Розробка програмної системи спостереження та сповіщення про стан енергоспоживання розумної квартири

Abstract

Кваліфікаційна робота присвячена розробленню інформаційної системи спостереження та сповіщення про стан енергосистеми розумної квартири. Система призначена для автоматизованого збору телеметричних даних гібридного інвертора Must, їх структурованого збереження, відображення поточних та історичних показників у веб-панелі, а також оперативного інформування користувача про важливі зміни в роботі енергосистеми за допомогою Telegram-бота. Розроблене рішення працює у локальній серверній інфраструктурі та не залежить від хмарних сервісів виробника обладнання. У першому розділі розглянуто особливості моніторингу енергосистем розумної квартири та використання гібридних інверторів у побутових системах автономного і резервного живлення. Проаналізовано штатне програмне забезпечення PowerSolarMonitor та інші підходи до контролю параметрів інвертора. Визначено основні недоліки наявних рішень, зокрема обмежену доступність даних, відсутність адаптивного веб-інтерфейсу, залежність від операційної системи та незручність роботи з історичною інформацією. Обґрунтовано вибір Python, Flask, MySQL, Bootstrap, Chart.js і Proxmox VE як основних технологій реалізації системи. Другий розділ присвячено проєктуванню архітектури інформаційної системи. Визначено основні компоненти рішення: гібридний інвертор Must, віртуальну машину Windows 10 зі скриптом збору даних, сервер бази даних MySQL, веб-панель на Flask і підсистему сповіщень. Побудовано загальну архітектуру системи та логічну схему обміну даними від інвертора до інтерфейсу користувача. Описано принципи взаємодії компонентів, збереження телеметрії та формування часових вибірок. Також розроблено макети десктопної та мобільної версій веб-панелі, що забезпечують зручне відображення поточних параметрів і графіків. У третьому розділі представлено практичну реалізацію системи. Розроблено Python-скрипт для отримання телеметричних даних інвертора через інтерфейс USB–RS485 та їх запису до бази даних MySQL. Реалізовано веб-панель на Flask, яка відображає поточний стан інвертора, рівень заряду акумуляторних батарей, потужність сонячних панелей, навантаження, температуру та інші технічні показники. Для перегляду історичних даних створено інтерактивні графіки на основі Chart.js і програмний інтерфейс для отримання часових рядів. Додатково реалізовано Telegram-бота, який інформує користувача про відсутність і відновлення електропостачання, втрату зв’язку з інвертором, стан акумуляторної батареї та інші події. Систему розгорнуто на сервері Proxmox VE із використанням віртуальної машини та окремих контейнерів LXC. Проведене тестування підтвердило працездатність веб-панелі й Telegram-бота на різних операційних системах, у десктопних і мобільних браузерах. Четвертий розділ охоплює питання безпеки життєдіяльності та охорони праці. Розглянуто небезпеки, пов’язані з використанням постійного та змінного струму в системах резервного живлення, експлуатацією акумуляторних батарей, сонячних панелей та гібридного інвертора. Наведено основні вимоги щодо безпечного підключення й обслуговування електричного обладнання. Також проаналізовано вимоги до організації безпечного робочого місця користувача персонального комп’ютера під час розробки та експлуатації системи моніторингу, включно з ергономікою, освітленням, мікрокліматом і дотриманням раціонального режиму праці та відпочинку.

The qualification work is devoted to the development of an information system for monitoring and alerting on the state of a smart apartment energy system. The system is intended for the automated collection of telemetry data from a Must hybrid inverter, structured data storage, presentation of current and historical indicators through a web dashboard, and prompt notification of users about important changes in the energy system through a Telegram bot. The developed solution operates within a local server infrastructure and does not depend on the equipment manufacturer’s cloud services. The first chapter examines the specific features of monitoring smart apartment energy systems and the use of hybrid inverters in household autonomous and backup power systems. The standard PowerSolarMonitor software and other approaches to inverter monitoring are analyzed. The main disadvantages of existing solutions are identified, including limited access to data, the absence of an adaptive web interface, operating system dependence, and inconvenient processing of historical information. The choice of Python, Flask, MySQL, Bootstrap, Chart.js, and Proxmox VE as the main technologies for implementing the system is substantiated. The second chapter is devoted to designing the architecture of the information system. The main components of the solution are defined: the Must hybrid inverter, a Windows 10 virtual machine running the data collection script, a MySQL database server, a Flask web dashboard, and a notification subsystem. The general system architecture and the logical data exchange scheme from the inverter to the user interface are developed. The principles of component interaction, telemetry storage, and time-series generation are described. Desktop and mobile layouts of the web dashboard are also designed to provide convenient access to current parameters and historical charts. The third chapter presents the practical implementation of the system. A Python script is developed to collect inverter telemetry through a USB–RS485 interface and store it in a MySQL database. A Flask-based web dashboard is implemented to display the current state of the inverter, battery charge level, solar panel power, electrical load, temperature, and other technical indicators. Interactive charts based on Chart.js and an application programming interface for retrieving time-series data are created for historical analysis. In addition, a Telegram bot is implemented to notify users about power outages and restoration, loss of communication with the inverter, battery status, and other events. The system is deployed on a Proxmox VE server using a virtual machine and separate LXC containers. Testing confirmed the correct operation of the web dashboard and Telegram bot on different operating systems and in desktop and mobile browsers. The fourth chapter covers life safety and occupational health issues. It examines the hazards associated with direct and alternating current in backup power systems and the operation of batteries, photovoltaic panels, and hybrid inverters. The main requirements for the safe connection and maintenance of electrical equipment are presented. The chapter also analyzes requirements for organizing a safe computer workstation during the development and operation of the monitoring system, including ergonomics, lighting, indoor climate, and appropriate work and rest schedules.