Вступ. Створення та удосконалення технологічних систем і об’єктів на основі використання базових принципів Інтернету речей та кіберфізичних систем наразі є одним з основних напрямків розвитку сучасного виробництва, що дозволяє не тільки отримати додатковий профіцит при експлуатації системи, а й значно покращити її надійність, різельєнтність, зменшити прямі витрати на обслуговування, тощо [1]. Однією з таких систем [2], яка останнім часом інтенсивно удосконалюється і значно покращує життя людей є «смарт-будинок». Незважаючи на значну кількість практичних розробок і впроваджень запропонованих різними авторитетними фірмами у цьому напрямку [3-5], процес проектування та оптимізації структурних рішень наразі залишається у більшій мірі творчою мистецькою задачею, і значно залежить від досвіду розробника. Разом з тим, у комп’ютерній інженерії вже є достатній набір [6-8] технологій і підходів, застосовуючи для яких синергетичний підхід, можна удосконалити процес дизайну кіберфізичних смарт-систем та реалізовувати апаратно-програмні платформи уніфікованого типу за структурою, та з розширеним гнучким функціоналом у залежності від потреб замовника.
Метою даних досліджень було проведення ґрунтовного аналізу сучасних технологій Інтернету речей, комп’ютерних мереж, системного підходу та пропонування уніфікованої кібернетичної моделі гнучкого формування масиву сервісів та обґрунтування оптимальних апаратно-програмних рішень сучасних систем розумних будинків для забезпечення їх масштабування і стійкості.
Методика і результати досліджень. В основі методики проведених досліджень використано системний підхід і моделі кіберфізичних систем [1, 9], що можуть функціонувати в певних умовах невизначеності щодо параметрів зовнішніх збурень, які діють на їх основні функціонально важливі характеристики, наприклад енергопостачання, подання технологічних розхідних матеріалів газу, води, тощо.
Загалом інформаційна модель «смарт будинку» (рис. 1) розглядається як певна цілісна технічна система (ЦТС), що формується з окремих об’єктів (приміщень) (О/П) – модулів (М) – елементів (Е) та/чи компонент (К) організованих за ієрархічною архітектурою та у вигляді стандартних схем керування технологічними процесами (СКТП) і мікрооб’єктами/виконавчими пристроями (МО/ВП) з елементами зворотного зв’язку. Набір сервісів (S) для окремих О/П описується наборами характеристик SО/П=<P, С, Т, EC, D>, де Р – масиви фазових станів О/П, які визначаються дискретними наборами значень; С – масиви умов, які однозначно описують стани Р, визначаються технічними характеристиками О/П, і теж приймають дискретні набори величин; Т – вектори переходів О/П між окремими фазовими станами, які можуть мати різну просторову розмірність в залежності від розмірності масивів С; ЕС – вектори впливу зовнішніх факторів/середовища на масив параметрів і характеристик Р контрольованих кіберкомпонентою (СС) системи; D – набір векторів реакцій генерованих СС для забезпечення стабільності (резільєнтності) смарт системи та її окремих компонент, або для забезпечення заданої траєкторії окремих модулів системи у визначеному фазовому просторі станів Р.
Рис.1 – Узагальнена ієрархічна модель смарт-будинку як ЦТС.
Така модель дозволяє врахувати варіації функціональних алгоритмів смарт-системи, забезпечити гнучкість та масштабованість системи при варіації компонент і їх характеристик. Однак для надійності системи має бути описано вимоги до критичних станів та умов регулювання системи. Що можна описати модифікованим набором гарантоздатності сервісів SО/Пк=<Pк, Ск, Тк, ECк, Dк>. Такий підхід є важливим, оскільки смарт-система передбачає використання ресурсів і управління енергетичними потоками, вибухонебезпечними компонентами, тощо, і при певних сторонніх впливах може стати системою критичного застосування.
Узагальнена кібернетична модель далі розглядається для даної інформаційної моделі системи на основі системного підходу і проектується за методикою, описаною в [9], що передбачає мінімізацію цільової функції задачі системного аналізу за параметрами використовуваних ресурсів в окремих модулях. Реалізація технічного проекту (рис. 2) передбачає застосування технології і можливостей сервісу Domoticz в парі з протоколом зв’язку Mosquitto MQTT Broker [7, 8], плат ESP8266 [6] для передачі даних між сенсорами і МО/ВП та сервером системи на одноплатному комп'ютері Beaglebone версії Black чи Raspberry Pi [1, 2]. Ескізне моделювання пропонованих підходів проведено із застосуванням програмних середовищ Proteus та Arduino IDE.
Рис. 2 – Технічна реалізація базової платформи смарт-системи «розумного будинку»
Застосування в технічному проекті ієрархії (Beaglebone Black/Raspberry Pi) – (ESP8266/ESP3266) надає широкі можливості реалізації різних алгоритмів роботи з сенсорами і МО/ВП, а також для деякої корекції програмної архітектури моделі системи відповідно до необхідних в різних реалізаціях сервісів, при зміні елементної наповнюваності модулів (рис. 1) смарт-системи.
Висновок. Запропонована уніфікована кібернетична модель гнучкого формування масиву сервісів для смарт-систем та технологія їх реалізації на основі системного підходу і сучасних апаратно-програмних ресурсів, дозволяє обґрунтувати оптимальні рішення сучасних систем розумних будинків, забезпечити їх масштабування і стійкості, розширити функціональність за рахунок корекції програмної архітектури моделі системи.
Список використаних джерел і літератури:
1. Internet of Things Technologies for Cyber Physical Systems: Practicum / Vorobets H. I. and Kharchenko V. S. (Eds.) – Ministry of Education and Science of Ukraine, Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, National Aerospace University “KhAI”, Zaporizhzhia National Technical University, 2019. – 172 p. – Режим доступу: https://aliot.eu.org/wp-content/uploads/2019/10/ALIOT_MC4_IoT-Tech-for-CPS_web.pdf
2. Internet of Things for Industry and Human Application. In Volumes 1-3. Volume 3. Assessment and Implementation /V . S . Kharchenko (ed.) – Ministry of Education and Science of Ukraine, National Aerospace University KhAI, 2019. – 918 p. – https://csn.chnu.edu.ua/wp-content/uploads/2019/10/ALIOT_Multi-Book_Volume3_web.pdf - P.195-321.
3. Connected Life with SmartThings. – https://www.samsung.com/us/smartthings/
4. Один інтелектуальний додаток для всіх інтелектуальних пристроїв. – Режим доступу: https://www.samsung.com/ua/apps/smartthings/
5. Шлюз (хаб) для розумного дому Xiaomi Mi Smart Home Multifunction Gateway 3 Global (ZNDMWG02LM) (YTC4044GL). – Режим доступу: https://skay.ua/uk/umniy-dom/48334-shlyuz-khab-dlya-rozumnogo-domu-xiaomi-mi-smart-home-multifunction-gateway-3-global-zndmwg03lm-ytc4044gl.html
6. Простий розумний дім на ESP8266. – https://www.youtube.com/watch?v=BG1y81V9dwI
7. The Best MQTT Broker for IoT at Any Scale. – Режим доступу: https://info.hivemq.com/mqtt-broker?utm_source=adwords&utm_campaign=&utm_term=mqtt%20broker&utm_medium= ppc&hsa_tgt=kwd-338170319438&hsa_cam=17472918619&hsa_src=g&hsa_net=adwords&hsa_ kw=mqtt%20broker &hsa_ad=621451130839&hsa_grp=138870236058&hsa_ver=3&hsa_acc= 3585854406&hsa_mt=p&gclid=CjwKCAiAkfucBhBBEiwAFjbkr420dQj9QMbitiD1Y8wZln YwYr11AdDRq7o9p7rZS51OacC0ouJy2hoC3m4QAvD_BwE
8. How to Install The Mosquitto MQTT Broker on Linux. – Режим доступу: http://www.steves-internet-guide.com/install-mosquitto-linux/
9. Воробець Г. І., Воробець О. І., Гордіца В. Е. Застосування системного підходу для синтезу моделей базових елементів реконфігуровних структур в системах передачі інформації. // Електротехнічні та комп’ютерні системи. – 2018. – №28(104). – С.257-267. – Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/etks_2018_28_34.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter