|
Автоматизация жилого дома — "Умный дом" (HouseSpirit) |
|
Объектом автоматизации является жилой дом, оснащённый оборудованием, подлежащим автоматизации. Система предназначена для автоматизации действий, выполняемых пользователем или обслуживающим персоналом для обеспечения безопасности, комфорта, удобства проживания на объекте автоматизации – в жилом помещении (комната, квартира, частный дом), а также на прилегающей к нему территории (земельный участок, двор, сад).
Система предназначена для решения следующих задач:
- Контроль доступа на объект автоматизации.
- Контроль микроклимата в помещениях.
- Управление освещением на объекте автоматизации.
- Управления водопроводной сетью на объекте автоматизации.
- Управление бытовой и мультимедийной электротехникой на объекте автоматизации.
- Обеспечение удаленного управления, прямого управления (в режиме реального времени), управления по расписанию объектом автоматизации.
- Обнаружение и устранение аварийных ситуаций.
Целями создания системы являются:
- Улучшение качества жизни человека на объекте автоматизации.
- Повышение безопасности объекта автоматизации.
- Снижение затрат на проживание: снижение затрат на электроэнергию, снижение затрат на использование водопроводной сети.
- Снижение временных и физических затрат на операции, выполняемые пользователем на объекте автоматизации.
Contents
[hide]1 Объект автоматизации
Площадь объекта автоматизации — 300 м2. Температура воздуха в помещениях, предназначенных для установки сервера, датчиков и исполнительных механизмов — от +10 до +25 °С. Температура воздуха вне помещениях, где устанавливаются датчики и исполнительные механизмы — от -30 до +30 °С.
Уровни загрязненности, влажности, освещенности, шума и ионизирующих излучений соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям к жилым зданиям и помещениям (САНПИН 2.1.2.1002-00).
На объекте присутствует электромагнитное излучение, индуцируемое бытовыми приборами, а также средствами электронно-вычислительной техники (Bluetooth, WiFi, GSM).
Система "Умный дом. Сервер управления" представляет собой программно-аппаратный модуль, являющийся основным управляющим центром объекта автоматизации. Сервер принимает и обрабатывает сигналы от различных датчиков, формирует и передает сигналы управления исполнительным устройствами, осуществляет связь с пользователем через сеть GSM. Управление системой пользователями осуществляется через веб-интерфейс.
Система "Умный дом. Сервер управления" включает следующие подсистемы:
- 1) Подсистема контроля доступа.
- 2) Подсистема управления освещением.
- 3) Подсистема управления микроклиматом.
- 4) Подсистема управления водопроводной сетью.
- 5) Подсистема управления бытовой и мультимедийной электротехникой.
- 6) Подсистема обработки информации, поступающей с датчиков.
- 7) Подсистема обеспечения интерактивного взаимодействия с пользователем через Web-интерфейс и через сеть GSM.
- 8) Подсистема авторизации.
- 9) Подсистема формирования отчетов.
- 10) Подсистема конфигурации обеспечивает механизмы добавления, извлечения и редактирования информации в используемой базе данных, для работы подсистем 1-8.
Структурная схема системы домовой автоматики приведена на рисунке 1.
Для управления различным оборудованием жилого дома был разработан концентратор и выстроена беспроводная сеть ZigBee из устройств управления оборудованием. Общий контроль оборудованием, а также предоставление пользовательского Web-интерфейса и иные способы уведомления осуществляются выделенным сервером домовой автоматики. Концентратор сети ZigBee при этом подключается к серверу посредством интерфейса RS-232 и протокола ModBus/RTU. Нарушения в области контроля автоматики высылаются пользователю в виде SMS-уведомлений через подключенный GSM-модем.
Контроллер беспроводной связи имеет следующие технические характеристики:
- наличие приемо-передатчика ZigBee;
- скорость передачи данных по протоколу ZigBee не менее 200 Кб/с;
- наличие USB или COM – порта для соединения с сервером;
- питание от сети 220 В.
GSM-модуль обладает следующими техническими характеристиками (Siemens TC65):
- поддержка стандарта GSM-900;
- наличие USB или COM – порта для соединения с сервером;
- поддержка AT команд стандарта GSM 07.05 и GSM 07.07;
- питание от сети 220 В.
Аппаратная часть сервера:
- процессор архитектуры x86_32 или x86_64 (не ниже Intel Core2 Duo);
- оперативная память класса DDR3, в объёме 2ГБ;
- наличие не менее трех USB - портов.
В качестве программного окружения, для выполнения функции автоматизации жилых помещений — "Умный дом" использовано открытую SCADA-систему OpenSCADA, в окружении которой разработан пользовательский Web-интерфейс "Умный дом", а также реализован опрос и контроль устройствами посредством ZigBee концентратора.
2 Система автоматизации
OpenSCADA имеет несколько способов формирования пользовательских интерфейсов визуализации, начиная от интегрированных инструментов разработки типовых интерфейсов контроля различных областей автоматизации и заканчивая низкоуровневыми механизмами библиотек и интерфейсов графических концептов.
В качестве интегрированных интерфейсов OpenSCADA содержит:
- Модуль "UI.VCAEngine" — движок визуализации для построения унифицированных интерфейсов и представлением (конечной визуализации) с помощью различных типов графических интерфейсов, а также возможностью работы как сервер интерфейсов визуализации.
- Модуль "UI.Vision" — визуализатор "UI.VCAEngine" и графический интерфейс разработки пользовательских интерфейсов на основе библиотеки построения реактивных графических интерфейсов Qt.
- Модуль "UI.WebVision" — визуализатор "UI.VCAEngine" на основе Web-интерфейсов: XHTML, XML, CSS, JavaScript, DOM и AJAX.
К низкоуровневым механизмам построения пользовательских интерфейсов можно отнести любые другие графические библиотеки, в которых есть инструменты быстрой разработки пользовательских интерфейсов. При этом кооперация с OpenSCADA производится как с источником данных и интерфейсом унифицированного управления оборудованием по различным протоколам.
Для предоставления возможности свободного формирования пользовательских Web-интерфейсов, непосредственно в окружении OpenSCADA, предусмотрен модуль "UI.WebUser". В целом OpenSCADA содержит все основные функции типового Web-сервера, а именно:
- Приём клиентских подключений по стандартным транспортным протоколам: TCP, UDP, wikipedia:Unix_domain_socket Unix, а также защищённым соединениям SSL и TLS.
- Поддержка основных функций протокола HTTP, в объёме запросов GET и POST.
- Динамическое формирование пользовательского контента посредством внутреннего JavaScript (JavaLikeCalc) языка в виде потоков с содержимым: языков HTML, XHTML, XML, CSS, JavaScript, изображений различных форматов и т.д.
Следовательно, для построения произвольного пользовательского интерфейса контроля достаточно иметь инсталлированную OpenSCADA с модулями: Transport.Sockets, Transport.SSL, Protocol.HTTP и UI.WebUser.
2.1 Структура и размещение файлов
С целью уменьшения нагрузки на полностью динамическое формирование пользовательского интерфейса, а также для упрощения последующего расширения и модификации стиля, Web-интерфейс был поделён на статическую и динамическую части.
Статическая часть представляет из себя набор шаблонных HTML-файлов, с метками размещения динамики, и ресурсные файлы: CSS, JavaScript и изображения. В целом, статическая часть представлена файлами, которые описаны в таблице ниже:
| Файл | Описание |
|---|---|
| HTML-шаблоны (HouseSpirit/Web/*) | |
| main.html | Главный шаблон пользовательского интерфейса. Содержит общий интерфейс пользователя с меткой расположения содержимого страниц «#####CONTEXT#####». |
| auth.html | Шаблон интерфейса авторизации с меткой расположения содержимого «#####CONTEXT#####». Создан для использования модулем протокола HTTP (/sub_Protocol/mod_HTTP). |
| access.html | Шаблон контроля доступа. |
| temperature.html | Шаблон управления микроклиматом. |
| light.html | Шаблон управления освещением. |
| water.html | Шаблон управления водопроводной подсистемой. |
| tech.html | Шаблон управления электронной и бытовой техникой. |
| friend.html | Шаблон управления пользовательскими устройствами. |
| user.html | Шаблон диспетчера пользователей. |
| devices.html | Шаблон диспетчера устройств. |
| loginError.html | Страница сообщения ошибки аутентификации или её отсутствия. |
| mess.html | Шаблон сообщений активных аварийных ситуаций. |
| report.html | Шаблон формирования отчётов об нарушениях, действиях и системных сообщениях. |
| welcome.html | Страница приветствия, отображаемая по умолчанию в поле контента. |
| Ресурсы (HouseSpirit/Web/res/*) | |
| stylesheet.css | Каскадные таблицы стилей всего пользовательского интерфейса. |
| main.js | JavaScript код главного шаблона, для счётчика времени и сеанса. |
| devMon.js | JavaScript код реализации динамического AJAX интерфейса мониторинга устройств подсистем. |
| access.png, accesson.png | Изображения подсистемы контроля доступа. |
| temperature.png, temperatureon.png | Изображения подсистемы управления микроклиматом. |
| light.png, lighton.png | Изображения подсистемы управления освещением. |
| water.png, wateron.png | Изображения управления водопроводной подсистемой. |
| tech.png, techon.png | Изображения подсистемы управления электронной и бытовой техникой. |
| friend.png, friendon.png | Изображения подсистемы управления пользовательскими устройствами. |
| user.png, useron.png | Изображения диспетчера пользователей. |
| devices.png, deviceson.png | Изображения диспетчера устройств. |
| report.png, reporton.png | Изображение формирования отчётов о нарушениях, действиях и системных сообщениях. |
| help.png, helpon.png | Изображения страницы помощи. |
| HouseSpirit.ico | Иконка Web-интерфейса. |
| hd_l.png, hd_r.png | Левая и правая части заголовка. |
| select_l.png, select_r.png | Изображения фона выбранного элемента меню слева и справа. |
| space_l.png, space_r.png | Изображения свободного пункта меню слева и справа. |
| status_l.png, status_r.png status_edge.png | Изображения строки статуса. |
| Файлы отчётов (HouseSpirit/Web/reports/*) | |
| rep_{user}.html | Последний отчёт пользователя user. |
Динамическая часть реализована скриптами OpenSCADA на внутреннем языке JavaLikeCalc, которые описаны в таблице ниже:
| Адрес скрипта | Описание |
|---|---|
| Скрипт Web-сайта (/sub_UI/mod_WebUser/) | |
| up_hs | Главный скрипт Web-сайта, который выполняет непосредственный приём, первичную обработку и формирование окончательного ответа, а именно:
|
| Библиотека скриптов шаблонов-страниц и системных процессов (/sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/*) | |
| user | Скрипт страницы-шаблона "Диспетчер пользователей" реализует функцию формирования формы управления пользователями в зависимости от прав вошедшего пользователя. |
| devices | Скрипт страницы-шаблона «Диспетчер устройств» реализует функцию формирования формы управления устройствами и генерацией нарушений по ним для двух типов устройств: десятичный и динамичный. |
| devMon | Скрипт формирования интерфейса мониторинга и формы управления устройствами, сконфигурированными в "Диспетчер устройств". Данный скрипт используется всеми подсистемами мониторинга устройств. |
| alarms | Скрипт задачи периодической проверки значений переменных устройств на предмет сконфигурированных аварийных ситуаций. Кроме непосредственного формирования нарушений данный скрипт осуществляет рассылку SMS-сообщений с уведомлениями по телефонам пользователей, установленных для уведомления посредством SMS. |
| mess | Скрипт страницы-шаблона "Нарушения" реализует функцию формирования перечня активных нарушений. |
| report | Скрипт страницы-шаблона "Отчёты" реализует функцию формирования таблицы-отчёта с событиями по системе и различным подсистемам за указанный период времени. Отчёт одновременно генерируется на экране и в файле, который можно, по ссылке, загрузить отдельно. |
В целом алгоритм обработки запросов к страницам следующий (на примере http://localhost:10002/WebUser/temperature?script=devMon):
- запрос поступает в скрипт /sub_UI/mod_WebUser/hs из транспорта /sub_Transport/mod_Sockets/in_WEB_1, посредством модуля протокола Protocol.HTTP;
- грузится файл шаблона temperature.html;
- осуществляется поиск скрипта страницы "devMon" (/sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/devMon). Если аргумент script отсутствует то осуществляется поиск скрипта по имени страницы (/sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/temperature);
- осуществляется передача шаблона страницы в найденный скрипт для формирования динамики;
- результат выполнения скрипта страницы помещается в главный шаблон;
- если скрипт страницы не обнаруживается, то шаблон страницы помещает её содержимое прямо в главный шаблон.
2.2 Менеджер устройств
Менеджер устройств доступен только суперпользователю и формирует форму редактирования (Рис.2), добавления и удаления устройств двух типов: бинарный и десятичный.
Создаваемые устройства непосредственно помещаются в список атрибутов параметра конкретно взятой подсистемы контроллера "ZigBee" модуля источника данных "ModBus" (/sub_DAQ/mod_ModBus/cntr_ZegBee/). Формат записи атрибута имеет вид:
- "R:0:r:cond:Кондиционер:bin:10:Включен:0:Выключен:(120|100)" — для бинарного датчика:
- R — регистр ModBus;
- 0 — адрес регистра ModBus;
- r — только чтение;
- cond — идентификатор атрибута-датчика;
- Кондиционер — наименование датчика;
- bin — тип датчика — "Бинарный";
- 10 — первое значение;
- Включен — имя первого значения;
- 0 — второе значение;
- Выключен — имя второго значения;
- (120|100) — координаты размещения ({x}|{y}) датчика на схеме жилого помещения.
- "R:3:rw:tGhost1:Температура в гостинной 1:dec:град. С:y=2*x;:(120|100)" — для десятичного датчика:
- rw — только чтение;
- dec — тип датчика — "Десятичный";
- град. С — единица измерения переменной;
- y=2*x; — формула пересчёта считанной переменной для отображения;
- (120|100) — координаты размещения ({x}|{y}) датчика на схеме жилого помещения.
In addition to the direct sensors, the configuration and formation of alarms is made in the form of text procedure. The program of formation is placed in the "var" attribute of the alarms controller parameter /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_alarms/prm_rules. The "var" attribute contains the following XML-tree:
<ALARMS>
<it id = "temperature.cond1">
if(x<10) err = "Low temperature: "+x+" < 10";
</it>
</ALARMS>
В соответствии с этим XML-деревом осуществляется формирование нарушений и отправка SMS-уведомлений подписанным пользователям в задаче контроллера /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_alarms, которая исполняется с периодом 1 минута.
SMS-уведомления отсылаются через последовательный транспорт /sub_Transport/mod_Serial/out_GSM и посредством пользовательского SMS-протокола (/sub_Protocol/mod_UserProtocol/up_SMS).
You can also select the delayed giving of the control action. To do this, the user sets the right time, in the form of: {Min}:{Sec}. Processing of the delayed control is made in the controller /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_timers by setting the "var" attribute of the "rules" parameter with the help of requests in the XML-tree:
<TIMERS>
<timer id="temperature.tGhost1" tm="60" user="root">20</timer>
<timer id="temperature.cond1" tm="10" user="root">0</timer>
</TIMERS>
2.3 Подсистемы
Все подсистемы визуализации обслуживаются скриптом /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/lib_web/devMon. В этом скрипте осуществляется обработка запросов от скрипта динамической визуализации Web-браузера и передача ему данных об устройствах подсистемы, необходимых для визуализации (Рис.3). Данные об устройствах передаются согласно прав доступа вошедшего пользователя.
Конфигурация датчиков читается из параметра, соответствующего подсистеме, контроллера "ZigBee" (/sub_DAQ/mod_ModBus/cntr_ZegBee). Значения читаются и записываются в атрибуты датчиков этих параметров или через контроллер отложенного управления.
Задача контроллера "ZigBee" исполняется с периодом 1 секунда, в процессе чего осуществляется запрос текущих значений всех сконфигурированных датчиков. Запись значений осуществляется по факту модификации независимо от задачи периодического опроса или через контроллер отложенного управления, в случае установки ненулевого времени таймера.
Связь контроллера "ZigBee" осуществляется через последовательный исходящий транспорт /sub_Transport/mod_Serial/out_ZegBee.
2.4 Менеджер пользователей
Менеджер пользователей (Рис.4) предназначен для создания, удаления и редактирования учётных записей обычных пользователей.
Пользователи условно делятся на администраторов и простых пользователей. Идентификация пользователя как администратора, в OpenSCADA, осуществляется включением его в группу "WebRoot" (/sub_Security/grp_WebRoot). Обычный пользователь включается в группу "Web" (/sub_Security/grp_Web).
В OpenSCADA у каждого пользователя (/sub_Security/usr_test1/) есть текстовое поле описания, которое, в данном случае, служит для хранения его специализированных параметров в виде:
TEL: +380679859815 SMS: true Report: false sub_access: -- sub_friend: -- sub_light: -- sub_tech: -- sub_temperature: rw sub_water: --
В случае с администратором, записи прав доступа к подсистемам отсутствуют, но присутствуют общесистемные параметры вроде времени жизни сеанса (/sub_Protocol/mod_HTTP).
2.5 Сообщения
Список сообщений формируется, исходя из перечня активных нарушений по их категории "ALARM:House:*" в виде таблицы с временем, категорией, уровнем и сообщением нарушения (Рис.5).
2.6 Отчёты
В формировании отчёта указывается временной диапазон и выбираются типы сообщений. Предусмотрена генерация сообщений для типов:
- "Системные события" — включает сообщения об авторизации и выходе пользователей на ресурсе, посредством категории сообщений "/\/sub_Protocol\/mod_HTTP\//".
- "События подсистем мониторинга и управления" — включает нарушения и запись новых значений по датчикам, посредством категории сообщений "/(ALARM|SET)\:House\/:".
Протокол формируется в виде таблицы (Рис.6) с временем, категорией, уровнем и сообщением нарушения, которая также записывается в отдельный файл отчёта, в последствии доступный по ссылке для отдельного открытия.
