Розроблення вбудованої системи для моніторингу та керування розумним будинком

Abstract

Бакалаврська кваліфікаційна робота присвячена розробці вбудованої системи для моніторингу та керування «розумним будинком» [1-4]. У першому розділі, розглянуто концепцію «розумного будинку» як комплексу рішень для автоматизації повсякденних дій, що забезпечує користувачеві контроль, зручність та економію часу. Проведено аналіз поточного стану ринку «розумних будинків» у світі та Україні. Представлено класифікацію систем за універсальністю, способом передачі даних, типом керування та використовуваними протоколами. Оглянуто існуючі рішення, такі як Amazon Alexa, Google Home, Apple HomeKit та Xiaomi Smart Home, з їх перевагами та недоліками. У другому розділі, розглянуто архітектурні підходи до побудови вбудованих систем, зокрема монолітну, багатошарову, мікроядерну, компонентну та розподілену архітектури. Важливим етапом став вибір мікроконтролерної платформи, де проаналізовано AVR, ESP32, Raspberry Pi та STM32. Обґрунтовано вибір ESP32 як центрального модуля. Деталізовано обґрунтування вибору датчиків (температури та вологості DHT11/DHT22/BME280, руху PIR HC-SR501, відкриття/закриття геркони, освітленості фоторезистори/BH1750, безпекові MQ/YL- 69) та виконавчих механізмів. Огляд методів керування та інтерфейсів користувача охоплює ручне, адаптивне/прогнозуюче керування та керування на основі AI/ML, а також фізичні кнопки, сенсорні панелі, додатки, керування голосове та жестами. Третій розділ описує розробку апаратної частини, включаючи принципову електричну схему підключення мікроконтролера ESP32 до датчика температури DS18B20 та 8-канального релейного модуля, а також процес макетування та збирання прототипу. Деталізовано розробку вбудованого програмного забезпечення (firmware) в Arduino IDE, реалізацію драйверів для сенсорів та виконавчих пристроїв, а також мережевого стеку для взаємодії з Telegram Bot API. Завершується розділ описом тестування та налагодження системи, включаючи модульне, інтеграційне та системне тестування, використані інструменти (послідовний монітор, LED-індикація) та вирішення типових проблем. У четвертому розділі проведено аналіз щодо питань охорони праці, для забезпечення належних умов праці працівників. Об’єкт дослідження – процеси автоматизованого моніторингу та керування системами розумного будинку. Предмет дослідження – архітектура, принципи функціонування та програмно-апаратна реалізація вбудованої системи для моніторингу та керування пристроями розумного будинку. Сфера дослідження – інформаційні технології, системи автоматизації, вбудовані системи, Інтернет речей (IoT), системи керування розумним будинком. Мета роботи: розроблення вбудованої системи для моніторингу та керування «розумним будинком».мікроконтролер, датчики, виконавчі механізми, IoT.

The bachelor's thesis is devoted to the development of an embedded system for monitoring and controlling a smart home [1-4]. The first chapter explores the concept of a smart home as a set of solutions for automating everyday actions, providing users with control, convenience, and time savings. It presents an analysis of the current state of the smart home market globally and in Ukraine. A classification of systems is provided based on versatility, data transmission methods, control types, and communication protocols. Existing solutions such as Amazon Alexa, Google Home, Apple HomeKit, and Xiaomi Smart Home are reviewed, along with their advantages and disadvantages. The second chapter discusses architectural approaches to building embedded systems, including monolithic, multilayer, microkernel, component, and distributed architectures. The choice of a distributed architecture with elements of multilayer and component-oriented architectures as the most suitable for this project, which provides flexibility and extensibility of the system, is substantiated. An important stage was the choice of a microcontroller platform, where AVR, ESP32, Raspberry Pi and STM32 were analyzed. The choice of the ESP32 as the central module. The rationale for the choice of sensors (temperature and humidity DHT11/DHT22/BME280, PIR HC-SR501 motion, reed switch opening/closing, photoresistors/BH1750 illumination, security MQ/YL-69) and actuators is detailed. The overview of control methods and user interfaces covers manual, rule, event, scheduled, adaptive/predictive, and AI/ML-based control, as well as physical buttons, touch panels, mobile and web apps, voice and gesture control. The third chapter describes the hardware development, including the schematic diagram of the ESP32 microcontroller connection to the DS18B20 temperature sensor and 8-channel relay module, as well as the prototype layout and assembly process. The development of firmware in the Arduino IDE, the implementation of drivers for sensors and actuators, as well as the network stack for interaction with the Telegram Bot API are detailed. The section concludes with a description of testing and debugging the system,

including unit, integration, and system testing, the tools used (serial monitor, LED indication), and solutions to typical problems. The fourth chapter addresses occupational safety aspects, ensuring appropriate working conditions for personnel. The object of research – the processes of automated monitoring and control of smart home systems. The subject of research – the architecture, operating principles, and hardware- software implementation of an embedded system for monitoring and controlling smart home devices. The scope of research is information technologies, automation systems, embedded systems, Internet of Things (IoT), and smart home control systems.. Purpose: to develop an embedded system for monitoring and controlling a smart home.