Модель комп’ютерної мережі інтелектуального будинку з використанням одноплатних ком’ютерів Raspberry PI (ACIT’2014)

Борейко О. Ю., Береговська Х.В., Теслюк В.М.
Студент ТНЕУ ФКІТ група КСМм – 51,
Аспірант Івано-Франківський НТУ нафти і газу, коледж електронних приладів,
Професор, д-р тех. наук – НУ “Львівська політехніка”.

Вступ
Ідея «інтелектуального будинку» належить американському письменнику-фантасту Рею Бредбері. У 1950 році було надруковане його оповідання «Буде лагідний дощ», у якому письменник описав повністю автоматизований будинок, що міг сам готувати сніданок, здійснювати прибирання, поливати сад та багато іншого. У наш час стрімкий розвиток інформаційних технологій зробив цілком реальним втілення цієї, колись неймовірної, ідеї у життя.

На сьогодні під поняттям «інтелектуальний будинок» або «розумний дім» слід розуміти житлове приміщення, що являє собою систему, яка пропонує абсолютно новий підхід в організації життєзабезпечення будівлі. У такій системі, за рахунок комплексу програмно-апаратних засобів, значно зростає ефективність функціонування і надійність керування усіма підсистемами та виконавчими механізмами [1].

Інтелектуальний будинок разом із комфортом та зручністю, забезпечує суттєву економію енергоспоживання (30 %), зниження платежів за воду (40 %), зниження платежів за тепло (50 %) [2].
Розумний дім повинен вміти розпізнавати конкретні ситуації, що в ньому відбуваються і відповідним чином реагувати на них. Усі підсистеми такого дому мають бути інтегрованими в єдиний комплекс на базі локальних та глобальних мереж. Тому розроблення комп’ютерної мережі для інтелектуального будинку є актуальною задачею сьогодення.

Існуючі на даний час рішення здебільшого є дорогими та недоступними для пересічного користувача. Тому в даній роботі розроблено модель комп’ютерної мережі з використанням одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi, що дає змогу забезпечити низьку вартість при високій надійності.

1. Розроблення структури комп’ютерної мережі
Важливою базовою складовою системи розумного дому є комп’ютерна мережа, що здатна забезпечити швидкий та якісний взаємозв’язок між усіма його підсистемами. Об’єктом для моделювання обрана двохрангова безпровідна мережа Wi-Fi на основі маршрутизатора (топологія «зірка») [3]. До структури комп’ютерної мережі інтелектуального будинку (рисунок 1) входять робочі станції, до яких під’єднані системи давачів та виконавчих пристроїв (актюаторів) та сервер, об’єднані через маршрутизатор. В якості робочих станцій для даної мережі використано одноплатні комп’ютери Raspberry Pi. Вибір пояснюється доступністю та функціональністю, а також гнучкістю у налаштуванні даних пристроїв для систем розумного дому. Кожен Raspberry Pi разом із системою давачів та виконавчих пристроїв утворює окрему автоматизовану підсистему інтелектуального будинку (ІБ). Сервер слугує для збору та відображення інформації від давачів та керування виконавчими пристроями усіх підсистем.

структура_КМ
Рисунок 1 – Структура комп’ютерної мережі інтелектуального будинку

2. Побудова моделі комп’ютерної мережі на основі мереж Петрі
Мережі Петрі, запропоновані Карлом Петрі для моделювання дискретних паралельних процесів і систем, стали в наш час дуже популярними у теоретичних комп’ютерних науках [4]. Дослідження локальних та глобальних комп’ютерних мереж є однією із динамічних за розвитком прикладних областей, у якій мережі Петрі знаходять дедалі більшого застосування. На рисунку 2 наведено структурну модель для аналізу роботи комп’ютерної мережі, що зображена на рисунку 1 та граф досяжності станів для ситуації (рисунок 3), коли спрацювали 2-ва давачі.

структурна_модель_КМ
Рисунок 2 – Структурна модель на основі мереж Петрі

граф_досяжності_станів
Рисунок 3 – Граф досяжності станів (при спрацюванні 2-х давачів)

Ситуація з спрацюванням одного давача зображена на рисунку 4, а відповідний граф досяжності станів на рисунку 5.
Отримані результати дають змогу стверджувати, що тупики відсутні, мережа є живою і усі стани досяжні.

структурна_модель_КМ_2
Рисунок 4 – Структурна модель на основі мереж Петрі (спрацював один давач)

граф_досяжності_станів_2
Рисунок 5 – Граф досяжності станів (при спрацюванні 1-го давача)

3. Особливості реалізації комп’ютерної мережі на основі Raspberry Pi
Raspberry Pi являє собою одноплатний комп’ютер побудований на SoC (System on Chip) Broadcom BCM2835, що включає в себе процесор ARM із тактовою частотою 700 МГц, графічний процесор VideoCore IV, і 512 (модель B) оперативної пам’яті. Замість жорсткого диску використовується SD карта пам’яті. Особливістю даного комп’ютера є присутній у ньому інтерфейс GPIO (General-purpose input/output) – інтерфейс вводу/виводу загального призначення. GPIO використовується для зв’язку мікропроцесора з різними периферійними пристроями (давачі/актюатори). Контакти інтерфейсу підлягають налаштуванню та групуються у порти [5]. Саме присутність GPIO та невисока вартість Raspberry Pi робить його зручним для використання у системах інтелектуального будинку.

ла комп’ютерна мережа із робочими станціями (Raspberry Pi з підсистемою давачів та виконавчих пристроїв) та сервером, яким призначені внутрішні IP-адреси, а також маршрутизатором із доступом у Інтернет.

Висновки
Розроблено структуру та модель комп’ютерної мережі інтелектуального будинку на основі дешевих одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi. У складі даної мережі функціонують сервер, маршрутизатор та робочі станції. Комунікаційним середовищем є радіоканал (Wi-Fi). Моделювання здійснене за допомогою мереж Петрі – математичного апарату моделювання дискретних систем. В результаті розроблена модель локальної комп’ютерної мережі інтелектуального будинку дає змогу дослідити та здійснити детальний аналіз процесів, що у ній відбуваються. Розроблена комп’ютерна мережа, завдяки використанню одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi, є дешевим та функціональним рішенням для систем інтелектуального будинку.

Література
1. Jiang L. Smart home research / L. Jiang, D.Y. Liu, B. Yang // Proceedings of the 2004 International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, China, August. – 2004. – Vol. 2.
2. Роберт К. Элсенпитер. Умный Дом строим сами: пер. з англ. / К. Роберт Элсенпитер, Дж.Тоби Велт. – М. : Изд-во КУДИЦ – ОБРАЗ, 2005. – 384 с.
3. Олифер В.Г., Олыфер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2002. – 672 с.
4. Котов В.Е. Сети Петри. – М.: Наука, 1984.- 160с.
5. Richardson M. / Getting Started with Raspberry Pi / M. Richardson, S. Wallace // Sebastopol, O’Reilly Media, 2012. – 161 p.
6.Теслюк В.М., Березький О.М., Береговський В.В., Теслюк Т.В.: Розроблення нейроконтролера для управління підсистемою освітлення інтелектуального будинку. Зб. наук. пр. ІППМЕ ім.Г.Є.Пухова НАН України, Київ, Вип. 64, 2012, С.137 – 143.
7. Теслюк В.М., Теслюк Т.В., Ляпандра А.С.: Модель підсистеми клімат контролю для аналізу роботи інтелектуального будинку. Науковий Вісник НЛТУ України, Львів, Вип.22.9, 2012, С. 132 – 135.
8. Teslyuk V., Beregovskyi V., Pukach A. Automation of the smart house system-level design // Informatyka Automatyka Pomiary w Gospodarce i Ochronie ?rodowiska. Polish magazin. – 2013. – Zeszyt 4. – p.81 – 84.

Оставить ответ

Обязательные поля помечены*

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.