) и управляет исполнительными устройствами (светодиодами, сервоприводами, звуковой сигнализацией).

Для этого мне нужно написать программу (скетч) на C++, программирование подключенных датчиков «Умного дома» происходит в среде Arduino IDE, и загрузить ее в память микроконтроллера Аrduino Uno. 

Для работы с различными датчиками имеются различные программные библиотеки со скетчами. 

Для подключения управления с телефона или управления с помощью голосового помощника контроллером используется MQTT брокер, который позволяет разным устройствам обмениваться сообщениями, и реализован на базе программы входящей в набор пакетов Linux.

Подключение к Интернет и брокеру MQTT выполнено с помощью дополнительного контроллера ESP-01 на котором залита соответствующая программа. Плата Arduino UNO через ESP-01 отправляет в брокер и получает сообщения из него.

Программа на мобильном телефоне подключена к брокеру с настроенными виджитами, которые отображают соответствующие данные, получаемые из брокера.

Для подключения голосового помощника «Алиса», мне понадобился дополнительный инструмент, так как «Алиса» не может подключаться к MQTT брокеру. Для этого был выбран навык для «Алисы» - «Домовенок Кузя». «Домовенок Кузя» - обеспечивает пересылку сообщений между брокером и голосовым помощником.

Теперь я смогу управлять своим «Умным домом» через телефон и с помощью голосового помощника «Алиса».

Вывод: собранный мною макет «Умного дома» поможет мне наглядно представить результаты моего проекта.

Итоги третьего этапа исследования:

После продолжительной и увлекательной работы мой макет «Умного дома» собран и готов пройти проверку.

2.4 ЭКСПЕРИМЕНТ ПРОВЕРКА РАБОТЫ ДАТЧИКОВ

Для проверки работы датчиков «Умного дома» в моем макете необходимо провести ряд экспериментов. Эксперименты создадут реальные условия необходимые для правильной работы датчиков системы «Умного дома».

Эксперимент №1

Датчик осадков.

Увлажним датчик осадков имитируя дождь. Реакция датчика: закрытие окна, которое было открыто для проветривания помещения.

Проведенный эксперимент с датчиком осадков показал корректную работу датчика.

Эксперимент №2

Датчик огня.

Поднесем источник огня к датчику. Должна сработать звуковая и световая сигнализация.

Проведенный эксперимент с датчиком огня показал корректную работу датчика.

Эксперимент №3

Датчик газа.

Поднесем источник газа к датчику. Должна сработать звуковая и световая сигнализация и включиться вентилятор для проветривания помещения.

Проведенный эксперимент с датчиком газа показал корректную работу датчика.

Эксперимент №4

Датчик освещенности.

Закроем датчик освещенности для имитации наступления ночи. Закроется окно, включится в доме свет и включится свет на улице.

Проведенный эксперимент с датчиком освещенности показал корректную работу датчика.

Эксперимент №5

Датчик движения.

Для проверки работы датчика движения необходимо провести рукой перед датчиком. Должен включиться свет.

Проведенный эксперимент с датчиком движения показал корректную работу датчика.

Вывод: эксперименты прошли успешно, все датчики работают по заданным мною программам.

Итоги четвертого этапа исследования:

Ряд проведенных мною экспериментов подтверждает мою гипотезу. Созданный макет «Умного дома» распознает различные ситуации, происходящие в доме, и реагирует на них в соответствии с заданными алгоритмами.

ВЫВОДЫ

Работая над проектом «Умный дом» собирая и изучая всю доступную информацию по этой теме, я понял.

Умный дом — это комплекс разных устройств, которые объединены в единую сеть управления.

Из чего состоит?

• Контролеры
• Датчики
• Исполнительные устройства

Что может?

• Управлять всеми процессами в доме
• Настроить свой дом под свои потребности
• Уменьшить расходы энергопотребления

Зачем нужен?

• Комфорт и удобство – твой дом ты можешь настроить под себя и потребности твоей семьи.
• Надежность и безопасность – твой дом будет защищать тебя от разных опасных ситуаций.
• Экономия – твой дом дает возможность экономить, применяя способы эффективного потребления.

Преимущества умного дома на Arduino:

• Совместимость датчиков разных производителей с контроллером Arduino.
• Создание собственных программ «Умного дома», под свои потребности.

Четкая постановка цели и задач помогла решить все вопросы моего проекта.

Намеченные этапы и методы исследования помогли достигнуть результатов проекта.

Смоделированный макет «Умного дома» наглядно продемонстрировал его возможности и помог провести эксперименты с водой, огнем и газом, которые показали корректную работу датчиков.

Выполненное исследование показало, что установка систем «Умного дома» помогает решить вопросы безопасности и комфорта жилья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

«Умный дом» самое современное и технологичное, одно из лучших решений для автоматизации многих бытовых вопросов.

• Система «Умный дом» предоставляет множество возможностей управления домом для своих жильцов.
• Система безопасности «Умного дома» вовремя предотвратит все опасные ситуации (пожар, утечка газа, протечка воды), сразу оповестит своих жильцов обо всех нестандартных ситуациях в их доме и поможет предотвратить серьезные последствия.
• «Умный дом» комфорт и удобство проживания для всей семьи. Можно настроить режим работы «Умного дома» под каждого члена семьи, его предпочтения и потребности.
• «Умный дом» помогает экономить энергоресурсы.

Цель моего проекта создание макета «Умного дома» на базе Arduino успешно достигнута.

На основании анализа из всех возможных систем «Умного дома» выбраны и запрограммированы датчики, отвечающие за безопасность и комфорт проживания.

Проведенное анкетирование среди одноклассников выявило, что они недостаточно информированы в этом вопросе. Результаты моего проекта я обязательно покажу ребятам.

Смоделированный макет дал возможность наглядно представить мой проект.

 Эксперименты, в которых были созданы реальные условия, помогли   показать возможности системы «Умного дома» и проверить работу датчиков.

Эксперименты подтвердили мою гипотезу. Созданный макет «Умного дома» распознает различные ситуации, происходящие в доме, и реагирует на них в соответствии с заданными алгоритмами.

В процессе работы над проектом я узнал много нового и интересного.

Перспективы использования результатов проекта.

Использовать датчики из моего макета «Умный дом» для комфорта и безопасности моей квартиры. Я люблю программирование и хочу развивать свои навыки программирования датчиков «Умного дома» дальше.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дементьев А.  «Умный» дом XXI века.Е.: Издательские решения, 2016.

2. Джереми Б. «Изучаем Arduino: инструменты и методы

технического волшебства». 2-е изд.: пер с англ.-СПБ.: БХВ-Петербург, 2022.

3. Мамичев, Д. Программирование на Ардуино. От простого к сложному. –М.: СОЛОН-Пресс, 2018. 

4. Умный дом. [Электронный ресурс] – URL http://wp.wiki-wiki.ru/wp/index.php/Умный_дом

5. Arduino – [Электронный ресурс] – URL https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino (дата обращения: 17.09.2022)

6. Arduino_IDE– [Электронный ресурс] – URL https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino_IDE (дата обращения: 25.09.2022)

7. Arduino.ru– [Электронный ресурс] –URL https://arduino.ru/(дата обращения: 25.09.2022)

8. Arduino UNO – [Электронный ресурс] – URL http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno/(дата обращения: 30.09.2022)

Приложение № 1

Анкета

1. Возможен комфорт в «Умном доме»?

• Да
• Нет
• Не знаю

2. Предотвращает «Умный дом» аварийные ситуации?

• Да
• Нет
• Не знаю

3. Возможен «Умный дом» в квартире?

• Да
• Нет
• Не знаю

4. Хотите Вы жить в «Умном доме»?

• Да
• Нет
• Не знаю

Приложение № 2

Результаты анкетирования

Приложение №3

Результаты анкетирования