W003251 Дипломная работа Автоматизация управления помещениями, умный дом

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Теоретические основы 6

1.1. Обзорно-аналитическая часть 6

1.2. Требования к разрабатываемому продукту[4] 14

1.3. Требования к защищенному каналу обмена данными 15

1.4. Выбор алгоритма шифрования 15

Глава 2. Практическая реализация 18

2.1. Разработка структуры программного комплекса 18

2.2. Реализация протокола взаимодействия между устройствами системы 19

2.3. Описание алгоритма шифрования 20

2.4 Реализация для RaspberryPi[9][11] 22

2.5 Реализация для микроконтроллера[8] 27

2.6. Общее функционирование системы 30

Заключение 46

Список использованной литературы 47

Приложение А. Скриншоты интерфейса пользователя 48

Введение

В современном мире с каждым годом все увеличивается тенденция к упрощению и автоматизации повседневных задач. В обиход современного человека плотно вошли технологии удаленного и бесконтактного управления. Концепция подключения и интеграции повседневных физических объектов в мире с использованием интернета стала темой заслуживающих внимания и сложных исследований, которые обычно известны под названием «Интернет вещей». Главная цель такой глубокой интеграции заключается в том, чтобы упростить жизнь людей, имея технологию, которая может обеспечить постоянное присутствие Интернета. Кроме того, в мире потребительской электроники предпринимаются настойчивые усилия по обеспечению безопасной и разумной жизни путем включения систем домашней автоматизации, которые в значительной мере основываются на узлах беспроводных датчиков, где используются реальные возможности использования стандартов беспроводной связи. Однако, несмотря на технологические достижения за последнее десятилетие, есть миллионы людей, лишенные таких технологических новшеств. Основной проблемой для них стала цена и сложность реализации проектов.

«Умный дом» является современным инструментом повышения комфорта и уровня жизни, так как часть процессов происходит автоматически, а остальной частью можно управлять удаленно, что делает ее актуальной для изучения и совершенствования[1][2].

Целью данной работы является разработка системы управления “умным домом”, которая позволит автоматизировать повседневные задачи, управляя как устройствами и датчиками своей разработки, так и устройствами сторонних производителей в режиме «черного ящика».

Задачи, которые были решены в рамках данного проекта:

● анализ существующих систем и готовых решений, выявление их достоинств и недостатков;

● разработка универсального защищенного протокола управления устройствами «умного дома»;

● реализация программного комплекса, управляющего собственными устройствами и устройствами сторонних производителей.

Глава 1. Теоретические основы

1.1. Обзорно-аналитическая часть

В этом разделе будут рассмотрены существующие на рынке реализации идеи системы «умный дом». В проанализированных системах выявим достоинства и недостатки.

«Умный дом» технически является совокупностью систем устройств и датчиков, объединенных в общую структуру некоторой общей шиной и управляемой центром управления. Эти системы бывают следующих видов:

● система микроклимата (отопление, вентиляция, кондиционирование, увлажнение и т.д.);

● система безопасности (охранная, пожарная сигнализации, система доступа, контроль утечек газа и воды, видеонаблюдение);

● система электропитания (резервные системы, контроль перегрузки электросети, система освещения, система управления нагрузочными элементами и т.д.);

● система связи (телефон, локальная сеть, интернет, SMS оповещения);

● система удаленного управления.

На данный момент наиболее широко используются следующие перспективные  технологии  объединения  на  общей  шине  систем  и устройств

«умного дома»:

● LanDriver – универсальная платформа построения шинных систем управления, используемая      в      автоматизации      зданий. Предназначена для управления внутренними и внешними системами.     Система     LanDriver     состоит     из     центрального

контроллера и модулей, подключенных между собой шиной (стандарт RS-485). К модулям подключается управляемое оборудование. Ориентирована на промышленное использование.

● EIB/KNX – Система EIB распределенная, управление осуществляется в пределах устройств. Устройства обмениваются информацией по шине EIB в соответствии с собственным протоколом. Система, построенная на EIB, автономна и не зависит от работоспособности центрального контроллера.

● AMX разрабатывает программно-аппаратные средства удаленного управления медиасистемой, системой видеонаблюдения и широкого спектра датчиков. Протоколы передачи данных закрыты. Изначально применялась собственная шина передачи данных, в новой линейке оборудования применяются стандартные  протоколы Ethernet и Wi-Fi, имеются частично развитые технологии сопряжения с системами EIB, LON и других.

● Z-wave, технология беспроводной передачи данных, разработанная для домашней автоматизации. В технологии Z-wave применяются маломощные и миниатюрные радиомодули, встраиваемые в бытовую технику. В основе технологии лежит ячеистая  технология, в которой каждый узел является приемником и передатчиком, т.е. при возникновении препятствия сигнал пойдет через соседние узлы сети, находящиеся в радиусе действия. Еще одним преимуществом является малое энергопотребление, что вместе с малыми размерами позволяет встраивать Z-wave в различные бытовые приборы.

Каждая из перечисленных выше систем использует для обмена данных свои или сторонние протоколы, в зависимости от поставленных к системе задач.

Стоит отметить, что большинство систем и технологий автоматизации помещений закрыты.

Рассмотрим некоторые варианты готовых систем, основанных на вышеперечисленных технологиях.

NetPing

Отечественная компания «Alentis Electronics» является разработчиком и производителем устройства мониторинга окружающей среды NetPing. Основная сфера применения – удаленный контроль и мониторинг устройств в доме и офисе. Использует в качестве базового протокола Ethernet.

Задачи, решаемые при помощи устройства NetPing:

● удаленное управление электропитанием;

● управление безопасностью и отслеживание чрезвычайных происшествий, используя датчики дыма, протечки воды, утечки газа, антивандальные системы, управление камерами видеонаблюдения;

● управление микроклиматом при помощи датчиков температуры, влажности и управление кондиционером через инфракрасный порт;

● управление АТС по порту RS-232;

● дистанционное изменение настроек в зависимости от ситуации;

● отправка уведомлений о неполадках или других важных событиях посредством SMS, электронной почты;

● доступ к системе в реальном времени через HTTP или SNMP;

● управление освещением и другими бытовыми приборами по расписанию;

Рисунок 1 - общая схема системы NetPing

Устройства NetPing позволяют подключить до 16 датчиков на одно устройство. Благодаря встроенному Web-серверу контроль и управление осуществляется через браузер.

Рисунок 2 - контрольная панель датчиков температуры системы NetPing

Можно использовать сторонние программы мониторинга, например Zabbix, Nagios и PRTG Network, который рекомендует производитель NetPing. Преимущество PRTG Network заключается в более удобном интерфейсе программы, возможность вести подробную статистику и мобильную версию приложения (Android и iOS).

Рисунок 3 - мониториноговое приложение PRTG Network, подключенное к датчикам системы NetPing

OpenRemote

OpenRemote – программный комплекс, обеспечивающий автоматизацию жилых и коммерческих помещений. OpenRemote позволяет создать мобильное приложение для умного дома без программирования, при этом возможно использовать разные существующие протоколы связи - EIB/KNX, AMX,  Z- wave. Простыми словами это кроссплатформенный конструктор, в котором можно создать интерфейс будущего мобильного приложения. Контроллеры, которые могут быть использованы: AMX, KNX, Beckhoff, Lutron, Z-Wave, 1-

Wire, MiCasaVerde Vera, EnOcean, xPL, Insteon, X10, Infrared, Russound, GlobalCache, IRTrans, XBMC, VLC, Samsung SmartTV, panStamps, Denon AVR, Marantz AVR, FreeBox, MythTV, RaZBerry и другие.

Рисунок 4 - процесс создания мобильного приложения системы OpenRemote

Home Sapiens

Интеллектуальная система с голосовым управлением,  представляет собой программнный комплекс. В комплект не входит оборудование, но при этом обеспечена максимальная совместимость с компьютерным «железом». Обеспечена интеграция с системами Z-wave, Gira, ZigBee, x10, С-bus, что позволяет управлять освещением, бытовой электроникой, системой отопления и прочими подсистемами. Основной упор идет на голосовое управление и удобный интерфейс.

Рисунок 5 - Интерфейс управления Home Sapiens

MajorDoMo

MajorDoMo – это открытая программная платформа для автоматизации домашних процессов. Использует Ethernet. Данная система кроссплатформенная и не требовательна к ресурсам компьютера. Может быть использована без модулей (датчиков) в качестве персонального органайзера. Задачи, решаемые при помощи MajorDoMo:

● система безопасности;

● система микроклимата;

● медиасистема;

● органайзер.

Рисунок 6 - окно контроля системы MajorDoMo

Fibaro

Fibaro -  система  автоматизации  зданий,  основанная  на беспроводной

технологии передачи данных Z-Wave. Миниатюрные модули могут быть установлены за любым выключателем света или в бытовом приборе, то есть отпадает необходимость в монтаже кабельных каналов связи. Благодаря беспроводной технологии передачи данных устройства Fibaro можно демонтировать и переносить на новое место. Высокая интеграция с другими системами. Мозгом системы Fibaro является Home Center 2. Интерфейс предоставляет простой контроль над группами устройств отвечающие за функции – отопления, кондиционирования, освещения и т.д.

Рисунок 7 - интерфейс HomeCenter2 системы управления умным домом от Fibaro

Выводы

Проанализировав вышеперечисленные решения, мы можем выделить несколько основных проблем, присущих существующим системам[3]:

● в большинстве случаев - закрытость протоколов обмена данными, приводящая к невозможности использовать датчики и устройства одной системы в другой;

● почти все решения требуют прокладки кабельных сетей для интеграции в существующую структуру помещений и присоединения к проложенным на этапе строительства коммуникациям;

● рыночная стоимость всех без исключения решений начинается от 50000 рублей даже в базовой комплектации и без учета монтажных и пуско-наладочных работ.

1.2. Требования к разрабатываемому продукту[4]

Учитывая вышеизложенные выводы из анализа существующих на рынке систем,  мы  можем  сформировать  список  требований  к  создаваемой системе

«умного дома»:

● беспроводная связь между всеми устройствами и датчиками, требующая минимального вмешательства в конструкции помещения;

● простота и масштабируемость протокола связи для возможности использования устройств как своей, так и сторонней разработки;

● защищенность протокола связи от помех и попыток стороннего воздействия;

● максимальная дешевизна и надежность используемых компонентов.

1.3. Требования к защищенному каналу обмена данными

Поскольку программный комплекс «умного дома» напрямую управляет системами безопасности (охранная сигнализация, приводы замков и водопроводных кранов и другие устройства), одной из основных проблем при использовании беспроводных технологий в организации связи между устройствами и датчиками является защищенность канала связи.  Любые данные, передающиеся «по воздуху», могут быть перехвачены и использованы злоумышленником в своих целях с помощью относительно недорогой аппаратуры. Соответственно, поскольку физически защититься от такого перехвата не представляется возможным, необходимо использовать методы защиты, делающие перехваченные данные бесполезными. Таким методом защиты является шифрование данных[6].

Также не стоит забывать про современную насыщенность радиоэфира всевозможными данными на разных частотах, которые, по сути, являются для нас помехами и их необходимо учитывать и фильтровать, поддерживать стабильный канал связи в условиях «загрязненного» эфира. Протокол обмена должен решать проблему нестабильной связи и поддерживать канал, а в случае невозможности – программа должна соответствующим образом среагировать на пропадание связи.

1.4. Выбор алгоритма шифрования

С помощью шифрования должны обеспечиваться три состояния безопасности информации: конфиденциальность (скрытие информации от посторонних лиц), целостность (предотвращение изменения данных во время их передачи) и идентифицируемость (аутентификация приемника и передатчика). Только при соблюдении данных условий мы можем считать, что соединение безопасно.

По   методам   шифрование   информации   делится   на   симметричное и

несимметричное.

В симметричных криптосистемах для шифрования и расшифровки используется один и тот же ключ. Отсюда название — симметричные.  Алгоритм и ключ выбирается заранее и известен обеим сторонам. Сохранение ключа в секретности является важной задачей для установления и поддержки защищённого канала связи. В связи с этим, возникает проблема начальной передачи ключа (синхронизации ключей). Кроме того, существуют методы криптоатак, позволяющие так или иначе дешифровать информацию не имея ключа или же с помощью его перехвата на этапе согласования. В целом эти моменты являются проблемой криптостойкости конкретного алгоритма шифрования и являются аргументом при выборе конкретного алгоритма.

Недостатками симметричного шифрования является проблема передачи ключа собеседнику и невозможность установить подлинность или авторство текста

В системах с асимметричным шифрованием используются два ключа — открытый и закрытый, связанные определенным математическим образом друг с другом. Открытый ключ передаётся по открытому (то есть незащищённому, доступному для наблюдения) каналу и используется для  шифрования сообщения и для проверки ЭЦП. Для расшифровки сообщения и для генерации ЭЦП используется секретный ключ.

Данная схема решает проблему симметричных схем, связанную с начальной передачей ключа другой стороне. Если в симметричных схемах злоумышленник перехватит ключ, то он сможет как «слушать», так и вносить правки в передаваемую информацию. В асимметричных системах другой стороне передается открытый ключ, который позволяет шифровать, но не расшифровывать информацию. Таким образом решается проблема симметричных систем, связанная с синхронизацией ключей[6].

Поскольку в создаваемой системе используются микроконтроллеры Arduino Uno, не обладающие большими вычислительными мощностями, присутствует необходимость использования поточного шифрования, а  также нет необходимости в постоянной смене ключа, для реализации защиты канала был выбран алгоритм симметричного шифрования ГОСТ 28147-89 (Магма) в режиме простой замены. С более подробным описанием работы алгоритма мы познакомимся в главе 2.3