|
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
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.
Кроме непосредственно датчиков осуществляется конфигурация и формирование нарушений в виде текста процедуры. Программа формирования помещается в атрибут "var" параметра контроллера нарушений /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_alarms/prm_rules. Атрибут "var" содержит XML-дерево вида:
<ALARMS>
<it id = "temperature.cond1">
if(x<10) err = "Низкая температура: "+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).
Предусмотрена также функция отложенной выдачи управляющего воздействия. Для этого пользователь устанавливает нужное время, в виде: {Min}:{Sec}. Обработка отложенного управления осуществляется в контроллере /sub_DAQ/mod_JavaLikeCalc/cntr_timers посредством установки атрибута "var" параметра "rules" запросами в виде XML-дерева:
<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.
