умный дом - Белорусский государственный университет

Учреждение образования
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Конкурс научных работ студентов Республики Беларусь
по естественным и техническим наукам
Девиз: «Будущее»
УМНЫЙ ДОМ
Автор:
Салыго Дмитрий Михайлович
Группа № 340101, курс 1
Факультет: РЭ БГУИР
Научный руководитель: Леонович Анатолий Александрович
Доцент, к-дат ф.-м. наук
Кафедра физики БГУИР
Минск 2004 г.
Содержание
1.Отзыв…………………………………………………………
2.Введение……………………………………………………..
3.Передача сигналов через электросеть…………………..
4.Функциональная схема устройства……………………..
5.Передатчик………………………………………………….
6.Приемник……………………………………………………
7.Управление передачей данных…………………………..
8.Текст программы…………………………………………..
9.Заключение…………………………………………………
10.Список литературы………………………………………
1. Отзыв
Данный научный труд демонстрирует принципиальную реализацию дома
будущего, дома где все электроприборы управляются с центрального
домашнего компьютера.
В ходе исследования получена схема построения электронного дома. Также в
работе осуществлен современный подход к организации локальной
домашней сети через бытовую осветительную сеть, что во многом облегчает
и удешевляет ее техническое исполнение.
В процессе работы студенты показали хорошее владение материалом и
прекрасные склонности к серьёзной научно-исследовательской работе.
Научный руководитель
2.
Введение
/Леонович А.А./
Словосочетанием "Электронный дом" (в англоязычной литературе часто
употребляют термин Smart Home- "умный дом") обозначают квартиру (коттедж)
оборудованную бытовыми функциональными устройствами, управляемыми
компьютером. Причем под бытовыми устройствами понимаются не только
осветительные приборы, СВЧ -печи или кондиционеры, но и бытовая электроника:
телевизоры, видеомагнитофоны, аудиоустройства и т.д.
В настоящее время за рубежом, особенно в США и Японии, рынок устройств для
Smart Home развивается невиданными темпами. Например, в США его объем в
2000 г. достиг 2.5 млрд. долларов. В развитых странах массово строятся дома,
заранее оборудованные в соответствии с технологией Smart Home . Ожидается,
что к 2005 г. в жилищах, оснащенных аппаратурой Smart Home, будет проживать
15-20% населения США и Японии. Концепция "Электронного дома" тесно
интегрирована с понятием "домашняя сеть" и "всемирная паутина". Дело в том,
что, хотя всей начинкой "Электронного дома" может управлять один компьютер,
на самом деле подключаемые к нему устройства образуют сетевую структуру,
иногда достаточно сложной топологии. Интернет также может играть важную роль
в "Электронном доме", обеспечивая связь с внешним миром, удаленный контроль
за состоянием дома и даже его обитателей, когда владелец находится на работе
или в отъезде. Хотелось бы подчеркнуть, что установка в квартире (коттедже)
охранной системы, домашнего электронного театра, автоматических
выключателей и тому подобных устройств отнюдь не означает, что дом стал
"Электронным". Чтобы присвоить такое название с полным основанием,
необходимо объединить все функциональные устройства в сеть под управлением
компьютера. Именно тогда появляются возможности, характерные для
"Электронного дома" : гибкое управление функциями и режимом работы
устройств, обработка различных данных и сигналов в едином центре,
автоматизация функций, удаленное управление, автономная работа по единому
замыслу и многое другое. Данная работа принципиально описывает одну из
возможных реализаций “Электронного дома”.
3.
Передача сигналов через электросеть
Действие устройства основано на том свойстве, что
по проводам электрической сети можно передавать высокочастотные
колебанияс частотой до 150 кГц. Они свободно распространяются до
ближайшего трансформатора. Этот же принцип используется при передаче
по радиотрансляционным проводам трех станций, две из которых передаются
с модуляцией частот 78 и 120 кГц.
При частотах более 150 кГц часть ВЧ энергии начинает излучаться в
эфир, создавая помехи. По этой причине применять более высокие частоты
для передачи информации по сетевым проводам нецелесообразно.
В данном устройстве использовано такое свойство переменного
синусоидального тока, как отсутствие питающего напряжения, в то время,
когда ток принимает нулевое значение, т.е. когда значение тока равно нулю
мы можем передать в сеть любой управляющий сигнал.
На этом же свойстве построено и данное устройство, которое
позволяет посылать управляющие сигналы через внутриквартирную
осветительную сеть переменного тока. С домашнего пульта управления
можно включать и выключать различные бытовые электро- и радиоприборы,
открывать входную дверь или ворота гаража и т.д. Пульт управления может
быть как стационарным, так и переносным. Передатчик и приемник
подключают к контактным гнездам сети переменного тока внутри квартиры.
Принцип действия.
4. Функциональная схема устройства.
Принцип действия поясняется рис.1. Частоту управляющих сигналов
выбирают в пределах 1…10 или 60…140 кГц
Чем выше управляющая частота, тем сильнее сказывается вредное
влияние емкости и индуктивности электропроводки. Не разрешается, чтобы
сигналы передатчика проникали за пределы дома (квартиры). Чтобы этого не
произошло, в сеть включают соответствующие дроссели и фильтры. Опыт
показал, что при управляющей частоте 1…2 кГц роль помехоподавляющего
фильтра играет квартирный электросчетчик. Помех радиоприему или
телевидению при этом не возникает. Нельзя применять управляющие
сигналы с частотой, превышающей 100 кГц. Следует также добавить, что чем
меньше нагружена домашняя электросеть, тем лучше для работы устройства.
Рис.1
5. Передатчик
Передатчик представляет из себя ни что иное как транзисторный
автогенератор. Принципиальная схема показана на рис.2.
Рис.2.
Питается автогенератор непосредственно от осветительной сети. Питающее
напряжение поступает на понижающий трансформатор Тр1 , который
понижает напряжение до 8 В. Роль выпрямителя выполняет диод Д2, а
конденсатор С1 снижает пульсации уже выпремленного тока. Изменяя
индуктивность катушки L1 можно изменять частоту генератора. Для
корректной работы генератора резистором R1 подбирают ток на коллекторе
транзистора, который должен составлять 10…50 мА. Конденсатора С1 и С2
выполняют роль фильтров, не позволяющих переменному напряжению сети
поступать на выход генератора.
Катушка L1 имеет 500 витков провода ПЭВ или ПЭЛ 0,1 и наматывается на
ферритовом стержне от магнитной антенны диаметром 8...10 длиной 50...100
мм. Тр1 - звонковый или накальный трансформатор; В1 - кнопка от звонка.
С2-100 мкФ\100 В, С1,С3-3300 пФ\400 В, С4-470 пФ\400 В, С5-390 пФ\400 В
С6-0,033 мкФ\100 В, R1-15 кОм, R2-56 кОм, R3-560 Ом, VT 1-Ad 365, D1Z61.
6. Приемник.
Принципиальная схема приемника показана на рис.3.
Рис.3.
Сигнал поступающий от передатчика поступает на колебательный контур.
При определенном значении частоты контур входит в резонанс, на вторичной
катушке происходит резкое увеличение тока, что приводит к срабатыванию
электронного реле. Катушки L1, L2 приемника (рис.3) содержат по 200
витков провода ПЭВ 0,1 и наматываются на броневом ферритовом
сердечнике диаметром 18 и высотой 11 мм или по 500 витков того же
провода, но намотанного на ферритовом стержне от магнитной антенны
(6...10 X 50...100 мм); Тр2 - звонковый трансформатор; реле Р имеет
контакты, допускающие прерывание мощности 50 Вт. Добавляя резонансные
контуры, можно получить многоканальное устройство.
7. Управление передачей данных.
Организовать управление многоканальным передатчиком можно следующим
образом:
Выше указанная схема работает по принципу счетчика импульсов. В
зависимости от числа поданных импульсов подается сигнал высокого уровня
на том или ином выходе Qn. Который далее фиксируется и попадает на
базовый вход транзистора, замыкая нужный резонансный контур.
Счетчик состоит из трех комбинированных триггеров типа JK. Тактовые
входы С1 инверсные динамические, управляются синхронно спадом
входного импульса. Последовательность импульсов наглядней изобразить
таблицей:
Кол.-во импульсов Q0
Q1
Q2
0
0
0
0
2
1
0
0
4
0
1
0
6
1
1
0
8
0
0
1
Очевидно, что 6 импульсов в данной схеме использоваться не может. Для
того чтобы управлять входами J и K триггера на S и R должны быть поданы
напряжения высокого уровня. Поэтому в схеме использованы два
дополнительных входа R, S с логикой 2и-не на входе. При необходимости
обнуления значений счетчика подается импульс на вход R (производиться
сброс данных по всем триггерам одновременно.
Для того чтобы временные значения количества пришедших импульсов не
производили запуск ненужного контура на выходе из Qn сигнал попадает на
два последовательно соединенных конденсатора, которые обеспечивают
задержку по времени до зарядки (время необходимой задержки зависит
емкостей используемых конденсаторов ), затем происходит сброс счетчика .
Для того чтобы зафиксировать сигнал используется Т-триггер, который
переключается каждым входным импульсом. Возможность увеличении
управляемых контуров обеспечивается подключеним аналогичной схемы к
выходам Q0 и Q1.
Для получения управляющих импульсов для счетчика можно использовать
последовательный порт ПК. Самой простой реализацией генерации
управляющих сигналов является использование сигналов DTR и RTS.
Распайка последовательного порта показана ниже:
На материнской плате
Pin Name Dir
Description
1
CD
Carrier Detect
2
RXD
Receive Data
3
TXD
Transmit Data
4
DTR
Data Terminal Ready
5
GND
System Ground
6
DSR
Data Set Ready
7
RTS
Request to Send
8
CTS
Clear to Send
9
RI
Ring Indicator
В стационарном режиме на три выхода порта(TXD,DTR,RTS) подается
отрицательное напряжение. При обращении к порту на выходах DTR и RTS
напряжение сменяется на противоположное. Таким образом программно
можно получать прямоугольные сигналы.
8.Текст программы
Для генрации импульсов воспользуемся одной из наилучших систем
объектно-ориентированного программирования C++ Builder.
С последовательными портами в C++ Builder работают как с файлами.
Используют функцию CreateFile. Ее прототип выглядит так:
HANDLE CreateFile(
LPCTSTR
lpFileName,
DWORD
dwDesiredAccess,
DWORD
dwShareMode,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,
DWORD
dwCreationDistribution,
DWORD
dwFlagsAndAttributes,
HANDLE
hTemplateFile
);
Функция имеет много параметров большинство из которых
не используется. Ниже дано краткое описание:
lpFileName
Указатель на строку с именем открываемого или создаваемого файла.
Формат этой строки может быть очень хитрым. В частности можно
указывать сетевые имена для доступа к файлам на других компьютерах.
Можно открыват логические разделы или физические диски и работать в
обход файловой системы. Однако для наших задач это не нужно.
Последовательные порты имеют имена "COM1", "COM2", "COM3", "COM4"
и так далее. Точно так же они назывались в MS-DOS, так что ничего нового
тут нет. Параллельные порты называются "LPT1", "LPT2" и так далее.
Учтите, что если у Вас к порту СОМ1
подключена мышь, Windows не даст открыть этот порт. Аналогично не
удастся открыть LPT1 если подключен принтер. А вот с модемом дела
обстоят немного по другому. Если какая-либо программа использует модем,
например вы дозвонились до своего провайдера Internet, то Вашей программе
не удастся открыть порт к которому подключен модем. Во всех остальных
случаях порт будет открыт и Вы сможете работать с модемом сами, из своей
программы.
dwDesiredAccess
Задает тип доступа к файлу. Возможно использование следующих значений:
0
Опрос атрибутов устройства без
получения доступа к нему.
GENERIC_READ
Файл будет считываться.
GENERIC_WRITE
Файл будет записываться.
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE
Файл будет и считываться и
записываться.
dwShareMode
Задает параметры совместного доступа к файлу. Коммуникационные порты
нельзя делать разделяемыми, поэтому данный параметр должен быть равен 0.
lpSecurityAttributes
Задает атрибуты защиты файла. Поддерживается только в Windows NT.
Однако при работе с портами должен в любом случае равняться NULL.
dwCreationDistribution
Управляет режимами автосоздания, автоусечения файла и им подобными.
Для коммуникационных портов всегда должно задаваться OPEN_EXISTING.
dwFlagsAndAttributes
Задает атрибуты создаваемого файла. Так же управляет различными
режимами обработки. Для наших целей этот параметр должен быть или
равным 0, или
FILE_FLAG_OVERLAPPED. Нулевое значение используется при
синхронной работе с портом, а FILE_FLAG_OVERLAPPED при
асинхронной, или другими словами, при фоновой обработке ввода/вывода.
Подробнее про асинхронный ввод/вывод я расскажу позже.
hTemplateFile
Задает описатель файла-шаблона. При работе с портами всегда должен быть
равен NULL.
Далее будет приведен исходный текст программы с комментариями,
программа замыкает и размыкает резонансные контуры при нажатии
соответствующих клавишь.
//--------------------------------------------------------------------------#include <time.h>//Подключение стандартных библиотек
#include <vcl.h>
#include <dos.h>
#pragma hdrstop
#include <windows.h>
#include <string.h>
#include "Unit1.h"
//--------------------------------------------------------------------------#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
TForm1 *Form1;
HANDLE
port;//Описание переменных
int
i,k1=0,k2=0;
//------------------------------------------------------------------------__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)
: TForm(Owner)
{
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)//При нажатии
//первой кнопки
{
port=CreateFile("COM1",GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_
EXISTING,0,NULL);
EscapeCommFunction(port,CLRDTR);//Установка нуля на сигналеDTR
for(i=0;i<8;i++){//Подача 8-ми импульсов на счетчик с интервалом 0.1 с
EscapeCommFunction(port,CLRRTS);
sleep(.1);
EscapeCommFunction(port,SETRTS);
}
sleep(.5);//Время на зарядку конденсаторов
EscapeCommFunction(port,SETDTR);//Обнуление счетчика
if (k1==0) k1=1;//Смена надписей на кнопке
else k1=0;
if (k1==1) Button1->Caption="Выключить";
else Button1->Caption="Включить";
CloseHandle(port);
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button2Click(TObject *Sender)//При нажатии второй
//второй кнопки
{
port=CreateFile("COM1",GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_
EXISTING,0,NULL);
EscapeCommFunction(port,CLRDTR);//То же что и в предыдущем случае
for (i=0;i<8;i++){ for(i=0;i<2;i++){//Подача на второй счетчик восьми
// импульсов, для замыкания второго
// резонансного контура
EscapeCommFunction(port,CLRRTS);
sleep(.1);
EscapeCommFunction(port,SETRTS);
};
Sleep(.5);//Время для зарядки конденсаторов
EscapeCommFunction(port,SETDTR);//Сброс счетчика
sleep(.1);
EscapeCommFunction(port,CLRDTR);
};
if (k2==0) k2=1; //Смена надписей на кнопке
else k2=0;
if (k2==1) Button1->Caption="Выключить";
else Button1->Caption="Выключить";
CloseHandle(port);
}
//---------------------------------------------------------------------------
9. Заключение
Хотелось бы отметить первоочередные и приоритетные задачи Smart Homeтехнологии- обеспечить безопасность и удобство жизни человека:
автоматические сигнализации и противопожарные системы станут в
ближайшем будущем незаменимым атрибутом любого здания. Не за горами
и то время, когда проснувшись утром и сказав лишь несколько слов можно
будет приготовить завтрак и ознакомиться с последними новостями не
вставая с кровати.
Список используемой литературы:
1. М. И. Богданович, И. Н. Грель, В. А. Прохоренко, В. В. Шалимов
2. Цифровые интегральные микросхемы; Мн. : Беларусь; 491.
3. Шагурин И. И. Транзисторно-транзисторные логические схемы. М.:
Сов. радио; 1974.
4. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справ.- Челябинск:
Металлургия, 1988.
5. Скарлетт Дж. Транзисторно-транзисторные
логическиеинтегральные схемы и их применение/Пер. с англ.: В. Л.
Левина, Л. С. Ходоша; Под ред. Б. И. Ермолаева.- М. Мир, 1974.
Интернет-сайты
1. WWW.RSDN.RU
2. WWW.DIAGRAM.UA
3. WWW.CODENET.RU
4. WWW.RADIONET.COM