Автоматична система керування освітленням та опаленням розумного будинку на базі платформ Arduino та ESP8266

Бершадський, Леонід Миколайович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8237

Title:	Автоматична система керування освітленням та опаленням розумного будинку на базі платформ Arduino та ESP8266
Authors:	Філіпов, Віталій Вікторович Бершадський, Леонід Миколайович
Keywords:	автоматична система;платформа Arduino;розумний будинок;платформа ESP8266;мікроконтролер
Issue Date:	2020
Abstract:	Метою роботи є розробка автоматичної системи керуванням освітленням та опаленням розумного будинку на базі платформ Arduino та ESP8266, розробка повного пакету конструкторської документації. Проведено аналіз застосування відповідних мікроконтролерних платформ, зроблено огляд існуючих пристроїв та проведено аналіз окремих схем подібних пристроїв. Проведений аналіз технічного завдання та відповідно розроблена структурна схема пристрою, що проектується
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8237
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Бершадський_Філіпов.pdf Restricted Access		4.21 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Форма № Н-9.02
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
факультет електронних технологій і робототехніки
(назва факультету)
кафедра радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем
(повна назва кафедри)

До захисту допущенко
Завідувач кафедри
д.т.н., професор _________ В.В. Палагін
«___» __________________ 2020 року

Пояснювальна записка
до дипломної роботи
бакалавр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)

на тему: “Автоматична система керування освітленням та опаленням
розумного будинку на базі платформ Arduino та ESP8266”

Виконав: студент 4 курсу, групи СКРТ-88
Спеціальності: 172 – Телекомунікації та
радіотехніка
Освітня програма: «Радіотехніка та
робототехнічні системи»

Бершадський Л.М.
(прізвище та ініціали)
Керівник Філіпов В.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Биченко А.О.
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2020 року
Форма № Н-9.01

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологійы робототехніки
Кафедра радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітній рівень бакалавр
Спеціальність 172 Телекомунікації та радіотехніка
(шифр і назва)
Освітня програма: : «Радіотехніка та робототехнічні системи»

(шифр і назва)

ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри В.В. Палагін
“_____” ___________________ 2020 року

З А В Д А Н Н Я
НА ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ (РОБОТУ) СТУДЕНТУ

Бершадському Леоніду Миколайовичу
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Автоматична система керування освітленням та
опаленням розумного будинку на базі платформ Arduino та ESP8266
керівник проекту (роботи) Філіпов Віталій Вікторович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від “24” лютого 2020 року № 76/01
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 10.06.2020 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) розробити систему автоматичного
керування освітленням та опалення житлового будинку на базі платформи Arduino;
реалізувати режими роботи: автоматичне вмикання системи опалення та
освітлення відповідно до заданих умов; реалізувати систему віддаленого
моніторингу розробленої системи керування; забезпечити універсальність пристрою
за допомогою можливості віддаленого керування.
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити) Ескізне проектування, аналіз технічного завдання, загальна інформація
про системи автоматичного керування, загальна інформація про платформу
Arduino, особливості систем керування опаленням та освітлення житлових
будинків; система інтелектуальної автоматизації, загальні принципи побудови
зарядних пристроїв, типові структурні схеми зарядні пристрої для акумуляторів,
вимоги до структурної схеми системи керування, розробка структурної схеми,
розробка схеми електричної принципової, схема електричної принципової; охорона
праці. розробка системи кондиціювання. .

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень,
плакатів) Схема структура, функціональна схема, схем електрична принципова,
плакат з охорони праці.
6. Консультанти розділів проекту (роботи)
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання завдання
консультанта
видав прийняв
Охорона праці Кожем’якін О.С.,
старший викладач

7. Дата видачі завдання 15.02.2020 р.

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ Назва етапів дипломного Строк виконання Примітка
з/п проекту (роботи) етапів проекту
(роботи)

1. Аналіз технічного завдання, загальна інформація 16 лютого 2020
про системи автоматичного керування

2. Загальна інформація про системи освітлення, 20 лютого 2020

особливості розробки систем керування опалення

та освітлення житлового будинку

3. Загальні принципи побудови систем керування 10 березня 2020

4. Типові структурні схеми систем керування 2 квітня 2020

для житлових будинків, вимоги до структурної
схеми

5. Розробка функціональної схеми 15 квітня 2020

6. Розробка схеми електричної принципової 30 квітня 2020

7. Підготовка матеріалів та розрахунків 15 травня 2020

для розділу охорони праці

8. Оформлення пояснювальної записки 25 травня 2020

Студент Бершадський Л.М.
( підпис ) (прізвище та ініціали)

Керівник проекту (роботи) Філіпов В.В.
( підпис ) (прізвище та ініціали)

ЗМІСТ
Арк.
ЗМІСТ 3
ВСТУП 4
РОЗДІЛ 1. ЕСКІЗНЕ ПРОЕКТУВАННЯ 7
1.1. Аналіз технічного завдання 7
1.2. Загальна інформація про системи автоматичного керування освітленням та
опаленням 7
1.3. Концепції системи автоматичного керування опаленням та освітленням 8
1.4. Система інтелектуальної автоматизації 9
1.5. Системи автоматичного керування будинків 12
РОЗДІЛ 2. ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ 22
2.1. Розробка структурної схеми автоматичної системи опалення та освітлення
житлового будинку 22
2.2. Платформа Arduino 26
2.3. Апаратна частина платформи Arduino Mega 2560 30
2.4. Модуль бездротового з’єднання ESP8266 36
2.5. Модуль GSM зв’язку 41
2.6. Схема розміщення елементів системи автоматичного керування освітленням
та опаленням житлового будинку 43
РОЗДІЛ 3. ТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ 46
3.1. Розробка функціональної схеми системи керування освітленням та опаленням
житлового будинку 46
3.2. Розробка електричної принципової схеми системи керування освітленням та
опаленням житлового будинку 49
3.3. Модуль керування освітленням 51
3.4. Модуль керування опаленням 55

СКРТ88.020.003.001 ПЗ
Зм н. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Бершадський Автоматична система керування
Літ. Арк. Аркушів
Перевір. Філіпов освітленням та опаленням 3 78
Реценз. розумного будинку на базі
.
Н. Контр. платформ Arduino та ESP826 ЧДТУ
Затверд.

РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ 57
4.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають в приміщенні радіотехнічної
лабораторії 57
4.2. Розрахунок системи кондиціонування повітря лабораторії 63
ВИСНОВОК 73
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 74
ДОДАТКИ 75
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП

Будь-який будинок – будь-то адміністративний, виробничий або житловий
складається з деякого набору підсистем, що відповідають за виконання певних
функцій, які вирішують різні завдання в процесі функціонування цієї будівлі. У
міру ускладнення цих підсистем і збільшення кількості, виконуваних ними
функцій, управління ними ставало все складніше. Також стрімко зростають
витрати на утримання обслуговуючого персоналу, ремонт та обслуговування цих
підсистем. Вперше ці проблеми постали при експлуатації великих
адміністративних і виробничих комплексів. Сучасна будівля такого типу – це
місто в мініатюрі. Фактично в ньому діють всі служби, що були раніше
неодмінними атрибутами міського господарства. У таких будівлях зазвичай існує
адміністративна служба або адміністратор, які використовують і обслуговують цю
систему практично цілодобово. Хоча є чимало засобів автоматики, які самі
справляються з покладеними на них завданнями, такими, як опалення, вентиляція,
підтримка мікроклімату, освітлення і т.д., але управління і обслуговування всіх
цих систем вимагає наявність адмініструє персоналу. Його обов'язком є контроль
роботи цих підсистем та вжиття заходів у разі виходу їх з ладу.
Але виникають ситуації, коли навіть дії кваліфікованого персоналу можуть
виявитися неефективними. Це випадки виникнення загрози будівлі і знаходилися
в ньому людям, що мають глобальний характер – пожежа, землетрус та інші
стихійні лиха, терористичні атаки. Тут потрібно приймати екстраординарні
заходи в лічені частки секунди. Реакція і коректність дій людей в критичній
ситуації може виявитися недостатньою. Традиційні системи забезпечення різних
аспектів життєдіяльності в минулому проектувалися як автономні. Такі системи,
що створювалися окремо для кожної функції і об'єднані для довільної частини
будівлі. У будинках встановлювалися системи тільки з тими можливостями і з
тим ступенем складності, які були необхідні на поточний момент побудови
будівлі. Подальше розширення і модернізація даних систем були складними і
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

дорогими завданнями через безліч різних чинників. Витрати на експлуатацію
такої системи складаються з витрат на експлуатацію кожної автономної системи
окремо, вартості навчання персоналу Вартість експлуатації цих систем висока – в
силу їх автономності кожна з них підтримується окремо. Вартість навчання
персоналу настільки ж висока, оскільки оператори повинні бути ознайомлені з
експлуатацією кожної автономної системи. Також не останнє місце займає
питання безпечності інформації, адже маючи доступ до такого будинку можна
завдати дуже великої шкоди його власнику.
Темою цієї випускної роботи бакалавра є «Автоматична система керування
освітленням та опаленням розумного будинку на базі платформ Arduino та
ESP8266». Ця тема є актуальною, адже пристрій що розробляється, дозволяє
автоматизувати процес керування важливих функцій житлового будинку. А також
необхідно зазначити, що цей пристрій є універсальним і не вимагає особливих
умов експлуатації. Також зазначимо, що актуальність теми даної випускної
роботи бакалавра пов'язана зі значним поширенням досліджуваного типу
пристроїв і полягає в необхідності розробки рекомендацій по вдосконаленню їх
роботи.
Підсумовуючи вищесказане зазначимо що розробка яка проводитися у
рамках виконання цієї випускної роботи є актуальною та в подальшому матиме
практичний аспект.
Об'єктом випускної роботи є пристрій який призначений для автоматичного
керування освітленням та опаленням житлового будинку.
Предметом даної роботи є розробка системи автоматичного керування
освітленням та опаленням будинку на базі платформи Arduino, а також
застосування під час розробки, новітньої елементної бази та сучасних підходів до
проектування радіоелектронної апаратури.
В процесі виконання цієї випускної роботи буде проведено:
- аналіз існуючих конструкторських рішень;
- аналіз найпоширеніших схемних реалізацій;
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- розробка структурної схеми пристрою;
- розробка схеми електричної принципової;
- вибір елементної бази, для зазначених умовам експлуатації;
- вибір матеріалів для пристрою;
- розроблена конструкція пристрою.

У результаті виконання проекту розроблена конструкція, що відповідає усім
вимогам технічного завдання.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 1. ЕСКІЗНЕ ПРОЕКТУВАННЯ

1.1. Аналіз технічного завдання

Вихідні параметри розроблюваного пристрою:

- Напруга живлення 5 – 12 В
- Споживаний струм, не більше 0,5 А
- Платформа Arduino Mega
- Функціональні можливості:
o Керування освітленням;
o Керування опаленням;
o Дистанційне керування через інтернет та по GSM каналу.

Цей пристрій автоматизує процес вмикання освітлення та опалення
житлового будинку на 1 кімнату. Керування розробленим пристроєм
здійснюється або через інтелектуальний вебінтерфейс, або через команди GSM-
модуля.

1.2. Загальна інформація про системи автоматичного керування
освітленням та опаленням

Системи автоматичного керування освітленням та опаленням житлових
будинків мають коротку назву «Розумний будинок». Перші «розумні будинки»
з'явилися природно в США, ще в 50-ті роки минулого сторіччя. На той момент це
були дійсно унікальні квартир, обладнані спеціальною електронікою, яка
злагодити за багатьма речами в будинку, наприклад за пральними машинами,
телевізорами, мікрохвильовими печами і т.д. Всі ці побутові прилади були
об'єднані в одне ціле, і управляли з одного пульта, при цьому була можливість
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

контролювати відключення, включення і деякі інші особливості роботи. З часом в
країні стали з'являтися інтелектуальні будівлі, які вже були повністю обладнані
різної автоматикою, об'єднаної в єдину мережу.
Дослідники та розробники стали приділяти особливу увагу не тільки
комфортабельності, але і безпеки, а також економії ресурсів завдяки системі
автоматизації. Кошти, які вкладалися в розробку нових технологій для
інтелектуальних будівель, були величезними, люди вірили, що в майбутньому це
принесе непоганий прибуток. Починаючи з 1978 року, розробники змогли
добитися управління електричними побутовими приладами через звичайні дроти,
де діяла напруга 110 В.
Особливий розвиток почалося в 90-і роки, коли з'явилася чимала кількість
різних датчиків і сенсорів, без яких навіть неможливо уявити процес
автоматизації. Сучасні системи автоматизації керування освітленням та
опаленням втілили у собі безліч інноваційних розробок, які зробили його
унікальним з безпеки і комфортабельності. Наявність всіх цих розробок дозволяє
сьогодні втілювати мрії в життя, тепер власнику житла зовсім необов'язково
турбуватися про свій будинок, адже він завжди під контролем обладнання, яке не
дає збоїв і працює цілодобово весь рік, навіть коли нікого немає в будинку. Зараз
на ринку є чимало компаній, що пропонують свої послуги у сфері проектування
систем керуванням опаленням та освітлення житлових будинків.

1.3. Концепції системи автоматичного керування опаленням та
освітленням

У кожному сучасному будинку в тій чи й іншій мірі функціонує велика
кількість обладнання, що забезпечує побут, комфорт, затишок, зв'язок і безпеку,
що допомагає відпочити і створює повноцінне робоче середовище. Зручність
управління цими системами, їх інтеграція один з одним, можливість злагоджено
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

працювати разом, збільшуючи тим самим функціональність кожної з них окремо -
все це і дає можливість назвати такий будинок – «Розумним домом».
У відсутності людини Розумний будинок буде підтримувати оптимальним
чином постійний мікроклімат, зберігаючи тим самим затишок, кімнатні рослини і
меблі. Вона вимкне не потрібен світло або навпаки буде створювати видимість
вашої присутності, включаючи і вимикаючи освітлення в тій або іншій кімнаті час
від часу. Розумний будинок дозволить Вам спокійно і безтурботно відпочивати.
Розумний будинок буде постійно стежити за всіма інженерними системами
в будинку, зокрема системами освітлення та опалення. Господар може
повідомляти Розумному будинку не тільки про те, що він повертається, але
постійно може керувати їй і отримувати інформацію про стан систем в будинку,
перебуваючи при цьому, де завгодно.

1.4. Система інтелектуальної автоматизації

Система керування освітленням та опаленням (система «Розумний
будинок») – це система інтелектуальної автоматики для управління інженерними
системами сучасної будівлі. Будь-якій людині в будинку, в квартирі або в офісі
важливо відчувати себе комфортно і в безпеці. Саме ці два завдання плюс
естетика зовнішнього вигляду пристроїв – і є основні цільові установки, на які
орієнтовані системи «Розумний будинок». Інтелектуальна автоматика управляє
всіма інженерними системами в будинку, дозволяє людині централізовано
встановлювати комфортні для себе – температуру, вологість, освітленість в
кімнатах, зонах.
Розроблювана система включає в себе наступні об'єкти автоматизації:
• Управління освітленням;
• Клімат контроль;
• Централізоване управління системами:
• Сервер управління.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Система автоматичного керування з такими об’єктами автоматизації
забезпечує механізм централізованого контролю та інтелектуального управління в
житлових, офісних або громадських приміщеннях.
З інсталяцією подібної системи вдома чи на роботі кожен користувач
отримує можливість: В рамках загальної середовища проживання задавати
параметри власної індивідуальної середовища (світло, температура повітря, звук і
т.д.), в т.ч. порядок роботи системи:
• Здійснювати управління необхідною системою (освітлення, опалення);
• Отримувати доступ до інформації про стан всіх систем будинку
(перебуваючи всередині нього або віддалено);
• Загальна схема системи управління виглядає наступним чином:
o Центральний процесор управління / головний блок управління.
o Датчики (температури, освітленості, руху та ін.).
o Керуючі пристрої (реле, та ін.).
o Інтерфейси управління (кнопкові вимикачі, пульти ІК і радіопульт,
сенсорні панелі, web інтерфейс).
o Власна мережа управління, що об'єднує вищевказані елементи.
o Керовані пристрої (світильники, кондиціонери, компоненти
домашнього кінотеатру та ін.).
o Допоміжні мережі (Ethernet, телефонна мережа).
o Програмне забезпечення проекту.
Основна функція центрального процесора – управління підпорядкованими
йому пристроями з використанням наступних інтерфейсів: Ethernet, RS-232, RS-
485, IR, аналогових і цифрових входів / виходів та ін. Також центральний
процесор управління містить інструментальні засоби програмування і в деяких
випадках Web сервер. Датчики розташовуються в певних місцях будинку, які
безпосередньо або через проміжні пристрої зв'язані єдиною мережею. Інтерфейси
управління здійснюють загальне управління системами
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Загальний алгоритм роботи системи автоматичного керуванням опаленням
та освітленням будинку:
• По власної мережі управління інформація від датчиків або інтерфейсів
надходить до центрального процесора управління.
• Програмне забезпечення центрального процесора обробляє отриману
інформацію і генерує команди для керуючих пристроїв. Команди надходять
як з власної мережі, так і по допоміжної.
• Способи генерації команд, а також форма і склад відображуваної інформації
про стан систем закладається на етапі розробки програмного забезпечення з
урахуванням вимог проекту.

Отже, розроблювальна система керування буде складається з таких частин:
• Елементи живлення та освітлення – безпосередньо всі електронні побудові
речі, контроль над якими необхідно автоматизувати.
• Датчики – пристрої керування та збору інформації розумного дому. Саме
вони виконують роль одиниці в подібних системах.
• Мікроконтролери – апаратні системи, що об’єднують датчики в групи,
розрізняють також центральний процесор управління – мікроконтролер, що
посилає від сервера інформацію в кінцеві вузли.
• Сервер – комп’ютер, який створює інтерфейс між користувачем та
системою розумного дому. Саме він відповідає за надійність,
функціональність.
• Канали передачі даних – логічні та фізичні канали, по яким передаються
дані з урахуванням потреб (безпека, швидкість тощо).
• Хмара – зовнішня служба, що виконую роль бази даних для статистики та
іншої службової інформації.
• Мобільні пристрої – пристрої, за допомогою яких користувач через сервер
керує системою розумного дому.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5. Системи автоматичного керування будинків

Задача автоматизації керування освітленням приміщень у житлових і
суспільних будинках є актуальною. Її застосування приводить до значної економії
електроенергії.
Домогтися найбільш повного і точного обліку наявності денного світла, так
само як і обліку присутності людей в приміщенні, можна, застосовуючи засоби
автоматичного управління освітленням (АУО).

Рис. 1.1 – Типова структура системи автоматичного керування освітленням

Управління освітлювальної навантаженням здійснюється при цьому двома
основними способами:
• відключенням всіх або частини світильників (дискретне управління);
• плавним зміною потужності світильників (однаковим для всіх або
індивідуальним).

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

До систем дискретного управління освітленням в першу чергу відносяться
різні фотореле (фотоавтомати) і таймери. Принцип дії перших заснований на
включенні і відключенні навантаження за сигналами датчика зовнішньої
природної освітленості. Другі здійснюють комутацію освітлювальної
навантаження залежно від часу доби за попередньо закладеної програмі.
До систем дискретного управління освітленням відносяться також
автомати, оснащені датчиками присутності . Вони відключають світильники в
приміщенні через заданий проміжок часу після того, як з нього віддаляється
остання людина. Це найбільш економічний вид систем дискретного управління,
проте до побічних ефектів їх використання відноситься можливе скорочення
терміну служби ламп за рахунок частих включень і виключень.

Рис. 1.2 – Датчик освітлення для платформи Arduino

Системи плавного регулювання потужності освітлення побудовано на
основі використання мікроконтролерної елементної бази (наприклад, платформи
Arduino, МК Atmel).
Управління освітлювальної навантаженням здійснюється при цьому двома
основними способами: відключенням всіх або частини світильників (дискретне
управління) і плавним зміною потужності світильників (однаковим для всіх або
індивідуальним).

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5.1. Основні функції автоматизованих систем керування освітленням

Автоматизовані системи управління освітленням. Призначені для
використання в громадських будівлях, виконують такі типові для цього виду
виробів функції:
Точна підтримка штучної освітленості в приміщенні на заданому рівні.
Досягається це введенням в систему управління освітленням фотоелемента, що
знаходиться всередині приміщення і контролюючого створювану освітлювальної
установкою освітленість. Вже тільки одна ця функція дозволяє економити
енергію за рахунок відсічення так званого надлишку освітленості.
Облік природної освітленості в приміщеннях. Незважаючи на наявність у
в переважній більшості приміщень природного освітлення в світлий час доби,
потужність освітлювальної установки розраховується без його обліку.
Якщо підтримувати освітленість, створювану спільно освітлювальної
установкою і природним освітленням, на заданому рівні, то можна ще сильніше
знизити потужність освітлювальної установки в кожен момент часу.
У певний час року і години доби можливо навіть використання одного
природного освітлення. Ця функція може здійснюватися тим же фотоелементом,
що і в попередньому випадку, за умови, що він відстежує повну (природну
штучну) освітленість. При цьому економія енергії може становити 20 - 40%.
Облік часу доби і дня тижня. Додаткова економія енергії в освітленні
може бути досягнута відключенням освітлювальної установки в певні години
доби, а також у вихідні та святкові дні.
Цей захід дозволяє ефективно боротися з забудькуватістю людей, що не
відключають освітлення на робочих місцях перед своїм відходом.
Для її реалізації автоматизована система управління освітленням повинна
бути обладнана власними годинами реального часу.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Облік присутності людей в приміщенні. При обладнанні системи
управління освітленням датчиком присутності можна включати і відключати
світильники в залежності від того, чи є люди в даному приміщенні.
Ця функція дозволяє витрачати енергію найбільш оптимально, однак її
застосування виправдане далеко не у всіх приміщеннях.
В окремих випадках вона може навіть скорочувати термін служби
освітлювального устаткування і виробляти неприємне враження при роботі.
Отримана за рахунок відключення світильників за сигналами таймера і датчиків
присутності економія електроенергії становить 10 - 25%.

1.5.2. Дистанційне бездротове управління освітлювальної установкою

Подібна функція не завжди є автоматизованою, вона часто присутня в
автоматизованих системах управління освітленням завдяки тому, що її реалізація
на базі електроніки системи управління освітленням дуже проста, а сама функція
додає значне зручність в управлінні освітлювальної установкою.

Рис. 1.3 – Типова структура схеми керування освітленням

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Методами безпосереднього управління освітлювальної установкою є
дискретне включення / відключення всіх або частини світильників по командам
керуючих сигналів, а також ступеневу або плавне зниження потужності
освітлення залежно від цих же сигналів.
З огляду на те, що сучасні регульовані електронні мають ненульовий
нижній поріг регулювання, в сучасних автоматизованих системах управління
освітленням застосовується комбінація плавного регулювання аж до нижнього
порогу з повним відключенням ламп у світильниках при його досягненні.

1.5.3. Класифікація систем автоматичного управління освітленням

Системи автоматичного управління освітленням, умовно можна розділити
на два основні класи – так звані локальні і централізовані.
Для локальних систем характерне управління тільки однією групою
світильників, в той час як централізовані системи допускають підключення
практично нескінченного числа роздільно керованих груп світильників.
У свою чергу, за охоплюваній сфері управління локальні системи можуть
бути поділені на системи управлінні світильниками і системи управління
освітленням приміщень, а централізовані – на спеціалізовані (тільки для
управління освітленням) і загального призначення (для управління всіма
інженерними системами будівлі – опаленням, кондиціонуванням, пожежною і
охоронною сигналізацією і т.д.).

Локальні системи управління освітленням
Локальні системи управління світильниками у більшості випадків не
вимагають додаткової проводки, а іноді навіть скорочують необхідність в
прокладанні проводів. Конструктивна вони виконуються в малогабаритних
корпусах, що закріплюються безпосередньо на світильнику або на колбі однієї з
ламп.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Всі датчики, як правило, складають один електронний прилад, в свою чергу,
вбудований в корпус самої системи.
Часто світильники, обладнані датчиками, обмінюються між собою
інформацією по проходах електричної мережі. За рахунок цього навіть у разі,
якщо в будівлі залишився єдиний чоловік, що знаходяться на його шляху
світильники залишаться включеними.

Централізовані системи управління освітленням

Централізовані системи управління освітленням, що найповніше
відповідають назві інтелектуальних, будуються на основі мікропроцесорів, що
забезпечують можливість практично одночасного багатоваріантного управління
значним (до декількох сотень) числом світильників.
Такі системи можуть застосовуватися або тільки для управління
освітленням, або також і для взаємодії з іншими системами будівель (наприклад, з
телефонною мережею, системами безпеки, вентиляції, опалення та сонцезахисних
огорож).
Централізовані системи видають також керуючі сигнали на світильники за
сигналами локальних датчиків.
Проте перетворення сигналів відбувається в єдиному (центральному) вузлі,
що надає додаткові можливості вручну керувати освітленням будівлі. Одночасно
істотно спрощується ручне зміна алгоритму роботи системи.
При системах централізованого дистанційного або автоматичного
управління освітленням живлення ланцюгів управління дозволяється від лінії, яка
живить освітлення.
Для приміщень, які мають зони з різними умовами природного освітлення,
керування робочим освітленням повинно забезпечувати включення і відключення
світильників групами або рядами по мірі зміни природної освітленості
приміщень.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5.4. Типові автоматизовані системи керування освітленням

1) Автоматизована система керування світильником – найпростіша
малогабаритна система, конструктивно є частиною світильника і керуюча тільки
або однією групою кількох довколишніх світильників.
2) Автоматизована система керування приміщенням – самостійна
система, що керує однією або декількома групами світильників в одному або
декількох приміщеннях.
3) Автоматизована система керування освітленням будівлі –
централізована комп’ютеризована система управління, що охоплює освітлення та
інші системи цілої будівлі або групи будівель.
Більшість компаній-виробників систем управління освітленням
світильників виготовляють ці системи у вигляді окремих блоків, які можуть бути
вбудовані в світильники різних типів.

Рис. 1.4 – Пристрій автоматичного керування освітленням

Безумовною перевагою світильників є простота їх монтажу та експлуатації,
а також надійність. Вони надійні та не потребують електроживлення, так як до
виходу з ладу найбільш схильні блоки живлення й енергоспоживаючі мікросхеми.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Однак якщо потрібно керувати освітлювальними установками великих
приміщень або, наприклад, стоїть завдання індивідуального управління всіма
світильниками в приміщенні, автоматизована система керування світильників
виявляються досить дорогим засобом управління, оскільки вимагають установки
однієї системи керування на один світильник.
У цьому випадку зручніше використовувати автоматизовану систему
керування приміщень, які містять менше електронних компонентів, ніж потрібно
в попередньому випадку, і тому більш дешеві.
Автоматизована система керування приміщень являють собою блоки, що
розміщуються за підвісними стелями або конструктивно вбудовуються в
електричні розподільні щити. Системи цього типу, як правило, здійснюють одну
функцію або фіксований набір функцій, вибір між якими проводиться
перестановкою перемикачів на корпусі або виносному пульті управління системи.
Подібні системи відносно прості у виготовленні і зазвичай побудовані на
дискретних логічних мікросхемах. Датчики автоматизованих систем керування
приміщень завжди є виносними, вони повинні бути розміщені в приміщенні з
керованими освітлювальними установками і до них необхідна спеціальна
проводка, що являє собою певну практичну незручність.

1.5.5. Типові автоматизовані системи керування опаленням

Автоматизована система керування опаленням – це набір компонентів, які
дозволяють зробити систему опалення максимально економічною за рахунок
гнучкого регулювання температури в приміщенні та керування системою
опалення через мережу інтернет.
Регулювання температури в приміщеннях є однією з найбільш частих та
типових задач в промисловості. Підтримання певного температурного режиму у
житлових приміщеннях часто є однією з ключових умов забезпечення комфорту в
приміщенні. Не менш важливим є забезпечення комфортних умов роботи для
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

працівників в офісах, де температура повітря суттєво впливає на ефективність
роботи.
Основні переваги системи автоматичного керування опаленням:
• пряме регулювання температури в приміщеннях по температурі повітря, а
не по температурі зворотної води. Це гарантує завжди правильну
температуру в приміщенні незалежно від інших факторів;
• економія енергоносіїв. Досягається погодинним графіком завдання
температури для кожного контуру опалення. Наприклад, якщо цех працює з
8:00 до 17:00 то система дозволяє завчасно нагріти приміщення до
комфортної температури, а після 17:00 зменшити її до мінімально
можливого рівня і підтримувати її до початку наступного робочого дня,
суттєво економлячи енергоресурси;
• централізоване керування з віддаленого робочого місця та можливість
інтеграції в загальну систему підприємства;
• масштабованість. Система дозволяє легко додавати нові контури
регулювання (нові приміщення);
• малий термін окупності за рахунок використання недорогого обладнання.

Зазвичай система опалення складається з таких компонентів:

• автоматичного газового водогрійного котла;
• ємності контуру гарячого водопостачання;
• чотирьох окремих контурів опалення: два виробничих і два офісних
приміщення відповідно;
• циркуляційних насосів контурів опалення, гарячого водопостачання;
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.5 – Систем опаленням приміщення

Щиток автоматики складається з:
• програмованого контролера
• модуля аналогових виводів
• датчиків температури повітря в приміщеннях
• блоку реле
• мікропроцесорного блоку керування.
Для зручного налаштування та моніторингу системи керування зазвичай
розробляється інтерфейс користувача. Основний елементи якого можуть
відображати та регулювати наступні функції:
• поточну температуру;
• завдання на даний момент;
• наявність аварій;
• стан кожного контуру (включено/відключено);
• стан циркуляційного насоса.
Крім цього для кожного контуру опалення через інтерфейс користувача
надається наступна інформація:
• лічильник мото-годин насоса;
• графік зміни завдання температури для робочого дня;
• температуру вихідного дня.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 2. ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ

В цьому розділі детально розглянемо та проаналізуємо технічне завдання до
випускної бакалаврської роботи, наведемо вимоги які будуть пред’являтись до
розроблюваної системи автоматичного керування освітленням та опаленням
житлового будинку на базі платформи Arduino. Зазначимо особливості режимів
роботи розроблюваної системи, а також наведемо можливі варіанти реалізації
структурної схеми розробки і виберемо найоптимальніший, за критеріями якості,
простоти реалізації та доступності елементної бази.

2.1. Розробка структурної схеми автоматичної системи опалення та
освітлення житлового будинку

Розроблювана систем буде використовувати TCP/IP протоколи для передачі
даних між своїми модулями, що дає високу ступінь сумісності з найбільш
поширеними технологіями в області електроніки.
Основою для побудови системи служитимуть платформа Arduino і недорогі
Wi-Fi модулі ESP8266. Рентабельність і доступність подібних рішень стали
можливі лише в останні роки, в зв'язку істотним здешевленням подібних
технологій в силу збільшення їх попиту, і як наслідку, пропозиції на ринку.
Модуль ESP8266 на даний момент має кращі показники ціна / якість. Всі
компоненти і документацію до них можна знайти у відкритому доступі, а їх
актуальність і популярність серед розробників і любителів істотно спрощує
розробку пристроїв на їх основі.
В цілому, всі задіяні компоненти системи відповідають сучасним
стандартам в області радіоелектроніки. Вони актуальні і сумісні один з одним і
мають великий запас для модернізації. Це дозволяє говорити про доцільність
реалізації та застосування даного дипломного проекту і створення тестового
зразка пристрою.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Створення системи автоматизації житлового приміщення має на меті
інтеграцію даного проекту з основними елементами домашніх систем
комунікацій, опалення, водопостачання, медіа пристроями і т.д.
Розроблювальна система має кілька варіантів реалізації, що розширює
сферу її застосування. Модулі розумного будинку можна застосувати як в
будинках до підключених до мережі інтернет, так і в приміщеннях позбавлених
такої можливості. Існує декілька підходів, щодо побудови автоматичних систем
освітлення та опалення житлового будинку. Розглянемо основні принципи їх
побудови на прикладі структурних схем.

Система Система
освітлення опалення
Датчики Бездротовий Датчики
руху маршрутизатор температури
Внутрішній
Пристрій Керування
термінал
керування електромережею
керування
Пристрій Інтернет
Зовнішній
зв'язку
термінал
Локальна
монітирингу
GSM-модуль мережа

Рис. 2.1 – Структурна схема автоматичного керування освітленням та опаленням
житлового будинку з можливістю віддаленого керування
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

В першому варіанті побудови, показаному на рис.2.1., схема автоматичного
керування освітленням та опаленням має функцію віддаленого керування та
моніторингу на основі сервера, що побудований на основі GSM-каналу зв’язку.
Таке рішення дозволяє управляти елементами системи і переглядати
інформацію в режимі реального часу через інтернет.
Існують спеціальні безкоштовні сервіси для подібних завдань, чиїми
послугами можна скористатися. З'являється можливість використання НТТР
серверів і т.д. Переваги даного варіанта реалізації структурної схеми
автоматичного керування освітленням та опаленням житлового будинку:
- можливість віддаленого управління;
- можливість віддаленого моніторингу;
- підключення web-сервісів: погода, час і т.д.
Нижче наведено інший варіант реалізації схеми автоматичного керування
освітленням та опаленням житлового будинку (рис. 2.2).
Система Система
освітлення опалення
Датчики Бездротовий Датчики
руху маршрутизатор температури
Термінал Пристрій Керування
керування керування електромережею

Рис. 2.2 – Структурна схема автоматичного керування освітленням та опаленням
житлового будинку з внутрішньою мережею керування
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Даний варіант розробляється для систем керування без виходу до мережі
інтернет. Розроблювана система має свою власну, незалежну мережу з
шифруванням, тобто має повністю автономний, власний канал зв'язку. Даний
варіант захищений від несанкціонованих зовнішніх впливів і не залежить від
ступеня завантаження мережі, як це буває в домашніх мережах, але позбавлений
можливості віддаленого взаємодії.
Переваги схеми автоматичного керування освітленням та опаленням
житлового будинку з внутрішньою мережею керування:
- захищеність;
- ширша сфера застосування;
- немає ризику пов'язаного з навантаженням мережі.
Елементи структурних схем автоматичного керування освітленням та
опаленням житлового будинку, показаних на рис. 2.1 - 2.2:
• Система освітлення – системи штучного освітлення житлового будинку
(лампи, освітлювачі).
• Система опалення – комплекс елементів призначений для отримання,
переносу та передачі необхідної кількості теплоти в опалюване приміщення,
та включає в себе три основні елементи: джерело теплоти (теплогенератор
при місцевому або теплообмінник при централізованому теплопостачанні) –
елемент призначений для отримання теплоти та передачі її теплоносію;
теплопровід — елемент для транспортування теплоти від джерела теплоти
до опалювального приладу; опалювальний прилад – елемент для передачі
теплоти в приміщення.
• Датчик руху – пристрій що генерую керуючий сигнал при наявності руху в
приміщенні.
• Датчик температури – пристрій, що вимірює температуру в приміщенні та
генерує керуючий сигнал.
• Бездротовий маршрутизатор (сервер) – пристрій що організовує керуючи та
комутуючий сервер, приймає керуючі сигнали що надходь від датчиків.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• Термінали керування – пристрої, які призначені для редагування
налаштувань та проведення моніторингу поточного стану системи
автоматичного керування освітленням та опаленням житлового будинку.
• Пристрій керування – мікропроцесорний пристрій, що оброблює сигнали які
надходять від датчиків руху та температури відповідно до заданої програми.
• Пристрій зв’язку – модуль, що передає по каналу зв’язку інформацію для
віддалених керуючих терміналів.
Враховуючи переваги та недоліки представлений структурних схем, для
реалізації схеми автоматичного керування освітленням та опаленням жилого
будинку за основу візьмемо схему представлену на рис.2.1.

2.2. Платформа Arduino

Цифрова частина приладу представлена платою Arduino.

Рис. 2.3 – Платформа Arduino Mega

Arduino – це електронний конструктор і зручна платформа швидкої
розробки електронних пристроїв для новачків і професіоналів. Платформа
користується величезною популярністю в усьому світі завдяки зручності і
простоті мови програмування, а також відкритій архітектурі і програмному коду.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Пристрій програмується через USB без використання програматорів. Arduino
дозволяє комп'ютеру вийти за рамки віртуального світу в фізичний і взаємодіяти з
ним. Пристрої на базі Arduino можуть отримувати інформацію про навколишнє
середовище за допомогою різних датчиків, а також можуть управляти різними
виконавчими пристроями. Мікроконтролер на платі програмується за допомогою
мови Arduino (заснований на мові Wiring) і середовища розробки Arduino
(заснована на середовищі Processing). Проекти пристроїв, засновані на Arduino,
можуть працювати самостійно, або ж взаємодіяти з програмним забезпеченням на
комп'ютері (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Плати можуть бути
зібранікористувачем самостійно або куплені в зборі. Програмне забезпечення
доступне для безкоштовного скачування. Вихідні креслення схем (файли CAD) є
загальнодоступними, користувачі можуть застосовувати їх на свій розсуд.
Існує кілька версій платформ Arduino. Остання версія Leonardo базується на
мікроконтролері ATmega32u4. Uno, як і попередня версія Duemilanove побудовані
на мікроконтролері Atmel ATmega328. Старі версії платформи Diecimila і перша
робоча Duemilanoves були розроблені на основі Atmel ATmega168, більш ранні
версії використовували ATmega8. Arduino Mega2560, в свою чергу, побудована на
мікроконтролері ATmega2560.

Версії платформи Arduino
Нижче представлені основні версії плат Arduino:
• Due – нова плата на базі ARM мікропроцесора 32bit Cortex-M3 ARM
SAM3U4E. (Реліз очікується в кінці жовтня 2012)
• Leonardo – остання версія платформи Arduno на ATmega32u4
микроконтроллере. Відрізняється роз'ємом microUSB, за розмірами
збігається з UNO.
• Yun (опис на англ.) – нова плата, з вбудованою підтримкою WiFi на базі
ATmega32u4 and the Atheros AR9331
• Micro – нове компактне рішення на базі ATmega32u4.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• Uno – сама популяраня версія базової платформи Arduino USB. Uno має
стандартний порт USB. Arduino Uno в чому схожа з Duemilanove, але має
новий чіп ATMega8U2 для послідовного підключення по USB і нову, більш
зручну маркування вхід / виходів. Платформа може бути доповнена платами
розширення, наприклад, користувацькими платами з різними функціями.
• Arduino Ethernet – контролер з вбудованою підтримкою роботи по мережі і
з опціональною можливістю живлення по мережі за допомогою модуля POE
(Power over Ethernet).
• Duemilanove – є передостанньою версією базової платформи Arduino USB.
Підключення Duemilanove здійснюється стандартним кабелем USB. Після
підключення вона готова до використання. Платформа може бути
доповнена платами розширення, наприклад, користувацькими платами з
різними функціями.
• Diecimila – попередня версія базової платформи Arduino USB.
• Nano – це компактна платформа, використовувана як макет. Nano
підключається до комп'ютера за допомогою кабелю USB Mini-B.
• Mega ADK – версія плати Mega 2560 з підтримкою USB host інтерфейсу для
зв'язку з телефонами на Android та іншими пристроями з USB інтерфейсом.
• Mega2560 – нова версія плати серії Mega. Побудована на базі Atmega2560 і
з використанням чіпа ATMega8U2 для послідовного з'єднання по USB
порту.
• Mega – попередня версія серії Mega на базі Atmega1280.
• Arduino BT – платформа з модулем Bluetooth для бездротового зв'язку і
програмування. Сумісна з платами розширення Arduino.
• LilyPad – платформа, пурпурного кольору, розроблена для перенесення,
може зашивати в тканину.
• Fio – платформа розроблена для бездротових застосувань. Fio містить роз'єм
для радіо XBee, роз'єм для батареї LiPo і вбудовану схему підзарядки.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• Mini – найменша платформа Arduino. Прекрасно працює як макетна модель,
або, в проектах, де простір є критичним параметром. Платформа
підключається до комп'ютера за допомогою адаптера Mini USB.
• Адаптер Mini USB – плата, яка конвертує підключення USB в лінії 5 В,
GND, TX і RX для з'єднання з платформою Arduino Mini або іншими
микроконтроллерами.
• Pro – платформа, розроблена для досвідчених користувачів, може бути
частиною більшого проекту. Вона дешевше, ніж Diecimila і може
харчуватися від акумуляторної батареї, але в теж час вимагає додаткової
збірки і компонентів.
• Pro Mini – як і платформа Pro розроблена для досвідчених користувачів,
яким потрібна низька ціна, менші розміри і додаткова функціональність.
• Serial – базова платформа з інтерфейсом RS232 для зв'язку та
програмування. Плата легко збирається навіть початківцями користувачами.
(Включає схеми і файли CAD)
• Serial Single Sided –платформа розроблена для ручної збірки. Вона володіє
трохи більшим розміром, ніж Diecimila, але сумісна з платами розширення
Arduino.
• USB Serial Light Адаптер – адаптер, що дозволяє підключати плати
Arduino до комп'ютера для обміну даними та заливки скетчів. Зручний для
програмування таких плат, як Arduino Mini, Arduino Ethernet та інших, що
не мають свого роз'єму USB.

Враховуючи кількість цифрових та аналогових портів, наявність сучасного
контролера, для реалізації керуючого мікропроцесорного пристрою для системи
керування освітленням та опаленням житлового будинку оберемо платформу
Arduino Меga 2560.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2.3. Апаратна частина платформи Arduino Mega 2560

Платформа Аrduino Mega побудована на мікроконтролері ATmega2560.
Плата має 54 цифрових входу / виходів (14 з яких можуть використовуватися як
виходи ШІМ), 16 аналогових входів, 4 послідовних портів UART, кварцовий
генератор 16 МГц, USB коннектор, роз'єм живлення, роз'єм ICSP і кнопка
перезавантаження. Для роботи необхідно підключити платформу до комп'ютера
за допомогою кабелю USB або подати живлення за допомогою адаптера AC / DC,
або акумуляторною батареєю. Arduino Mega 2560 сумісна з усіма платами
розширення, розробленими для платформ Uno.
Характеристики мікроконтролера ATmega2560:
• Робоча напруга 5В
• Вхідна напруга (рекомендований) 7-12В
• Вхідна напруга (граничне) 6-20В
• Цифрові Входи / Виходи 54 (14 з яких можуть работат також як виходи
ШІМ)
• Аналогові входи 16
• Постійний струм через вхід / вихід 40 mA
• Постійний струм для виведення 3.3 В 50 mA
• Флеш-пам'ять 256 KB (з яких 8 КB використовуються для завантажувача)
• ОЗУ 8 KB
• Незалежна пам'ять 4 KB
• Тактова частота 16 MHz

2.3.1. Живлення Arduino Mega 2560
Arduino Mega може отримувати живлення як через підключення по USB,
так і від зовнішнього джерела живлення. Джерело живлення вибирається
автоматично. Зовнішнє живлення може подаватися через перетворювач напруги
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

AC / DC (блок живлення) або акумуляторною батареєю. Перетворювач напруги
підключається за допомогою роз'єму 2.1 мм з позитивним полюсом на
центральному контакті. Провід від батареї підключаються до висновків Gnd і Vin
роз'єму живлення (POWER).
Платформа може працювати при зовнішньому живленні від 6 В до 20 В.
При напрузі живлення нижче 7 В, вихід 5V може видавати менше 5 В, при цьому
платформа може працювати нестабільно. При використанні напруги вище 12 В
регулятор напруги може перегрітися і пошкодити плату. Рекомендований
діапазон від 7 В до 12 В.
Платформа Arduino Mega 2560, на відміну від попередніх версій плат, не
використовує FTDI USB мікроконтролер. Для обміну даними по USB
використовується мікроконтролер Atmega8U2, запрограмований як конвертер
USB-to-serial.

Виводи живлення:

• VIN. Вхід використовується для подачі живлення від зовнішнього джерела
(за відсутності 5 В від роз'єму USB або іншого регульованого джерела
живлення). Подача напруги живлення відбувається через даний вивід.
• 5V. Регульоване джерело напруги, що використовується для живлення
мікроконтролера і компонентів на платі. Живлення може подаватися від
виведення VIN через регулятор напруги, або від роз'єму USB, або іншого
регульованого джерела напруги 5 В.
• 3V3. Напруга на виводі 3.3 В генерується мікросхемою FTDI на платформі.
Максимальне споживання струму 50 мА.
• GND. Виводи заземлення.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.4 – Схема платформи Arduino Mega 2560

2.3.2. Інтерфейси Arduino Mega 2560

Кожен з 54 цифрових виводів Mega, використовуючи функції pinMode (),
digitalWrite (), і digitalRead (), може налаштовуватися як вхід або вихід. Виводи
працюють при напрузі 5 В. Кожен вивод має навантажувальний резистор
(стандартно відключений) 20-50 кОм і може пропускати до 40 мА. Деякі виводи
мають особливі функції:
• Послідовна шина: 0 (RX) і 1 (TX); Послідовна шина 1: 19 (RX) і 18 (TX);
Послідовна шина 2: 17 (RX) і 16 (TX); Послідовна шина 3: 15 (RX) і 14
(TX). Виводи використовуються для отримання (RX) і передачі (TX) даних
TTL. Висновки 0 і 1 підключені до відповідних виводів мікросхеми
послідовної шини ATmega8U2.
• Зовнішнє переривання: 2 (переривання 0), 3 (переривання 1), 18
(переривання 5), 19 (переривання 4), 20 (переривання 3), і 21
(переривання 2). Дані виводи можуть бути налаштовані на виклик
переривання або на молодшому значенні, або на передньому чи задньому
фронті, або при зміні значення.
• PWM: 2 до 13 і 44-46. Будь-який з виводів забезпечує ШІМ з роздільною
здатністю 8 біт за допомогою функції analogWrite ().
• SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). За допомогою даних виводів
здійснюється зв'язок SPI, наприклад, використовуючи бібліотеку SPI. Також
висновки SPI можуть бути виведені на блоці ICSP, який сумісний з
платформами Uno, Duemilanove і Diecimila.
• LED 13. Вбудований світлодіод, підключений до цифрового виводу 13.
Якщо значення на виведення має високий потенціал, то світлодіод горить.
• I2C: 20 (SDA) і 21 (SCL). За допомогою виводів здійснюється зв'язок I2C
(TWI). Для створення використовується бібліотека Wire (інформація на
сайті Wiring). Розташування виводів на платформі Mega не відповідає
розташуванню Duemilanove або Diecimila.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.5 – Розташування виводів платформи Arduino Mega 2560

На платформі Arduino Mega 2560 є 16 аналогових входів, кожен дозволяє
отримувати до 10 біт (тобто може приймати +1024 різних значення). Стандартно
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

виводів мають діапазон вимірювання до 5 В щодо землі, проте є можливість
змінити верхню межу за допомогою виведення AREF і функції analogReference ().

Додаткова пара виводів платформи Arduino Mega 2560:

• AREF. Опорна напруга для аналогових входів. Використовується з
функцією analogReference ().
• Reset. Низький рівень сигналу на виводі перезавантажує мікроконтролер.
Зазвичай застосовується для підключення кнопки перезавантаження на
платні розширення, що закриває доступ до кнопки на самій платі Arduino.

2.3.3. Пам'ять платформи Arduino Mega 2560

Мікроконтролер ATmega2560 має: 256 кБ флеш-пам'яті для зберігання коду
програми (4 кБ використовується для зберігання завантажувача), 8 кБ ОЗУ і 4 КБ
EEPROM (яка читається і записується за допомогою бібліотеки EEPROM).

2.3.4. Програмування Arduino Mega 2560

Платформа програмується за допомогою середовища розробки Arduino.
Мікроконтролер ATmega2560 поставляється з записаним завантажувачем,
що полегшує запис нових програм без використання зовнішніх програматорів.
Зв'язок здійснюється оригінальним протоколом STK500.
Є можливість не використовувати завантажувач і запрограмувати
мікроконтролер через виводи блоку ICSP (внутрішньосхемне програмування).
Код прошивки для контролера ATmega8U2 доступний для вільного
скачування. Контролер ATmega8U2 має власний DFU завантажувач, який може
бути активований замиканням джампера на звороті плати і перезавантаженням
контролера. Для запису нової прошивки можливо використовувати Atmel's FLIP
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

(під Windows) або DFU програматор (на Mac OS X або Linux). Також можна
переписати прошивку зовнішнім програматором, використовуючи ISP вхід.
Arduino Mega 2560 розроблена таким чином, щоб перед записом нового
коду перезавантаження здійснювалася самою програмою, а не натисканням
кнопки на платформі. Одна з ліній ATmega8U2, керуючих потоком даних (DTR),
підключена до висновку перезавантаження мікроконтролера ATmega2560 через
конденсатор 100 нФ. Активація даної лінії, тобто подача сигналу низького рівня,
перезавантажує мікроконтролер. Програма Arduino, використовуючи цю функцію,
завантажує код одним натисканням кнопки Upload в самому середовищі
програмування. Подача сигналу низького рівня по лінії DTR скоординована з
початком запису коду, що скорочує таймаут завантажувача.
Перезавантаження Mega2560 відбувається кожного разу при підключенні до
програми Arduino на комп'ютері з ОС Mac X або Linux (через USB). Наступні
півсекунди після перезавантаження працює завантажувач. Під час програмування
відбувається затримка декількох перших байтів коду, щоб уникнути отримання
платформою некоректних даних (всіх, окрім коду нової програми). Якщо
проводиться разова налагодження скетчу, записаного в платформу, або введення
будь-яких інших даних при першому запуску, необхідно переконатися, що
програма на комп'ютері очікує протягом секунди перед передачею даних.

2.4. Модуль бездротового з’єднання ESP8266

Враховуючи широке поширення зручність, мобільність, бездротового
зв’язку WiFi, то вибір даної технології для безпровідного зв’язку буде
задовольняти усім вимогам необхідним для реалізації передачі даних, отриманих
від датчиків для сервера системи автоматичного керування системою освітлення
та опалення житлового будинку.
Для реалізації бездротових каналів передачі інформації виберемо модуль
ESP8266. Espressif Systems Smart Connectivity Platform (ESCP) являє собою набір
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

високої продуктивності, високої інтеграції бездротових мереж, призначені для
просторово і енергетично обмежених розробників мобільних платформ.
Вона забезпечує неперевершену здатність вбудовувати можливості Wi-Fi в
інших системах, або функціонувати як окремий додаток, з найменшими вартістю і
мінімальними затратами площі.
ESP8266 пропонує повне і автономне мережеве рішення Wi-Fi; він може
бути використаний для розміщення додатків або розвантажити мережеві функції
Wi-Fi іншого процесора.

Рис. 2.6 – Модуль бездротового зв’язку ESP8266

Описаний модуль, виступає в якості адаптера Wi-Fi, бездротовий доступ до
сервера може бути доданий до будь-якого мікроконтролера на основі розробки з
простим підключенням через інтерфейс UART або CPU AHB інтерфейс мосту.
ESP826 є одним з найбільш інтегрованих чіпів WiF; він інтегрує антенні
перемикачі, підсилювач потужності, підсилювач низького рівня шуму, фільтри,
система розподілу ресурсів, вимагає мінімальних зовнішніх схем, і все рішення
призначене займати мінімальну площу друкованої плати.
Модуль ESP8266 також інтегрує розширену версію 32-розрядного
процесора Tensilica серії L106 Diamond, на чіпі SRAM, крім функціональних
можливостей Wi-Fi.
ESP8266 часто інтегрована з зовнішніми датчиками і іншими
спеціалізованими пристроями.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.7 – Структурна схема модуля ESP8266

Характеристики модуля:
• 802.11 B / G / N протоколи.
• Wi-Fi Direct (P2P), софт-AP.
• Вбудований стек протоколів TCP / IP.
• Вбудований перемикач TR, Балун, МШУ, підсилювач потужності і
відповідні мережі.
• Вбудований PLL, регулятори і блоки управління живленням.
• Вихідна потужність +20.5dBm в режимі 802.11b.
• Підтримка рознесення антен.
• Інтегрований малопотужний 32-розрядний мікроконтролер.
• SDIO 2.0, SPI, UART.
• STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO.
• A-MPDU і A-MSDU агрегації і 0.4 μs захисного інтервалу.
• Включення і передача пакетів < 22 ms.
• У режимі очікування споживання енергії <1.0mW (DTIM3).

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.8 – Розташування виводів модуля ESP8266

Рис. 2.9 – Схема модуля ESP8266
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Режими використання модуля ESP8266:
1) У вигляді моста UART-WIFI, коли модуль на базі ESP8266 підключається
до існуючого рішення на базі будь-якого іншого мікроконтролера і управляється
AT-командами, забезпечуючи зв'язок рішення з інфраструктурою Wi-Fi

Рис. 2.10 – Схема підключення модуля ESP8266 – міст UART-WIFI
2) Створення нового бездротового з’єднання, яке використовує с модуля
ESP8266 в якості керуючого мікроконтролера.

Рис. 2.11 – Схема підключення модуля ESP8266 з підключенням USB - TTL

Даний модуль буде використовуватись в усіх складових проекту як
основний засіб зв'язку між модулями системи автоматичного керування
освітленням та опаленням житлового будинку.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2.5. Модуль GSM зв’язку

Для реалізації можливості віддаленого моніторингу системи автоматичного
керування освітленням та опаленням житлового будинку виберемо модуль
SIM900 GSM/GPRS. Він являє собою плату розширення, що дозволяє Arduino
працювати в мережах стільникового зв'язку за технологіями GSM / GPRS для
прийому і передачі даних, SMS і голосового зв'язку.
Плата побудована на базі модуля SIM900. Також на ній розташовані: слот
для SIM-карти, стандартні 3,5 мм джеки для аудіо-входу і виходу і роз'єм для
зовнішньої антени.

Рис. 2.12 – Модуль SIM900 GSM/GPRS

Спілкування з платою проводиться через serial-з'єднання за допомогою
набору AT-команд. AT commands – мова інструкцій, спочатку розроблений для
управління настройками модемів, проте виявився настільки зручним, що було
випущено кілька стандартів для мобільних пристроїв. AT – це просто текстовий
протокол, в якому в якості префікса окремої команди використовується рядок AT
(від англ. Attention), а назва і параметри йдуть далі так же в текстовому вигляді.
Набір допустимих команд і їх параметри описуються стандартом, який підтримує
конкретний пристрій.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.13 – Розташування виводів модуля SIM900 GSM/GPRS

За допомогою джамперів на платі можливо встановити використовувані для
комунікації контакти: апаратні 0-й і 1-й або 7-й і 8-й для роботи через
SoftwareSerial-емуляцію. По цьому каналу в результаті і будуть пересилатися AT-
команди. За допомогою описаного GSM/GPRS модуля ми організуємо віддалений
моніторинг розроблювального системи керування опалення та освітлення
житлового будинку.

2.6. Схема розміщення елементів системи автоматичного керування
освітленням та опаленням житлового будинку

Для розробки функціональної схеми системи автоматичного керування
освітленням та опаленням необхідно враховувати архітектуру будинку (кількість
кімнат, площа кімнат що опалюється), способи розміщення обладнання.
Розглянемо реальний архітектурний проект сучасного будинку (рис. 2.14),
для якого проектується система керування освітленням та опаленням. Далі
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

показано можливе розташування модулів і принцип проектування подібних
систем домашньої автоматизації.
а)

б)

в)

Рис. 2.14 – Архітектурний проект сучасного будинку з розміщенням елементів керування
системи освітлення та опалення будинку: а) фасад будівлі; б) поверх 1; в) поверх 2.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Модуль КО – модуль керування освітленням;
Модуль ДТ – модуль датчика температури;

На першому поверсі розміщується GSM сервер і маршрутизатор. Вимоги до
маршрутизатора – велика потужність, або використання допоміжних вузлів
мережі (репітори) для збільшення покриття в межах будинку.
В якості маршрутизатора виберемо TP-LINK Archer C20i.

Рис. 2.15 – Бездротовий маршрутизатор TP-LINK Archer C20i

Характеристики Archer C20i:

• Підтримка наступного покоління стандарту бездротового зв'язку 802.11ac.
• Сукупна швидкість передачі даних до 733 Мбіт / с (до 300 Мбіт / с на
частоті 2,4 ГГц і до 433 Мбіт / с на частоті 5 ГГц одночасно).
• Стабільний всенаправленний сигнал і збільшена зона покриття мережі
• Порт USB для забезпечення спільного доступу до мережевого принтера,
файлам і медіа через пристрої в мережі або віддалено через FTP-сервер.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 3. ТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ

В цьому розділі зробимо розробимо функціональну та принципову
електричну схему опису кожного структурного блоку системи автоматичного
керування освітленням та опаленням житлового будинку. Розробимо схематичну
реалізацію, виберемо елементну базу та в разі необхідності проведемо їх
розрахунок. Також наведемо алгоритм роботи розроблювальної системи,
покажемо її особливості.

3.1. Розробка функціональної схеми системи керування освітленням та
опаленням житлового будинку

Враховуючи архітектурний проект сучасного будинку (рис. 2.14) наведемо
перелік необхідного обладнання для реалізації в ньому системи автоматичного
керування освітленням та опаленням.
Перелік обладнання для системи керування освітленням та опаленням:
– Керуючий пристрій – Платформа Arduinо Mega 2560 (1 шт).
– Сервер – Бездротовий маршрутизатор TP-LINK Archer C20i (1 шт).
– Модуль GSM зв’язку – Модуль SIM900 GSM/GPRS (1 шт).
– Датчики руху 1 поверх – Датчики SC0072 (8 шт).
– Датчики руху 2 поверх – Датчики SC0072 (6 шт).
– Датчики температури – Датчики DHT11 (2 шт).
– Бездротові модулі – Модулі ESP8266 (17 шт).
– Реле – 10А (20 шт).
– Термінали керування – персональний комп’ютер та Android смартфон.
Враховуючи наведений перелік обладнання та архітектурний проект
сучасного будинку розробимо функціональну схему автоматичного керування
освітленням та опаленням житлового будинку.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Пристрій
Датчик руху Модуль WiFi Бездротовий Модуль GSM
Керування
SC0072 ESP 8266 Маршрутизатор Модуль WiFi
TP-LINK ESP 8266 SIM900
Arduino
Archer C20i GSM/GPRS
Mega 2560
Датчик руху Модуль WiFi
SC0072 ESP 8266 Модуль WiFi Термінал
Реле 10А
ESP 8266 Керування
ПК,
Модуль WiFi
Реле 10А Телефон
Датчик руху Модуль WiFi ESP 8266
SC0072 ESP 8266
Модуль WiFi
Реле 10А Система
ESP 8266
освітлення
Датчик руху Модуль WiFi
Модуль WiFi Поверх 1
SC0072 ESP 8266 Реле 10А
ESP 8266
Модуль WiFi
Датчики Реле 10А
Модуль WiFi ESP 8266
руху SC0072
температури DHT11 ESP 8266
Модуль WiFi
Реле 10А
ESP 8266
Датчики
Модуль WiFi Система
руху SC0072 Модуль WiFi
температури DHT11 ESP 8266 Реле 10А
опалення
ESP 8266 Поверх 1
Рис. 3.1 – Функціональна схема автоматичної система керування
освітленням та опаленням 1-го поверху житлового будинку

Особливості побудови схеми автоматичного керування освітленням та
опаленням на прикладі 1-го поверху житлового будинку:
1. Датчики руху SC0072 спрацьовують при входженні людини в кімнату
будинку, разом з тим відсилаючи через бездротовий інтерфейс керуючий
сигнал на платформу Arduinо Mega 2560.
2. Датчики температури DHT11 циклічно вимірюю температуру приміщення,
разом з тим відсилаючи через бездротовий інтерфейс керуючий сигнал на
платформу Arduinо Mega 2560.
3. Платформа Arduinо Mega 2560 генерує керуючі сигнали відповідно до
сигналів які надходять з датчиків руху та температури до блоку реле які
підключаться системи освітлення та опалення житлового будинку.
4. Бездротовий інтерфейс зв’язку датчиків температури та руху реалізується
на основі модулів ESP8266 та маршрутизатора TP-LINK Archer C20i.
5. При налаштуванні бездротових модулів ESP8266 їм виділяється конкретна
адреса, для усунення проблеми конфлікту їх адрес
6. Інформація яка надходить на платформу Arduinо Mega 2560 оброблюється
та відсилається через GSM/GPRS канал зв’язку на віддалений термінал
користувачу.
7. Система моніторингу та віддаленого керування реалізується модулем
Модуль SIM900 GSM/GPRS, на основі якого реалізована можливість
корегування налаштувань Arduinо Mega 2560 на основі віддаленого
доступу.
Функціональна схема автоматичної система керування освітленням та
опаленням 2-го поверху житлового будинку має аналогічну до показаної на
рис. 3.1 структуру. Відповідно ця функціональна схема керування освітлення та
опалення житлового будинку наводитись не буде.
На основі структури показаної на рис.3.1, розробимо схему електричну
принципову підключення датчиків, бездротових модулів, системи керування та
зв’язку.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2. Розробка електричної принципової схеми системи керування
освітленням та опаленням житлового будинку

Електрична принципова схема універсального системи керування
освітленням та опаленням житлового будинку з таких блоків: керуючий пристрій
(Arduino Mega 2560), датчики температури та присутності, які приєднані через
бездротовий інтерфейс ESP8266.
Живлення для датчиків приєднаних через бездротовий інтерфейс
пропонується реалізувати на основі спеціалізованого блока живлення для систем
Arduino з стабілізатором вихідної напруги живлення. Основною функцією цього
блоку являється створення силової схеми живлення для реалізації основної
функції системи керування – подача заданого рівня постійної напруги на керуючі
елементи з певним часом дії та з визначеною силою струму, враховуючи значення
полярності живлячої напруги. Стабілізатор напруги в цьому блоці реалізовується
за допомогою інтегральної мікросхеми стабілізації, а також згладжуючих
ємностей.
Керуючий пристрій та датчики виконують інтелектуальну функцію
підключення систем освітлення та опалення до системи живлення. Процес
керування режимами роботи систем відбувається відповідно до заданої програми.

Обґрунтування вибору елементів схеми

Всі резистори вибираються по необхідному номінальному значенню і
потужності. Іноді в схемах враховується допустиме відхилення від номінальної
величини опору. Допустиме відхилення від номінальної величини опору залежить
від типу резистора: композиційний, дротяний, вугільний. Вибираючи резистори
по потужності, визначається потужність розсіяння на кожному резисторі окремо
U2
2
по формулах: P = U  I , P = , P = I R .
R
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Вище наведені співвідношення простими математичними операціями
виведені із закону Ома. Виходячи з отриманих значень, вибирають резистори
еталонних потужностей: 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 5,10 Вт і тощо. Дійсні значення
опорів резисторів внаслідок погрішностей виготовлення можуть відрізнятися від
номінальних. Різниця між номінальним і дійсним опорами, виражена у відсотках
по відношенню до номінального опору, називається відхиленням від
номінального опору або, коротко, допуском, що допускається. Згідно значень
стандартів ДСТУ встановлений ряд допусків ±0,001; ±0,002; ±0,005; ±0,01; ±0,02;
±0,05; ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1; ±2; ±5; ±10; ±20; ±30%.
При виборі конденсаторів для радіоелектронних пристроїв, доводитися
вирішувати одне з протилежних по своєму характеру завдань. Пряме завдання –
по відомій стандартній напрузі конденсатора знайти максимально допустимі
значення змінною і постійною складових робочої напруги. Зворотне завдання
полягає знаходження типу і стандартної напруги конденсаторів по робочому
режиму.
Під номінальною напругою розуміється найбільша напруга між
обкладанням конденсатора, при якому він здатний працювати із заданою
надійністю у встановленому діапазоні робочих температур. Номінальна напруга,
обумовлена стандартами, називається стандартною напругою - воно маркірується
на конденсаторах, що випускаються згідно діючих стандартів. Під робочою
напругою мається на увазі значення постійної і змінної напруги, які діють на
конденсаторі при його роботі.
Величина робочої напруги конденсатора обмежується трьома вимогами:
а) конденсатор не повинен перегріватися; б) перенапруження на нім
неприпустимо; в) він має бути захищений від проходження зворотних струмів,
якщо це полярний оксидний конденсатор.
В цілях підвищення надійності і довговічності конденсаторів в усіх
можливих випадках слід використовувати їх при менш жорстких навантаженнях і
полегшених режимах в порівнянні з допустимими.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3. Модуль керування освітленням

Модуль керування освітлення в розроблювальній системі керування
освітленням житлового будинку має широку сферу застосування. Він включає в
себе датчик руху, бездротовий модуль та реле. Бездротовий модуль працює в
режимі ТСР клієнта. На рис. 3.2 зображена принципова схема Модуль керування
освітленням та його підключення до осинового керуючого пристрою
побудованого на платформі Arduino Mega 2560.

Рис. 3.2 – Схема автоматичної система керування модуля освітлення житлового будинку

Опис елементів схеми:
• DD1 – ESP8266 WiFi модуль
• DD2 – Arduino Mega 2560
• К1, К2 – Реле
• DD3 – Датчик руху
• DA1 – Стабілізатор напруги
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• HG1, HG2 – Система освітлення
• +5В – Контакти блоку живлення

Реалізовано окреме живлення для модуля ESP8266, так вбудована система
живлення від Arduino Mega 2560, не може забезпечити достатній струм на виході
3.3В для всіх датчиків. У схемі для цих цілей використаний стабілізатор напруги
AMSП17-3.3V (рис. 3.3).

Рис. 3.3 – Вигляд стабілізатора напруги AMSП17 для бездротових модулів ESP8266

Стабілізатор напруги виконаний на окремій платі (рис 3.3) зі стандартними
ніжками для використання на макетній платі, що істотно полегшує процес
проектування тестового зразка системи та її подальшого відлагодження. Схема
плати стабілізатора напруги AMSП17 показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4 – Вигляд стабілізатора напруги AMSП17 для бездротових модулів ESP8266

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Реле – пристрій для автоматичної комутації електричних ланцюгів за
сигналом ззовні; складається з релейного елемента (з двома станами стійкого
рівноваги) і групи електричних контактів, які замикаються (або розмикаються)
при зміні стану релейного елемента. Було вибрано двоканальне реле (рис. 3.5)

Рис. 3.5 – Вигляд двоканальне реле 10А для платформи Arduino

При розробці системи автоматичного керування системою освітлення
житлового будинку, зокрема в модулі керування освітленням використано
двоканальне реле в якості ключа в силовому ланцюзі. Підключається паралельно з
вимикачем, таке підключення найзручніше для повсякденного використання.
Характеристики використаного реле:
• Напруга керуючої ланцюга 5В
• Мінімальний керуючий струм 10мА
• Змінна напруга до 250В
• Змінний струм до 10А
• Постійна напруга до 30В
• Постійний струм до 10А

Датчик руху SC0072 (рис. 3.6) відповідає за детектування руху в
приміщенні.

Рис. 3.6 – Вигляд датчику руху SC0072 для платформи Arduino
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Характеристики датчику руху SC0072:
• Напруга живлення: DC 3,3-15В
• Напруга на виході: Високі і низькі рівні в 3.3 В TTL логіки
• Дистанція виявлення: до 4м
• Кут виявлення: до 110°
• Тривалість імпульсу при виявленні: до 1 сек.
• Робоча температура: -20 ... + 80 ° C

Алгоритм роботи модуля керування освітлення житлового будинку:
1. Подається живлення на керуючі системи датчиків руху та платформу
Arduino.
2. При детектуванні руху в приміщенні житлового будинку датчиком руху
видається керуючий сигнал, який через бездротовий канал зв’язку
організований модулем ESP8266 передається на керуючу систему (Adruino
Mega 2560).
3. Відповідно до заданої програми, платою контролером Mega 2560 видається
керуючий сигнал на відповідні силові частини схеми керування системою
освітлення (подається керуючий сигнал на реле 10А)
4. Поточний стан модулів освітлення в системі керування, передаються в
модуль зв’язку GSM / GPRS SIM900.
3.4. Модуль керування опаленням

Модуль керування опаленням житлового будинку в реалізованому варіанті
універсальний. Він включає в себе можливість управління будь-побутовою
обігрівальною технікою. Він з’єднується через бездротовий канал зв’язку з
керуючою платформою Arduino Mega 2560 та працює в режимі TCP клієнта. В
його схемі є датчик температури і вологості.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.7 – Схема автоматичної система керування модуля опалення житлового будинку
Опис елементів схеми:
• DD1 – ESP8266 WiFi модуль
• DD2 – Arduino Mega 2560
• К1 – Реле 10A
• DD3 – Датчик температури та вологості DHT11
• DA1 – Стабілізатор напруги
• G1 – Система опалення
• +5В – Контакти блоку живлення
• R1 = 500 Oм
Для вимірювання температури в приміщенні використовується датчик
DHT11 (рис 3.8).
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.8 – Вигляд датчику температури DHT11 для платформи Arduino

Характеристики датчику температури DHT11:
• Напруга живлення: 5 В
• Діапазон температур: 0-50 ° С
• Похибка температури: ± 2 ° С
• Діапазон вологості: 20-90%
• Похибка вологості: ± 5%

Датчик температури DHT11 для вимірювання температури і відносної
вологості навколишнього повітря – стабільний і енергоефективний сенсор.
Датчик підключається до керуючої схеми (ESP8266 або Arduino Mega 2560)
через 3 контакти. Дані і температури, і вологості поставляються по сигнальному
проводу у вигляді цифрового сигналу. Це дозволяє передавати дані на відстань до
20 м. Сенсор працює за власним протоколом.

Алгоритм роботи модуля керування опалення житлового будинку
аналогічний до подібного алгоритму наведеного в п.3.3.
Електрична принципова схема з’єднання модулів освітлення, опалення та
модуля GSM зв’язку наведена в додатках.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають в
приміщенні радіотехнічної лабораторії

В даному розділі проводиться аналіз умов праці інженера-розробника в
радіотехнічній лабораторії. Приміщення лабораторії знаходиться у виробничій
будівлі на першому поверсі триповерхового будинку. Розміри приміщення 6х5х3
м, площа, відповідно, становить 30 м2, об’єм 90 м3. В приміщенні розташовано
чотири робочих місця. Розміри приміщення відповідають вимогам ДБН В.2.2.28-
2010.
З усіма працівниками перед допуском до роботи проводять вступний та
первинний інструктажі згідно типового положення про навчання з питань
охорони праці (ДНАОП 0.00-4.12-05). Допуск до роботи відбувається після
проведення перевірки знань із вступного та первинного інструктажів. Перевірка
здійснюється згідно затвердженим керівником установи переліком запитань.
Вступний інструктаж з питань охорони праці проводиться з усіма
працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову) незалежно
від їх освіти, стажу роботи за цією професією або посади; студентами перед
початком трудового і професійного навчання в лабораторії. Первинний
інструктаж проводиться з працівниками та студентами на робочому місці до
початку роботи.
Запис про проведення вступного інструктажу робиться у спеціальному
журналі.
Повторний інструктаж проводиться на робочому місці з усіма працівниками
та студентами: на роботах з підвищеною небезпекою – 1 раз у квартал, на інших
роботах – 1 раз на півріччя.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Стіни і стеля лабораторії мають світлий пастельний колір з матовою
фактурою. Для зручності прибирання приміщення стіни на 2 м від підлоги
пофарбовані масляною фарбою а підлога вкрита світлим лінолеумом.
Природне і штучне освітлення нормується згідно ДБН В.2.5-28-2018 в
залежності від характеристики зорової праці, найменшого розміру об'єкта
розрізнення, розряду і підрозряду зорової роботи, фону і контрасту об'єкта з
фоном. Згідно цього в лабораторії передбачені наступні види виробничого
освітлення: природне, штучне і сумісне.
Природне освітлення бічне - світло проникає в приміщення через два вікна
приблизними розмірами 1,5х2 м. Відповідно фактичний КПО становить 10-17%,
що задовольняє умови ДБН В.2.5-28-2018 для ІІ розряду зорової праці.
Штучне освітлення застосовується при недостатності природного
освітлення або відсутності його (у темний час доби). За призначенням штучне
освітлення належить до робочого.
Характер зорової праці відноситься до дуже високої точності, найменший
розмір об’єкту розрізнення 0,15-0,3 мм, контраст об’єкту з фоном та
характеристика фону середня, що відповідає ІІ розряду та підрозряду – в. Згідно
ДБН В.2.5-28-2018 штучна загальна освітленість при даній роботі повинна бути
не менша 500 лк, а комбіноване 750 лк. Загальне штучне освітлення створюється
штучними джерелами світла: люмінесцентними світильниками. Кількість
світильників – 9 шт. Лампа в світильнику має потужність 18 Вт її світловий потік
рівний 1200 лм при напрузі 220 В. Світильники створюють на робочих місцях
фактичний рівень освітлення - 520 лк, що повністю відповідає ДБН В.2.5-28-2018.
Окрім цього, в темну пору року на кожному робочому місці передбачене місцеве
освітлення в вигляді настільної лампи.
На двох робочих місцях знаходяться лабораторні стенди та вимірювальні
прилади для проведення досліджень. В приміщенні лабораторії знаходиться
холодильний апарат, шафа з вимірювальними приладами та документацією.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для зберігання, обробки та аналізу даних в лабораторії розміщені два
персональних комп’ютера та копіювальний апарат. Кожен із працівників
лабораторії працює за комп’ютером незначний час (не більше 2-3 годин за
робочий день). Монітор розміщено так, щоб світлові відблиски з вікна не
заважали роботі. Відстань від екрану монітора до очей становить не менше 70 см.
Поза працюючого за комп’ютером вільна, що забезпечується регулюванням
висоти та нахилом робочого крісла. Робота за комп’ютером ведеться відповідно
ДСанПіН 3.3.2-007-98.
Для живлення обладнання (персональний комп’ютер, копіювальна техніка,
холодильний апарат та ін. електроприлади) передбачена електрична мережа
напругою 220 В. Для цього на висоті 90 см від підлоги обладнанні 4 розетки. Над
розетками розміщені попереджувальні надписи з зазначенням напруги в розетці.
Параметри електробезпеки лабораторії відповідають вимогам ПУЕ та ДНАОП
0.00-1.32-01.
На робочих місцях лабораторії витримуються необхідні параметри
мікроклімату: температура у холодний період року становить 21-23 ºС, в теплий –
22-24 ºС; відносна вологість повітря залежно від температури знаходиться у
межах 55-65 %; швидкість руху повітря знаходиться в межах 0,1-0,2 м/с, що
відповідає ДСН 3.3.6.042-99.
Для дотримання оптимальних параметрів мікроклімату в приміщенні
передбачена природна вентиляція (згідно ДБН В.2.5.67-2013) отвір якої
знаходиться над дверима.
Для попередження небезпечного впливу на здоров’я, працівники щорічно
проходять медичний огляд; в лабораторії два рази на добу проводиться вологе
прибирання, а раз на місяць дезінфікують все приміщення. Категорично
забороняється на робочих місцях вживати їжу та напої, для цього є спеціально
обладнане приміщення.
В приміщенні лабораторії існує невеликий рівень шуму від системного
блока комп´ютера, копіювального апарату та інших електричний приладів.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Фактичний рівень шуму 48-50 дБА не перевищує нормативний в 60 дБА
відповідно ДСН 3.3.6.037-99.
На працівників лабораторії впливають також деякі психофізіологічні
чинники, зокрема нервово-психічні перевантаження (монотонність роботи,
розумове перенапруження, тощо).
Для зниження негативного впливу рекомендується протягом робочого дня
через кожен час роботи за комп´ютером робити п’яти хвилинні перерви.
Працівники, що працюють з комп´ютером, обов’язково раз на рік проходять
медичний огляд у офтальмолога.
Відповідно до НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні»
в установі розроблені відповідні заходи щодо забезпечення пожежної безпеки:
- визначені обов’язки посадових осіб щодо забезпечення пожежної безпеки;
- призначені відповідальні, які пройшли навчання і перевірку знань з
пожежної безпеки, за пожежну безпеку окремих приміщень;
- встановлений протипожежний режим та визначені місця для куріння,
застосування нагрівальних електроприладів;
- розроблені й затверджені загальнооб’єктові інструкції про заходи пожежної
безпеки;
- розроблена схема евакуації людей із установи на випадок пожежі. Схеми
евакуації розміщені на кожному поверсі будівлі (ДБН В.1.1.7-2016).

Усі працівники при зарахуванні на роботу, безпосередньо на робочому місці
та щороку за місцем роботи проходять відповідно вступний, первинний та
повторний протипожежний інструктажі. Запис про проведення проти пожежного
інструктажу робиться в журналі, після чого дозволяється приступити до роботи.
За характеристикою пожежної небезпеки приміщення лабораторії
відноситься до категорії В (у приміщенні знаходяться негорючі та важкогорючі
матеріали) відповідно ДСТУ Б В.1.1-36:2016.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На випадок пожежі крім головного виходу існує запасний евакуаційний
вихід, що виходить на сходову клітку. Ширина шляху евакуації становить не
менше 1 м, а дверей евакуаційного виходу – не менше 0,8 м при висоті проходу не
менше 2 м. Над дверима написано слово «Вихід». Евакуаційні шляхи
утримуються вільними та не захаращеними.
Для забезпечення більш надійного протипожежного захисту приміщення
необхідно застосування пожежної автоматики. Тому у приміщенні лабораторії
вкрай необхідно встановити систему пожежної сигналізації, відповідно ДБН
В.2.5-56-2014. Для ліквідації невеликих осередків пожежі в установі передбачені
первинні засоби пожежогасіння - вогнегасники ВП-2 та ВП-5У, встановлені
спеціальні щити які розміщені в легкодоступних місцях.
В результаті проведеного аналізу можна зробити висновок, що умови праці
на робочих місцях в лабораторії за більшістю показників відповідають
оптимальним параметрам режиму роботи. Для забезпечення повноцінного
надійного протипожежного захисту лабораторії необхідно розробити та
змонтувати в ній систему пожежної сигналізації.

7.2 Розробка системи пожежної сигналізації в приміщенні
лабораторії

Система пожежної сигналізації призначена для своєчасного виявлення місця
загорання й формування керуючих сигналів для систем оповіщення про пожежу й
автоматичне пожежегасіння.
Вітчизняні нормативні документи по пожежній безпеці суворо
регламентують перелік будинків і споруд, що підлягають оснащенню
автоматичною пожежною сигналізацією (ДБН В.2.5-56-2014). У цей час весь
перелік організаційно-технічних заходів на об'єкті під час пожежі має одну
головну мету - порятунок життя людей. Тому на перше місце виходять завдання
ранішнього виявлення загорання й оповіщення персоналу.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Основні функції пожежної сигналізації забезпечуються різними технічними
засобами. Для виявлення пожежі слугують оповісники, для обробки й
протоколювання інформації й формування керуючих сигналів тривоги -
приймально-контрольні пристрої й периферійні пристрої.
Для забезпечення пожежної безпеки в приміщенні лабораторії пропонується
застосувати мережеву адресну систему пожежної сигналізації Simplex, яка
скдадається з приймально-контрольного приладу Simplex 4100U та різноманітних
оповісників (датчиків).
В якості пожежних датчиків пропонується використати адресні комбіновані
пожежні датчики Simplex для раннього виявлення пожежі з захистом від
помилкових тривог
Комбіновані пожежні датчики Simplex 4098-9754 із серії TrueAlarm
поєднують в собі фотоелектричний датчик диму і термісторний датчик
температури. Для аналізу показників датчиків використовується запатентована
технологія Simplex TrueSens, яка забезпечує раннє виявлення пожежі та високий
рівень захисту від помилкових тривог. Ці пожежні датчики підключаються до
приймально-контрольного приладу Simplex 4100U через шлейфи двухпровідної
лінії зв'язку IDNet і можуть встановлюватися на стандартні бази, бази зі звуковою
сигналізацією та бази з ізолятором. Як і інші датчики Simplex, оповісники 4098-
9754 мають вбудовану функцію магнітного тестування.
Налагодження чутливості комбінованого пожежного датчика виконується
через приймально-контрольний прилад пожежної сигналізації, при цьому
можливо запрограмувати автоматичну зміну чутливості датчиків (підвищення
днем і зниження вночі) і поетапну активацію тривоги в залежності від ступеня
задимлення і температури навколишнього середовища (при низьких значеннях
видається попередження, при високих - сигнал тривоги). Завдяки використанню
спеціальних типів точок пожежний оповісник 4098-9754 може передавати дані від
димового і теплового сенсора, використовуючи тільки одну адресу IDNet. При
цьому дані про задимлення і температуру, що приходять з комбінованого датчика
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

можуть програмно оброблятися як в сукупності так і окремо. Існує можливість
підключення до одного шлейфу до 250 пожежних датчиків TrueAlarm.
Для спільної роботи пожежних датчиків Simplex з ПКП 4100U
використовуються протокол IDNet. При цьому в один двухпровідний шлейф
класу А (кільцева структура) або В (деревоподібна структура) можна об'єднати до
250 датчиків і адресних пристроїв. При інсталяції системи пожежної сигналізації
в ці шлейфи можна включити не тільки пожежні датчики, а й адресні модулі
ізоляції коротких замикань, командні і моніторні модулі. Для прокладки шлейфів
використовується як екранована, так і неекранована кручена пара, а загальна
довжина проводів при цьому може складати до 3 км.
Робота димового датчика заснована на контролі оптичної щільності
навколишнього середовища, коли пожежний датчик з певною частотою порівнює
амплітуди імпульсів відбитого від часток диму інфрачервоного випромінювання.
Імпульси формуються ІЧ-випромінювачем, змонтованим в димової камері
пристрою, що знаходиться там же. Фотоприймач орієнтований так, щоб при
роботі в штатних умовах ІЧ випромінювання ним не фіксувалося. При попаданні
частинок диму в оптичну камеру пожежного датчика на них відбувається
хаотичне розсіювання випромінювання діода і частина цього випромінювання
потрапляє на фотоприймач, збуджуючи електричний сигнал. Чим вище
концентрація диму в повітрі, тим вище рівень електросигналу і при перевищенні
ним певного порогового значення датчик диму формує повідомлення про
пожежну тривогу.
Для налагодження оптичного датчика пропонується 7 рівнів чутливості в
діапазоні від 0,2 до 3,7% концентрації диму. Завдяки конструкції головки у
вигляді жалюзі, пожежний датчик може реагувати на надходження диму з будь-
якого боку, а використання фотоелектричної технології виявлення димових
частинок дозволяє пристрою коректно працювати при швидкості повітряного
потоку до 10 м / с.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Вбудований в пожежний датчик Simplex 4098-9754 теплової сенсор може
ідентифікувати пожежу як при досягненні температурою навколишнього
середовища заздалегідь заданого значення, так і на підставі швидкості росту цієї
температури. Одночасне відстеження відразу двох параметрів допомагає
уникнути помилкового спрацьовування датчика при швидкій зміні температури в
нормальних умовах, наприклад, при відкритті вхідних дверей або при включенні
опалювальних приладів. Крім ідентифікації пожежі, теплові датчики можуть
працювати як датчики поточної температури для систем кондиціонування та
опалення.
Всі повідомлення пожежний датчик Simplex 4098-9754 передає в
цифровому форматі на панель пожежної сигналізації 4100U, де виконується
інтелектуальна оцінка даних. При цьому пожежна панель дозволяє виконувати
наступні функції:
- індивідуальний вибір чутливості для кожного пожежного датчика;
- моніторинг чутливості оповісників;
- реєстрація максимальних значень температури для точного аналізу і
настройки чутливості;
- автоматична індивідуальна перевірка датчиків, виконувана раз в хвилину,
забезпечує надійність роботи пожежних оповісників;
- автоматична компенсація змін зовнішніх умов;
- використання технології TrueSense для спільного аналізу показань датчика
диму і датчика температури;
- можливість перегляду і друку інформації про стан оповісника;
- інформація про чутливості датчика диму виводиться на дисплей у відсотках,
а значення температури в градусах Цельсія.

І димовий, і тепловий пожежні датчики комбінованого оповісника Simplex
передають дані на панель пожежної сигналізації 4100U для оцінки наступних
параметрів: поточного значення температури, швидкості її підйому і ступеня
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

задимленості. Далі всі ці параметри обробляються і корелюються з
використанням функції TrueSense. При цьому виконується зіставлення показань
димового і теплового сенсорів із застосуванням протестованої ковариаційної
матриці, що забезпечує визначення ознак пожежі на більш ранньому етапі, ніж
при використанні показань кожного датчика окремо. В результаті, завдяки
технології TrueSense, протипожежна система стає чутлива як до уповільнених
пожеж з відносно низькою температурою, так і до таких, що швидко
розвиваються (високотемпературних пожеж).
Комбіновані пожежні датчики Simplex можуть бути протестовані
безпосередньо на місці установки за допомогою магніту. При тому, що при
піднесенні магніту до корпусу датчика під дією магнітного поля відбувається
замикання контактів вбудованого в пристрій геркону, після чого справний датчик
відразу ж переходить в тривожний стан, і світлодіодний індикатор на його корпусі
загоряється. Якщо пожежний датчик несправний, то індикатор спочатку блимає, а
потім загоряється. При цьому інформація про стан будь-якого датчика може бути
виведена на екран пожежної панелі 4100U.
Використовуючи спеціальні корпуси, димові датчики Simplex можна
встановлювати у вентиляційні труби. В цьому випадку вони виявлятимуть
наявність частинок диму в повітряних потоках системи вентиляції. Для монтажу у
повітроводи пожежні датчики кріпляться до корпусу, а потім через монтажний
отвір поміщаються в трубу, після чого корпус фіксується на трубі гвинтами. На
зовнішній панелі корпусу знаходиться світлодіодний індикатор, який показує, в
якому стані знаходиться димовий датчик. Компанія Simplex поставляє корпуси
для монтажу пожежних датчиків у повітроводи круглого і квадратного перетину.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 7.1- Основні технічні характеристики на адресні димові датчики
Simplex
Параметри Значення
Напруга живлення: 24 – 40 В пост. струму
Швидкість потоку повітря: 0-610 м/мін.
Площа покриття: 90 м2
Прокладка проводів Вита пара 1,5 – 0,75 мм2
Струм в черговому режимі: 0,1 мА, 24 В пост. струму
Струм в тривожному стані: 24 мА, 24 В пост. струму
Робочі умови: 0 - 95%, 0 - 50°С
Колір корпусу: Білий
Габарити: D 124 мм х 54 мм (з підставою)

Приймально-контрольний прилад Simplex 4100U дозволяє об'єднати в одну
систему пожежну сигналізацію і цифрову або аналогову систему сповіщення. При
виникненні тривожних ситуацій система сповіщення передає раніше записані або
призначені для користувача оголошення про тривогу або евакуацію персоналу,
використовуючи підсилювачі на 50 або 100 Вт. Основу системи сповіщення
складає вбудований в розширювальне шасі ПКП аудіо контролер, а трансляція
може одночасно здійснюватися по 3-8 каналам у разі використання цифрової
системи або по 1-2 каналам в системі аналоговій. Для екстреного зв'язку з
пожежною командою на об'єкті можна розвернути систему пожежних телефонів,
що складається з центрального комутуючого апарату і видалених телефонів.
На базі контрольного приладу Simplex 4100U на об'єкті може бути
розгорнена не тільки пожежна сигналізація, але і система сповіщення з
можливістю роботи в автоматичному або ручному режимі. У автоматичному
режимі трансляція по зонах екстреного повідомлення проводиться у разі
надходження сповіщення про тривогу, а в ручному диспетчер може сам
передавати екстрені оголошення з мікрофонного блоку системи сповіщення
Simplex або запускати заздалегідь записані повідомлення у вибрану зону
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 66
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

сповіщення. За відсутності пожежної тривоги подібна система може
використовуватися для трансляції музики або передачі оголошень рекламного або
службового характеру в торгових центрах і офісних будівлях.
Для організації системи сповіщення в розширювальне шасі контрольної
панелі 4100U додатково вбудовується цифровий або аналоговий аудіо контролер,
плати розширення зон сповіщення, плати для видаленого сповіщення, мікрофонні
консолі і пожежний телефон. Також система комплектується цифровими або
аналоговими підсилювачами. Відзначимо, що об'єднання системи сповіщення з
пожежною сигналізацією дозволяє скоротити кількість проводів для прокладки
ліній комутацій, а так само число шаф в диспетчерській оскільки підсилювачі
системи можуть бути рознесені по об'єкту, а отже, і витрати на інсталяцію і
обслуговування всієї системи в цілому.
Централізоване управління сповіщенням в мережі з декількох ПКП
окрім голосового, звукового і світлового сповіщення про евакуацію, пожежна
система Simplex забезпечує оперативний зв'язок центрального поста з пожежною
командою через внутрішній телефон. Якщо на об'єкті організована система
пожежної сигналізації, що складається з декількох ПКП, об'єднаних в мережу, то
зберігання голосових або звукових повідомлень і їх розподіл по аудіо системах
окремих контрольних приладів проводить центральний аудіо контролер,
встановлений на центральній станції. Такий підхід забезпечує швидкий пошук
необхідного повідомлення і його трансляцію на інші панелі мережі, що позбавляє
від необхідності встановлювати аудіо контролери в кожну пожежну панель.
У заводській комплектації аудіо контролер системи сповіщення має
вбудовану карту пам'яті, куди можна записати повідомлення тривалістю 2
хвилини з нормальною якістю або 1-хвилинний ролик з високою якістю.
Розширивши вбудовану пам'ять, можна записати на аудіо контролер
повідомлення тривалістю до 32 хвилин. При цьому для завантаження звукових
файлів в систему використовується вбудований порт контролера. Крім того,
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 67
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підключивши до нього 2 додаткових модуля аудіо входів, можна розширити
систему сповіщення до 6 виносних мікрофонів і 11 різних аудіо входів.
Для пожежних панелей 4100U Simplex поставляє два типи аудіо контролерів
– аналогові і цифрові, при цьому система сповіщення може бути або тільки
аналоговою, або тільки цифровою, застосування змішаних систем неприпустимо.
Аналоговий контролер може передавати звукові повідомлення поодинці або двом
каналам одночасно, в цьому випадку в системі сповіщення використовуються
аналогові підсилювачі і аналогові лінії трансляції повідомлень. Цифровий аудіо
контролер одночасно передає повідомлення більш ніж по двох каналах (від 3 до 8)
по одній витій парі, і до нього можуть бути підключені цифрові підсилювачі і
лінії трансляції.
При організації одноканальної системи сповіщення можна виконати
трансляцію тільки одного повідомлення воднораз часу. Таким чином, під час
вступу сигналу «Пожежа» система автоматично відключає всі поточні
повідомлення і запускає екстрене оголошення про евакуацію. Наприклад, воно
автоматично транслюється на поверх пожежі і на поверхи вище і нижче за
пожежу. У разі двоканальної системи сповіщення одночасно можна транслювати
відразу два повідомлення воднораз часу, і під час вступу сигналу «Пожежа»
проводиться евакуація з поверхів пожежі, вище і нижче, а на решту поверхів
будівлі подається, наприклад, сигнал попередження.
Мультиканальна система сповіщення Simplex дозволяє транслювати до 8
різних повідомлень воднораз часу. При цьому, окрім повідомлень про евакуацію і
попереджень, що подаються на всі не евакуйовані поверхи, оператор може
зробити оголошення з мікрофону, не перериваючи трансляції. Завдяки
можливості прив'язки сповіщення до різних подій в системі пожежної сигналізації
і організації затримок трансляції, можна реалізувати складні алгоритми евакуації
людей на крупних об'єктах, наприклад, у висотних будівлях.
Ще одна ланка системи сповіщення – підсилювачі потужності звукового
сигналу. Спільно з ПКП 4100U можуть використовуватися двоканальний
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 68
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підсилювач потужністю 50 Вт і одноканальний підсилювач 100 Вт, які, залежно
від моделі, мають цифровий або аналоговий вхід. До виходів підсилювачів
підключаються шлейфи гучномовців, що мають кільцеву або деревовидну
структуру. Для резервування вихідного голосового сигналу у разі переривання
трансляції повідомлення з аудіо контролера кожен підсилювач системи
сповіщення має можливість формування звукового сповіщення (сирена 500 Гц).
При цьому контроль за поточним станом підсилювачів, напругою і
електрострумом, що подається на пристрої, виконується центральним
процесором, а всі кількісні показники відображаються на дисплеї оператора.
В екстрених ситуаціях, коли радіозв'язок відсутній або є ненадійною,
двосторонній зв'язок в системі сповіщення забезпечують пожежні телефони, що
дозволяє реалізувати систему сповіщення 5-типа (тобто із зворотним зв'язком).
Вони можуть використовуватися не тільки під час гасіння пожеж, але і в ході
пошуку причини пожежної тривоги або під час тестування системи пожежної
сигналізації. У базовому варіанті телефонна система складається з центрального
апарату, встановленого на ПКП 4100U, і видалених телефонних трубок. При
прийомі виклику черговий оператор системи сповіщення може комутувати між
собою різні телефонні лінії або організувати їх роботу в режимі конференц-
зв'язку.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 69
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 7.2 - Основні технічні характеристики системи сповіщення на базі
панелі Simplex 4100U
Джерела живлення
Системне джерело Мах 4 A, 102 - 132 В,
Моделі 120 В
живлення (SPS) 60 Гц
Додаткове джерело
живлення (XPS) Мах 2 A, 204 - 264 В,
Видалене джерело 50/60 Гц; окремі
Моделі 220-240 В
живлення (RPS) відгалуження для
Блок живлення 220/230/240 В
підсилювача 100 Вт
Підсилювачі
Сигнал «сирена» 500 Гц з тимчасовою схемою,
Вбудовані звукові сигнали
ініціюється при відключенні підсилювачів від аудіо
системи сповіщення
контролера
Джерело 19 - 35 В
живлення від окремого джерела живлення
425 мА
Споживаний при контролі силового каскаду
струм тривоги 82 мА
в режимі зниженої потужності
5,55 A з Значення
безперервним використовується
звуковим для розрахунку
Підсилювачі Flex-50
Споживаний сигналом навантаження
струм тривоги з джерела живлення
повною Значення
2,27 A –
вихідною використовується
середнє
потужністю для розрахунку
значення по
навантаження
тимчасовій
резервного
схемі
живлення від

батареї
Сумарна потужність
Максимум 300 Вт
підсилювачів в одній шафі

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 70
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Характеристики аудіо контролера системи сповіщення
Аналоговий контролер;
225 мА режим очікування і тривоги
Споживання струму
Цифровий контролер;
75 мА режим очікування і тривоги
Вимоги до проводки
аналогової, мережевої лінії 3050 м (10000 ft), екранованою витою парою 18
сповіщення з видаленими AWG (0,82 мм 2)
панелями
Вимоги до проводки
цифрової, мережевої лінії 760 м (2500 ft), витою парою (неекранованою) 18
сповіщення з видаленими AWG (0,82 мм 2).
панелями
Характеристики пожежного телефону
Вимоги до проводки 2300 м (7500 ft) до найвіддаленішого телефону,
екранованою витою парою 18 AWG (0,82 мм 2).
Зарядний пристрій, системне і видалене джерело живлення
6,2 А/год - 50 А/год; вибір за допомогою
Ємність батареї налаштування для батареї до 18 А/год; SPS
сертифікований UL для зарядки виносних
батарей до 110 А/год
Температурна компенсація, повна зарядка батареї
Характеристики і робота за 48 годин відповідно до стандарту UL 864, до
зарядного пристрою 70% за 12 годин відповідно до стандарту ULC
S527
Зовнішні умови
Робоча температура 0°- 49° C (32° - 120°F)
Вологість до 93% при 32° C (90° F)

Центральний телефон підключається безпосередньо до телефонного
контролера панелі 4100U, а для вибору телефонної лінії системи сповіщення
використовуються вбудовані в панель модулі управління. Також центральний
телефон можна безпосередньо підключити до входу аудіо контролера для
трансляції повідомлень без використання мікрофону. Видалені телефони системи
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 71
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

сповіщення можуть бути переносними, які підключаються до відповідної
телефонної розетки, або стаціонарними, такими, що встановлюються в спеціальні
кожухи для видалених пристроїв сповіщення.
Один телефонний контролер панелі 4100U може працювати з трьома
телефонними лініями системи сповіщення, забезпечуючи при цьому підключення
центрального телефону і мережевий зв'язок з видаленими панелями. На крупних і
висотних об'єктах в розширювальне шасі контрольної панелі можна вбудовувати
додаткові модулі телефонних контролерів. Для всіх телефонних ліній,
підключених до пристрою, виконується контроль обриву, короткого замикання і
перевантаження. Якщо відбувається переривання зв'язку між телефонним
контролером і центральною панеллю, всі телефони системи сповіщення
автоматично підключаються до лінії зв'язку, що дозволяє зв'язатися з будь-яким
іншим телефоном просто знявши трубку або підключившись до розетки.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 72
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВОК

В першому розділі даної випускної роботи було розглянуто функції та
можливості систему керування опалення та освітлення житлових будинків. Також
в цьому розділі наведено основні типи таких систем, які відрізняються своєю
взаємодією з керуючою системою. Наведено основні властивості та показано
основні принципи функціонування для найбільш актуальних систем та модулів.
Також були показані загальні функціональні можливості системи керування
побудованої на платформі Arduino. Зроблений попередній аналіз технічного
завдання, в якому визначили: основні функції розроблюваної системи та її
попередньої структури.
В другому розділі було розглянуто основні функції та вимоги які
пред’являються до сучасних систем керування освітленням та опаленням
житлових будинків. Також було описано особливості експлуатації подібних
систем на прикладі реальних будинків. Наведено основні можливі структурні
реалізації систем автоматичного керування (від найскладніших до найпростіших)
і на основі цього синтезовано структурну схему розроблюваного пристрою.
Показано склад основних блоків структурних блоків і зроблено їх
функціональний опис. Зроблений аналіз структурної схеми, на основі якого буде
розроблено електричну принципову схему, плату друковану та складальне
креслення, які наведені в додатках.
В третьому розділі було розроблено функціональну та електричну
принципову схему, наведені та обгруновані елементи розроблюваної системи
керування.
В четвертому розділі проведено аналіз небезпек і шкідливостей, які
виникають в приміщенні цеху при монтажі і збірці системи автоматичного
керування опалення та освітлення житлового будинку. Запропоновано схему
кондиціювання повітря.
Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 73
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Роберт К. Элсенпитер, Тоби Дж. Велт, Умный дом строим сами / Пер. С
англ. – М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. – 384 с
2. Казначеев В. Микросхемы для управления электродвигателями. –
М.:Додэка, 1999. – 288 с.
3. Романец Ю.В., Тимофеев П.А, Шаньгин В.Ф. Защита информации в
компьютерных системах и сетях – М.: Радио и связь, 1999. – 612 с.
4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии,
протоколы. 4-е издание - СПб: Питер, 2011. – 944 с.
5. Аязбай А.Е., Конуркульжин Д.А., Орынбай А.А. Система голосового
управления на одноплатном ARM-миникомпьютере – Высшая школа
Казахстана. – 2004. – № 4. – С. 186-189.
6. У. Соммер., Программирование микроконтроллерных плат
Arduino/Freeduino М.: БХВ-Петербург, 2012. — 256 с.
7. Галицкий А. В., Рябко С. Д., Шаньгин В. Ф. Защита информации в сети.
8. Анализ технологий и синтез решений – М.: ДМК пресс, 2013. – 456 с.
9. Вишневський В. М., Ляхов А. І. Широкосмугові бездротові мережі передачі
інформації // М.: Техносфера, 2005. – 592 с.
10. Слюсар В. Системи MIMO. Принципи побудови та обробка сигналів.
Москва. Електроніка: Наука, Технология, 2015. – 54 с.
11. Стеблюк М.І. Цивільна оборона: Підручник. — К.: Знання, 2006. – 487 с.

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 74
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ДОДАТКИ

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 75
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ЛІСТИНГ ПРОГРАМИ ДЛЯ ARDUINO MEGA 2560

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 76
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 77
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Арк.
СКРТ88.020.003.001 ПЗ 78
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Анотація
Дипломний проект складається з 79 сторінок, 16 рисунків, 5 схем.
Мета роботи: Проектування системи автоматичного керування
освітленням та опаленням будинку на базі платформи Arduino.
Актуальність роботи: В даний час перспективними системами є
інтелектуальні системи керування освітленням та опаленням житлових
будинків, які використовуються для забезпечення оперативного моніторингу
та керування необхідних систем.
Метою даної дипломної роботи є розробка системи автоматичного
керування освітленням та опаленням будинку на базі платформи Arduino
У даній дипломній роботі розглянуто основні принципи побудови
систем керування, розглянуто та обрано обладнання для розроблюваної
системи,
У дипломі представлено основні рекомендацій у вигляди структурної
схеми, функціональної схеми, електричної принципової схеми для побудови
автоматичних систем керування опалення та освітлення житлових будинків
на базі платформи Arduino.
У проекті також наведено опис небезпек та шкідливостей що
виникають при проектуванні такого типу мереж, також наведено опис
приміщення лабораторії, в якому інженер займається проектуванням
телекомунікаційної мережі.
Ключові слова: система керування, Arduino Mega, модуль ESP8266.
РЕЦЕНЗІЯ
на дипломний проект (роботу)
освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»
(назва ОКР)
студента Черкаського державного технологічного університету
факультету електронних технологій і робототехніки , кафедри РТРС
спеціальності 172 – Телекомунікації та радіотехніка
освітня програма «Радіотехніка та робототехнічні системи»

Бершадського Леоніда Миколайовича
(прізвище, ім’я, по батькові)
на тему «Автоматична система керування освітленням та опаленням
розумного будинку на базі платформ Arduino та ESP8266»
дипломний проект (робота) складається з розрахунково-пояснювальної записки, яка містить
сторінок; графічного матеріалу – 4 листів креслення, 1 плакат.
Відповідність роботи спеціальності та завданню Випускна робота відповідає спеціальності 172
Радіотехніка та телекомунікації, а отримані в ній результати в повній мірі відповідають
поставленому завданню.
Актуальність теми проекту проекту розробка система автоматичного керування освітленням
та опаленням будинку на базі платформи Arduino є актуальною темою для випускної роботи.

Відповідність сучасному рівню розвитку науки і техніки. При створенні системи інтелектуального
керування освітленням та опаленням були використані новітні розробки в галузі мікросхемотехніки та
застосовано сучасну елементну базу. Робота відповідає сучасному рівню розвитку науки і техніки.
Загальна характеристика проекту Розрахунки основних параметрів системи проводились
(правильність застосування методів аналізу і розрахунків,
згідно з алгоритмами, описаними у навчальній та технічній літературі. Було проведено огляд
наявних розробок з даної тематики, в результаті критичного аналізу якого була розроблена
відображення передових методів праці, оцінка оригінальних вирішень, практична цінність і
структурна системи керування освітленням та опаленням. Використання розробленої системи
автоматичного керування освітленням та опаленням будинку на розширить можливості
дистанційного та інтелектуального керуванням житлового будинку.

техніко-економічна доцільність; якість оформлення проекту, відповідність вимогам (ДСТУ, ГОСТ і ЄСКД))

Якість оформлення проекту відповідає вимогам до виконання дипломних проектів. Запропонована
робота має зрозумілу структуру, логічну завершеність кожного окремого розділу; отримані
результати наведені у сприйнятому вигляді. Поставлені питання повністю розглянуті,
розрахунки зроблені згідно вимог.
Зауваження до проекту Розроблена система має деяке обмеження у використанні, так як його
функціональність обмежується кількістю цифровий та аналогових портів платформи Arduino.

Висновок про міру економічної та інженерної підготовки студента Зміст дипломної роботи
засвідчує про високий рівень професійної підготовки студента в області спеціальних дисциплін.
Про високий рівень підготовки студента стосовно питань охорони праці людини свідчить
наведений в пояснювальній записці аналіз умов праці інженера-проектувальника при роботі в
технічній лабораторії.
Загальний висновок Оформлення та зміст даної дипломної роботи свідчить про те, що вона в
повній мірі відповідає поставленій задачі, яка послідовно і логічно вирішена з використання
набутих в університеті знань. Дипломна робота заслуговує на оцінку «відмінно», а
Бершадскьий Л.М. на присвоєння йому кваліфікації радіоінженера зі спеціальності 172 –
«Телекомунікації та радіотехніка» за освітньою програмою: «Радіотехніка та робототехнічні
системи».
__________________________________________________________________________________
Рецензент к.т.н.,доецнт
(науковий ступінь, вчене звання, посада, прізвище, ім’я, по батькові)
Начальник кафедри техніки та ЗЦЗ Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв
Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України, Биченко Артем Олексійович

«____»______________2020 р.

___________________

ВІДГУК
на випускну роботу бакалавра
студента групи СКРТ-88 Бершадського Л.М.
на тему:
«Автоматична система керування освітленням та опаленням розумного
будинку на базі платформ Arduino та ESP8266»

Бакалаврська робота складається з пояснювальної записки, яка містить
79 сторінок, 3 креслення та 2 плакати.
Пояснювальна записка складається з оглядової частини, де описуються
загальні принципи побудови автоматичних систем керування освітленням та
опаленням будинку на базі платформи Arduino. Описано принципи роботи та
показано приклади існуючих систем. Наведена схема підключення необхідної
апаратури для реалізації системи віддаленого моніторингу.
Також бакалаврський проект містить розділ охорони праці, в якому
проведено аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають під час роботи за
персональним комп’ютером у приміщенні лабораторії та проведено розробку
системи кондиціювання в цьому приміщенні.
В цілому робота виконана у відповідності до вимог оформлення
дипломних проектів та відповідає стандартам ГОСТ, ДСТУ та ЕСКД. Якість
оформлення проекту відповідає вимогам до виконання випускних проектів.
Запропонована робота має зрозумілу структуру, логічну завершеність кожного
окремого розділу; отримані результати наведені у сприйнятому вигляді.
Поставлені питання повністю розглянуті, розрахунки зроблені згідно
вимог. Рівень студента з теоретичної та практичної підготовки при виконанні
завдання був продемонстрований на досить високому рівні, дипломний проект
заслуговує оцінки "добре", а її автор присвоєння кваліфікації бакалавра з
радіотехніки за спеціальністю 172 Телекомунікації та радіотехніка по освітній
програмі: «Радіотехніка та робототехнічні системи»

Керівник роботи
к.т.н. доцент кафедри РТРС Філіпов В.В.

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