დღეს მიკროელექტრონიკის, საკომუნიკაციო არხების, ინტერნეტ ტექნოლოგიებისა და ხელოვნური ინტელექტის სწრაფი განვითარების წყალობით, ჭკვიანი სახლების თემა სულ უფრო აქტუალური ხდება. ადამიანის საცხოვრებელმა მნიშვნელოვანი ცვლილებები განიცადა ქვის ხანიდან მოყოლებული და ინდუსტრიული რევოლუციის 4.0-ისა და ნივთების ინტერნეტის ეპოქაში ის გახდა კომფორტული, ფუნქციონალური და უსაფრთხო. ბაზარზე შემოდის გადაწყვეტილებები, რომლებიც აქცევს ბინას ან აგარაკს კომპლექსურ საინფორმაციო სისტემად, რომელსაც აკონტროლებენ მსოფლიოს ნებისმიერი ადგილიდან სმარტფონის გამოყენებით. უფრო მეტიც, ადამიანი-მანქანის ურთიერთქმედება აღარ მოითხოვს პროგრამირების ენების ცოდნას - მეტყველების ამოცნობისა და სინთეზის ალგორითმების წყალობით, ადამიანი ესაუბრება ჭკვიან სახლს მშობლიურ ენაზე.

ზოგიერთი ჭკვიანი სახლის სისტემა ამჟამად ბაზარზე არის ღრუბლოვანი ვიდეო თვალთვალის სისტემების ლოგიკური განვითარება, რომელთა შემქმნელებმა გააცნობიერეს ყოვლისმომცველი გადაწყვეტის საჭიროება არა მხოლოდ მონიტორინგისთვის, არამედ დისტანციური ობიექტების მართვისთვის.

თქვენს ყურადღებას წარმოგიდგენთ სამი სტატიის სერიას, რომელიც მოგითხრობთ ღრუბლოვანი ჭკვიანი სახლის სისტემის ყველა ძირითად კომპონენტზე, რომელიც პირადად შემუშავდა ავტორის მიერ და ამოქმედდა. პირველი სტატია ეძღვნება ჭკვიანი სახლის შიგნით დაყენებულ ტერმინალის კლიენტის აღჭურვილობას, მეორე ღრუბლოვანი შენახვისა და მონაცემთა დამუშავების სისტემის არქიტექტურას და ბოლოს, მესამე კლიენტის აპლიკაციას სისტემის მართვის მობილურ და სტაციონალურ მოწყობილობებზე.

ჭკვიანი სახლის აღჭურვილობა

პირველი, მოდით ვისაუბროთ იმაზე, თუ როგორ უნდა გააკეთოთ ჭკვიანი სახლი ჩვეულებრივი ბინიდან, დაჩიდან ან კოტეჯიდან. ამისათვის, როგორც წესი, აუცილებელია სახლში შემდეგი მოწყობილობების განთავსება:

1. სენსორები, რომლებიც ზომავენ სხვადასხვა გარემო პარამეტრებს;
2. გარე ობიექტებზე მოქმედი აქტუატორები;
3. კონტროლერი, რომელიც ახორციელებს გამოთვლებს სენსორის გაზომვებისა და ჩაშენებული ლოგიკის შესაბამისად და გასცემს ბრძანებებს ამძრავებს.

შემდეგი სურათი გვიჩვენებს ჭკვიანი სახლის დიაგრამას, რომელზეც არის წყლის გაჟონვის სენსორები (1) აბაზანაში, ტემპერატურის (2) და განათების (3) საძინებელში, ჭკვიანი სოკეტი (4) სამზარეულოში და ვიდეო სათვალთვალო კამერა (5) დერეფანში.

ამჟამად ფართოდ გამოიყენება უკაბელო სენსორები, რომლებიც მუშაობენ RF433, Z-Wave, ZigBee, Bluetooth და WiFi პროტოკოლების გამოყენებით. მათი მთავარი უპირატესობაა ინსტალაციისა და გამოყენების სიმარტივე, ასევე დაბალი ღირებულება და საიმედოობა, რადგან მწარმოებლები ცდილობენ თავიანთი მოწყობილობები გამოიტანონ მასობრივ ბაზარზე და გახადონ ისინი ხელმისაწვდომი საშუალო მომხმარებლისთვის.

სენსორები და აქტივატორები, როგორც წესი, უკაბელო ინტერფეისის საშუალებით უკავშირდება ჭკვიანი სახლის კონტროლერს (6) - სპეციალიზებულ მიკროკომპიუტერს, რომელიც აერთიანებს ყველა ამ მოწყობილობას ერთ ქსელში და აკონტროლებს მათ.

თუმცა, ზოგიერთ გამოსავალს შეუძლია ერთდროულად გაერთიანდეს სენსორი, აქტივატორი და კონტროლერი. მაგალითად, ჭკვიანი შტეფსელი შეიძლება დაპროგრამდეს ჩართვის ან გამორთვის გრაფიკის მიხედვით, ხოლო ღრუბლოვანი ვიდეოსათვალთვალო კამერას შეუძლია ვიდეოს ჩაწერა მოძრაობის დეტექტორის სიგნალის საფუძველზე. უმარტივეს შემთხვევებში, შეგიძლიათ გააკეთოთ ცალკე კონტროლერის გარეშე, მაგრამ მოქნილი სისტემის შექმნა მრავალი სცენარით, აუცილებელია.

ჭკვიანი სახლის კონტროლერის გლობალურ ქსელთან დასაკავშირებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჩვეულებრივი ინტერნეტ როუტერი (7), რომელიც დიდი ხანია გახდა ჩვეულებრივი საყოფაცხოვრებო ტექნიკა ნებისმიერ სახლში. აქ არის კიდევ ერთი არგუმენტი ჭკვიანი სახლის კონტროლერის სასარგებლოდ - თუ ინტერნეტთან კავშირი დაიკარგება, ჭკვიანი სახლი გააგრძელებს ნორმალურად მუშაობას კონტროლერის შიგნით შენახული ლოგიკური ბლოკის წყალობით და არა ღრუბლოვან სერვისში.

ჭკვიანი სახლის კონტროლერი

ამ სტატიაში განხილული ღრუბლოვანი ჭკვიანი სახლის სისტემის კონტროლერი შემუშავებულია ერთი დაფის მიკროკომპიუტერის საფუძველზე Raspberry Pi 3 მოდელი B+, რომელიც გამოვიდა 2018 წლის მარტში და აქვს საკმარისი რესურსები და შესრულება ჭკვიანი სახლის ამოცანების შესასრულებლად. მასში შედის ოთხბირთვიანი Cortex-A53 პროცესორი, რომელიც დაფუძნებულია 64-ბიტიან ARMv8-A არქიტექტურაზე, 1.4 გჰც სიხშირით, ასევე 1 გბ ოპერატიული მეხსიერება, Wi-Fi 802.11ac, Bluetooth 4.2 და გიგაბიტიანი Ethernet ადაპტერი, რომელიც მუშაობს USB 2.0-ით. .

კონტროლერის აწყობა ძალიან მარტივია - მიკროკომპიუტერი (1) დამონტაჟებულია პლასტმასის კორპუსში (2), შემდეგ 8 GB მეხსიერების ბარათი microSD ფორმატში პროგრამული უზრუნველყოფით (3) და USB Z-Wave ქსელის კონტროლერი (4). შესაბამისი სლოტები. ჭკვიანი სახლის კონტროლერი დაკავშირებულია კვების წყაროსთან 5V, 2.1A დენის ადაპტერის (5) და USB - მიკრო-USB კაბელის (6) მეშვეობით. თითოეულ კონტროლერს აქვს უნიკალური საიდენტიფიკაციო ნომერი, რომელიც იწერება კონფიგურაციის ფაილში პირველად გაშვებისას და აუცილებელია ღრუბლოვანი ჭკვიანი სახლის სერვისებთან ურთიერთობისთვის.

ჭკვიანი სახლის კონტროლერის პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია ამ სტატიის ავტორის მიერ ოპერაციული სისტემის საფუძველზე Linux Raspbian Stretch. იგი შედგება შემდეგი ძირითადი ქვესისტემებისგან:

• სერვერის პროცესი ჭკვიანი სახლის აღჭურვილობასთან და ღრუბელთან ურთიერთქმედებისთვის;
• მომხმარებლის გრაფიკული ინტერფეისი კონტროლერის კონფიგურაციისა და ოპერაციული პარამეტრების დასაყენებლად;
• მონაცემთა ბაზა კონტროლერის კონფიგურაციის შესანახად.

Მონაცემთა ბაზა ჭკვიანი სახლის კონტროლერი დანერგილია ჩაშენებული DBMS-ის საფუძველზე SQLite და არის ფაილი SD ბარათზე სისტემური პროგრამული უზრუნველყოფით. ის ემსახურება როგორც კონტროლერის კონფიგურაციის საცავს - ინფორმაციას დაკავშირებული აღჭურვილობისა და მისი ამჟამინდელი მდგომარეობის შესახებ, ლოგიკური წარმოების წესების ბლოკი, ასევე ინფორმაცია, რომელიც მოითხოვს ინდექსირებას (მაგალითად, ადგილობრივი ვიდეო არქივის ფაილის სახელები). როდესაც კონტროლერი გადაიტვირთება, ეს ინფორმაცია ინახება, რაც შესაძლებელს ხდის კონტროლერის აღდგენას ელექტროენერგიის გათიშვის შემთხვევაში.

გრაფიკული ინტერფეისი ჭკვიანი სახლის კონტროლერი, რომელიც შემუშავებულია PHP 7-ში მიკრო ჩარჩოს გამოყენებით Slim. ვებ სერვერი პასუხისმგებელია აპლიკაციის გაშვებაზე. lighttpd, ხშირად გამოიყენება ჩაშენებულ მოწყობილობებში მისი კარგი მუშაობისა და რესურსების დაბალი მოთხოვნების გამო.

(დააწკაპუნეთ სურათზე უფრო მაღალი გარჩევადობის გასახსნელად)

გრაფიკული ინტერფეისის მთავარი ფუნქციაა ჭკვიანი სახლის მოწყობილობების (IP სათვალთვალო კამერები და სენსორები) კონტროლერთან დაკავშირება. ვებ აპლიკაცია კითხულობს კონტროლერის და მასთან დაკავშირებული მოწყობილობების კონფიგურაციას და მიმდინარე მდგომარეობას SQLite მონაცემთა ბაზიდან. კონტროლერის კონფიგურაციის შესაცვლელად, ის აგზავნის საკონტროლო ბრძანებებს JSON ფორმატში სერვერის პროცესის RESTful API ინტერფეისის მეშვეობით.

სერვერის პროცესი

სერვერის პროცესი - ძირითადი კომპონენტი, რომელიც ასრულებს ყველა ძირითად სამუშაოს ინფორმაციული პროცესების ავტომატიზაციაზე, რომლებიც ქმნიან ჭკვიანი სახლის საფუძველს: სენსორული მონაცემების მიღება და დამუშავება, ჩაშენებული ლოგიკის მიხედვით საკონტროლო მოქმედებების გაცემა. სერვერის პროცესის მიზანია ჭკვიან სახლის აღჭურვილობასთან ურთიერთქმედება, წარმოების ლოგიკური წესების შესრულება, გრაფიკული ინტერფეისიდან და ღრუბლიდან ბრძანებების მიღება და დამუშავება. განსახილველ ჭკვიან სახლის კონტროლერში სერვერის პროცესი დანერგილია, როგორც C++-ში შემუშავებული მრავალსართულიანი აპლიკაცია და გაშვებულია როგორც ცალკე სერვისი. systemd ოპერაციული სისტემა Linux Raspbian.

სერვერის პროცესის ძირითადი ბლოკებია:

1. შეტყობინებების მენეჯერი;
2. IP კამერის სერვერი;
3. Z-Wave მოწყობილობის სერვერი;
4. წარმოების ლოგიკური წესების სერვერი;
5. კონტროლერის კონფიგურაციის მონაცემთა ბაზა და ლოგიკური წესების ბლოკი;
6. RESTful API სერვერი გრაფიკულ ინტერფეისთან ურთიერთქმედებისთვის;
7. MQTT კლიენტი ღრუბელთან ურთიერთობისთვის.

სერვერის პროცესის ბლოკები დანერგილია როგორც ცალკეული ძაფები, რომელთა შორის ინფორმაცია გადაიცემა შეტყობინებების სახით JSON ფორმატში (ან მონაცემთა სტრუქტურები, რომლებიც წარმოადგენენ ამ ფორმატს პროცესურ მეხსიერებაში).

სერვერის პროცესის მთავარი კომპონენტია შეტყობინებების მენეჯერი, რომელიც გადასცემს JSON შეტყობინებებს ყველა სერვერის პროცესის ბლოკში. JSON შეტყობინებების საინფორმაციო ველების ტიპები და მნიშვნელობები, რომლებიც მათ შეუძლიათ მიიღონ, მოცემულია ცხრილში:

მოწყობილობის ტიპი
ოქმი
შეტყობინების ტიპი
მოწყობილობის მდგომარეობა
ბრძანება

კამერა
onvif
სენსორული მონაცემები
on
ნაკადი (ჩართვა/გამორთვა)

სენსორი
ტალღა
ბრძანება
off
ჩაწერა (ჩართვა/გამორთვა)

ეფექტურობა
მკგ
ბიზნესლოგიკური წესი
ნაკადი (ჩართვა/გამორთვა)
მოწყობილობა (დამატება/წაშლა)

ბიზნესლოგიკა
კონფიგურაციის მონაცემები
ჩაწერა (ჩართვა/გამორთვა)

Bluetooth
მოწყობილობის მდგომარეობა
შეცდომა

ვაი - ფაი

rf

მაგალითად, შეტყობინება კამერის მოძრაობის დეტექტორიდან ასე გამოიყურება:

{
	"vendor": "*****",
	"version": "3.0.0",
	"timestampMs": "1566293475475",
	"clientType": "gateway",
	"deviceId": "1616453d-30cd-44b7-9bf0-************",
	"deviceType": "camera",
	"protocol": "onvif",
	"messageType": "sensorData",
	"sensorType": "camera",
	"label": "motionDetector",
	"sensorData": "on"
}

წარმოების ლოგიკა

დისპეტჩერისგან შეტყობინების მისაღებად ან გასაგზავნად, სერვერის პროცესის ბლოკი გამოიწერს გარკვეული ტიპის შეტყობინებებს. გამოწერა არის წარმოების ლოგიკური წესი "თუ... მაშინ...", წარმოდგენილია JSON ფორმატში და სერვერის პროცესის ბლოკის შიგნით შეტყობინებების დამმუშავებლის ბმული. მაგალითად, IP კამერის სერვერს რომ მიეცეთ ბრძანებები GUI-დან და ღრუბლიდან, თქვენ უნდა დაამატოთ შემდეგი წესი:

{
	"if": {
	    "and": [{
		"equal": {
		    "deviceId": "1616453d-30cd-44b7-9bf0-************"
		}
	    },
	    {
		"equal": {
		    "messageType": "command"
		}
	    }
	    ]
	},
	"then": {
	    "result": "true"
	}
}

თუ მითითებული პირობები წინამორბედი (მარცხნივ) წესები მართალია, მაშინ ის დაკმაყოფილებულია შესაბამისად (მარჯვენა მხარე) წესებს და დამმუშავებელი იღებს წვდომას JSON შეტყობინების ტექსტზე. წინამორბედი მხარს უჭერს ლოგიკურ ოპერატორებს, რომლებიც ადარებენ JSON გასაღები-მნიშვნელობის წყვილებს:

1. უდრის "თანაბარს";
2. არ არის ტოლი "არა_თანაბარი";
3. ნაკლებად "ნაკლები";
4. უფრო "დიდი";
5. ნაკლები ან ტოლი "ნაკლები_ან_ტოლი";
6. მეტი ან ტოლი "დიდი_ან_ტოლი".

შედარების შედეგები შეიძლება ერთმანეთთან იყოს დაკავშირებული ლოგიკური ალგებრის ოპერატორების გამოყენებით:

1. და "და"
2. ან "ან";
3. არა "არა".

ამრიგად, ოპერატორების და ოპერანდების პოლონური ნოტაციით ჩაწერით, შეგიძლიათ შექმნათ საკმაოდ რთული პირობები დიდი რაოდენობით პარამეტრით.

ზუსტად იგივე მექანიზმი, რომელიც დაფუძნებულია JSON შეტყობინებებზე და წარმოების წესებზე JSON ფორმატში, გამოიყენება წარმოების ლოგიკური სერვერის ბლოკში ცოდნის წარმოსაჩენად და ლოგიკური დასკვნის განსახორციელებლად ჭკვიანი სახლის სენსორების სენსორული მონაცემების გამოყენებით.

მობილური აპლიკაციის გამოყენებით მომხმარებელი ქმნის სცენარებს, რომლის მიხედვითაც ჭკვიანი სახლი უნდა ფუნქციონირებდეს. Მაგალითად: "თუ წინა კარის გასახსნელად სენსორი გააქტიურებულია, მაშინ აანთეთ შუქი დერეფანში". აპლიკაცია მონაცემთა ბაზიდან კითხულობს სენსორების (გახსნის სენსორი) და აქტივატორების (ჭკვიანი სოკეტი ან ჭკვიანი ნათურა) იდენტიფიკატორებს და ქმნის ლოგიკურ წესს JSON ფორმატში, რომელიც ეგზავნება ჭკვიანი სახლის კონტროლერს. ეს მექანიზმი უფრო დეტალურად იქნება განხილული ჩვენი სერიის მესამე სტატიაში, სადაც ვისაუბრებთ კლიენტის აპლიკაციაზე ჭკვიანი სახლის მართვისთვის.

ზემოთ განხილული წარმოების ლოგიკური მექანიზმი დანერგილია ბიბლიოთეკის გამოყენებით RapidJSON — SAX პარსერი JSON ფორმატისთვის C++-ში. წარმოების წესების მასივის თანმიმდევრული კითხვა და ანალიზი საშუალებას გაძლევთ მარტივად განახორციელოთ მონაცემთა შედარების ფუნქცია წინამორბედების შიგნით:

void CRuleEngine::Process(PProperties pFact)
{
    m_pActions->clear();

    rapidjson::Reader   reader;
    for(TStringMap::value_type& rRule : m_Rules)
    {
        std::string sRuleId   = rRule.first;
        std::string sRuleBody = rRule.second;

        CRuleHandler            ruleHandler(pFact);
        rapidjson::StringStream ruleStream(sRuleBody.c_str());
        rapidjson::ParseResult  parseResult = reader.Parse(ruleStream, ruleHandler);
        if(!parseResult)
        {
            m_Logger.LogMessage(
                        NLogger2::ePriorityLevelError,
                        std::string("JSON parse error"),
                        "CRuleEngine::Process()",
                        std::string("RuleId: ") + sRuleId);
        }

        PProperties pAction = ruleHandler.GetAction();
        if(pAction)
        {
            pAction->Set("ruleId", sRuleId);
            m_pActions->push_back(pAction);
        }
    }
}

აქ pFact - სტრუქტურა, რომელიც შეიცავს გასაღები-მნიშვნელობის წყვილებს JSON შეტყობინებისგან, m_წესები - წარმოების წესების სიმებიანი მასივი. ფუნქციაში ხორციელდება შემომავალი შეტყობინებისა და წარმოების წესის შედარება reader.Parse(ruleStream, ruleHandler)სად წესების დამჭერი არის ობიექტი, რომელიც შეიცავს ლოგიკის ლოგიკასა და შედარების ოპერატორებს. sRuleId — წესების უნიკალური იდენტიფიკატორი, რომლის წყალობითაც შესაძლებელია წესების შენახვა და რედაქტირება ჭკვიანი სახლის კონტროლერის მონაცემთა ბაზაში. m_pActions — მასივი ლოგიკური დასკვნის შედეგებით: JSON შეტყობინებები, რომლებიც შეიცავს შედეგებს წესების ბაზიდან და შემდგომ იგზავნება შეტყობინებების მენეჯერთან, რათა აბონენტთა ძაფებმა შეძლონ მათი დამუშავება.

RapidJSON შესრულება შედარებულია ფუნქციასთან strlen ()და მინიმალური სისტემური რესურსის მოთხოვნები იძლევა ამ ბიბლიოთეკის ჩაშენებულ მოწყობილობებში გამოყენების საშუალებას. JSON ფორმატში შეტყობინებებისა და ლოგიკური წესების გამოყენება საშუალებას გაძლევთ განახორციელოთ ინფორმაციის გაცვლის მოქნილი სისტემა ჭკვიანი სახლის კონტროლერის ყველა კომპონენტს შორის.

Z-ტალღის სენსორები და აქტივატორები

ჭკვიანი სახლის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ მას შეუძლია დამოუკიდებლად გაზომოს გარე გარემოს სხვადასხვა პარამეტრი და შეასრულოს სასარგებლო ფუნქციები სიტუაციიდან გამომდინარე. ამისათვის სენსორები და აქტივატორები დაკავშირებულია ჭკვიანი სახლის კონტროლერთან. მიმდინარე ვერსიაში, ეს არის უკაბელო მოწყობილობები, რომლებიც მუშაობენ პროტოკოლის გამოყენებით Z- ტალღა სპეციალურად გამოყოფილ სიხშირეზე 869 MHz რუსეთისთვის. მუშაობისთვის, ისინი გაერთიანებულია ქსელურ ქსელში, რომელიც შეიცავს სიგნალის გამეორებებს დაფარვის არეალის გაზრდის მიზნით. მოწყობილობებს ასევე აქვთ ენერგიის დაზოგვის სპეციალური რეჟიმი - ისინი დროის უმეტეს ნაწილს ძილის რეჟიმში ატარებენ და ინფორმაციას მხოლოდ მაშინ აგზავნიან, როცა მათი მდგომარეობა იცვლება, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს ჩაშენებული ბატარეის სიცოცხლე.

ახლა თქვენ შეგიძლიათ იპოვოთ საკმაოდ დიდი რაოდენობით სხვადასხვა Z-Wave მოწყობილობები ბაზარზე. მოდით შევხედოთ რამდენიმე მაგალითს:

1. Zipato PAN16 სმარტ სოკეტს შეუძლია გაზომოს შემდეგი პარამეტრები: ელექტროენერგიის მოხმარება (კვტსთ), სიმძლავრე (W), ძაბვა (V) და დენი (A) ელექტრო ქსელში. მას ასევე აქვს ჩაშენებული გადამრთველი, რომლითაც შეგიძლიათ მართოთ დაკავშირებული ელექტრომოწყობილობა;
2. Neo Coolcam გაჟონვის სენსორი აღმოაჩენს დაღვრილი სითხის არსებობას დისტანციური ზონდის კონტაქტების დახურვით;
3. Zipato PH-PSG01 კვამლის სენსორი ამოქმედდება, როდესაც კვამლის ნაწილაკები შედის გაზის ანალიზატორის პალატაში;
4. Neo Coolcam მოძრაობის სენსორი აანალიზებს ადამიანის სხეულის ინფრაწითელ გამოსხივებას. დამატებით არის სინათლის სენსორი (Lx);
5. მულტისენსორი Philio PST02-A ზომავს ტემპერატურას (°C), სინათლეს (%), კარის გაღებას, ადამიანის ყოფნას ოთახში;
6. Z-Wave USB Stick ZME E UZB1 ქსელის კონტროლერი, რომელზედაც დაკავშირებულია სენსორები.

ძალიან მნიშვნელოვანია, რომ მოწყობილობები და კონტროლერი მუშაობენ იმავე სიხშირით, წინააღმდეგ შემთხვევაში ისინი უბრალოდ ვერ დაინახავენ ერთმანეთს დაკავშირების მომენტში. ერთ Z-Wave ქსელის კონტროლერთან შეიძლება 232-მდე მოწყობილობა იყოს დაკავშირებული, რაც სავსებით საკმარისია ბინისთვის ან აგარაკისთვის. ქსელის დაფარვის არეალის გაფართოების მიზნით, სმარტ სოკეტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სიგნალის გამეორება.

წინა აბზაცში განხილული ჭკვიანი სახლის კონტროლერის სერვერის პროცესში, Z-Wave სერვერი პასუხისმგებელია Z-Wave მოწყობილობებთან ურთიერთობაზე. ის იყენებს ბიბლიოთეკას სენსორებისგან ინფორმაციის მისაღებად OpenZWave C++-ში, რომელიც უზრუნველყოფს ინტერფეისს Z-Wave ქსელის USB კონტროლერთან ურთიერთობისთვის და მუშაობს სხვადასხვა სენსორებთან და აქტივატორებთან. სენსორის მიერ გაზომილი გარემოს პარამეტრის მნიშვნელობა ჩაიწერება Z-Wave სერვერის მიერ JSON შეტყობინების სახით:

{
	"vendor": "*****",
	"version": "3.0.0",
	"timestampMs": "1566479791290",
	"clientType": "gateway",
	"deviceId": "20873eb0-dd5e-4213-a175-************",
	"deviceType": "sensor",
	"protocol": "zwave",
	"messageType": "sensorData",
	"homeId": "0xefa0cfa7",
	"nodeId": "20",
	"sensorType": "METER",
	"label": "Voltage",
	"sensorData": "229.3",
	"units": "V"
}

შემდეგ ის გადაეგზავნება სერვერის პროცესის შეტყობინებების მენეჯერს, რათა აბონენტთა ძაფებმა მიიღონ იგი. მთავარი აბონენტი არის წარმოების ლოგიკური სერვერი, რომელიც ემთხვევა შეტყობინების ველის მნიშვნელობებს ლოგიკური წესების წინამორბედებში. დასკვნის შედეგები, რომლებიც შეიცავს საკონტროლო ბრძანებებს, უბრუნდება შეტყობინებების მენეჯერს და იქიდან გადადის Z-Wave სერვერზე, რომელიც დეკოდირებს მათ და აგზავნის მათ Z-Wave ქსელის USB კონტროლერში. შემდეგ ისინი შედიან აქტივატორში, რომელიც ცვლის გარემოს ობიექტების მდგომარეობას და ჭკვიანი სახლი ამით ასრულებს სასარგებლო სამუშაოს.

(დააწკაპუნეთ სურათზე უფრო მაღალი გარჩევადობის გასახსნელად)

Z-Wave მოწყობილობების დაკავშირება ხდება ჭკვიანი სახლის კონტროლერის გრაფიკულ ინტერფეისში. ამისათვის გადადით გვერდზე მოწყობილობების სიით და დააჭირეთ ღილაკს "დამატება". RESTful API ინტერფეისის მეშვეობით add ბრძანება შედის სერვერის პროცესში და შემდეგ გაგზავნის მენეჯერის მიერ Z-Wave სერვერზე, რომელიც აყენებს Z-Wave ქსელის USB კონტროლერს მოწყობილობების დამატების სპეციალურ რეჟიმში. შემდეგი, Z-Wave მოწყობილობაზე თქვენ უნდა გააკეთოთ სერვისის ღილაკის სწრაფი დაჭერების სერია (3 დაჭერა 1,5 წამში). USB კონტროლერი აკავშირებს მოწყობილობას ქსელთან და აგზავნის ინფორმაციას მის შესახებ Z-Wave სერვერზე. ეს, თავის მხრივ, ქმნის ახალ ჩანაწერს SQLite მონაცემთა ბაზაში ახალი მოწყობილობის პარამეტრებით. განსაზღვრული დროის ინტერვალის შემდეგ, გრაფიკული ინტერფეისი ბრუნდება Z-Wave მოწყობილობების სიის გვერდზე, კითხულობს ინფორმაციას მონაცემთა ბაზიდან და აჩვენებს ახალ მოწყობილობას სიაში. თითოეული მოწყობილობა იღებს თავის უნიკალურ იდენტიფიკატორს, რომელიც გამოიყენება წარმოების დასკვნის წესებში და ღრუბელში მუშაობისას. ამ ალგორითმის მოქმედება ნაჩვენებია UML დიაგრამაში:

(დააწკაპუნეთ სურათზე უფრო მაღალი გარჩევადობის გასახსნელად)

IP კამერების დაკავშირება

ღრუბლოვანი ჭკვიანი სახლის სისტემა, რომელიც განხილულია ამ სტატიაში, არის ღრუბლოვანი ვიდეო თვალთვალის სისტემის განახლება, რომელიც ასევე შემუშავებულია ავტორის მიერ, რომელიც რამდენიმე წელია არის ბაზარზე და აქვს მრავალი ინსტალაცია რუსეთში.

ღრუბლოვანი ვიდეო მეთვალყურეობის სისტემებისთვის, ერთ-ერთი მწვავე პრობლემაა აღჭურვილობის შეზღუდული არჩევანი, რომლებთანაც ინტეგრაცია შეიძლება განხორციელდეს. პროგრამული უზრუნველყოფა, რომელიც პასუხისმგებელია ღრუბელთან დაკავშირებაზე, დამონტაჟებულია ვიდეოკამერის შიგნით, რაც მაშინვე სერიოზულ მოთხოვნებს უყენებს მის აპარატურას - პროცესორს და თავისუფალი მეხსიერების რაოდენობას. ეს ძირითადად განმარტავს ღრუბლოვანი CCTV კამერების უფრო მაღალ ფასს ჩვეულებრივ IP კამერებთან შედარებით. გარდა ამისა, კამერის ფაილურ სისტემასა და განვითარების ყველა საჭირო ინსტრუმენტზე წვდომისთვის საჭიროა CCTV კამერების მწარმოებელ კომპანიებთან მოლაპარაკებების ხანგრძლივი ეტაპი.

მეორეს მხრივ, ყველა თანამედროვე IP კამერას აქვს სტანდარტული პროტოკოლები სხვა აღჭურვილობასთან (კერძოდ, ვიდეო ჩამწერებთან) ურთიერთქმედებისთვის. ამრიგად, ცალკე კონტროლერის გამოყენება, რომელიც აკავშირებს სტანდარტული პროტოკოლით და ავრცელებს ვიდეო ნაკადებს IP კამერებიდან ღრუბელში, უზრუნველყოფს მნიშვნელოვან კონკურენტულ უპირატესობას ღრუბლოვანი ვიდეო თვალთვალის სისტემებისთვის. უფრო მეტიც, თუ კლიენტმა უკვე დააინსტალირა მარტივი IP კამერების საფუძველზე ვიდეო თვალთვალის სისტემა, მაშინ შესაძლებელი ხდება მისი გაფართოება და სრულფასოვან ღრუბელ ჭკვიან სახლად გადაქცევა.

ყველაზე პოპულარული პროტოკოლი IP ვიდეო თვალთვალის სისტემებისთვის, რომელსაც ახლა მხარს უჭერს ყველა IP კამერის მწარმოებელი გამონაკლისის გარეშე ONVIF პროფილი ს, რომლის სპეციფიკაციები არსებობს ვებ სერვისების აღწერილობის ენაზე wsdl. კომუნალური საშუალებების გამოყენება ინსტრუმენტთა ნაკრებიდან gSOAP შესაძლებელია წყაროს კოდის გენერირება სერვისებისთვის, რომლებიც მუშაობენ IP კამერებთან:

$ wsdl2h -o onvif.h 
	https://www.onvif.org/ver10/device/wsdl/devicemgmt.wsdl 
	https://www.onvif.org/ver10/events/wsdl/event.wsdl 
	https://www.onvif.org/ver10/media/wsdl/media.wsdl 
	https://www.onvif.org/ver20/ptz/wsdl/ptz.wsdl

$ soapcpp2 -Cwvbj -c++11 -d cpp_files/onvif -i onvif.h

შედეგად, ჩვენ ვიღებთ სათაურის "*.h" და წყაროს "*.cpp" ფაილების კომპლექტს C++-ში, რომელიც შეიძლება განთავსდეს პირდაპირ აპლიკაციაში ან ცალკე ბიბლიოთეკაში და შედგეს GCC შემდგენელის გამოყენებით. მრავალი ფუნქციის გამო, კოდი დიდია და საჭიროებს დამატებით ოპტიმიზაციას. Raspberry Pi 3 მოდელის B+ მიკროკომპიუტერს აქვს საკმარისი შესრულება ამ კოდის შესასრულებლად, მაგრამ თუ საჭიროა კოდის სხვა პლატფორმაზე გადატანა, საჭიროა სწორი პროცესორის არქიტექტურა და სისტემის რესურსების შერჩევა.

IP კამერები, რომლებიც მხარს უჭერენ ONVIF სტანდარტს, ლოკალურ ქსელში მუშაობისას, დაკავშირებულია სპეციალურ მულტიკასტ ჯგუფთან მისამართით 239.255.255.250. არსებობს პროტოკოლი WS Discovery, რომელიც საშუალებას გაძლევთ ავტომატიზირდეთ მოწყობილობების ძებნა ლოკალურ ქსელში.

ჭკვიანი სახლის კონტროლერის გრაფიკული ინტერფეისი ახორციელებს IP კამერების ძებნის ფუნქციას PHP-ში, რაც ძალიან მოსახერხებელია XML შეტყობინებების საშუალებით ვებ სერვისებთან ურთიერთობისას. მენიუს ელემენტების არჩევისას მოწყობილობები > IP კამერები > სკანირება ამოქმედდა IP კამერების ძიების ალგორითმი, რომელიც აჩვენებს შედეგს ცხრილის სახით:

(დააწკაპუნეთ სურათზე უფრო მაღალი გარჩევადობის გასახსნელად)

როდესაც კამერას დაამატებთ კონტროლერს, შეგიძლიათ მიუთითოთ ის პარამეტრები, რომლის მიხედვითაც ის იმოქმედებს ღრუბელთან. ასევე ამ ეტაპზე, მას ავტომატურად ენიჭება უნიკალური მოწყობილობის იდენტიფიკატორი, რომლითაც მოგვიანებით მისი ადვილად იდენტიფიცირება შესაძლებელია ღრუბელში.

შემდეგი, შეტყობინება იქმნება JSON ფორმატში, რომელიც შეიცავს დამატებული კამერის ყველა პარამეტრს და იგზავნება ჭკვიანი სახლის კონტროლერის სერვერის პროცესზე RESTful API ბრძანების მეშვეობით, სადაც კამერის პარამეტრები დეკოდირდება და ინახება SQLite-ის შიდა მონაცემთა ბაზაში. ასევე გამოიყენება შემდეგი დამუშავების ძაფების გასაშვებად:

1. RTSP კავშირის დამყარება ვიდეო და აუდიო ნაკადების მისაღებად;
2. აუდიოს ტრანსკოდირება G.711 mu-Law, G.711 A-Law, G.723 და ა.შ. ფორმატებიდან. AAC ფორმატში;
3. ვიდეო ნაკადების H.264 ფორმატში და აუდიოს AAC ფორმატში ტრანსკოდირება FLV კონტეინერში და ღრუბელში გადაცემა RTMP პროტოკოლით;
4. ONVIF პროტოკოლის მეშვეობით IP კამერის მოძრაობის დეტექტორის ბოლო წერტილთან კავშირის დამყარება და მისი პერიოდული გამოკითხვა;
5. ესკიზის გადახედვის სურათის პერიოდულად გენერირება და ღრუბელში გაგზავნა MQTT პროტოკოლის მეშვეობით;
6. ვიდეო და აუდიო ნაკადების ადგილობრივი ჩაწერა ცალკე ფაილების სახით MP4 ფორმატში ჭკვიანი სახლის კონტროლერის SD ან Flash ბარათზე.

კამერებთან კავშირის დასამყარებლად, სერვერის პროცესში ვიდეო ნაკადების ტრანსკოდირების, დამუშავებისა და ჩაწერისთვის გამოიყენება ბიბლიოთეკის ფუნქციები. FFmpeg 4.1.0.

შესრულების ტესტირების ექსპერიმენტში 3 კამერა იყო დაკავშირებული კონტროლერთან:

1. HiWatch DS-I114W (გარჩევადობა - 720p, შეკუმშვის ფორმატი - H.264, ბიტრეიტი - 1 Mb/s, ხმა G.711 mu-Law);
2. მიკროციფრული MDC-M6290FTD-1 (გარჩევადობა - 1080p, შეკუმშვის ფორმატი - H.264, ბიტრეიტი - 1 მბ/წმ, ხმის გარეშე);
3. Dahua DH-IPC-HDW4231EMP-AS-0360B (გარჩევადობა - 1080p, შეკუმშვის ფორმატი - H.264, ბიტის სიხშირე - 1.5 Mb/s, AAC აუდიო).

სამივე ნაკადი ერთდროულად გამოდიოდა ღრუბელში, აუდიო ტრანსკოდირება განხორციელდა მხოლოდ ერთი კამერიდან და ადგილობრივი არქივის ჩაწერა გამორთული იყო. CPU დატვირთვა იყო დაახლოებით 5%, ოპერატიული მეხსიერების მოხმარება იყო 32 MB (თითო პროცესზე), 56 MB (სულ OS ჩათვლით).

ამრიგად, ჭკვიან სახლის კონტროლერთან შეიძლება დაერთოს დაახლოებით 20 - 30 კამერა (დამოკიდებულია გარჩევადობაზე და ბიტირეტზე), რაც საკმარისია ვიდეოთვალთვალის სისტემისთვის სამსართულიანი კოტეჯისთვის ან პატარა საწყობისთვის. დავალებების შესრულებისთვის, რომლებიც უფრო მეტ შესრულებას მოითხოვს, შეგიძლიათ გამოიყენოთ nettop მრავალბირთვიანი Intel პროცესორით და Linux Debian Sarge OS-ით. კონტროლერი ამჟამად საცდელ ოპერაციას გადის და მისი მუშაობის შესახებ მონაცემები განახლდება.

ღრუბელთან ურთიერთქმედება

ღრუბელზე დაფუძნებული ჭკვიანი სახლი ინახავს მომხმარებლის მონაცემებს (ვიდეო და სენსორის გაზომვები) ღრუბელში. ღრუბლოვანი შენახვის არქიტექტურა უფრო დეტალურად იქნება განხილული ჩვენი სერიის შემდეგ სტატიაში. ახლა მოდით ვისაუბროთ საინფორმაციო შეტყობინებების გადაცემის ინტერფეისზე ჭკვიანი სახლის კონტროლერიდან ღრუბელში.

დაკავშირებული მოწყობილობების მდგომარეობა და სენსორის გაზომვები გადაიცემა პროტოკოლის საშუალებით MQTT, რომელიც ხშირად გამოიყენება ინტერნეტ ნივთების პროექტებში მისი სიმარტივისა და ენერგოეფექტურობის გამო. MQTT იყენებს კლიენტ-სერვერის მოდელს, სადაც კლიენტები იწერენ კონკრეტულ თემებს ბროკერში და აქვეყნებენ თავიანთ შეტყობინებებს. ბროკერი უგზავნის შეტყობინებებს ყველა აბონენტს QoS (მომსახურების ხარისხის) დონის მიხედვით განსაზღვრული წესების მიხედვით:

• QoS 0 - მაქსიმუმ ერთხელ (მიწოდების გარანტია არ არის);
• QoS 1 - ერთხელ მაინც (მიწოდების დადასტურებით);
• QoS 2 - ზუსტად ერთხელ (დამატებითი მიწოდების დადასტურებით).

ჩვენს შემთხვევაში, ჩვენ ვიყენებთ დაბნელების კოღო. თემის სახელი არის ჭკვიანი სახლის კონტროლერის უნიკალური იდენტიფიკატორი. სერვერის პროცესში მყოფი MQTT კლიენტი იწერს ამ თემას და თარგმნის JSON შეტყობინებებს მასში შეტყობინებების მენეჯერისგან. ამის საპირისპიროდ, MQTT ბროკერიდან შეტყობინებები გადაეგზავნება მის მიერ შეტყობინებების მენეჯერს, რომელიც შემდეგ ამრავლებს მათ თავის აბონენტებს სერვერის პროცესში:

ჭკვიანი სახლის კონტროლერის სტატუსის შესახებ შეტყობინებების გადასაცემად გამოიყენება შენახული შეტყობინებების მექანიზმი შენახული შეტყობინებები MQTT პროტოკოლი. ეს საშუალებას გაძლევთ სწორად აკონტროლოთ ხელახალი კავშირის დრო ელექტროენერგიის შეწყვეტის დროს.

MQTT კლიენტი შეიქმნა ბიბლიოთეკის იმპლემენტაციის საფუძველზე დაბნელება პაჰო C++ ენაზე.

H.264 + AAC მედია ნაკადები იგზავნება ღრუბელში RTMP პროტოკოლის მეშვეობით, სადაც მედია სერვერების კლასტერი პასუხისმგებელია მათ დამუშავებასა და შენახვაზე. კლასტერში დატვირთვის ოპტიმალურად გასანაწილებლად და ყველაზე ნაკლებად დატვირთული მედია სერვერის შესარჩევად, ჭკვიანი სახლის კონტროლერი უგზავნის წინასწარ მოთხოვნას ღრუბლის დატვირთვის ბალანსერს და მხოლოდ ამის შემდეგ აგზავნის მედია ნაკადს.

დასკვნა

სტატიაში განხილული იყო Raspberry Pi 3 B+ მიკროკომპიუტერზე დაფუძნებული ჭკვიანი სახლის კონტროლერის ერთი კონკრეტული დანერგვა, რომელსაც შეუძლია ინფორმაციის მიღება, დამუშავება და კონტროლის აღჭურვილობა Z-Wave პროტოკოლის მეშვეობით, ინტერაქცია IP კამერებთან ONVIF პროტოკოლის მეშვეობით და ასევე მონაცემთა გაცვლა და გაცვლა. ბრძანებებს ღრუბლოვან სერვისთან MQTT და RTMP პროტოკოლებით. წარმოების ლოგიკური ძრავა შეიქმნა JSON ფორმატში წარმოდგენილი ლოგიკური წესებისა და ფაქტების შედარების საფუძველზე.

ჭკვიანი სახლის კონტროლერი ამჟამად გადის საცდელ ოპერაციას მოსკოვისა და მოსკოვის რეგიონის რამდენიმე ადგილას.

კონტროლერის შემდეგი ვერსია გეგმავს სხვა ტიპის მოწყობილობების (RF, Bluetooth, WiFi, სადენიანი) დაკავშირებას. მომხმარებლების მოხერხებულობისთვის, სენსორებისა და IP კამერების შეერთების პროცედურა გადაიცემა მობილურ აპლიკაციაში. ასევე არსებობს იდეები სერვერის პროცესის კოდის ოპტიმიზაციისა და პროგრამული უზრუნველყოფის ოპერაციულ სისტემაში პორტირებისთვის OpenWrt. ეს საშუალებას მოგცემთ დაზოგოთ ცალკე კონტროლერი და გადაიტანოთ ჭკვიანი სახლის ფუნქციონირება ჩვეულებრივ საყოფაცხოვრებო როუტერზე.

წყარო: www.habr.com