ВКР: Разработка цифровой системы управления освещением с применением технологий интернета вещей (IoT)

Аннотация

В выпускной квалификационной работе на тему «Разработка цифровой системы управления освещением с применением технологий интернета вещей (IoT)» решается основная задача повышения эффективности существующих систем освещения путем применения современных аппаратных и программных средств реализации и технологий интернета вещей.

В работе была разработана и проанализирована система автоматизированного управления освещением учебной аудитории на базе микроконтроллера ESP32. Проведен анализ существующих решений и технологий, расчеты экономической эффективности и рассмотрены возможные варианты работы системы.

Выпускная квалификационная работа содержит 65 страниц машинописного текста, 16 рисунков, 12 таблиц.

Abstract

The final thesis on the topic "Development of a digital lighting control system using Internet of Things (IoT) technologies" solves the main task of improving the efficiency of existing lighting systems through the use of modern hardware and software tools and Internet of Things technologies.

In the work, an automated classroom lighting control system based on an ESP32 microcontroller was developed and analyzed. The analysis of existing solutions and technologies, calculations of economic efficiency are carried out and possible options for the system operation are considered.

The final thesis contains 65 pages of typewritten text, 16 figures, and 12 tables.

Введение

Сегодня потребность людей в передовых технологиях огромна и растет с каждым днем. Область информационных технологий, такая как Интернет вещей, находящаяся на продвинутой стадии развития, все чаще внедряется в нашу повседневную жизнь. Но не все элементы, составляющие Интернет вещей сегодня, являются ноу-хау как в области инженерного программирования, так и на рынке. Например, это не удивит никого, у кого есть умные часы, умный холодильник или другие бытовые приборы, которые автоматизированы и способны передавать информацию на компьютер или смартфон владельца. Кроме того, ими можно управлять удаленно из любой точки мира.

Именно дистанционное управление со смартфона, планшета или компьютера позволяет человеку сэкономить огромное количество энергии, времени и усилий. Кроме того, дистанционное управление позволяет вам проверить состояние вашего устройства из любой точки мира. Это большое преимущество, поскольку пользователю больше не нужно беспокоиться о том, включен ли свет в ванной или работает все еще утюг. Он может просто посмотреть на рабочее состояние устройства в интерфейсе управления и при необходимости выключить его там, где он находится.

В сети Интернет существует множество терминов, определяющих эту область: умный дом, системы автоматизации помещений и зданий, технологии Интернета вещей и многое другое. Все они имеют общее значение и определяют своего рода систему домашней автоматизации как набор устройств, которые взаимодействуют друг с другом и могут управляться общим центром управления.

Конечно, не было ни интернета, ни облачного сервиса, который мы используем сейчас. Но громоздкие подключаемые модули и давно забытые перфокарты могут воплотить в жизнь идею управления умным домом [1].

Первым, кто совершил прорыв, была шотландская компания Pico Electronics, которая в 1978 году разработала универсальный стандарт передачи данных для всех устройств. Целью этого стандарта было создание управляющей шины, которую любой производитель сам может оснастить бытовыми приборами. Это было похоже на язык программирования, который мог использовать любой эксперт, знакомый с операционной системой. Соединение было установлено через обычную розетку с модулем связи. Это время называют эпохой стандарта X10, из-за появления таких технологий, как свет, который включается при хлопке, или автоматически открывающихся дверей.

Появление общих стандартов привело к появлению специализированных рынков. И вскоре, в 1984 году, члены Американской ассоциации компаний жилищного строительства впервые использовали термин "умный дом". В то время для ассоциации создание этого термина было похоже на маркетинговую уловку, подтверждающую быстрое развитие идеи в середине 20 века.

Вслед за Американской ассоциацией компаний жилищного строительства в нем приняла участие Ассоциация электронной промышленности, которая разработала новый универсальный стандарт под названием CEBus, что обозначало – потребительская электронная шина. Это был улучшенный протокол X10, который быстро стал популярным на рынке.

производителей к развитию. Таким образом, по данным ABI Research, в 2012 году во всем мире было установлено около 1,5 миллиона систем домашней автоматизации.

С появлением Интернета системы умного дома развиваются, и именно на этом этапе развития появился новый термин Интернет вещей или Internet of things, IoT. Суть этого термина заключается в среде, в которой устройства, представляющие интерес для тех, кто их использует, подключены к сети. Интерес может быть выражен в возможности управлять устройством или определять его состояние из любой точки мира. Главное место в концепции Интернета вещей занимают обычные дома, в которых живут люди. Это неудивительно, поскольку постоянная уверенность в том, что дома все идет хорошо, определяет спрос в этой области [2].

В настоящее время в мире доступно множество решений для домашней автоматизации, и эта область только начинает набирать обороты. Например, Intel считает, что наиболее важным критерием успешного развития умного дома является использование стандартизированной и сертифицированной открытой платформы, которая поддерживает взаимодействие различных управляемых устройств в одном облаке. Облако относится к конкретной вычислительной модели, в которой данные могут храниться и размещаться на удаленном сервере. Этот сервис доступен через Интернет.

Концепции использования открытой платформы придерживаются большинство мировых производителей, таких как Xiaomi, Redmond, Philips и др. Самое главное - их устройства совместимы друг с другом. Благодаря универсальному подходу нет необходимости использовать продукты только одного бренда, поскольку все устройства обмениваются данными по одному протоколу.

города, могут значительно улучшить качество жизни за счет систем мониторинга и отчетности перед правоохранительными органами, значительно повысить эффективность систем энергоснабжения и водоснабжения, повысить уровень безопасности граждан.

Например, в Москве утверждается проект с планом, направленным на существенное улучшение наиболее важных сфер жизни граждан к 2030 году. Планируется внедрить системы дистанционного контроля за здоровьем, персонализированную медицину, основанную на больших данных о пациентах, и роботизированную хирургию в секторе здравоохранения. Промышленный сектор планируется перевести на роботизированное производство с использованием 3D-печати и персонализации потребительских товаров. В правительственной сфере планируют разработать искусственный интеллект для альтернативного мнения в принятии различных решений. Сферу городского транспорта затронут такие нововведения, как внедрение беспилотных транспортов и управление транспортными потоками, с помощью ИИ.В сфере безопасности разработают систему предотвращения возгорания и затопления, с помощью интернета вещей и многое другое [3].

Основываясь на вышеуказанных целях, система "Умный город" обеспечит централизованное и высококачественное управление городом с использованием технологии Интернета вещей.

Важно отметить, что технология интернета вещей включает в себя не только связь между устройствами, но и хранение, анализ больших объемов данных о пользователях и всех устройствах на удаленных серверах. Из-за этого вытекает ряд уязвимостей, которыми может воспользоваться злоумышленник. К примеру, он может управлять устройствами вашего дома без вашего ведома или выгрузить важную персональную информацию или информацию о бизнесе, если идёт речь об использовании технологий IoT в промышленной сфере.

Быстрое развитие и возможности интернета вещей представляют большой интерес для исследований в этой области. Именно поэтому в рамках выпускной квалификационной работы, будет рассмотрен процесс создания собственной системы управления освещением поэтапно.

Отсюда основными задачами дипломной работы являются:

• анализ существующих решений и технологий;
• создание алгоритма управления освещением;
• интеграция системы с IoT-платформами;
• подбор и обоснование компонентов аппаратной части;
• разработка оптимальной архитектуры системы;
• проведение расчетов энергоэффективности и экономической целесообразности.