Програмне забезпечення системи моніторингу та оптимізації енергоспоживання в «розумному» будинку

Abstract

Мета розробки полягає у створенні програмного забезпечення для моніторингу та оптимізації споживання електричної енергії в «розумному» будинку. Розроблювана система не прив'язана до конкретного виробника обладнання, що відрізняє її від фірмових мобільних додатків таких компаній, як EcoFlow або Solax. Система враховує специфіку українського ринку – графіки планових відключень за чергами споживачів, особливості якості напруги, типові сценарії експлуатації побутових приладів – та надає користувачеві інтерфейс для повсякденної взаємодії без потреби в інженерній кваліфікації. Аналіз наявних рішень (підрозділ 1.4) виявив характерну поляризацію ринку: універсальні платформи «розумного» будинку (Tuya Smart [25], Home Assistant [5]) забезпечують керування побутовими пристроями, але не оперують даними інвертора та акумуляторної батареї; фірмові додатки виробників енергетичного обладнання (EcoFlow App, Solax Cloud) надають телеметрію установки, але не керують побутовими навантаженнями за межами власної екосистеми. Розроблюване програмне забезпечення EnergyHub поєднує обидві функціональні групи в межах єдиної апаратно-незалежної архітектури. Об'єкт дослідження – процес моніторингу та управління енергоспоживанням у «розумному» будинку з гібридним електропостачанням. Предмет дослідження – методи та програмні засоби моніторингу й оптимізації енергоспоживання в «розумному» будинку. Методи та технології. Серверну частину системи реалізовано мовою програмування JavaScript на платформі Node.js [6] з використанням фреймворку Express [7] для побудови REST API. Для роботи з базою даних застосовано бібліотеку Prisma [8] – ORM, що забезпечує типобезпечний доступ до даних та автоматизує управління схемою бази через систему міграцій. Як систему управління базами даних обрано PostgreSQL [9] – реляційну СУБД з відкритим кодом, що підтримує складні індексні структури для швидкої вибірки часових рядів телеметрії. Для обміну телеметрією між симулятором гібридного інвертора та серверною частиною застосовано протокол MQTT [10] з брокером Eclipse Mosquitto [11]. Цей протокол є галузевим стандартом для систем Інтернету речей завдяки низьким накладним витратам на трафік та підтримці моделі «публікація–підписка». Розгортання серверних компонентів виконано в контейнерах Docker [12], що забезпечує ідентичні умови роботи в середовищі розробки та цільовому середовищі експлуатації. Клієнтський додаток розроблено на основі фреймворку React Native [13] у середовищі Expo [14], що дозволило отримати єдину кодову базу для мобільних платформ Android та iOS. Для побудови історичних графіків використано бібліотеку react-native-chart-kit, для організації навігації між екранами – бібліотеку react-navigation. Зазначена комбінація технологій дала змогу зосередити зусилля на реалізації бізнес-логіки системи без потреби у роздільній розробці нативних додатків для двох операційних систем. Структура записки. Пояснювальна записка складається зі вступу, чотирьох основних розділів та висновків. До роботи додається список використаних джерел та додатки. Загальний обсяг записки – 69 сторінок основного тексту, кількість використаних джерел – 30, кількість додатків – 5. У першому розділі «Системний аналіз предметної області» розглянуто особливості функціонування гібридних енергетичних установок, проаналізовано вимоги до програмних систем відповідного класу, змодельовано основні процеси за допомогою діаграм прецедентів, послідовності та активності, проведено огляд наявних на ринку рішень та сформульовано завдання на розробку. Другий розділ «Проєктування програмного забезпечення» присвячено побудові логічної моделі даних у вигляді ER-діаграми, обґрунтуванню її відповідності третій нормальній формі, розробці діаграм класів, пакетів та компонентів, що формалізують архітектуру програмної системи. Третій розділ «Розробка програмного забезпечення» описує процес реалізації програмної частини системи: вибір інструментарію розробки, створення інформаційної бази, побудову системи управління інформаційною безпекою та алгоритмізацію ключових модулів захисної автоматики. У четвертому розділі «Рекомендації щодо впровадження та експлуатації системи» подано результати функціонального тестування, визначено вимоги до апаратного та програмного середовища, описано склад інсталяційного пакета та порядок розгортання.