Проектирование модульных систем обработки данных в технологии умный дом является многоэтапным процессом и требует тщательного изучения их функционирования, а также должно быть направлено на экономичность реализации, надежность, гибкость, расширяемость систем. На сегодняшний день производители и реализаторы технологии «умный дом» уделяют этому недостаточно внимания. Однако следует отметить, что контроль и мониторинг всех элементов являются ключевым звеном для корректной работы системы в целом. Существует ограниченный круг вариантов реализации данной системы, предлагаемые варианты не отвечают всем требованиям для эффективного и многовариантного применения и внедрения системы. Все структуры систем, построенных по технологии «умный дом», на сегодняшний день можно разделить на четыре больших класса: централизованные и децентрализованные (шинные), радиошинные, смешанные. Каждая из данных систем имеет свои недостатки. К недостаткам централизованной системы можно отнести следующие: для физического размещения требует технологических объемов или технологических помещений для установки различных компонентов системы, а при аварийных состояниях центрального процессора – вся система выходит из строя, проектирование и инсталляция многих систем производится только квалифицированными специалистами, монтаж большинства сложных систем осуществим только в ходе ремонта или постройки дома, либо путем разрушения конструций дома. К главному недостатку децентрализованной системы можно отнести достаточно высокую цену (за счет дорогостоящего оборудования, обслуживания). К недостаткам радиошинных систем относятся: система закрытая, т.е. протокол, по которому общаются устройства в системе, доступен только устройствам производителей, ограниченная адресная емкость системы, применима только для небольших проектов, ограниченные функции по управлению некоторыми инженерными системами. Системы смешанного такого типа подразумевают построение путем различных сочетаний принципов и элементов вышеприведенных систем. К существующим системам можно отнести те же достоинства и недостатки, которыми обладают вышеперечисленные системы в рамках интеграции.
Цель исследования
В связи с вышесказанным встает задача разработки модульного принципа построения высокотехнологичной автоматизированной децентрализованной внутри модулей беспроводной системы умного дома как декомпозиции системы на модули (подсистемы). В данной статье рассматривается вопрос построения модульной системы мониторинга и контроля по технологии умный дом. Такая система должна быть направлена на автоматизацию всех или основных систем дома путем внедрения современных средств электроники, автоматики, информационных технологий и обеспечение максимальной безопасности, предотвращение аварийных и нештатных ситуаций, обеспечение при этом отработки сложных сценариев.
Материал и методы исследования
В рамках модульного принципа построения системы изначально были выделены следующие модули системы: модуль энергоснабжения, модуль системы климата, модуль аппаратуры и бытовых приборов, модуль водоснабжения, модуль видеонаблюдения, модуль охраны.
Для проектирования и реализации системы была построена модель предметной области. Предметная область пользователя – информация о совокупности объектов автоматизации и их характеристиках, которая представляется в виде специальных структур данных, хранится непосредственно в базах данных и используется пользователями при решении различных функциональных задач [2, 3]. Описание предметной области включает следующие основные компоненты: автоматизированные функции и задачи (процедуры) обработки данных и их характеристики, пользователи, информационные элементы и процедуры обработки данных, отношения между информационными элементами и процедурами [2].
Модель предметной области модульной системы мониторинга и контроля будем рассматривать как множество M для всех вышеперечисленных модулей:
, где
F- множество автоматизированных функций, H- множество задач обработки данных, P – множество пользователей, O – множество объектов автоматизации, V – множество информационных элементов, R – множество отношений (связей) между компонентами М [2].
В результате анализа предметной области с помощью матричных и графовых моделей были построены булевы матрицы отношений и орграфы информационной структуры для каждого модуля. Вследствие того, что матрицы семантической смежности и модульные орграфы оказались однотипными (кроме модулей охраны и управления), то все эти модули можно описать одним орграфом информационной структуры и одной матрицей семантической смежности. Данный орграф представлен на рисунке 1, матрица семантической смежности на рисунке 2 [3, 5].
Тогда, в рамках модульного принципа построения системы следует выделить следующие модули: модуль обеспечения, модуль охраны, модуль управления. В модуль обеспечения входят следующие подмодули: подмодуль энергоснабжения, подмодуль водоснабжения, подмодуль видеонаблюдения, подмодуль системы климата, подмодуль аппаратуры и бытовых приборов.
Под матрицей семантической смежности модуля обеспечения B = || bij || будем понимать квадратную бинарную матрицу, проиндексированную по обеим осям множества структурных элементов Dk и содержащую запись bij =1, если на основании информации пользователей о семантической связности элементов между структурными элементами di и dj существует отношение R такое, что элемент di составляет (расширяет, дополняет и.т.) смысловое содержание элемента dj и bij = 0 - в противном случае [2, 3].
Матрица семантической смежности подмодулей модуля обеспечения имеет вид:
Матрице B ставится в соответствие орграф информационной структуры G(D,U) подмодулей модуля обеспечения, множеством вершин которого являются структурные элементы множества D, а дуга (di , dj) соответствует записи bij=1, в матрице Bk. Таким образом, дуги орграфа G отражают наличие или отсутствие семантической связности между структурными элементами [2,3].
Рис.1. Орграф информационной структуры подмодулей модуля обеспечения
Для модуля охраны матрица семантической смежности имеет вид:
Для модуля охраны орграф информационной структуры имеет вид:
Рис. 2. Орграф информационной структуры модуля охраны
Графы модулей обеспечения и охраны строятся по элементам множества структурных элементов, в которое входят объекты автоматизации и информационные элементы. Перечислим структурные элементы модуля обеспечения: d1 - подмодуль, d2 - микроконтроллер, d3 - модуль адаптеров Bluetooth, d4 - идентификатор устройства, d5 - идентификатор состояния, d6 - идентификатор события, d7 - дата события, d8 - время события, d9 - период времени хранения данных о событии, d10 - идентификатор события ответного действия системы, d11 - дата ответного действия системы, d12 - время ответного действия системы. Для модуля охраны в множество перечисленных структурных элементов добавляется d13- пожарная сигнализация.
Модуль управления является главным модулем системы и отвечает за управление, контроль и обеспечение адекватной работы всей системы. Данный модуль в свое множество структурных элементов включает помимо перечисленных d1- d12 включает также следующие элементы: пульт управления, панель управления, сервер, ПЛК, роутер, блок бесперебойного питания, адрес администратора, телефонный номер администратора (пользователя), электронный адрес администратора (пользователя), архив данных, идентификатор измерения, идентификатор программы работы системы, идентификатор пользователя, сетевой адрес устройства, администратор [1, 4].
Матрица семантической смежности модуля управления имеет вид:
Матрице B ставится в соответствие граф информационной структуры G(D,U) модуля управления множеством вершин которого являются структурные элементы множества D.
Рис. 3. Орграф G информационной структуры модуля управления
Результаты исследования
В ходе исследования проведена и обоснована декомпозиция системы мониторинга и контроля на модули и подмодули, построены соответствующие матрицы смежности, орграфы информационной структуры, приведено обоснование данной декомпозиции.
Выводы
Все полученные графы не имеет циклов. База данных с ациклическим графом соединений будет давать корректные ответы на запросы из-за отсутствия неравноценных путей доступа при реализации запроса [5].
В результате на этапе синтеза системы обработки данных для модуля мониторинга и контроля в рамках технологии «умный дом» предложены решения задачи разработки, обоснования и реализации модульного принципа построения системы как декомпозиции системы на модули (подмодули), определены безызбыточные множества информационных и структурных элементов, обеспечивающие обработку данных, а также задач выделения типовых и специфических модулей для корректного и эффективного функционирования модуля мониторинга и контроля.
Таким образом, данная модульная система имеет вид:
Рис. 4. Структура модульной системы умного дома
Рецензенты:
Видовский Л.А., д.ф.-м.н., профессор кафедры ИСиП, КубГТУ, г. Краснодар;
Пиотровский Д.Л., д.т.н., профессор кафедры АПП, КубГТУ, г. Краснодар.
Библиографическая ссылка
Атрощенко В.А., Кошевая С.Е., Серикова М.В. К ВОПРОСУ ФОРМИРОВАНИЯ ДАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УМНОГО ДОМА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15067 (дата обращения: 16.04.2024).