Универсальная "умная" приставка к бытовой технике

Концепция Интернета вещей IoT (Internet of Things) [1–5] находит все более широкое практическое внедрение в виде различных решений «умного дома» [6]. Такие решения основывают- ся на использовании единого центра управления различными подсистемами жилых помещений (освещения, отопления, охраны, контроля доступа, пожарной сигнализации, вентиляции и кондиционирования и др.). С помощью различных датчиков/сенсоров и исполнительных устройств «умный дом» прежде всего следит за инженерными коммуникациями, обеспечивая эффективное потребление ресурсов ЖКХ: электричества, воды, тепла. Различные системы «умного дома» существенно повышают комфорт жизни за счет автоматизации многих бытовых задач, обеспечивают высокий уровень безопасности жилища. Так, при возникновении протечки воды система автоматически перекроет ее подачу и сообщит об этом хозяину, при пожаре – включит пожарную сигнализацию и передаст сигнал в службу пожаротушения, а при несанкционированном проникновении в дом – поднимет тревогу.

В последние годы появилась «умная» бытовая техника (пылесосы, холодильники, микроволновые печи, стиральные машины и др.), которая имеет канал связи (обычно беспроводный на базе технологии Wi-Fi) для управления ею через Интернет и поэтому может быть легко интегрирована в существующие решения «умного дома» [7].

Система «умный дом» имеет много достоинств, ради которых ее стоит устанавливать. Однако минусы у «умного дома» тоже имеются. Одним из главных недостатков является дороговизна, обусловленная необходимостью проведения соответствующих строительных работ в системах электро-, водо- и теплоснабжения дома/ квартиры. Другим недостатком является сложность эксплуатации и технического обслуживания аппаратно-программной системы «умного дома». Дороговизна также препятствует широкому использованию населением «умных» холодильников, микроволновок, стиральных машин и другой бытовой техники с удаленным управлением через Интернет.

В связи с этим актуальной является задача поиска путей реализации «умного дома» на базе простых и дешевых технических решений, которые позволят значительно увеличить количество «умных» квартир, домов и офисов.

Требования к приставке

В любой квартире или даже в офисе имеется множество бытовых электроприборов (холодильники, микроволновые печи, электрочайники, кофеварки, кулеры и др.), которые не имеют каналов связи с внешним миром и поэтому не могут дистанционно контролироваться и управляться пользователем. Замена их на выпускаемые промышленностью «умные» бытовые приборы с подключением к Интернету требует больших финансовых затрат, и поэтому такая бытовая техника не находит широкого применения как у на- селения, так и в организациях. Поэтому предлагается решить задачу реализации «умного дома» с помощью превращения обычных бытовых приборов в «умные» на базе автономной беспроводной приставки. Основой для реализации такой приставки является возможность использования общедоступной дешевой и достаточно миниатюрной и энергоэффективной элементной базы (микроконтроллеры, датчики/сенсоры, модули связи и др.), а также наличие практически во всех жилых помещениях и офисах точек доступа Wi-Fi, которые можно использовать для подключения приставки к Интернету.

Разрабатываемая «умная» приставка к бытовой технике должна удовлетворять следующим требованиям.

• 1.    Приставка должна осуществлять автоматический контроль выполнения определенных функций бытовым прибором или расширять его функциональные возможности и соответствующим образом информировать пользователя.

• 2.    Связь с пользователем должна осуществляться через сеть Интернет с использованием беспроводной точки доступа на базе технологии Wi-Fi (IEEE 802.11) любых модификаций.

• 3.    Приставка должна посылать оповещение пользователю о работе бытовой техники через специальное мобильное приложение на базе смартфона.

• 4.    Приставка должна иметь малые габариты и вес, чтобы не затруднять обычной эксплуатации бытовой техники.

• 5.    Использование приставки должно быть простым и не требовать специальных знаний и умений.

• 6.    Предварительная настройка приставки для работы с конкретным бытовым прибором должна быть минимальной и простой для рядового пользователя.

• 7.    Установка приставки не должна требовать вмешательства в конструкцию бытового прибора.

• 8.    Приставка должна иметь низкое энергопотребление, чтобы обеспечить длительное время работы от внутренней аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея приставки должна заряжаться от внешнего источника питания 5В.

• 9.    Опционально приставка может иметь электропитание от сети переменного тока 220 В, если она используется совместно с бытовым электроприбором.

• 10.    Приставка должна иметь низкую стоимость для обеспечения ее коммерческой привлекательности для изготовителей и востребованности потребителями.

  

  Рисунок 1. Структурная схема «умной» приставки к бытовой технике

  
  

Схема приставки

Разработанная универсальная «умная» приставка к бытовой технике представляет собой аппаратно-программный комплекс, базовый набор которого включает микроконтроллер с соответствующим программным обеспечением, модуль беспроводной связи Wi-Fi со встроенной антенной, аккумуляторную батарею и зарядный блок (рисунок 1).

Использование в приставке беспроводной технологии Wi-Fi обусловлено тем, что в настоящее время практически в каждой квартире или офисе имеется точка доступа Wi-Fi, подключенная к Интернету. Использование других технологий беспроводной связи, даже более энергоэффективных, чем Wi-Fi (например, LoWPAN [8], LoRaWAN [9], BLE [10] и др.), нецелесообразно, так как потребует наличия в помещении второго устройства этой же радиотехнологии, подключенного к сети Интернет, что усложнит и удорожит использование приставки в жилых помещениях и офисах.

При подключении приставки к конкретному бытовому прибору (холодильник, микроволновая печь, кофеварка, кулер и т. п.) для выполнения определенных функций к базовому набору добавляются необходимые внешние датчики/сенсоры и различные вспомогательные модули, например памяти, часов, ввода информации (кнопки, клю- чи, клавиатура и т. п.) или вывода информации (светодиоды, индикаторы, табло, экраны и т. п.). Большая часть бытовых электроприборов подключена к электросети 220 В, поэтому питание приставки целесообразно осуществить от этой же сети через внешний блок питания на 5 В. В этом случае возможна реализация приставки без аккумуляторной батареи, что уменьшит ее габариты и стоимость.

Приставка устанавливается рядом с бытовым прибором или крепится на него легкосъемным способом (например, с помощью магнитной пластины или самоклеящейся пленки) и через внешний датчик/сенсор получает информацию о работе бытового прибора. В зависимости от выполняемой приставкой функции возможны непрерывный контроль поступления внешнего сигнала (например, об окончании работы микроволновки, стиральной машины, кофеварки и т. п.) или периодическая проверка сигнала (например, проверка уровня воды в бутыли кулера или сроков хранения продуктов в холодильнике) с целью экономии энергии аккумуляторной батареи. Как только через внешний датчик/сенсор приставка зафиксирует поступление соответствующего сигнала от бытового прибора, контроллер формирует http-сообщение и передает его с помощью модуля Wi-Fi через имеющуюся в квартире/офисе точку доступа Wi-Fi в сеть Интернет для опове-

а

б

Рисунок 2. Приставка «умная бутыль»: а – внешний вид приставки; б – крепление приставки на бутыль с водой щения пользователя через мобильное приложение. Одновременно с этим возможна передача соответствующего сообщения и другим получателям информации (например, поставщику бутилированной воды или магазину).

Приставка «умная бутыль»

В настоящее время в большинстве организаций и офисов используются водные охладите-ли/дозаторы, которые часто называют кулерами (реже – диспенсерами). Все чаще кулеры/диспен-серы или просто 19-литровые бутыли с ручной помпой используют также в квартирах и частных домах. При этом по мере расхода воды пользователю необходимо периодически заказывать у поставщика новые бутыли. В настоящее время эта проблема решается в основном вручную с помощью телефонных звонков, СМС или электронных писем в адрес поставщика воды. При этом тратится время на заказ (часто трудно дозвониться до службы заказа), высока вероятность несвоевременного заказа, и, следовательно, возможны перебои с наличием питьевой воды в квартире/ офисе. Эта проблема может быть решена с использованием «умных» кулеров/ диспенсеров для воды [11–13], которые обеспечивают автоматический контроль наличия воды, а также заказ новых бутылей через Интернет. Однако такие приборы имеют высокую стоимость (несколько десятков тысяч рублей), сложны в настройке и эксплуатации. Но самый главный их недостаток – они не могут работать с обычными пластиковыми бутылями, оборудованными ручной помпой для воды.

Для преодоления указанных недостатков на основе описанной выше архитектуры «умной» приставки к бытовой технике разработано аппа- ратно-программное решение «умной бутыли» в виде приставки к бутыли/кулеру/диспенсеру, которая выполняет автоматический контроль уровня воды в бутыли, оповещение пользователя об окончании воды в бутыли через мобильное приложение и обеспечивает автоматический заказ новой бутыли у поставщика воды через Интернет [14]. Прототип приставки «умная бутыль» был реализован с использованием бесконтактного датчика уровня жидкости XKC-Y25-NPN, платформы Arduino MKR1000 со встроенным модулем Wi-Fi, литий-полимерной аккумуляторной батареи 1700 мАч, 3,7 В. Заряжается аккумулятор через встроенный порт USB микроконтроллера. Программное обеспечение приставки создано с помощью среды программирования Arduino IDE, мобильное приложение для пользователя разработано под OC Android.

Корпус приставки имеет размеры 9×8×6 см, внутри которого находятся все электронные компоненты (рисунок 2, а ). Приставка крепится к бутыли с водой с помощью эластичной ленты (рисунок 2, б ), которая сматывается внутрь корпуса приставки при ее транспортировке. На приставку получен патент на полезную модель [15]. Работа была поддержана грантом по программе Фонда содействия инновациям «УМНИК-19» (Цифровая экономика) (117ГУЦЭС8-D3/56510 от 22.12.2019).

Разработанная приставка может служить основой для построения автоматической системы заказа бутылей для поставщиков бутилированной воды с возможностью доступа к управлению поставками воды через мобильное приложение или web-браузер, получения точных данных и формирования разнообразной статистики/анали-

Рисунок 3. Система автоматического заказа воды на базе приставки «умная бутыль»

тики/прогнозов потребления воды для точного планирования (рисунок 3). Ввиду малой стоимости приставки она может быть использована поставщиками бутилированной воды в качестве подарка в рекламных целях (например, с нанесением логотипа компании на корпусе приставки) при заключении договора с клиентом о поставке бутилированной воды в квартиру/офис.

Заключение

Разработанная универсальная автономная беспроводная приставка позволяет расширить функциональные возможности существующей бытовой техники (холодильники, микроволновые печи, стиральные машины, электроплиты, кулеры и др.) за счет автоматического удаленного оповещения пользователей о ее работе. Это позволяет просто и дешево превратить обычные бытовые приборы в «умные» и использовать их совместно с различными решениями «умного дома» или «умного офиса». На базе предложенной архитектуры приставки разработано решение в виде «умной бутыли», которая позволяет обеспечить автоматический заказ бутылей с водой при использовании любых типов кулеров/диспенсеров и даже бутылей с ручной помпой. В дальнейшем планируется создать подобные приставки и к другим бытовым приборам для превращения их в «умные» [16]. Дешевизна и простота использо- вания приставок обеспечат потенциальный спрос на них как у населения, так и у любых организаций и фирм, использующих в своих офисах и производственных помещениях различную бытовую технику.