Автоматизовані IoT-системи для керування житловим простором

Сулима, Віталій Андрійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6408

Title:	Автоматизовані IoT-системи для керування житловим простором
Authors:	Міценко, Сергій Анатолійович Сулима, Віталій Андрійович
Issue Date:	Jun-2024
Abstract:	У даній роботі проведено теоретичне обґрунтування і запропоновано практичні шляхи вирішення проблеми, яка полягає у розробленні пропозицій щодо вдосконалення управління автоматизацією житлового приміщення . Cистема Smart Home дуже практична і корисна річ, яку можна зібрати своїми руками. Проектування системи дало можливість зрозуміти доцільність розробки, а також те, чому розвиток робототехніки представляє важливий крок в еволюції підходів до створення програмного забезпечення. В епоху нових технологій, якщо хочемо отримати реально надійний, безпечний та економічний сервіс, мати більший контроль над процесами і автоматизувати ряд операцій, і (зрештою) заощадити ресурси, то логічно використовувати такі системи в побуті. Отримано практичні навички в роботі з датчиками та контролерами, а також у використанні дистанційних та мережевих засобів контролю над системою. На прикладах показано роботу з датчиками, проведений розгляд можливостей, доступних розробникам. За допомогою Arduino IOT Cloud отримані практичні навички в створенні графічних об’єктів, проведено дослідження стосовно попиту на засоби діджиталізації у побуті. Показано роботу з інструментами, проведено розгляд функціональних можливостей датчиків. Систему «розумний будинок» підключено до засобів автоматичного керування на основі контролера Arduino через WI-FI. Для цього використовувались: WeMos D1R1, модуль цифрового датчика вологості та температури; датчик освітленості BH1750FVI; датчика торкання TTP223B; датчик диму; міні серводвигун SG90; датчик закриття дверей; датчик руху; модуль датчика реального часу .
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6408
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_151_2024_Сулима.pdf Restricted Access		2.4 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ
СИСТЕМ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»

на тему: АВТОМАТИЗОВАНІ IOT-СИСТЕМИ ДЛЯ КЕРУВАННЯ
ЖИТЛОВИМ ПРОСТОРОМ

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи АКІТС-2299
спеціальності 151 Автоматизація та
комп’ютерно-інтегровані технології
Віталій СУЛИМА
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Керівник Сергій МІЦЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Рецензент
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2024 року

ЗМІСТ

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ............................................ 3
ВСТУП ............................................................................................................................ 4
1 АНАЛІЗ МОДЕЛЕЙ ІОТ РІШЕНЬ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРИМІЩЕННЯ ... 6
1.1 Актуальність проблеми діджиталізації житлових приміщень ........................ 6
1.2 Огляд сучасних рішень автоматизації приміщень............................................ 9
1.3 Визначення вхідних даних для створення Smart Home ................................. 16
2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЕКТУ ІоТ-РІШЕННЯ ТА МЕТОДІВ ОБРОБКИ ДАНИХ
АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРИМІЩЕННЯ ............................................................... 21
2.1 Планування функцій Smart Home .................................................................... 21
2.2 Структура ІоТ рішення Smart Home ................................................................ 25
2.3 Рівнева архітектура інтернету речей ................................................................ 28
3 ПРОЕКТУВАННЯ АРХІТЕКТУРИ ІоТ-РІШЕННЯ ............................................. 39
3.1 Архітектура проекту ІоТ-рішення ................................................................... 39
3.2 Комунікаційні системи. Вибір датчиків .......................................................... 43
3.3 Аналіз захищеності інформації та методів для захисту ................................ 53
ВИСНОВКИ ................................................................................................................. 57
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................... 59

ЧДТУ.242269.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сулима Літ. Лист. Листів
Перевір. Міценко Автоматизовані IoT-системи для 2 61
керування житловим простором.
Реценз. Пояснювальна записка
Н. Контр. ЧДТУ, АКІТС-2299
Затверд. Лукашенко

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

AES (Advanced Encryption Standard) – симетричний алгоритм блочного
шифрування
COM (Component Object Model) – платформа компонентноорієнтованого
програмування
EPC (Electronic Product Code) – електронний код продукту
LAN (LocalAreaNetwork) – об'єднання певного числа комп'ютерів на відносно
невеликій території
LTE (LongTermEvolution) – назва мобільного протоколу передачі даних
MSS (Maximum segment size) – максимальний розмір корисного блоку даних
в байтах для TCP пакету
NFC (Near Field Communication) – технологія бездротового високочастотного
зв'язку малого радіусу дії
PAN (Personal Area Network) – мережа, побудована «навколо» людини
REST (Representational State Transfer) – підхід до архітектури мережевих
протоколів, які забезпечують доступ до інформаційних ресурсів
TCP/ІР (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) – набір протоколів
мережі Інтернет
WSN (Wireless sensor network) – бездротова сенсорна мережа
ОС – Операційна система
ПЗ – Програмне забезпечення
САПР – Система автоматизованого проектування
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 3
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП

На ринку програмного забезпечення сьогодні представлено широкий
асортимент засобів для автоматизації домашнього господарства. Перехід до
автоматизації є загальносвітовою тенденцією, що обумовлена необхідністю
прискорення розробки систем IoT для автоматизації різноманітних процесів та
галузей. Це прагнення до комфорту, безпеки та економії ресурсів.
У світі, зокрема в Європі, Китаї та США, вже існують повністю роботизовані
«розумні» будинки, які зменшують споживання електроенергії, води та газу,
підвищуючи комфорт та безпеку. Сьогодні кожна людина, маючи базові знання,
може власноруч зібрати корисні в побуті електронні пристрої. Купівля контролерів
та датчиків не є дорогою, що дозволяє підвищити рівень комфорту, позбутися
побутових рутинних справ і отримати фінансову вигоду, економлячи час і гроші, та
насолоджуватися новими зручностями.
Звичайно, ринок IоT розвивається зараз дуже швидко. Тисячі стартапів, сотні
готових серійних рішень. На ринку програмного забезпечення сьогодні
представлено широкий асортимент програм для забезпечення керування
будинками. Реалізація побудови моделі розумного будинку на основі IoT
застосунків полягає у виборі оптимально працездатної та недорогої конфігурації,
яка б здійснювала повний моніторинг роботи домашнього господарства та
виконувати функції охорони.
Метою кваліфікаційної роботи є розробка автоматизованого будинку
засобами ІоТ та проектування ефективної системи рішень для процесу
автоматизації процесами обігріву, охолодження, охорони, пожежної безпеки,
вентиляції, освітлення.
Основні завдання, що потрібно виконати для досягнення мети:
− Аналіз принципів роботи IoT систем та існуючих рішень по автоматизації.
− Аналіз останніх наукових досліджень та практичних розробок IoT систем.
− Проектування функцій системи контролю та автоматизації.
− Проектування моделі архітектурного рішення.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Проведення аналізу захищеності інформації та методів і способів для
кіберзахисту.
Під час розробки IoT рішення для автоматизації домашнього приміщення
буде проведено аналіз та узагальнення наукової літератури. Макет системи
керування будинком створюється з використанням датчиків і контролерів, з описом
основних характеристик і принципів роботи цієї системи. Також демонструється
керування системою через Wi-Fi.

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1 АНАЛІЗ МОДЕЛЕЙ ІОТ РІШЕНЬ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ
ПРИМІЩЕННЯ

1.1 Актуальність проблеми діджиталізації житлових приміщень
Висока якість життя та зростаючі вимоги щодо комфорту та безпеки
спонукають до пошуку рішень, які підвищують ефективність функціонування
житлових приміщень. Оптимізація житлових процесів стає необхідністю, і
перспективним способом підвищення ефективності є повна або часткова
автоматизація, досяжна завдяки сучасним технологіям. Ще 10-20 років тому ідея
дистанційного управління системою житлового будинку здавалася фантастикою,
хоча концепція «розумного будинку» існувала в літературі та кіно ще на початку
ХХ століття.
Фантастичні фільми часто показували будинки, де комп'ютер будив людину,
готував їй сніданок, спілкувався з нею та піклувався про неї. На той час не було
чіткого визначення «розумного будинку», і його функції були розмиті. Нині, коли
споживачі говорять про "розумний будинок", вони мають на увазі мережу
побутових приладів, які пов'язані між собою, керуються дистанційно, збирають
дані та мають автономні функції, підключені до Інтернету. Це житловий простір,
покращений технологіями для забезпечення більшого комфорту.
Однак, розвиток систем автоматизації житла не завжди був гладким,
стикаючись із проблемами недосконалості, ненадійності, відсутності гарантій та
безпеки, а також складністю у використанні. Крім того, такі системи були дорогими.
Наприклад, на створення ідеального розумного будинку в 1990-х роках Білл Гейтс
витратив десятки мільйонів доларів і сім років.
Сьогодні «розумний будинок» став глобальним явищем. Його також
називають «Intelligent Building», «Smart House», або «Smart Home». Побудова
мереж розумних пристроїв вже стала звичною справою, і ці технології міцно
закріпилися в сучасному житті. За оцінками експертів, до 2020 року кількість таких
пристроїв у світі перевищила 30 мільярдів, і їхня кількість продовжує зростати в
геометричній прогресії.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На даний момент немає чіткого набору стандартів і технологій, що
визначають «розумний будинок», і жодній компанії не видавався патент на цю
концепцію. Тому можливості для реалізації будь-якого окремого рішення чи
проекту практично безмежні.
В останні роки попит на розумний будинок значно зріс і в нашій країні. Це
сталося через технологічний бум, обумовлений стрімким розвитком мобільних
технологій і покращенням якості доступу до Інтернету. Практично всі глобальні
проблеми недосконалості таких систем були вирішені. З'явилися доступні
технології, датчики та пристрої стали дешевшими.
Крім того, важливу роль зіграло зростання покоління, яке виросло в епоху
Інтернету та автоматизації. Це покоління, знайоме з «мобільним» побутом з
дитинства, активно впроваджує складні проекти «діджиталізації» у своїх оселях.
Хоча лише невеликий відсоток молодих людей має власне житло, це не
перешкоджає швидкому поширенню технології «розумного будинку», адже
відбувається також цифровізація старшого покоління.
Ще одним стимулом для розвитку Smart Home стало старіння населення. Для
підтримки динамічного життя та безпеки людей похилого віку необхідні IoT-
застосунки. Оптимізація ресурсів, автономність та підвищення соціальної, трудової
та фізичної активності людей похилого віку є ключовими аспектами змін у
житловому середовищі. Такі будинки покращують умови життя та рівень
самостійності для населення з фізичними та когнітивними обмеженнями.
Основою таких «розумних будинків» є набір сенсорних технологій, що
використовуються для спостереження за поведінкою мешканців та їхньою
взаємодією з навколишнім середовищем. Використання новітніх технологій
дозволяє інформувати родичів та доглядачів про життя людей похилого віку, що
дозволяє їм оперативно вживати заходи безпеки. Сьогодні домашню автоматизацію
розглядають не лише як продукт, а й як інструмент, що розширює можливості
людей похилого віку щодо незалежності, безпеки та комунікацій.
Надійність таких систем має вирішальне значення, оскільки збій може
призвести до серйозних наслідків. Навчання та аналіз спостережень на основі
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

даних датчиків дозволяє моделювати систему на основі зібраних даних. Таким
чином, спостерігаючи за здоров'ям мешканців та автоматизуючи будинки, ми
можемо виявляти складні ситуації і застосовувати методи для вирішення реальних
проблем.
Останнім часом сенсорні технології зазнали значного розвитку, що зробило
можливим збір даних. Датчики стали меншими, дешевшими та потужнішими. У
той же час, відбулися нові досягнення у сфері бездротових мереж, обробки даних
та машинного навчання. Завдяки цим досягненням автоматизоване моделювання
стало невід'ємною частиною численних рішень реальних проблем. Комп'ютер
повинен навчитися розрізняти різні види діяльності та здійснювати відповідні дії.
Використання даних у навчальній моделі для розпізнавання певних умов житлового
середовища допоможе зробити житло «розумним».
Ще однією причиною зростання популярності IoT систем є «зелений»
напрямок. Економія енергії стає сьогодні трендом, і можливість інтелектуального
контролю за обігрівом, освітленням та використанням обмежених ресурсів
привертає дедалі більше уваги. Є потреба жити комфортніше, швидше та з
меншими витратами енергоносіїв.
Також, зростання цінності нерухомості стимулює розвиток технологій Smart
Home. Будівельники, продавці та орендодавці конкурують на ринку, підвищуючи
якість і вартість нерухомості за рахунок її автоматизованого вдосконалення. Безпека
відіграє важливу роль у цьому процесі. Розумний будинок автоматично захищає
майно, здоров'я та приватне життя власника. Ще одна причина популярності –
мобільність. Сучасна людина може швидко отримувати інформацію та оперувати
великою кількістю даних.
Отже, перехід до автоматизації є загальносвітовою тенденцією, обумовленою
необхідністю прискорення таких процесів. У світі вже існують повністю
роботизовані приміщення, тоді як у нас такими технологіями можуть похвалитися
лише деякі домашні господарства. Поки що ці технології не є дуже доступними.
Основні негативні чинники на шляху їхнього розвитку такі:
− досить висока вартість рішень Smart Home;
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− недостатня обізнаність споживачів про характеристики та переваги
використання;
− недовіра через низьку якість забезпечення захисту даних;
− небажання змінювати спосіб життя та складність використання.

1.2 Огляд сучасних рішень автоматизації приміщень
Сьогодні світовий ринок систем Smart Home оцінюється приблизно в 15 млрд
євро. Найбільше таких систем реалізовано в Європейському Союзі – 40%, у
Північній Америці – 25%, у Японії – 20%, і близько 15% в інших країнах. В Україні
статистичні дані поки що відсутні, але за різними джерелами цей напрямок щороку
зростає на 20%.
Найпопулярніші моделі серійних "розумних будинків" на українському ринку
в 2021 році:
− Xiaomi – бюджетний пристрій китайського виробництва, який дозволяє
просто і зручно керувати різною побутовою технікою в будинку. Переваги:
автономність, можливість масштабування, власна камера, бездротовий
протокол ZigBee, управління за допомогою смартфона, компактність,
низька вартість. Недоліки: маленька зона дії (до 10 м), обмежений набір
сенсорів і виконавчих пристроїв у базовій версії, відсутність резервного
живлення.
− Orvibo – недороге обладнання для забезпечення будинку. Легко
встановлюється і підключається, працює через додаток на смартфоні,
масштабується до 100 датчиків, має відеокамеру, використовує протокол
ZigBee, доступна вартість. Недоліки: дія сигналу до 30 м, відсутність
резервного живлення, прості датчики та не дуже якісна камера, яка не
підходить для зовнішнього використання.
− Fibaro – професійна система польського виробництва, однак важко
встановлюється. Відрізняється широким функціоналом, великою
кількістю датчиків і сценаріїв, використовує протокол Z-Wave, має
датчики протікання з сиреною, розумні розетки, голосове англомовне
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

управління через сервіс Google. Недоліки: висока вартість, потребує
професійного монтажу, підключення через LAN-кабель, дія сигналу до
50 м, програма встановлюється на комп'ютер, обмежений мобільний
додаток.
− BroadLink – займає другу позицію в рейтингу з п’яти найкращих систем,
забезпечує раціональне управління побутовою технікою, охороною,
освітленням, енергозбереженням та іншими системами в будинку.
Переваги: швидке встановлення, великий асортимент датчиків,
автономність, бездротова взаємодія, власна камера, Wi-Fi, помірна
вартість. Недоліки: відсутність резервного живлення, дія сигналу до 50 м.
Однозначним лідером у нашому дослідженні готових рішень IoT є вітчизняна
система Ajax, основною перевагою якої є український інтерфейс.
Ця система забезпечує безпеку життя, контролюючи пожежну, газову,
електричну загрози та загрозу злому. Ajax гарантує комфорт і зручність в управлінні
життєзабезпеченням приміщення. Обладнання Ajax працює на системі радіозв'язку
Jeweller, яка є їхньою власною розробкою, надійно зашифрованою та захищеною.
Крім того, система має резервне джерело живлення.
Серед переваг системи – естетичний дизайн пристроїв та простий монтаж,
бездротові канали зв'язку між елементами системи, дія сигналу до 2000 м,
акумулятор на 16 годин для резервного живлення, Wi-Fi та GSM-зв'язок,
можливість сповіщення через дзвінки, SMS, Push-повідомлення, управління за
допомогою смартфона (iOS, Android), підключення до 100 пристроїв, невисока
вартість.
Недоліки: відсутність автономності датчиків і пристроїв, відсутність
вбудованої камери, управління лише через телефон (немає можливості управління
через ПК).
Обладнання Ajax – найкраща система на українському ринку. Зручна,
багатофункціональна, надійна, з широким функціоналом за розумну ціну. Система
має якісний захист та легко встановлюється навіть непрофесіоналами.
Схема застосунку Ajax для контролю приміщення представлена на рис. 1.1.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.1 – Схема Ajax застосунку для контролю приміщенням

Інтерфейс системи управління наведено на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Інтерфейс системи управління приміщенням

Переваги сучасних IoT датчиків:
− Датчики миттєво виявляють загрозу при відкритті дверей або розбитті
вікон. Датчики руху MotionCam додатково дозволяють бачити причину
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

тривоги на фото. Вони використовують бездротовий зв’язок і працюють
до 7 років від батареї, не реагуючи на тварин.
− Вуличні датчики здатні розпізнавати спроби проникнення. Якщо хтось
намагатиметься перелізти через паркан або зазирнути у вікна, система
негайно підніме тривогу. Вони також використовують бездротовий
зв’язок, не реагують на тварин і погойдування дерев, та повідомляють про
спробу саботажу.
− Пожежні датчики Ajax поєднують у собі датчик диму та тепловий датчик,
що дозволяє виявляти пожежу навіть без диму. Вбудований сенсор тепла
спрацьовує при досягненні температури +60°С або при підвищенні
температури на 30°С за 30 хвилин. Вони контролюють свою справність і
завчасно сповіщають про необхідність заміни батарейок та очищення
димової камери від пилу. Сповіщення надходять у додаток Ajax або у
вигляді SMS. Заміна батарейок і очищення камери не потребує
спеціальних навичок і займає лише кілька хвилин.
− Датчики LeaksProtect запобігають затопленню, виявляючи прорив труби
або протікання пральної чи посудомийної машини. Вони використовують
бездротовий зв’язок і не потребують монтажу.
IoT включає чотири рівні:
− Body Area Network (BAN) – рівень ідентифікації окремих речей, таких як
розумний годинник або смарт-шолом.
− Local Area Network (LAN) – споживчий рівень, що охоплює мережу
персональних об'єктів, таких як «розумний будинок».
− Very Wide Area Network (VWAN) – глобальний рівень, який охоплює
інформацію про державні послуги, доступні через інтернет.
− Wide Area Network (WAN)** – урбаністичний рівень, який стосується
мешканців окремого міста, наприклад, транспортні системи.
Таким чином, «розумний будинок» належить до другого рівня – LAN. Такі
системи призначені для домашньої автоматизації низки завдань без участі людини,
а також для надання інформації користувачеві про стан системи та навколишнього
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

середовища, наприклад, про температуру та вологість повітря. Зрозуміло, коли
немає чіткого визначення технології, можна очікувати будь-що. Однак є кілька
трендів, які явно будуть нерозривно пов'язані з розумним будинком у найближчому
майбутньому. Сучасний світ, активний розвиток науки і техніки, та зростання
використання електронних пристроїв покращують життя людей.
Поступово всі функції, які виконувала людина, перейдуть до машин. Адже
роботи виконуватимуть роботу краще, швидше та якісніше. Розумні машини
стануть більш доступними, і скоро ми будемо жити в повністю автоматизованому
світі, де роботи увійдуть у кожну оселю. Новітні технології пропонують
захоплюючі перспективи, тому ремонт може перетворитися на створення
інноваційного проекту – будинку або квартири, керованих штучним інтелектом. Це
надає багато переваг: впровадження передових технологій, новий рівень комфорту,
звільнення від побутової рутини, можливість отримати новий сервіс на межі
фантастики. Вчені прогнозують, що штучний інтелект досягне рівня розвитку
людського до 2029 року.
Проект Smart Home сьогодні охоплює широкий спектр компонентів, що
залежать від побажань замовника та можливостей проекту. Ці автоматичні системи
постійно вдосконалюються, і вчорашні інновації та мрії сьогодні стають доступною
реальністю. Між закордонним і вітчизняним підходами до Smart Home існує
помітна різниця: якщо в Європі основною причиною встановлення є екологічність
та зниження енерговитрат, то у нас це імідж і максимальний комфорт. Різні
виробники інтелектуальних пристроїв, такі як Apple, Google і Amazon,
використовували різні стандарти підключення, тому споживачі були обмежені
покупкою лише тих побутових пристроїв, які були сумісні з їхнім голосовим
помічником. У 2019 році Amazon, Apple і Google разом із групою компаній Zigbee
Alliance оголосили про спільну ініціативу під назвою Connected Home over IP. Вона
спрямована на розробку загального мережевого стандарту для пристроїв розумного
будинку. Це забезпечить покупцям більший вибір, підвищить сумісність
обладнання між собою та з мобільними додатками, хмарними сервісами і
голосовими помічниками Siri, Alexa і Google Assistant.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для оцінки перспектив розвитку розглянемо динаміку світового ринку
розумних будинків з 2017 по 2021 рік.
У 2017 році аналітична компанія Strategy Analytics опублікувала дослідження
Global Smart Home Market Forecast, що присвячене ринку розумних будинків. За
цим дослідженням, світові витрати на відповідне обладнання, системи і сервіси в
2017 році досягли $ 84 млрд, що зросло на 16% порівняно з 2016 роком, коли
продажі становили $ 72 млрд. У Північній Америці поширенню розумного будинку
сприяли нові продукти від великих технологічних компаній, таких як Amazon,
Google, ADT і Samsung. На європейському ринку це компанії Centrica Connected
Homes (система Hive), Deutsche Telekom (Magenta Home), eQ-3 і Enco (Toon). У
регіоні Азіатсько-Тихоокеанського регіону ринок підтримували Xiaomi, LG,
iTSCOM і Panasonic. Концем 2017 року кількість домогосподарств, які
використовували рішення розумного будинку, по всьому світу склала 164 млн проти
136 млн роком раніше.

Рисунок 1.3 – Динаміка зростання світового ринку Smart Home за даними Strategy
Analytics [11]
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

У 2018 році обсяг ринку пристроїв для розумного будинку збільшився на
23,1% порівняно з 2017 роком. Це включало телевізори з підтримкою Smart TV,
мультимедійні приставки, системи домашнього спостереження та забезпечення
безпеки, смарт-помічники та інтелектуальні системи освітлення.
У 2019 році витрати користувачів на установку та обладнання для розумного
будинку досягли $ 103 млрд. Прогнозується, що до 2023 року обсяг ринку зросте до
$ 157 млрд. За даними аналітиків Strategy Analytics, за підсумками 2018 року
системами розумного будинку користувалося понад 200 млн домогосподарств.
Прогнозується, що до 2023 року кількість таких домогосподарств зросте до 300
млн.
У 2020 році обсяг світового ринку пристроїв для розумного будинку становив
801,5 млн штук, що зросло на 4,5%, згідно з даними дослідницької компанії IDC.
Аналітик IDC, Адам Райт, відзначає, що навіть за умов пандемії COVID-19 попит
на пристрої розумного будинку залишався стійким протягом 2020 року. Хоча ринок
зіткнувся з певними труднощами через збільшення рівня безробіття, нерівномірне
відновлення економіки та заходи ізоляції в різних частинах світу, проте у всіх
категоріях пристроїв розумного будинку було зафіксовано зростання порівняно з
2019 роком.

Рисунок 1.4 – Обсяги поставок пристроїв для розумного будинку, дані Strategy
Analytics [6]
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Під час пандемії, коли були обмеження у витратах на подорожі та розваги,
люди спрямовували свої кошти на покупку пристроїв для підвищення комфорту у
своїх будинках. Видеорозваги у 2020 році склали найбільший обсяг обладнання для
розумного будинку - 296,3 млн (37%), техніка для безпеки (розумні камери, замки,
охоронно-пожежна сигналізація, системи захисту від протікання) склали 164,2 млн
(20,5%), розумні помічники: 130,7 млн штук (16,3%).
IDC передбачає, що ринок обладнання для розумного будинку продовжить
зростати. До 2025 року поставки пристроїв для розумного будинку мають в
середньому зростати на 12,2% щорічно і до кінця цього періоду очікується
перевищення позначки в 1,4 млрд штук.
Цьому зростанню сприяє бажання споживачів отримати додатковий комфорт
та автоматизацію, яку забезпечує розумна побутова техніка. Детальніше про обсяги
поставок пристроїв для розумного будинку за категоріями можна побачити на
рисунку 1.4.

1.3 Визначення вхідних даних для створення Smart Home
Згідно проведеного аналізу систем домашньої автоматизації та наявних на
ринку систем Smart Home, розроблена система повинна відповідати наступним
вимогам:
1. Взаємодія з системою має бути можлива на двох рівнях:
− Безпосередня фізична взаємодія з пристроями, така як увімкнення світла
за допомогою фізичного контакту, що є найбільш звичним та надійним
методом.
− Використання графічного інтерфейсу користувача через мобільні
телефони, які стали необхідним елементом нашого повсякденного життя.
Візуалізація та віддалений контроль через смартфони дуже популярні.
2. Автоматизований режим роботи заздалегідь запланованих алгоритмів
керування пристроями реалізується за допомогою системи сценаріїв, які
складаються з таких основних компонентів:
− Послідовність дій, які повинні виконати додаткові пристрої.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Умови активації сценарію, такі як значення показників датчиків, час доби,
день тижня.
3. Легкий механізм інтеграції нового пристрою. На сьогоднішній день
відсутній стандарт, якому відповідають більшість виробників пристроїв
та систем домашньої автоматизації. Тому вибір конкретної системи
«розумного будинку» обмежується сумісними пристроями.
У ході даного проекту буде розроблено систему, яка відповідає
вищезазначеним вимогам. Зручна комбінація пристроїв може включати такі
елементи як освітлювальні прилади з розумними термостатами, побутові прилади,
мультимедійні системи, системи обігріву та клімат-контролю, замки та системи
сигналізації, датчики газу і диму, а також датчики шуму і витоків води, керовані
жалюзі та фіранки, а також системи контролю переміщення.
Перелік робіт зі створення макету включає наступне:
1. Налаштування зв'язку між контролером та комп'ютером.
2. Встановлення системи живлення, інформаційної шини та налагодження
зв'язку між центральним контролером та додатковими модулями.
3. Введення контролера та датчиків в експлуатацію.
4. Розширення конфігурації.
5. Встановлення системи освітлення.
6. Програмування контролера.
7. Підключення датчиків до системи управління.
8. Управління освітленням за допомогою датчиків руху та показників
освітленості.
9. Температурний контроль та обробка показників.
10. Збірка та налаштування системи відеонагляду.
11. Управління виконавчими пристроями та серводвигунами.
12. Встановлення WI-FI модулю.
13. Управління датчиками протікання та вологості.
14. Управління датчиками диму.
15. Програмування системи.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Планується створення макету з технічними характеристиками, як показано в
таблиці 1.1.

Таблиця 1.1– Технічні характеристики макету
Живлення ~ 50 Гц, 220 В
Споживана потужність, кВт, не 1
більше
Габаритні розміри макету будинку, не більше
1 ширина, мм 1000
2 висота, мм 1000
3 глибина, мм 260
Вага макету кг, не більше 20

Склад макету включає:
− Каркас макету – 1 шт.
− Контролер – 1 шт.
− З’єднувальні перемички – 40 шт.
− Датчики – 12 шт.
− Світлодіоди – 4 шт.
− Шини – 2 шт.
− Камера – 1 шт.
− WI-FI модуль – 1 шт.
− Блок живлення – 1 шт.
Додаткове обладнання, необхідне для роботи з макетом: персональний
комп'ютер (ПК), ноутбук та смартфон. Макет буде використаний для розробки
прототипу системи Smart Home для житлового приміщення.
У сучасний період проект «розумного будинку» охоплює широкий спектр
компонентів, які визначаються вимогами замовника та можливостями проекту. Ці
автоматизовані системи постійно удосконалюються, а те, що вчора було інновацією,
сьогодні стає реальністю. Між підходами до «розумного будинку» за межами країни
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

та в національному контексті існує помітна різниця. У Європі основна увага
звертається на аспекти екології та енергоефективності, тоді як у нас важливішими
є імідж та максимальний комфорт.
На основі проведеного аналізу можна зробити такі висновки:
1. Після оцінки наукових джерел встановлено, що для управління
комунікаціями житлового приміщення необхідні певні методи та
інструменти.
2. Керування комунікаціями впливає на освітлення, вологість, задимлення та
температуру.
3. Встановлення охоронних систем та засобів безпеки є одним з
інструментів для покращення ефективності використання приміщення за
допомогою Інтернету речей (ІоТ), проте це може призвести до додаткових
витрат.
Розумний будинок володіє наступними основними характеристиками:
− Автоматизація: можливість виконання автоматичних функцій або
використання автоматичних пристроїв.
− Багатофункціональність: здатність виконувати різні завдання або
досягати різних результатів.
− Адаптивність: можливість навчання, прогнозування та задоволення
потреб користувачів.
− Інтерактивність: здатність забезпечувати взаємодію між користувачами.
− Ефективність: можливість виконання завдань ефективним способом, що
дозволяє економити час та ресурси.
У розділі розглянуті існуючі системи «розумних» будинків та перспективи
розвитку ринку Інтернету речей. Системи «розумних» будинків є комплексом
технологій та пристроїв, інтегрованих для автоматизації, контролю та управління
різними аспектами домашнього середовища, що забезпечує підвищену безпеку,
енергоефективність та зручність для користувачів. На ринку присутні різноманітні
системи «розумних» будинків, такі як Google Nest, Amazon Alexa, Apple HomeKit та
Samsung SmartThings, які відрізняються функціональністю, ціною та простотою
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

установки. Ринок IoT активно розвивається завдяки зростанню числа підключених
пристроїв, збільшенню швидкості передачі даних та зниженню вартості
компонентів.
Основні напрямки розвитку включають підвищення безпеки IoT пристроїв,
інтеграцію з штучним інтелектом для автоматичного аналізу даних та прийняття
рішень, а також розробку більш енергоефективних пристроїв для зменшення витрат
на електроенергію та підвищення автономності систем. Серед вітчизняних систем
«розумних» будинків виділяється Ajax, яка здобула визнання завдяки своєму
українському інтерфейсу та широкому спектру функціональності. Ajax забезпечує
високий рівень безпеки та комфорту, контролюючи різні ризики, включаючи
пожежні, газові та електричні загрози, та дозволяє користувачам дистанційно
управляти різними аспектами свого життєвого простору за допомогою мобільного
додатку. Ajax також може інтегруватися з іншими розумними пристроями,
створюючи єдину систему управління домом. Таким чином, системи «розумних»
будинків та ринок Інтернету речей мають значний потенціал для розвитку, надаючи
користувачам все більше можливостей для підвищення безпеки та комфорту у
своєму житті.

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЕКТУ ІоТ-РІШЕННЯ ТА МЕТОДІВ ОБРОБКИ
ДАНИХ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРИМІЩЕННЯ

2.1 Планування функцій Smart Home
Проекти «розумних» будинків зараз активно розробляються та реалізуються.
Вони зазвичай спрямовані на підвищену економію енергії та максимальну
автоматизацію побутових процесів. Кожен такий проект має свою вартість, умови
застосування і функції, і зазвичай є досить дорогим. Однак є альтернативний
варіант – зібрати «розумний» будинок самостійно.
«Розумний» будинок – це система контролерів з підключеними датчиками, які
зчитують інформацію і на її основі виконують певні команди. Наприклад, контролер
освітленості при зниженні освітлення нижче заданого рівня може увімкнути
додаткове освітлення або відкрити штори. Такі контролери з датчиками
встановлюються по всьому будинку, забезпечуючи додатковий комфорт і зручність.
Щоб створити «розумний» будинок, спочатку потрібно розробити дизайн-
проект, враховуючи, які функції слід реалізувати і які процеси контролювати. Далі
необхідно написати програму для керування всіма пристроями та створити
інтерфейс для доступу до отриманої інформації. Контролери слід запрограмувати,
підключити зовнішні джерела інформації та налаштувати для виконання потрібних
завдань.
Цей проект базується на використанні пристроїв компанії Arduino та їхніх
дешевих аналогів. Arduino є програмованим середовищем, яке є зручним і цікавим
інструментом для створення власних розробок. Популярність платформи Arduino
забезпечується її простотою у програмуванні та можливістю перенесення програм
через USB.
Для того, щоб комп'ютер міг «відчувати» процеси у приміщенні, потрібно
підключити датчики, які за допомогою бездротових шляхів передаватимуть
інформацію про навколишнє середовище, на основі якої комп'ютер зможе приймати
самостійні рішення щодо управління контролюючими пристроями. Продукція
Arduino універсальна і може взаємодіяти з багатьма системами як на
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

персональному комп'ютері, так і на мобільних пристроях. Всі роз'єми у плат
Arduino стандартизовані, що полегшує пошук сумісних деталей.
Універсальність Arduino економить гроші та час. При розробці немає потреби
купувати дорогі комплектуючі, оскільки на ринку є доступніші аналоги.
Програмування також спрощується завдяки наявності бібліотек, де можна знайти
функціонал на будь-який смак.
На етапі проектування спочатку потрібно визначити, якими функціями має
бути наділений Smart Home. Розглянемо основні функції розумного будинку. Отже,
стандартний розумний будинок має вміти:
− Управляти дверима та входом/виходом. Це включає охоронні системи
(ультразвукові та інфрачервоні датчики, що фіксують присутність людей,
коли їх там не повинно бути), автоблокувальники дверей, електронні
замки тощо.
− Організовувати світлові сценарії. Наприклад, автоматично вимикати
світло, коли вдома нікого немає або коли всі сплять і ніхто не рухається.
− Контролювати температуру в будинку. Наприклад, при зміні температури,
яку фіксує датчик, система автоматично вмикає або вимикає відповідні
прилади. Можна створити такий сценарій, щоб після засинання
температура поступово знижувалася, а після пробудження підвищувалася.
− Моніторити зовнішнє середовище. Це включає визначення температури
зовні, індикацію опадів, звукові сигнали або виведення інформації на
екран. У разі погіршення погоди система може змінювати налаштування
будильника, пробуджуючи користувача раніше.
− Повідомляти про витоки, задимлення або відкритий вогонь. Таку систему
можна налаштувати для автоматичного сповіщення не лише користувача
через мобільний додаток, а й пожежну службу чи службу газу.
− Інші системи. Це можуть бути системи управління технікою, пристрої для
догляду за домашніми тваринами та рослинами, голосові помічники тощо.
У сучасну епоху смартфонів найбільш популярні ідеї управління будинком
через мобільні телефони. Найчастіше такі системи створюються на базі операційної
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

системи Android. Таким чином, можна, наприклад, годувати тварин за допомогою
Twitter або SMS, або вмикати обігрів приміщення перед приходом додому, просто
здійснивши дзвінок.
Arduino дозволяє реалізувати проекти будь-якої складності. Широкі
можливості та гнучкість системи, що вміє взаємодіяти з різними програмними
продуктами, роблять її чудовим інструментом для втілення задумів. Важливими
факторами є також ціна та зручність. Фірми, що професійно займаються
установкою таких систем, значно підвищують вартість як комплектуючих, так і
самих пристроїв та їх встановлення, а також створюють залежність від їхнього
обслуговування.
Звичайно, завжди можна замовити такі системи, але в цьому випадку ви
втратите можливість налаштувати їх під свої потреби, а також ремонтувати в разі
поломки. Плата Arduino та комплектуючі до неї, а також необхідні додаткові деталі
обійдуться набагато дешевше. При потребі ви зможете самостійно усунути
несправності, замінити зламані деталі та налаштувати систему за власним
бажанням. Це сприяє "діджиталізації" суспільства. Як сказав Марк Цукерберг: "Я
думаю, що в майбутньому всі, а не тільки програмісти, будуть пов'язані з
елементами програмування." Тому починати вчитися робити поліпшення для себе
варто вже зараз.
Тепер спроектуємо функції макету «розумного» будинку в нашому випадку:
− Світло. Датчик освітлення контролює рівень освітленості. При зниженні
освітленості до певного рівня серводвигуни відкривають штори, а вночі
закривають їх і вмикають лампочки.
− Температура та вологість. Датчик температури та вологості передає
інформацію про температурні показники та протікання води у душі. При
виявленні протікання система інформує користувача через додаток.
− Безпека. Датчик руху та камера на вході до будинку контролюють безпеку.
Зображення з камери відображається в додатку, дозволяючи користувачеві
бачити, що відбувається за дверима. При виявленні руху датчик робить
фотографію і зберігає знімок.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Пожежна безпека. Датчик диму та газу на кухні контролює пожежну
безпеку і подає сигнал про небезпеку у відповідні служби.
− Інтернет-з’єднання. За допомогою WI-FI модуля esp8266 можливе
підключення до інтернету.
− Дистанційне керування. Можна дистанційно керувати будинком з будь-
якого пристрою, підключеного до домашньої мережі (ПК, смартфон,
планшет).
Алгоритм роботи моделі моніторингу приміщення на основі IoT даних
дозволяє контролювати параметри, що виходять за межі встановленого режиму, та
регулює температуру і вологість у приміщенні. Першим етапом є збір даних з
різноманітних датчиків, розміщених у приміщенні. До таких датчиків належать
датчики температури, які вимірюють поточну температуру в різних точках
приміщення, датчики вологості, які вимірюють рівень вологості в повітрі, а також
додаткові датчики (опціонально), які можуть включати датчики освітленості, CO2,
руху та інші параметри, що можуть впливати на мікроклімат приміщення.
Цей процес збору даних, аналізу, регулювання і зворотного зв'язку
відбувається постійно і циклічно, забезпечуючи безперервний моніторинг та
підтримку комфортних умов у приміщенні. Такий підхід дозволяє швидко
реагувати на будь-які зміни в умовах навколишнього середовища, забезпечуючи
високий рівень комфорту і енергоефективності.Ця модель спрямована на захист
матеріальних цінностей і створення комфортних умов для людей, виконуючи такі
функції:
− подача сигналів тривоги;
− створення мікроклімату;
− сповіщення про наявність і місце аварійних ситуацій;
− закриття кранів подачі гарячої та холодної води;
− автоматичний контроль стану елементів системи та її складових частин;
− сповіщення про аварійну ситуацію телефонним дзвінком та SMS власнику
або охороні.

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2.2 Структура ІоТ рішення Smart Home
Відповідно до функцій, які може виконувати система, визначено загальну
структуру системи. У макеті використано такі датчики:
− Модуль цифрового датчика вологості та температури.
− Цифровий датчик освітленості.
− Датчик торкання TTP223B.
− Датчик диму.
− Міні серводвигун SG90.
− Датчик руху.
− Модуль реального часу.
Також у роботі використано:
− Плата WeMos D1 R1 з вбудованим Wi-Fi esp 8266.
− З'єднувальні дроти.
− Допоміжна макетна плата.
− Плата з камерою ESP32-CAM.
− Wi-Fi роутер.
− Портативний зарядний пристрій для живлення системи.

Рисунок 2.1 – Планування функцій та дизайну розумного будинку
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На рис. 2.1 показано планування функцій та макет «розумного» будинку.
Тепер перейдемо від макету до плану оснащення приміщення. Зроблено план
розташування датчиків по кімнатам на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Схема розташування давачів в приміщенні
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Структурна схема представлена на рис. 2.3. КЕ – ключовий елемент; ПУІ –
пульт управління та індикації(сенсорна клавіатура/мобільний застосунок).

Рисунок 2.3 – Структурна схема управління приміщенням

Цей проект базується на пристроях компанії Arduino та їхніх дешевих
аналогах. Система Smart Home являє собою сукупність приладів, об'єднаних у
єдину систему управління будинком. Існують такі види систем:
1. Система мікроклімату (опалення, вентиляція, кондиціювання,
зволоження).
2. Система безпеки (охоронна, пожежна, система доступу, контроль витоків
газу, відеоспостереження).
3. Система електроживлення (резервні системи, контроль навантаження
електромережі, система освітлення).
4. Система зв'язку (телефон, локальна мережа, SMS-повідомлення).
5. Система віддаленого керування.
Основні функції розумного будинку:
1. Управління дверима, входом/виходом.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2. Організація світлових сценаріїв.
3. Контроль температури всередині будинку.
4. Моніторинг зовнішнього середовища.
5. Оповіщення про різні витоки, визначення задимлення та відкритого
вогню в приміщенні.
6. Камери спостереження.
У макеті використано такі датчики:
− Модуль цифрового датчика вологості та температури.
− Цифровий датчик освітленості.
− Датчик торкання TTP223B.
− Датчик диму.
− Міні серводвигун SG90.
− Датчик руху.
− Модуль реального часу.
Також у роботі використано:
− Плата WeMos D1 R1 з вбудованим Wi-Fi esp 8266.
− З'єднувальні дроти.
− Допоміжна макетна плата.
− Плата з камерою ESP32-CAM.
− Wi-Fi роутер.
Спроектована система розумного будинку функціонує та відповідає всім
вимогам технічного завдання. Датчики надсилають дані на мікроконтролер у
реальному часі. Встановлено мережеве з'єднання, що дає можливість переглядати
дані датчиків і керувати системою. Цей проект може бути розширений для різних
сфер застосування, а також може включати додаткові модулі та датчики.

2.3 Рівнева архітектура інтернету речей
На рисунку 2.4 зображено структуру рішень Інтернету речей (IoT) [9].
Фізичний рівень – це рівень фізичної реалізації.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На цьому рівні виконуються дві основні операції: збір інформації та
виконання механічних робіт. Фізичні елементи повинні відповідати певним
загальним вимогам [9]:
– доступність за низьку ціну;
– живлення від батарейки;
– розташування в важкодоступних і віддалених місцях з мінімальними
витратами на установку і обслуговування;
– здатність до первинної обробки зображень і прийняття рішень на основі
штучного інтелекту.

Рисунок 2.4 – Рівнева архітектура IoT рішень

Існує дві ключові проблеми для вимог фізичного рівня [9]:
– ефективне споживання енергії;
– використання відеокамер.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рівень периферійного обчислення – це рівень, що забезпечує локальне
оброблення даних.
Цей рівень зазвичай підключений до одного датчика або виконавчого
механізму. Він забезпечує базовий функціонал для перетворення аналогової
інформації в цифрову та навпаки. Багато виробників цих пристроїв не мають
єдиного стандарту для моделі даних, конфігурації та експлуатації [9].
З метою зменшення енергоспоживання периферійні пристрої функціонують
у чотирьох режимах:
– сон;
– вимірювання та збір інформації з датчиків;
– зв'язок, передача та отримання інформації;
– установка та підключення.
Нижче подана блок-схема периферійного пристрою.
Периферійний пристрій інтегрує три рівні: фізичний, рівень периферійного
обчислення та комунікаційний. Основне призначення рівня периферійного
обчислення – це локальний процес ETL (видобуток, трансформація та
завантаження) – отримання, перетворення та зберігання інформації від датчиків.
Цей рівень відповідає за фільтрацію перешкод, попередній аналіз та локальне
зберігання [9]. Рівень периферійної комунікації – це етап передачі даних, який є
найбільш енергоефективним для периферійних пристроїв, оскільки вони часто не
підключені до електромережі та провідних засобів зв'язку. Крім того, ці пристрої
можуть бути розташовані на значній відстані від шлюзу. Незважаючи на це, обсяг
передаваної інформації зазвичай невеликий. На рівні периферійної комунікації
використовуються наступні протоколи [9]:
– ZigBee/Z-wave;
– BLE;
– Lora;
– Пропрієтарний протокол низької частоти.
Для забезпечення більшої відстані і надійності зв'язку на цьому рівні широко
застосовуються технології Ad Hoc і Mesh. Протокол NFC також може
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

використовуватися для конфігурації, наприклад, під час першої установки або
технічного обслуговування, коли сервісний інженер з мобільним додатком
підключається до периферійних пристроїв через рівень периферійної комунікації.
У деяких випадках також використовується QR-код, розміщений на периферійному
пристрої, для аутентифікації [9].
Рівень шлюзу – це етап в IoT-рішенні, який визначений кількома причинами:
− - неподання обробленої інформації Backend може призвести до великих
витрат потужності;
− робота Backend не може гарантувати реакцію в реальному часі для значної
кількості периферійних пристроїв;
− з міркувань безпеки деяка інформація, наприклад, дані
відеоспостереження або медична інформація, не може постійно
відправлятися в Backend і контролюватися центрально.
Шлюз виконує основні завдання:
– виконує другий етап ETL для своїх периферійних пристроїв;
– реагує на критичні ситуації і забезпечує локальну реакцію, навіть без
зв'язку з Backend - це можна порівняти з автономними функціями серця
або легень;
– спілкується з Backend, відправляє оброблену інформацію від
периферійних пристроїв та отримує конфігураційні дані для
периферійних пристроїв;
– зберігає інформацію про статус периферійних пристроїв і зібрані ними
дані.
У деяких випадках на рівні шлюзу може бути використана функціональність
штучного інтелекту / машинного навчання. Шлюз живиться від електромережі або
має велику вбудовану батарею, іноді вимагається також низьке енергоспоживання
[9].
У найближчому майбутньому можна очікувати подальшу інтеграцію всіх
трьох компонент: шлюз + STB + системи безпеки в один пристрій. Також ймовірно,
що він буде обладнаний службами NAS (локального зберігання файлів) та
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

функціональністю AI/ML для машинного відео/аудіо розпізнавання. Важливо
зазначити, що пристрої для розпізнавання мови, такі як Alexa, зазвичай базуються
на хмарній інфраструктурі, але ймовірно, що первинне розпізнавання буде
виконуватися на рівні периферійного пристрою [9].
Рівень зовнішнього зв'язку – це логічний етап зовнішнього зв'язку для
стандартізації протоколу в рішеннях IoT, відомий як LvM2M. Цей протокол
розроблений для доступу до кожного периферійного пристрою. Однак, оскільки
багато постачальників периферійних пристроїв не підтримують інтерфейси
LvM2M, шлюзовий пристрій вирішує цю проблему, створюючи обгортку для
взаємодії з периферійними пристроями [9]. Рівень зовнішнього зв'язку включає
комунікаційні послуги, такі як балансування навантаження для визначення
місцезнаходження, базоване на DNS сервісі, транспортний протокол COAP,
шифрування DTLS і інші компоненти [9].
Протокол LvM2M використовує шифрування DTLS, яке забезпечує безпеку
ключів і встановлює з'єднання за допомогою протоколу handshake. Цей протокол
працює в режимі точка-точка.
Для розшифрування пакетів DTLS використовується той самий екземпляр
Backend, який був використаний під час сесії з'єднання. Це може становити
проблему для балансувальника навантаження (Load Balancer), який є частиною
рівня безпеки. Load Balancer необхідний для автоматичного масштабування при
високому завантаженні системи. Для уникнення цього обмеження
використовується служба DNS в якості Load Balancer. Кожен DNS-запит отримує
новий IP-адрес для екземпляра рівня безпеки [9; 16].
Рівень аналітики Big Data and Analytic – це залежність від конкретного
застосування IoT. Він отримує ситуативну інформацію від усіх периферійних
пристроїв. Цей рівень менше стандартизований, оскільки він суттєво відрізняється
від одного додатка до іншого через різноманітні завдання рішень.
Також на цьому рівні широко використовуються алгоритми штучного
інтелекту та машинного навчання. Окремою категорією є передбачення майбутніх
подій, таких як запаси на складі, споживання ресурсів у майбутньому, погода [9].
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рівень повідомлень Notification – це етап, на якому може існувати кілька
компонентів, але всі вони використовують алгоритм повідомлення за передплатою.
Клієнтська програма підписується на необхідні події, і коли вони відбуваються,
отримує інформаційний сигнал у вигляді повідомлення. Зазвичай це включає в себе
електронну пошту і мобільні додатки, а також телефонні дзвінки для екстреного
оповіщення. Мобільні додатки переходять в сплячий режим для збереження енергії,
але операційні системи iOS і Android мають механізми повідомлень для позначення
прибуття нових даних [9].
Рівень представлення Presentation – це етап, на якому додаток IoT може мати
два потоки: M2M та M2P. Рівень представлення, що пов'язаний з потоком M2M,
включає в себе обробку інформації Backend та надання її клієнтам або інженерам
служби підтримки. Він також відповідає за обслуговування, конфігурацію і зміни
стану системи, включаючи периферійні пристрої та шлюзи. Рівень представлення
включає команди для управління виконавчими механізмами периферійних
пристроїв [9].
Рівень конфігурації Configuration – це етап, який стосується обох потоків -
M2M і M2P, і працює як сховище для трьох типів статусів периферійних пристроїв:
актуальний, новий та проміжний статус. Периферійні пристрої і шлюзи мають
короткий час підключення до Backend, і будь-які зміни статусу від клієнта або
системи зберігаються на цьому рівні, а протягом часу зв'язку вони відправляються
на шлюз або периферійний пристрій [9].
Узагальнюючи, можна визначити деякі тенденції розвитку в IoT-рішеннях:
– датчики поділяються на дві групи: прості та дешеві з низьким
споживанням енергії та великою дальністю передачі інформації, та ті, які
інтегровані з відеокамерою та володіють механізмами розпізнавання
образів.
– процеси ETL відбуваються на кількох рівнях: на периферійних пристроях,
у шлюзах та на рівні Backend. Немає єдиного підходу до обробки на
кожному рівні, але загальна ідея – обробка має відбуватися на
найнижчому рівні, де це можливо.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

– бездротовий інтернет виступає основним засобом передачі інформації,
хоча протоколи можуть різнитися на різних рівнях. Логічний рівень
зв'язку використовує протокол LvM2M.
– більшість Backend-систем використовують хмарні технології, і AWS є
популярним вибором.
– мобільні додатки використовуються для відображення фактичної
інформації, тоді як WEB-додатки представляють аналітичну інформацію.
Системи «розумного» будинку постійно розвиваються, привносячи з собою
дві важливі тенденції. З одного боку, інтелектуалізація їхніх функцій набуває все
більшого значення, а з іншого – спостерігається збільшення їхньої розмірності,
включаючи кількість компонентів, таких як датчики, актуатори, мікроконтролери і
т. д. Розробка та аналіз таких систем стають неможливими без використання
сучасних технологій проектування. Вимоги до систем "розумного" будинку
неперервно зростають, при цьому розробники цих систем мають справлятися зі
зростаючою кількістю станів системи в різні моменти її роботи.
Ці стани включають в себе дані, отримані від вбудованих датчиків у будинку,
а також збережені історичні дані цих датчиків і інформацію, що генерується
системою під час її роботи, наприклад, команди зміни режимів роботи побутових
приладів у будинку.
Написання логіки управління станами системи, яка часто піддається змінам,
є складною частиною процесу розробки систем "розумного" будинку, вимагаючи
значних зусиль і фінансових ресурсів. Наприклад, якщо значення стану датчика
вимагає зміни режиму роботи побутового приладу, це може призвести до зміни
значення стану іншого датчика, що, в свою чергу, може вимагати зміни режиму
іншого побутового приладу в будинку.
Стан системи формується на основі записів параметрів усіх підключених до
системи датчиків, внутрішніх змінних логіки роботи та значень налаштувань
приладів, якими система управляє. На певному етапі розробки програмного
забезпечення для систем «розумного» будинку виникає ситуація, коли
проектувальники втрачають здатність відслідковувати внутрішню логіку роботи
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

системи та втрачають контроль над тим, коли, чому і як оновлюються стани
системи. Це непрозоре функціонування системи створює великі ризики щодо її
надійності, швидкості виявлення та виправлення помилок в логіці та можливості
додавання нових функцій. Складність виникає через змішування двох різних
концепцій: змін і асинхронності.
Термін «зміни» означає потік показників даних датчиків, які генеруються в
режимі реального часу і впливають на зміни налаштувань побутових приладів у
будинку. Асинхронність полягає в неперіодичному виникненні подій, наприклад,
рух людини або зміна температури в кімнаті, що не залежать від часових інтервалів
і не мають чіткого графіка.

Рисунок 2.5 – Алгоритм вибору архітектурного рішення в процесі синтезу
системи
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для вирішення цих проблем пропонується використовувати архітектурний
шаблон Redux, адаптований до потреб розробки систем «розумного» будинку. У
літературі проблеми швидкодії систем, які опрацьовують велику кількість
одночасних подій, обговорюються з використанням різних архітектурних підходів,
таких як монолітні, мікросервісні, багаторівневі та Flux архітектури. Кожен підхід
має свої переваги та недоліки залежно від характеру інформаційної системи.
Системи «розумного» будинку, з їх великою кількістю одночасних подій, можуть
скористатися різними архітектурними рішеннями, такими як монолітні,
мікросервісні, багаторівневі та Flux архітектури (рисунок 2.5). Специфіка
використання обраного підходу буде оцінена на основі тестових даних, що
дозволить вибрати оптимальне рішення для системи "розумного" будинку.
Найшвидші показники ефективності системи були отримані при
впровадженні архітектурного шаблону Redux, який входить до системи Flux. З
іншого боку, система працювала найповільніше, коли використовувалася монолітна
архітектура.
Redux – це архітектурний шаблон управління станом даних, розроблений для
веб-додатків. Він ідеально підходить для систем, де управління станом може стати
складним і заплутаним з часом. Цей шаблон не обмежений конкретним
фреймворком і спочатку був створений для бібліотеки React для розробки
візуальних інтерфейсів.
Redux пропонує зберігати загальний стан параметрів системи в
централізованому "сховищі". Компоненти системи, такі як сенсори та побутові
прилади, "відправляють" зміни стану в це сховище, а не безпосередньо до інших
компонентів. Це рішення допомагає уникнути плутанини в джерелах відправлення
даних та забезпечити правильність потоків даних у системі, особливо при
розширенні функціоналу системи. Кожен компонент, який має бути в курсі цих
змін, «підписується» на сховище.
Такий підхід, за допомогою архітектурного шаблону Redux, робить потік
даних зрозумілим для подальшого опрацювання відповідно до реалізованої логіки
програмного забезпечення системи «розумного» будинку. Основні концепції Redux
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

включають події, сховище та редюсери. Події є структурами даних, які передають
дані в сховище і представляють інформацію про виникнення ситуацій, таких як
спрацювання датчика чи команди користувача.
Сховище є об'єктом, який засібдає стан системи, надаючи доступ до цього
стану. Воно може оновлювати стан системи і дозволяє реєструватися в якості
«слухача» для отримання оновлень стану системи після змін. Redux використовує
лише одне сховище для всього стану параметрів системи, назване «сховищем». Це
сховище виступає єдиною точкою правди, оскільки в ньому знаходиться весь стан.
Структура даних сховища повністю залежить від розробників системи
«розумного» будинку, але вона, як правило, представляє собою об'єкт з декількома
рівнями вкладеності. Сховище стану системи зберігається у базі даних системи і не
залежить від типу моделі бази даних (реляційна/нереляційна) або ступеня її
розподіленості (централізована/розподілена). Однак основною вимогою до
сховища є надання стандартизованого інтерфейсу взаємодії, що дозволяє
отримувати, оновлювати та підписуватися на частину або весь стан сховища.

Рисунок 2.6 – Схема життєвого циклу стану системи «розумного» будинку

Внутрішня структура сховища поділяється на групи, які розмежовують дані
залежно від типів та логічних груп даних. У системах «розумного» будинку дані
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

групуються за ознаками приналежності до конкретних кімнат або типу збережених
даних. Наприклад, в сховищі для трьохкімнатного будинку може бути 5 груп даних,
представляючи різні приміщення: вітальня, спальня, кабінет, кухня і санвузол.
Redux запобігає компонентам системи безпосередньо змінювати стан.
Замість цього події визначають необхідні зміни у стані системи. Редюсери є
обробниками подій, які реагують на них і здатні змінювати сховище. Редюсер
обов'язково приймає поточний стан системи і подію як вхідні параметри.
Відповідно до типу події редюсер виконує логічні операції над параметрами
поточного стану і повертає змінений стан. Редюсер, обчислюючи новий стан,
перезаписує його в сховищі, не змінюючи поточний стан системи. Це забезпечує
чітке розмежування функцій редюсера і сховища даних. Схема життєвого циклу
стану системи показана на рисунку 2.6.

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3 ПРОЕКТУВАННЯ АРХІТЕКТУРИ ІоТ-РІШЕННЯ

3.1 Архітектура проекту ІоТ-рішення
Центральний пристрій, який об'єднує компоненти системи розумного
будинку в єдину мережу, називається хабом. Мережа може бути провідною,
бездротовою або комбінованою. Хаб не лише з'єднує пристрої, а й виконує завдання
з управління компонентами системи, додає і видаляє пристрої, передає всі
повідомлення, що надходять до системи, і зберігає накопичену інформацію.
Ще однією важливою частиною системи розумного будинку є мобільний
інтерфейс для взаємодії з системою. Зазвичай це графічний інтерфейс користувача
(GUI), веб- або мобільний додаток. Основне завдання інтерфейсу – надання
користувачеві інформації про стан навколишнього середовища та самої системи, а
також можливість віддавати команди через додаток.
Мережі та протоколи. Для підключення пристроїв до системи розумного
будинку можуть використовуватися провідні або бездротові мережі. Провідні
мережі забезпечують надійний і стабільний канал зв'язку завдяки безпосередньому
з'єднанню пристроїв кабелем. Ця реалізація має низькі вимоги до продуктивності
пристроїв, але потребує прокладки каналів зв'язку і обмежується кількістю портів
у центральному пристрої. Бездротові мережі працюють на основі радіохвиль і не
вимагають безпосереднього з'єднання між пристроями, що зручно для
встановлення в готових приміщеннях. Однак бездротовий зв'язок менш стабільний
через велику кількість пристроїв. Кожна мережа використовує свої протоколи
передачі. Для бездротових пристроїв важливі вимоги до частоти радіоканалу, на
якому працює пристрій. До провідних протоколів належать: UART, I2C, 1-Wire, до
бездротових: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, RFID.
Автоматизація будь-якої системи розумного будинку базується на
використанні кінцевих пристроїв, які виконують команди. Кінцеві пристрої
поділяються на два основні класи:
Пристрої для збору та зберігання даних:
− Датчики температури та вологості.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Датчики витоку води.
− Датчики вуглекислого газу.
− Датчики задимлення.
− Датчики відкриття/закриття дверей/вікон.
− Датчики присутності та руху.
Ці датчики широко використовуються в системах розумного будинку,
збираючи інформацію про навколишнє середовище для автоматизації процесів.
Крім того, можуть використовуватися спеціалізовані датчики для конкретних
завдань.
Виконавчі пристрої. Основна функція цих пристроїв – вплив на навколишнє
середовище, наприклад, регулювання термостату для підтримки мікроклімату.
У цьому проекті використовується Arduino – апаратна обчислювальна
платформа, що включає плату мікроконтролера з елементами вводу/виводу та
середовище розробки Processing/Wiring, яка базується на мові програмування
C/C++. Arduino може бути використана для створення автономних інтерактивних
об'єктів або інтеграції з іншим програмним забезпеченням. Відкрита інформація
про плату (схеми друкованих плат, специфікації елементів, програмне
забезпечення) доступна для користувачів.
Плата Arduino складається з мікроконтролера Atmel AVR та необхідних
елементів для програмування та інтеграції з іншими пристроями. Багато плат мають
лінійний стабілізатор напруги +5В або +3,3В. Обробка даних здійснюється на
частоті 16 або 8 МГц за допомогою кварцового резонатора. Завантажувач вже
записаний у мікроконтролер, тому зовнішній програматор не потрібен.
Arduino Uno – найпопулярніша версія базової платформи Arduino USB, яка
має стандартний USB-порт. Uno оснащений чіпом ATMega8U2 для послідовного
підключення по USB і зручним маркуванням виходів. Платформа може бути
розширена додатковими платами, наприклад, користувацькими платами з різними
функціями. Як ми вже згадували, плати Arduino та Arduino-сумісні пристрої
спроектовані таким чином, щоб їх можна було легко розширювати за допомогою
спеціальних компонентів, відомих як «шилди» (shields). Ці плати розширень
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підключаються до Arduino через штирові роз'єми, що є на них. Виробники
пропонують велику кількість різноманітних датчиків і виконавчих пристроїв,
сумісних між собою та з процесорними платами Arduino . Один з таких шилдів ми
використовуємо для зручного підключення датчиків.
Плати розширення, що встановлюються на платформи, розширюють
функціональність Arduino та використовуються для керування різними пристроями,
отримання даних тощо. Плати WeMos на основі ESP8266 користуються великою
популярністю. Вони сумісні з більшістю датчиків Arduino і дозволяють писати
скетчі в Arduino IDE. Завдяки WeMos можна працювати з WiFi, взаємодіючи з
модулем через інтернет.
Плата WeMos D1R1 виробляється в Китаї і розроблена на основі WiFi модуля
ESP8266. На модулі є роз'єм для зовнішньої WiFi антени, що дозволяє розширити
площу покриття мережею. Контролер включає процесор, оперативну пам'ять,
пристрої введення/виведення та периферію. WeMos вирізняється низькою вартістю,
простотою підключення та програмування.
Технічні характеристики WeMos:
− Вхідна напруга: 3,3 В.
− 11 цифрових виходів.
− USB-вихід.
− 4 МБ флеш-пам'яті.
− WiFi модуль.
− Частота контролера: 80 МГц / 160 МГц.
− Робоча температура: від -40°C до 125°C .
Основні області застосування контролерів WeMos включають температурні
датчики, датчики тиску, зарядні пристрої, системи обробки даних, пульти для
керування побутовими приладами та робототехніку. До плати можна підключати
додаткові компоненти, такі як індикатори, світлодіоди та сенсори, що дозволяє
реалізовувати різноманітні проекти та розширювати функціональні можливості.
Основні піни WeMos:
− TX, RX, GND (земля).
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− 5V, 3V3.
− RST (кнопка скидання).
− D0-D8 (GPIO, всі піни, крім D0, підтримують переривання, PWM, I2C).
На рисунку 3.1 представлено схему виходів WeMos D1 R1.

Рисунок 3.1 – Схема виходів WeMos D1 R1

Щоб почати працювати з WeМos D1, потрібно встановити драйвер CH340 і
Arduino IDE. Знайти драйвер можна на офіційній сторінці[11].

Рисунок 3.2 – WeMos D1 R1 з вбудованим Wi-Fi esp 8266
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Потрібно вибрати «Файл – Налаштування», ввести в рядок «додаткові
посилання для менеджера плат» посилання і натиснути ОК. На рис. 3.2
представлено загальний вигляд WeMos D1 R1 з вбудованим Wi-Fi esp 8266 [12].
Потім у меню «Інструменти - Плата - Менеджер плат» знайдіть «esp8266 by
ESP8266 Community», встановіть його і закрийте вікно. Після цього в меню
"Інструменти" з'явиться мікроконтролер WeMos D1.
Спершу необхідно налаштувати режими роботи – «завантаження коду»,
задати відповідну частоту, розмір флеш пам'яті та швидкість передачі, а також
вибрати потрібний порт. Я вважаю, що плати на базі esp8266 є найкращим способом
організувати роботу з мережею в самостійних проектах. Ця плата дуже схожа на
Arduino Uno.

3.2 Комунікаційні системи. Вибір датчиків
Для створення «розумного будинку» використовувалися наступні типи
датчиків, детальні характеристики яких можна знайти у джерелах [8], [9], [10]:
1. Модуль цифрового датчика вологості та температури.
2. Цифровий датчик освітленості.
3. Датчик торкання TTP223B.
4. Датчик диму.
5. Міні серводвигун SG90.
6. Датчик руху.
7. Модуль реального часу.
Модуль цифрового датчика вологості та температури зображено на
рисунку 3.3, а його схему підключення можна побачити на рисунку 3.4. Датчик
вологості і температури DHT11 виготовлений у вигляді модуля і встановлений на
платі. Він може бути підключений безпосередньо до Arduino, без необхідності
підключення додаткового резистора, оскільки резистор вже встановлений на платі.
Цифровий датчик освітленості представлено на рис. 3.5. Він призначений для
вимірювання освітлення. Модуль датчика світла з пороговим компаратором. Поріг
спрацьовування компаратора регулюється змінним резистором.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.3 – Датчик вологості та температури

Рисунок 3.4 – Схема підключення датчика вологості та температури

При затемненому датчику на виході встановлюється напруга логічної 1 і
індикаторний світлодіод не горить. При спрацюванні датчика і при спрацьовуванні
компаратора на виході встановлюється логічний 0 і запалюється індикатор
світлодіоду.
Призначення виходів:
− VCC – вхід напруги 3.3-5 В.
− GND – загальний.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− DO – цифровий вихід .

Рисунок 3.5 – Датчик освітленості цифровий

Наступний модуль – датчик диму, представлений на рис. 3.6 для виявлення
газу та диму та на рис. 3.7 електрична схема датчика диму.

Рисунок 3.6 – Датчик диму

Рисунок 3.7 – Електрична схема датчика диму
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Наступний датчик, який застосували – сенсорний.
Сенсорний модуль побудований на мікросхемі датчика торкання TTP223B. У
нормальному стані на виході модуля низький логічний рівень. При торканні
сенсорного поля на виході встановлюється високий логічний рівень. Модуль можна
монтувати на неметалеві поверхні ( пластикові, скляні або будь-які інші). Може
застосовуватися як прихована кнопка.
Особливості:
− діапазон напруги живлення від 2 до 5.5В;
− може застосовуватися як прихована кнопка;
− зручне кріплення.
Призначення виходів модуля показано на рис. 3.8, сам датчик на рис. 3.9:
− інтерфейс: GND – загальний, VCC – живлення, SIG (DI) – вихід;
− індикатор живлення: зелений світлодіод, що світиться при подачі напруги
живлення;
− область сенсора;
− кріпильні отвори.

Рисунок 3.8 – Виходи сенсорного модуля
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.9 – Сенсорний модуль

Датчик руху для Arduino представлено на рис. 3.10. Він дозволяє виявляти
рух людини або тварини чи іншого рухомого об’єкту на відстані до 7 метрів. Має
два входи живлення (+5 В і О) і один цифровий вихід, з якого можна знімати вихідні
дані. Якщо перешкоди відсутні, на датчику буде високий рівень (3.3В), якщо є,
низький (0В). Якщо перемикач встановлено в положення H, то на виході буде
високий рівень весь час, поки датчик буде відчувати і фіксувати рух, якщо в стан
L, то на виході сигнал буде переключатися з високого на низький і назад приблизно
раз на секунду.

Рисунок 3.10 – Датчик руху
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Використання серводвигунів у системах автоматизації приміщень є
важливим аспектом. Серводвигун, що в перекладі з латини означає «помічник» або
«раб», є елементом, який працює на підтримку функціонування системи. Керуючий
електронний модуль, що з'єднується з мотором, відомий як сервопривід.
У випадку серводвигунів, які використовуються у системах роботів,
основним об'єктом управління зазвичай є позиція та орієнтація маніпуляторів.
Серводвигуни в таких системах роботів відіграють важливу роль у виконанні
одного з видів автоматичного управління, яке забезпечує точне переміщення
маніпуляційних систем в задане положення. При цьому потужність вихідного
сигналу, що керує виконавчим механізмом, значно перевищує потужність вхідного
сигналу.
Принцип роботи серводвигуна полягає в тому, що пристрій управління
генерує вхідний сигнал, який визначає необхідний кут повороту маніпулятора, і
направляє його до серводвигуна.
Там сигнал з постійного струму, що подається від двигуна, багаторазово
посилюється та перетворюється у вихідне значення кута повороту, близьке до
заданого. Це забезпечує безпосереднє керування механізмом.
У реальних серводвигунах сучасних роботів, значення керуючого сигналу,
необхідного для виконання конкретної операції, розраховується комп'ютером.
Сигнал зворотного зв'язку передається до комп'ютера, який визначає дійсне
положення маніпулятора та порівнює його з бажаним значенням. Це забезпечує
високу точність управління.
Характеристики міні серводвигун SG90:
− швидкість без навантаження: 0.12 сек/60 град. при живленні 4.8В;
− крутячий момент: 2 кг/см;
− температурний діапазон: -30 до +60'C;
− ширина мертвої зони: 4 мікросекунди;
− робоча напруга: 3.5-8.4 В;
− споживаний струм при русі: 50-80 мА;
− споживаний струм при затримці: 5-10 мА;
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− кут повороту 180 град;
− розміри: 3.3 см x 3 см x 1.3 см; вага: 15 гр.
Серводвигуни в приводах виконавчих систем реалізують один з видів
автоматичного управління, в результаті якого відбувається переміщення необхідної
ланки динамічної системи точно в задане положення.
Вирішальним фактором використання сервоприводів є не тільки висока їх
динаміка, але і можливість отримати точне управління, широкий діапазон
регулювання швидкості, малі габарити і вага, а також стійкість. У своєму проекті я
застосовую якісний міні серво SG90 с пусковим моментом 2 кг/см, який зображено
на рис. 3.11.

Рисунок 3.11 – Мінісерво SG90

Схема підключення серводвигуна представлена на рис. 3.12.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.12 – Електрична схема системи підключення серводвигуна до
Arduino

Схема підключення через макетну плату представлено на рис. 3.13.

Рисунок 3.13 – Підключення серводвигуна до Arduino
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Модуль з годинником в реальному часі представлено на рис. 3.14. Дозволяє
знати точний час без підключення до інтернету. Модуль можна використовувати з
контролерами Arduino, підключивши його з'єднувальними дротами.

Рисунок 3.14 – Модуль з годинником реального часу

У макеті при облаштуванні системи безпеки приміщення використано
камеру відеоспостереження на основі плати ESP32-CAM, яку представлено на
рис. 3.15. Камера з мікро контролером ESP32 може працювати в якості вебсервера,
до якого можна буде звернутися за допомогою будь-якого пристрою в вашій мережі.
Можна інтегрувати цей веб-сервер з популярними платформами автоматизації
будинку, такими як Home Assistant.

Рисунок 3.15– Камера відеоспостереження на основі плати ESP32-CAM
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Перед складанням макету необхідно прописати в плату робочий скетч і
підключити всі датчики до плати і перевірити їх працездатність на холостому ходу.
Для цього включити прошиту плату і підключити серводвигуни та інше обладнання
на 2-3 хвилини роботи.
Написану програму скопіювати в тіло програми лістинг sketh_jun1. Провести
компіляцію лістингу, якщо немає помилок, підключити плату WeMos D1R1 до ПК.
WeMos D1R1 містить у собі WiFi модуль ESP8266.

Рисунок 3.16 – Схема архітектури ІоТ застосунка

Мікросхема ESP8266 – один з найпопулярніших інструментів для організації
бездротового зв'язку в проектах розумного будинку. За допомогою бездротового
контролера можна організувати зв'язок по WiFi, забезпечуючи проектам Arduino
вихід в інтернет і можливість дистанційного керування і збору даних. Також:
− підтримує Wi-Fi протоколи 802.11 b / g / n з WEP, WPA, WPA2;
− володіє 14 портами введення і виведення, SPI, I2C, UART, 10біт АЦП;
− підтримує зовнішню пам'ять до 16 МБ;
− необхідні 2,2 до 3,6 В, споживаний струм до 300 мА.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

За основу обрано тришарову архітектуру. Використано домен вузла давачів,
які будуть знімати дані з навколишнього середовища. Мережевий рівень відповідає
за передачу даних та сигналів управління системою між мікроконтролером та
панеллю управління користувача. Обрано хмарну платформу, що забезпечує
покращення інтеграції та обміну інформацією між розподіленими системами
Arduino IoT Cloud. Архітектурна схема представлено на рис. 3.16.

3.3 Аналіз захищеності інформації та методів для захисту
За даними Rambus, провідного постачальника інтелектуальної власності та
мікросхем, близько 80% пристроїв Інтернету речей (IoT) піддаються ризику в
одному з багатьох можливих сценаріїв атак. Якщо використовувати автономні
пристрої без підключення до Інтернету, то такі розробки представляють дуже
малий ризик для безпеки.
Однак, після підключення до Інтернету виникає численний ризик для
кібербезпеки. Усі розумні пристрої посилюють небезпеку технологій розумного
дому, включаючи освітлення, камери, мікрофони, замки та побутову техніку.
Фахівці з кібербезпеки постійно підкреслюють вразливість до хакерської атаки та
небезпеку систем розумного будинку.
Розумні пристрої також можуть включати традиційні телевізори, камери,
годівниці для тварин, механізми відкривання дверей, холодильники та інші, які
мають вбудовані датчики, що постійно збирають дані і стають потенційно
вразливими для злому, так само, як і сама мережа. Сама мережа також може бути
вразливою, зловмисники можуть отримати доступ до домашньої мережі, тому
користувачі повинні вживати ретельні заходи безпеки.
Підключені розумні пристрої та прилади можуть бути взламані так само, як і
веб-сайти та комп'ютери. Добре спроектована розумна домашня мережа включає
мережевий маршрутизатор корпоративного рівня з активованим надійним
брандмауером.
Найбільш вразливими є зовнішні пристрої з вбудованими комп'ютерами, які
мало або взагалі не підтримують протоколи безпеки. Такі пристрої, як пристрої для
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

відкривання дверей чи бездротові дверні дзвінки, можуть бути доступними для
злому ззовні.
Другий найбільш вразливий рівень – це пристрої всередині дому, якими
можна керувати за допомогою смартфона або ПК, такі як розумні лампочки,
вимикачі, камери безпеки, розумні замки дверей, термостати та інші. ці пристрої
можуть мати слабкі маркери безпеки та бути вразливими через слабкі місця у
використовуваних протоколах зв'язку чи конфігураційних налаштуваннях,
залишених постачальником.

Рисунок 3.17 – Рівні мінімальних вимог безпеки

Таким чином, доступ до мережі може використовуватись для компрометації
механізмів контролю та отримання доступу до більш цінних цілей. Зловмисники
можуть відключити камери безпеки або системи сигналізації та отримати повний
доступ, оскільки скомпрометована та незахищена домашня мережа стає вразливою
перед зломом, крадіжкою особистих даних та порушенням конфіденційності.
Інформація про рівень порушень безпеки залишається невідомою, оскільки
виробники не публікують цю інформацію, і вона не підпадає під компетенцію
конкретного регулюючого органу. Однак докази порушень стають все більш
очевидними, оскільки шахраї постійно вдосконалюють свої методи разом зі зміною
технологій.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

В роботі розроблена схема мінімальних вимог безпеки системи розумного
будинка і представлена на рис. 3.18.

Рисунок 3.18 – Схема мінімальних вимог безпеки

Багато виробників створюють пристрої, які легко доступні без авторизації та
аутентифікації. Існують кілька заходів безпеки, які можуть допомогти захистити
домашні пристрої. Важливо завжди придбавати пристрої від надійних виробників
та враховувати вразливі місця та переваги. Планування безпечної мережі Wi-Fi має
бути головним пріоритетом, включаючи зміну імені та пароля маршрутизатора на
щось надійне. Крім того, створення відокремлених мереж ізоляції розумного
будинку від особистих даних та гостьових мереж, а також застосування надійних
політик паролів та регулярні оновлення прошивки також є важливими заходами
безпеки. Професійна консультація з проектування та встановлення також може
бути корисною, оскільки вона допоможе забезпечити безпеку складної
інфраструктури розумного будинку. Необхідно також вимикати або відключати
пристрої, які не використовуються, і перед утилізацією або продажем
переконатися, що всі заводські налаштування за замовчуванням повністю очищені.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

У розділі розроблено архітектуру, що включає програмні та апаратні
компоненти, відмінною особливістю якої є гнучкість та масштабованість системи.
Розроблено програмно-апаратний комплекс розумного будинку що реалізує
запропоновану архітектуру. Розроблено алгоритми функціонування системи
управління та системи контролю, що дозволяють віддалено у реальному часі
контролювати та керувати програмно-апаратним комплексом. Результати
тестування показали, що розроблена система відповідає вимогам технічного
завдання. Проведено аналіз захищеності інформації та методів і способів для
кіберзахисту.

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

У даній роботі проведено теоретичне обґрунтування і запропоновано
практичні шляхи вирішення проблеми, яка полягає у розробленні пропозицій щодо
вдосконалення управління автоматизацією житлового приміщення .
Дослідження та отримані результати дають підстави для наступних
висновків:
− Аналізуючи наукові джерела, встановлено необхідні методи та
інструменти здійснення управлінням комунікаціями житлового
приміщення.
− Встановлено, що на управління комунікаціями впливає керування
наступними факторами: освітлення, вологість, задимлення, температура.
− Одним із засобів поліпшення використання приміщення за допомогою
ІОТ є встановлення охоронних систем та засобів безпеки. Це підвищує
цінність приміщення, але також маємо додаткові витрати через додаткові
витрати на придбання та встановлення таких ІОТ систем.
Досліджено використання ІОТ систем на базі WeMos D1 R1 з вбудованим Wi-
Fi esp 8266 та створено модель для розумного будинку за допомогою технології
Інтернет речей.
Отже, система Smart Home дуже практична і корисна річ, яку можна зібрати
своїми руками. Проектування системи дало можливість зрозуміти доцільність
розробки, а також те, чому розвиток робототехніки представляє важливий крок в
еволюції підходів до створення програмного забезпечення. В епоху нових
технологій, якщо хочемо отримати реально надійний, безпечний та економічний
сервіс, мати більший контроль над процесами і автоматизувати ряд операцій, і
(зрештою) заощадити ресурси, то логічно використовувати такі системи в побуті.
Отримано практичні навички в роботі з датчиками та контролерами, а також
у використанні дистанційних та мережевих засобів контролю над системою. На
прикладах показано роботу з датчиками, проведений розгляд можливостей,
доступних розробникам.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

За допомогою Arduino IOT Cloud отримані практичні навички в створенні
графічних об’єктів, проведено дослідження стосовно попиту на засоби
діджиталізації у побуті. Показано роботу з інструментами, проведено розгляд
функціональних можливостей датчиків. Систему «розумний будинок» підключено
до засобів автоматичного керування на основі контролера Arduino через WI-FI. Для
цього використовувались: WeMos D1R1, модуль цифрового датчика вологості та
температури; датчик освітленості BH1750FVI; датчика торкання TTP223B; датчик
диму; міні серводвигун SG90; датчик закриття дверей; датчик руху; модуль датчика
реального часу .

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. A Practical Evaluation of Information Processing and Abstraction Techniques for
the Internet of Things / G. Frieder, D. Puschmann, P. Barnaghi, F. Carrez. IEEE
Internet of Things Journal. – 2019. № 2. – Р. 340-354.
2. Al-Bahri M. Smart System Based on DOA and IoT for Products Monitoring and
Anticounterfeiting / M. Al-Bahri, A. Yankovsky, A. Borodin, R. Kirichek // 2019
4th MEC International Conference on Big Data and Smart City (ICBDSC). – IEEE,
2019. – P. 25–31.
3. Beshley M. Investigation the modified priority queuing method based on
virtualized network testbed / M.Beshley, V.Romanchuk // Proceedings of The
XIIIth International Conference – The experience of designing and application of
CAD Systems in microelectronics (Lviv-Poljana, Ukraine, February 24-27, 2018).
– Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic, 2018. – P.1-4.
4. Beshley M. Modern problems of radio engineering, telecommunications and
computer science Proceedings of the ХІ th International Conference TCSET‘2018
(Lviv – Slavske, February 21–24), 2018. – P. 281-282.
5. Branden С. J. Lambrecht. Perceptual Quality Measure using a Spatio- Temporal
Model of the Human Visual System / C. J. Branden Lambrecht and O. Verscheure
// Proc. SPIE. – March, 2019. – Vol. 2668. – PP. 450-461.
6. Da B. Identity/identifier-enabled networks (IDEAS) for Internet of Things (IoT)
//2018 IEEE 4th World Forum on Internet of Things (WF-IoT). – IEEE, 2018. –
Р. 412–415.
7. Diao Y. The design of smart home platform based on Cloud Computing. In
Proceeding of the International Conference on the Design of Smart Home Platform
Based on Cloud Computing, Harbin, China, 12–14 August 2018. – P. 128.
8. Gaston C. Hillar. MQTT Essentials – A Lightweight IoT Protocol / C. Hillar Gaston
– Packt Publishing, 2020. – 280 p.
9. Hu Q. Hardware Design of Smart Home Energy Management System with
Dynamic Price Response. IEEE Trans. Smart Grid 2019, 4, PP. 1878–1887.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

10. Koo J. Interoperability of device identification in heterogeneous IoT platforms /
J. Koo, Y.G. Kim // 2017 13th International Computer Engineering Conference
(ICENCO). – IEEE, 2017. – PР. 26-29.
11. Mardini W. Modified WRR scheduling algorithm for WiMAX networks, Network
Protocols and Algorithms, vol. 3, n 2. – 2019. – PP. 24-53.
12. Olivier Hersent, David Boswarthick, Omar Elloumi. The Internet of Things: Key
Applications and Protocols. – Willey, 2019. – 370 p.
13. Seliuchenko M. Development of monitoring system for end-to-end packet delay
measurement in Software-Defined Networks / M. Seliuchenko, O. Panchenko, //
Мodern problems of radio engineering, telecommunications, and computer
science. Proceedings of the International Conference TCSET‘2019 (Lviv-Slavske,
Ukraine, February 23–26, 2019). – Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic,
2019. – P. 667-670.
14. Баранов О. А. Інтернет речей (IoT): огляд правових проблем. Інтернет речей:
проблеми впровадження: матеріали науково-практичної конференції,
24 жовтня 2017 р., м. Київ. / упоряд.: В.М. Фурашев, С.Ю. Петряєв. Київ:
Національний технічний університет України «Київський політехнічний
інститут імені Ігоря Сікорського» Вид-во «Політехніка». 2017. – 238 с.
15. Баранов О.А. Інтернет речей (IoT): мета застосування та правові проблеми.
Інформація і право. 2018. № 2 (25). – С. 31–45.
16. Баранов О.А. Інтернет речей і право: погляд у майбутнє. Інтернет речей:
проблеми правового регулювання та впровадження: зб. матеріалів доп. учасн.
ІІІ наук.-практ. конф. Київ, 2019. С. 7–13.
17. Баранов О.А. Інтернет речей і штучний інтелект: витоки проблеми правового
регулювання. ІТ-право: проблеми та перспективи розвитку в Україні:
матеріали ІІ міжнар. наук.-практ. конф., м. Львів, 17 листопада 2017 р. Львів,
2019. С. 18–42.
18. Бортник К.Я. Інтернет речей та як він змінить наше життя у майбутньому.
Комп’ютерно-інтегровані технології: освіта, наука, вир-во. 2019. № 30/31. –
С. 14–18.
Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

19. Гордієнко Ю.Г. Інтернет речей як головний чинник впровадження ІТ-
технологій на сучасному підприємстві. Вимірювальна та обчислювальна
техніка в технол. процесах. 2018. № 1. – С. 94–98.
20. Журавель В.І. Інтернет речей у системі медичної допомоги: можливості та
безпека. Актуальні проблеми клініч. та профілакт. медицини. 2019. Т. 3,
№ 1/2. – С. 5–12.
21. Журавська І.М. IoT-мережа на базі Bluetooth-модулів для автоматизованого
керування споживанням енергоресурсів. Комп’ютерно-інтегровані
технології: освіта, наука, вир-во. 2018. № 30/31. – С. 37–44.
22. Коваль В.В. Ринок послуг Інтернету речей (IoT): сучасний стан та обмеження
розвитку. Трансформація економіки та права в умовах системних реформ
України: зб. наук. пр. за матеріалами всеукр. наук.-практ. конф. (м. Одеса, 27
жовтня 2019 року) / МОН України, Одес. торг.-екон. ін-т [та ін.]; редкол.: Квач
Я.П. [та ін.]. Одеса, 2019. С. 35–37.
23. Коцюбівська К. Впровадження технологій інтернету речей під час створення
системи «Розумний дім». Цифрова платформа. Інформаційні технології в
соціокультурній сфері. 2019. Т. 2, № 2. – С. 136–143.
24. Наконечний А.Й. Інтернет речей і сучасні технології. Вісник Національного
університету «Львівська політехніка». Автоматика, вимірювання та
керування. – 2020. No 852. – С. 136-138.
25. Фещенко К.С. Інтернет речей – майбутнє інформаційного суспільства.
Інтернет речей: проблеми правового регулювання та впровадження:
Матеріали науково-практичної конференції. 24 жовтня 2019 р., м. Київ. /
Упоряд.: В. М. Фурашев, С. Ю. Петряєв. Київ: Національний технічний
університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського»: Вид-во «Політехніка». 2019. – С. 218-222.
26. Яцків Н. Г. Перспективи використання технології блокчейн у мережі інтернет
речей. Науковий вісник НЛТУ України. 2019. Вип. 26. – С. 381-387.

Лист
ЧДТУ.242269.001 ПЗ 61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets