І- ТАРАУ. АҚЫЛДЫ ҮЙ ТЕХНОЛОГИЯЛАРЫНЫҢ ҚАЛЫПТАСУЫ МЕН ЭВОЛЮЦИЯСЫ

1.1 Заманауи ақылды үйдің тарихи негіздері

ХХ ғасырдың екінші жартысынан бастап ғылым мен техниканың қарқынды дамуы адамдардың күнделікті тұрмысында елеулі өзгерістер енгізді. Электр энергиясының қолжетімділігі тұрмыстық электр құрылғыларының көбеюі және ақпараттық технологиялардың дамуы үй шаруашылығын жеңілдетудің жаңа кезеңін бастады. Бүгінде ақпараттық технологиялардың орны ерекше. Соның ішінде адамның күнделікті тұрмысын жеңілдетуге бағытталған «ақылды үй» жүйелері бүгінде кеңінен таралып келеді. Бұл жүйе – тұрмыстық техникаларды, жарықтандыруды, жылыту мен салқындатуды, қауіпсіздік пен байланыс құрылғыларын бір орталықтан автоматты түрде басқаруға мүмкіндік беретін кешен. Оның басты ерекшелігі – адамның уақытын үнемдеу, энергия ресурстарын тиімді пайдалану және жайлылықты арттыру.

Ақылды үйдің пайда болу тарихы: Алғашқы смарт үй үлгілері ХХ ғасырдың 1975 жылдары АҚШ-та тәжірибе ретінде пайда болды. Сол кезеңде инженерлер үйдегі қарапайым тұрмыстық құрылғыларды кабель арқылы бір желіге қосып, қашықтан басқару мүмкіндігін зерттей бастады. Бірақ сол кездегі технологияның қымбат болуы, интернеттің дамымауы, датчиктердің шектеулі қызметі бұл идеяның жаппай қолданысқа енуіне кедергі келтірді.

90-жылдары интернеттің дамуымен қатар компьютерлендіру деңгейі артты. Осы кезде «ақылды үй» концепциясы екінші тынысын ашты. Жарықтандыруды автоматты басқару, қарапайым қауіпсіздік жүйелері мен температураны реттеу құрылғылары қолданыла бастады. Бұл технологиялар көбінесе бай адамдардың немесе ірі компаниялардың үйлерінде ғана орнатылды. Ақылды үй жүйесі әр түрлі ақылды құрылғылар мен құрылғылардың жиынтығы емес, қашықтан басқарылатын желіні құру үшін бірге жұмыс істейтін жүйелер. Барлық құрылғылар, мысалы, шамдар, термостаттар, қауіпсіздік жүйелері және құрылғылар - көбінесе ақылды үй жүйесінің хабы деп аталатын басты үй автоматтандыру контроллері арқылы басқарылады. Бұл - ақылды үй жүйесінің орталық нүктесі ретінде әрекет ететін және деректерді сезіп, өңдей және сымсыз байланыса алатын аппараттық құрылғы. Ол барлық әртүрлі қолданбаларды үй иелері қашықтан басқара алатын жалғыз смарт үй жүйесінің қолданбасына біріктіреді.

2000-жылдардан бастап мобильді құрылғылар мен сымсыз интернеттің дамуы смарт үйдің жаңа кезеңін қалыптастырды. Wi-Fi, Bluetooth, GSM технологиялары арқылы тұрмыстық техникаларды қашықтан басқару мүмкіндігі кеңейді. Сонымен қатар энергия үнемдеуге ерекше көңіл бөлініп, жарықдиодты шамдар, ақылды термостаттар және қозғалыс сенсорлары кеңінен тарала бастады.

Қазіргі даму кезеңі: Бүгінгі күні смарт үй жүйелері жасанды интеллект пен «заттар интернеті» (IОT) технологиясына негізделуде. Бұл дегеніміз – жарықтандыру және жылыту сияқты құрылғылар мен жүйелерді қашықтан бақылауға және басқаруға мүмкіндік беру үшін интернетке қосылған құрылғыларды пайдаланатын тұрғын үй. Смарт үй жүйесінің технологиясы – көбінесе үйді автоматтандыру немесе үй дегенді білдіретін латын сөзінен шыққан домотиктер деп аталады – үй иелеріне қауіпсіздікті, жайлылықты, ыңғайлылықты және энергия тиімділігін қамтамасыз етеді, оларға басқаруға мүмкіндік береді. Смарт құрылғылар, көбінесе смартфонында немесе басқа желілік құрылғыда смарт үй жүйесінің қолданбасын пайдаланады.

Қазіргі смарт үйлер тек жайлылықты ғана емес, экологиялық тиімділікті де қамтамасыз етеді. Жарықтың қажетсіз жануын болдырмайды, суды үнемдеуге көмектеседі, энергия тұтынуды төмендетеді. Бұл – тұрақты даму қағидаттарына сәйкес келетін маңызды жетістік.

Дамудың болашағы: Алдағы уақытта смарт үй технологиялары жасанды интеллекттің көмегімен толықтай автономды жұмыс істеуге қабілетті болады деп күтілуде. Үй иесінің күнделікті іс-әрекетін талдап, қажетсіз энергия шығынын азайтып, қауіпсіздікті күшейту мүмкіндіктері артады. Сонымен қатар 5G интернетінің енгізілуі арқылы құрылғылардың байланысы жылдам әрі сенімді болады.

Ақылды үй жүйесінің даму кезеңдері

Ақылды үй жүйелерінің пайда болуы мен дамуы – ғылыми-техникалық прогрестің айқын көрінісі. Ол ХХ ғасырдың қарапайым тәжірибелік жобаларынан басталып, бүгінде жасанды интеллектке сүйенген интеллектуалды ортаға айналды. Ақылды үй тек тұрмыстық жайлылықты қамтамасыз етіп қана қоймай, энергия үнемдеу мен экологиялық тұрақтылықты нығайтуда маңызды рөл атқарады. Бұл – болашақта әрбір адамның өмір сапасын арттыратын технологиялық шешім.

1.2 Ақылды үй құрылғыларындағы физикалық заңдылықтардың рөлі

Ақылды үй жүйесі – тек бағдарламалық қамтамасыз ету немесе заманауи құрылғылар жиынтығы ғана емес, сонымен қатар физиканың әртүрлі салаларына негізделген ғылыми-техникалық жүйе. Үйдегі жарық, дыбыс, жылу, электр энергиясы және қауіпсіздік құрылғыларының барлығы нақты физикалық заңдылықтар арқылы жұмыс істейді. Сондықтан бұл тақырыпты қарастыру оқушыларға физиканың күнделікті өмірмен тығыз байланысын көрсетуге мүмкіндік береді.

Жарықтандыру жүйелері және оптика заңдылықтары: Ақылды үйдегі жарықтандыру жүйелерінде көбінесе жарықдиодты шамдар (LED) қолданылады. Олардың жұмысы электр энергиясының жарық энергиясына айналу принципіне негізделген. Жарықдиод ішінде электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы нәтижесінде фотондар бөлінеді, бұл – кванттық физика мен оптиканың айқын мысалы. Сонымен қатар жарық сенсорлары фотоэлектрлік эффекті арқылы жұмыс істейді: жарық түскенде токтың шамасы өзгереді. Бұл жүйелер жарықты адамның қозғалысына немесе бөлменің жарық деңгейіне қарай автоматты түрде реттейді.

Қозғалыс сенсорлары және инфрақызыл сәулелену
Қауіпсіздік пен жарықты автоматты қосуда қолданылатын қозғалыс сенсорлары инфрақызыл сәулелерді пайдаланады. Адам денесінен бөлінетін жылу толқындары (8–14 мкм диапазонында) сенсорға түсіп, электрлік сигналға айналады. Бұл – электромагниттік толқындар физикасының тікелей қолданысы. Сенсордың ішінде пирометрлік элементтер бар, олар температура айырмасын анықтап, қозғалыс туралы сигнал береді.

Жылу және энергия үнемдеу жүйелері: Ақылды үйдегі термостаттар жылу алмасу заңдылықтарына негізделген. Жылу өткізгіштік, конвекция және сәулелену құбылыстары бөлмедегі температураны сақтап тұруға әсер етеді. Термостат ішіндегі датчиктер термометрлік принциппен жұмыс істейді: белгілі бір температурада өткізгіштің кедергісі өзгереді немесе термопара арқылы кернеу пайда болады. Осы мәліметтерге сүйене отырып, жүйе жылу қазандығын немесе кондиционерді автоматты түрде қосып-өшіреді.

Дыбыстық басқару және акустика заңдылықтары: Ақылды үйдегі дауыс арқылы басқару жүйелері дыбыстың таралуы мен жазылуына негізделеді. Микрофондар дыбыстық толқындарды электрлік сигналға түрлендіреді. Бұл жерде акустика және толқындар таралуы заңдылықтары іске қосылады. Әрбір дыбыс белгілі бір жиілік пен амплитудаға ие, ал жасанды интеллект жүйесі оны өңдеп, белгілі бір әрекетке түрлендіреді.

Қауіпсіздік жүйелері және электромагниттік толқындар: Бейнебақылау камералары оптика мен электрмагниттік толқындардың заңдарына сүйенеді. Камера линзалары жарықты жинап, матрицаға түсіреді, ал фотодиодтар жарық ағынын электр тогына айналдырады. Сонымен қатар бейнебақылау мен сигнал беру сымсыз байланыс арқылы жүзеге асады, яғни радиотолқындар физикасы қолданылады.

Энергия тиімділігі және электр құбылыстары: Ақылды үй жүйесінде электр энергиясын үнемдеу негізгі міндеттердің бірі. Электр тізбегіндегі ток күші мен кернеу арасындағы байланыс (Ом заңы) барлық құрылғылардың негізінде жатыр. Мысалы, қуатты есептеу үшін P=U⋅IP = U \cdot IP=U⋅I формуласы қолданылады. Қуатты басқару жүйелері осы заңдылықтарды ескере отырып, артық энергия шығынын болдырмайды.

2 кесте – Ақылды үй құрылғыларындағы физикалық заңдылықтар

Ақылды үй жүйелеріндегі әрбір құрылғының негізінде физиканың нақты заңдары жатыр. Оптика, электродинамика, жылу құбылыстары, акустика сияқты бөлімдердің заңдылықтары тұрмыстық техникада кеңінен қолданылады. Бұл оқушыларға физиканы өмірмен байланыстырып, оны тәжірибеде қолданудың айқын мысалын көрсетеді. Смарт үй жүйелерін зерттеу – ғылымның практикалық маңызын түсінуге үлкен мүмкіндік береді.

ІІ ТАРАУ АҚЫЛДЫ ҮЙ ЖҮЙЕСІНДЕГІ НЕГІЗГІ ФИЗИКАЛЫҚ ПРИНЦИПТЕРДІҢ ҚОЛДАНЫЛУЫ

2.1 Жарық, дыбыс, жылу энергиясын басқарудағы физикалық құбылыстар

Ақылды үй жүйесінің тиімділігі ең алдымен энергияны басқаруға байланысты. Жарықты, дыбысты және жылуды тиімді реттеу тек тұрмыстық жайлылықты ғана емес, сонымен қатар энергия үнемдеуді қамтамасыз етеді. Бұл басқарудың барлығы физика заңдылықтарына сүйенеді: оптика, акустика және жылу динамикасы.

Жарық энергиясын басқару: Ақылды үйдегі жарық жүйесі жарықдиодты шамдар мен фотоэлектрлік сенсорларға негізделген. Жарықдиодты шамдар энергияны аз тұтынып, жоғары тиімділікпен жарық береді. Жарық сенсорлары бөлмедегі жарық деңгейін өлшеп, автоматты түрде шамдарды қосып немесе өшіреді. Мұндағы негізгі физикалық құбылыс – фотоэффект, яғни жарықтың әсерінен электрондардың қозғалысқа түсуі. Сонымен қатар жарық таралуының оптикалық заңдары (шағылу, сыну) жарықтандыру жүйесін дұрыс жобалауға мүмкіндік береді.

Дыбыс энергиясын басқару: Ақылды үйде дыбысты басқару көбінесе дауыс арқылы орындалады. Микрофондар дыбыстық толқындарды электр сигналға айналдырады, бұл акустика заңдарына негізделген. Әр дыбыс белгілі бір жиілік пен амплитудаға ие, сондықтан микрофон мембранасы дыбыс қысымын электр импульсіне түрлендіреді. Бұдан кейін жасанды интеллект жүйесі дыбысты өңдеп, құрылғыларды қосуға немесе өшіруге команда береді. Бұл процесс толқындардың таралуы мен интерференция заңдарын да қамтиды.

Жылу энергиясын басқару: Жылуды басқаруда негізгі рөлді термостаттар мен жылу сенсорлары атқарады. Олар бөлмедегі температураны өлшеп, қажет болған жағдайда жылыту немесе салқындату жүйелерін іске қосады. Мұндағы физикалық негіз – жылу алмасу құбылыстары: өткізгіштік, конвекция және сәулелену. Мысалы, термостаттағы биметаллды пластина температураға байланысты иіліп, электр тізбегін ашып немесе жабады. Ақылды үйде бұл жүйелер электронды түрде жүзеге асады және энергияны 50%-ға дейін үнемдеуге мүмкіндік береді.

Ақылды үй жүйесінде жарық, дыбыс және жылуды басқаруда қолданылатын физикалық құбылыстар

Жарық, дыбыс және жылуды басқару – смарт үйдің ең негізгі қызметтерінің бірі. Бұл жүйелердің барлығы физиканың іргелі заңдарына сүйеніп жұмыс істейді. Дұрыс жобаланған смарт үй тек жайлылық қана емес, энергияны үнемдеу, қауіпсіздік және тұрақты даму қағидаттарын жүзеге асырады.

2.2 Қауіпсіздік пен энергия үнемдеудегі электромагниттік және оптикалық принциптер

Ақылды үй жүйесінің негізгі артықшылықтарының бірі – тұрғындардың қауіпсіздігін қамтамасыз ету және энергияны тиімді пайдалану. Бұл міндеттерді іске асыруда физиканың электромагниттік және оптикалық заңдылықтары ерекше рөл атқарады. Қауіпсіздік жүйелеріндегі бейнебақылау камералары, қозғалыс сенсорлары, лазерлі қашықтық өлшеуіштер – барлығы жарық пен электромагниттік толқындардың қасиеттеріне негізделген. Ал энергияны үнемдеуде күн батареялары, жарықдиодты шамдар, инфрақызыл датчиктер секілді құрылғылар кеңінен қолданылады.

Қауіпсіздік жүйелеріндегі оптикалық принциптер: Ақылды үйдің қауіпсіздік кешенінде оптика ғылымының заңдары маңызды орын алады. Мысалы, оптикалық сенсорлар заманауи электронды технологияда негізгі рөл атқарады.Бұл датчиктер жеңіл сигналдарды шығару және алу арқылы объектілердің орналасуын, болуын және сипаттамаларын анықтайды және өнеркәсіптік автоматтандыру, тұтынушылық электроникада кеңінен қолданылады. Матрицадағы фотодиодтар түскен фотондарды электр сигналдарына айналдырады. Бұл – фотоэлектрлік эффектінің тікелей қолданылуы. Сонымен қатар, қозғалыс сенсорларында инфрақызыл сәулелену кең қолданылады. Адам денесінен бөлінетін жылу толқындарын анықтау арқылы сенсор үйдегі қозғалысты тіркеп, дабыл жүйесін қосады. Бұл процесте электромагниттік толқындардың ұзындығына тәуелді сәуле қабылдау құбылысы іске қосылады.

Энергия үнемдеудегі электромагниттік құбылыстар: Электр энергиясын үнемдеу смарт үйдің басты мақсатының бірі. Бұл бағытта электромагниттік индукция құбылысына негізделген құрылғылар ерекше маңызға ие. Мысалы, сымсыз қуаттандыру жүйелері трансформаторлық принциппен жұмыс істеп, үйдегі құрылғыларды кабельсіз зарядтауға мүмкіндік береді. Сонымен бірге, күн батареялары фотоэлектрлік эффекті негізінде жұмыс істейді. Күн сәулесі фотоэлементке түскенде электрондар қозып, ток пайда болады. Бұл табиғи энергияны тиімді пайдаланып, электр қуатына жұмсалатын шығынды азайтады.

Энергия үнемдеудегі оптикалық принциптер: Жарықдиодты шамдар (LED) энергияны шамамен 80%-ға дейін үнемдейді. Бұл кванттық механика мен оптика заңдарына негізделген: электрондардың энергия деңгейлері өзгергенде жарық фотондары шығарылады. Сонымен қатар жарық сенсорлары бөлмедегі жарық деңгейін автоматты түрде анықтап, шамдарды қажет болғанда ғана қосады. Бұл – жарықтың қарқындылығы мен фотоэлектрлік құбылыстың тиімді қолданысы.

Қауіпсіздік пен энергияны басқарудағы бірлескен жүйелер: Ақылды үйде оптикалық және электромагниттік принциптердің үйлесуі арқылы толық автоматтандырылған басқару мүмкіндігі туындайды. Мысалы, сыртқы аумақта орнатылған қозғалыс сенсоры қозғалысты анықтап, бейнекамераны қосады. Камера бейнені тіркеп, оны Wi-Fi немесе 5G арқылы иесіне жібереді. Бұл кезде оптика, электромагнетизм және ақпараттық технологиялар өзара байланыста жұмыс істейді.
Энергияны үнемдеу үшін жарық шамдары тек қозғалыс байқалғанда ғана жанады. Мұндай интеграция смарт үйдің экологиялық тиімділігін арттырады.

Энергия үнемдеуде қолданылатын физикалық принциптер

Қауіпсіздік пен энергия үнемдеуде қолданылатын оптикалық және электромагниттік принциптер – смарт үйдің негізгі өзегі. Олар бір-бірімен үйлесе отырып, тұрғындардың жайлылығын арттырады, табиғи ресурстарды үнемдеуге жағдай жасайды және қоршаған ортаны қорғауға үлес қосады. Смарт үй технологиялары – физика заңдарының тұрмыстағы нақты қолданысының айқын мысалы.

Сонымен қатар, мұндай жүйелер адамның уақытын тиімді пайдалануына ықпал етеді, өйткені көптеген процестер автоматты түрде орындалады. Бейнебақылау мен сенсорлық құрылғылардың көмегімен үйдің қауіпсіздігі тәулік бойы бақыланады. Күн энергиясын қолдану электр қуатына кететін шығынды айтарлықтай азайтады. Жарықдиодты шамдар мен инфрақызыл сенсорлар электрді үнемдеумен қатар, артық шығынның алдын алады.

Электромагниттік индукцияға негізделген сымсыз қуаттандыру құрылғылары тұрмыстық техниканың қолданылуын жеңілдетеді. Ал оптикалық принциптер бейнекөрініс сапасын арттырып, бақылауды сенімді етеді. Мұндай кешенді жүйелердің дамуы смарт қалалар құруға да негіз болады. Демек, смарт үй технологиялары қазіргі қоғам үшін тек жайлылық емес, тұрақты дамудың кепілі болып табылады

Зерттеу барысында смарт үй жүйесінің пайда болуы, дамуы және оның негізінде жатқан физикалық принциптер жан-жақты қарастырылды. Ақылды үй – тек тұрмыстық жайлылық пен заманауи технология емес, сонымен қатар физика заңдылықтарының нақты өмірде қолданылуының айқын мысалы екені дәлелденді. Жарық жүйелерінде оптика мен кванттық физика заңдары, дыбысты басқаруда акустика, жылуды реттеуде жылу алмасу құбылыстары, ал қауіпсіздік пен энергия үнемдеуде электромагнетизм мен фотоэффект ерекше орын алады.

Қазіргі кезеңде смарт үйлер тек бай адамдарға ғана емес, қарапайым тұтынушыларға да қолжетімді бола бастады. Бұл – ғылым мен техниканың даму нәтижесі. Зерттеу барысында смарт үй жүйелерінің негізгі құрылғылары талданып, олардың жұмыс істеу принциптері кестелер мен суреттер арқылы нақты көрсетілді. Сонымен бірге, энергияны тиімді пайдалану мен қауіпсіздікті қамтамасыз етудің қоғам үшін өзекті мәселе екендігі айқындалды.

Жалпы алғанда, смарт үй жүйелері – болашақтың технологиясы. Олар адамның өмір сапасын арттырып қана қоймай, ресурстарды үнемдеуге, экологияны қорғауға үлес қосады. Жас ұрпақ үшін мұндай жобалар ғылымды тәжірибемен байланыстырып, физика пәнінің өмірлік маңызын ұғынуға көмектеседі. Сондықтан смарт үй жүйесін зерттеу – әрі ғылыми, әрі тәрбиелік тұрғыдан құнды жұмыс болып табылады.

Қолданылған әдебиеттер

1. Қожахметов С. «Физика және заманауи технологиялар». – Алматы: Қазақ университеті, 2021.

2. Иванов А.П. «Умный дом: основы построения и функционирования». – Москва: Наука, 2020.

3. Brown T. Smart Home Systems and Physics Applications. – London: Springer, 2019.

4. Нұрғазинов А., Төлегенова А. «Энергия үнемдеу технологиялары». – Астана: Фолиант, 2022.