Кваліфікаційна_робота_бакалавра_Розумне_освітлення_на_базі_IoT_1

1.

ДЕЦЕНТРАЛІЗОВАНИЙ КОМПЛЕКС АДАПТИВНОГО
КЕРУВАННЯ ОСВІТЛЕННЯМ ТА ЗБОРУ АНАЛІТИКИ
Пояснювальна записка до кваліфікаційної роботи бакалавра
ВИКОНАВЕЦЬ: СТУДЕНТ 4-ГО КУРСУ • СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 151 / 174

2.

Актуальність та аналіз аналогів
Проблеми комерційних систем
Технічне протиріччя
Більшість сучасних рішень (Philips Hue, Xiaomi, Apple HomeKit)
Існує технічне протиріччя між високою швидкістю синхронізації
мають суттєві обмеження:
пристроїв та обмеженими ресурсами IoT-вузлів.
• Vendor Lock-in: Жорстка залежність від екосистеми виробника.
Рішення полягає у розробці децентралізованого комплексу з
• Залежність від хмари: Критичність до інтернет-зв'язку.
асинхронним сервером, локальною Edge-обробкою логіки на
• Вартість масштабування: Висока комерційна ціна залізяк.
MicroPython та кросплатформовим веб-пультом.

3.

Об'єкт, предмет, методи та мета
Об'єкт та предмет
Мета роботи
Методи дослідження
Об'єкт дослідження: процеси автоматизації
Підвищення енергоефективності, гнучкості
Методи об'єктно-орієнтованого
та адаптивного керування світловими
та швидкодії систем автоматизації будівель
проектування, асинхронні архітектури,
приладами в розумному будинку.
Предмет: методи, асинхронні алгоритми та
шляхом розробки децентралізованого
реляційне моделювання СКБД, а також
комплексу з асинхронною логікою обробки
експериментальне апаратне тестування
даних.
відгуку через імітаційне моделювання.
програмно-апаратні засоби побудови IoTсистем на базі ESP32 та мови Python.

4.

Трирівнева архітектура IoT
Структура взаємодії компонентів
Система спроєктована на основі класичної трирівневої концепції Інтернету
речей (IoT):
• Рівень сприйняття (Perception): Датчики руху PIR, фоторезистори LDR
та мікроконтролер ESP32 на базі MicroPython.
• Логічний серверний контур (Logic): Асинхронний бекенд на FastAPI,
асинхронний обмін та СКБД PostgreSQL (3NF).
• Прикладний рівень (Application): Графічний веб-додаток за концепцією
Progressive Web App (PWA).

5.

Апаратне забезпечення системи
Елементна база вузла керування
Керуючий модуль (ESP32 DevKit V1): двоядерний
мікропроцесор Xtensa 32-bit, вбудовані модулі Wi-Fi/Bluetooth,
16 каналів апаратного ШІМ.
Рівень сенсорів: пасивний інфрачервоний датчик руху PIR (HCSR501) та високочутливий фоторезистор (LDR).
Виконавчий контур: релейний модуль KY-019 (комутація ламп 220В)
та силовий димер на базі MOSFET IRF520 (плавне регулювання ШІМ).

6.

Логічний рівень та програмні алгоритми
Проєктування бази даних PostgreSQL, розробка асинхронного сервера на
FastAPI, керуючої прошивки на MicroPython та математичної моделі
адаптивного ШІМ.

7.

Проєктування бази даних
Сховище даних PostgreSQL (3NF)
Для забезпечення цілісності та уникнення надликовості
розроблено нормалізовану реляційну схему в СКБД
PostgreSQL:
• Контур ROOM & DEVICE: Зв'язок один-до-багатьох
для децентралізованої масштабованості системи.
• SENSOR_DATA & LIGHTING_LOG: Таблиці
логування параметрів руху, освітленості (люкси),
ШІМ та часових міток.
• EXECUTION_COMMAND: Збереження статусів
реле та MOSFET.

8.

Математична модель ШІМ
1023
Адаптивне димування світлодіодів
Розрахунок робочого циклу ШІМ-сигналу базується на поточному дефіциті природної інсоляції:
Рівнів яскравості ШІМ (10-біт)
• Мінімальна заповненість ШІМ (150) виключає ефект мерехтіння світлодіодних елементів.
• При інсоляції вище 500 lx (LDR threshold) світло автоматично вимикається для
максимального енергозбереження.

9.

Веб-інтерфейс користувача PWA
Дистанційний пульт та моніторинг
Для керування системою створено Progressive Web App (PWA), що
працює на будь-якому пристрої через асинхронні запити.
Ручне димування (Override): пересуваючи слайдер у веб-браузері,
користувач перехоплює керування автоматики (пріоритетний режим
MANUAL).
Сценарне керування: швидка активація часових профілів «Вечір» (100%
яскравості), «Ніч» (обмеження до 20% ШІМ), та «Відсутність» (охоронний
режим логування).

10.

Верифікація та метрики відгуку
Режим роботи
Вхідні умови
Стан виконавчих пристроїв
Час відгуку
Статус в БД (PostgreSQL)
Автоматичний (AUTO)
Рух = True, Світло = 151 lx
Реле = ON, ШІМ = 325 (Адаптивний)
<45 мс
ON
Автоматичний (AUTO)
Рух = False, Світло = 588 lx
Реле = OFF, ШІМ = 0 (Енергозбереження)
<30 мс
OFF
Ручний (MANUAL)
Користувач пересунув слайдер
Реле = ON, ШІМ = 265 (Фіксований)
<15 мс
SET_MANUAL
Сценарій «Ніч»
Рух = True, Час = 02:00
Реле = ON, ШІМ = 200 (Обмеження 20%)
<40 мс
SCENARIO_Ніч
Сценарій «Відсутність»
Рух = True, Режим охорони
Реле = OFF, ШІМ = 0 (Охоронний лог)
<35 мс
SCENARIO_Відсутність

11.

Практичне значення та новизна
Енергоефективність
Локальна Edge-автономність
Відкрита архітектура
Адаптивне регулювання потужності ламп
Децентралізація логіки на MicroPython
Повна незалежність від закритих хмарних
залежно від інсоляції та миттєва деактивація
(ESP32) дозволяє локальній системі
систем (без Vendor Lock-in) та низька
при відсутності людей знижують
виконувати базові автоматичні функції навіть
вартість розгортання екосистеми (в 3-5 разів
енергоспоживання системи освітлення до
у разі повної втрати зв'язку із сервером.
дешевше комерційних аналогів).
35%.

12.

Дякую за увагу!
Доповідь закінчено. Буду радий відповісти на ваші запитання.
Кваліфікаційна робота бакалавра • 2026 рік • www.lighting-iot.com