Умный дом на базе контроллеров arduino: проектирование и организация управляемого пространства

Платы дополнения (шилды)

Для увеличения возможностей материнских плат используют шилды (Shields) – расширяющие функционал дополнительные устройства. Они изготавливаются под конкретный форм-фактор, что отличает их от модулей, которые подключают к портам. Шилды стоят дороже модулей, однако работа с ними проще. Также они снабжены готовыми библиотеками с кодом, что убыстряет разработку собственных программ управления для “умного дома”.

Шилды Proto и Sensor

Эти два стандартных шилда не привносят каких-либо особых функций. Их используют для более компактного и удобного подключения большого числа модулей.

Proto Shield представляет собой практически полную копию оригинала в плане портов, а посередине модуля можно приклеить макетную плату. Это облегчает сборку конструкции. Такие дополнения существуют для всех полноформатных плат Arduino.

Proto Shield ставят поверх материнской платы. Это незначительно увеличивает высоту конструкции, но экономит много места в плоскости

Но если устройств очень много (более 10), то лучше использовать более дорогие коммутационные платы Sensor Shield.

У них не предусмотрен брэдборд, однако ко всем выводам портов индивидуально подведено питание и земля. Это позволяет не путаться в проводах и перемычках.

Площадь поверхности материнской и сенсор-плат одинакова, однако на шилде отсутствуют чипы, конденсаторы и другие элементы. Поэтому освобождается много места для полноценных подключений

Также на этой плате есть колодки для простого подключения нескольких модулей: Bluetoots, SD-карты, RS232 (COM-port), радио и ультразвука.

Подключение вспомогательного функционала

Шилды с интегрированным в них функционалом рассчитаны на решение сложных, но типовых задач. При необходимости реализации оригинальных задумок лучше все же подобрать подходящий модуль.

Motor Shield. Он предназначен для управления скоростью и вращением маломощных двигателей. Оригинальная модель оснащена одним чипом L298 и может работать одновременно с двумя моторами постоянного тока или с одним сервоприводом. Есть и совместимая деталь от стороннего производителя, у которой два чипа L293D с возможностью управления вдвое большим количеством приводов.

Relay Shield. Часто используемый модуль с системах “умный дом”. Плата с четырьмя электромеханическими реле, каждое из которых допускает прохождение тока с силой до 5А. Этого достаточно для автоматического включения и отключения киловатных приборов или линий освещения, рассчитанных на переменный ток 220 В.

LCD Shield. Позволяет выводить информацию на встроенный экран, который можно проапгрейдить до TFT-устройства. Это расширение часто применяют для создания метеостанций с показаниями температуры в различных жилых помещениях, пристройках, гараже, а также температуры, влажности и скорости ветра на улице.

В LCD Shield встроены кнопки, позволяющие запрограммировать листание информации и выбор действий для подачи команд на микропроцессор

Data Logging Shield. Основная задача модуля – записывать данные с датчиков на полноформатную SD-карту объемом до 32 Gb с поддержкой файловой системы FAT32. Для записи на микро-SD карту нужно приобрести адаптер. Этот шилд можно использовать как хранилище информации, например, при записи данных с видеорегистратора. Производство американской фирмы Adafruit Industries.

SD-card Shield. Более простая и дешевая версия предыдущего модуля. Такие расширения выпускают многие производители.

EtherNet Shield. Официальный модуль для связи Arduino с Интернетом без участия компьютера. Есть слот для микро-SD карты, что позволяет записывать и отправлять данные через всемирную сеть.

Wi-Fi Shield. Позволяет осуществлять беспроводной обмен информацией с поддержкой режима шифрования. Служит для связи с интернетом и устройствами, которыми можно управлять через Wi-Fi.

GPRS Shield. Этот модуль, как правило, используют для связи “умного дома” с владельцем по мобильному телефону через SMS сообщения.

Аппаратная и программная часть

Для того, чтобы собрать умный дом своими руками, мы будет использовать Wi-Fi модуль ESP8266. Процесс разработки на нём почти не отличается от традиционной разработки на Arduino.

Для начала нужно скачать приложение Blynk из GooglePlay или AppStore и зарегистрироваться в нём. После этого нужно создать новый проект и выбрать соответствующий микроконтроллер. Перед вами появится пустая панель, на которой можно размещать элементы управления. Это могут быть кнопки, иконки, слайдеры, индикаторы, выпадающие списки и многое другое.

После создания проекта на вашу почту придёт токен доступа. Его нужно будет указать в скетче и веб-хуках.

К элементам управления можно подвязать физический пин микроконтроллера или же виртуальный порт. При взаимодействии с каким-либо элементом, его новое значение будет сразу отправляться на микроконтроллер.

Примечание Виртуальные порты в Blynk можно представить как переменные, которые синхронизируются между устройством и сервером.

Для этого скетча в панели управления Blynk нужно добавить элемент «Button». В его настройках OUTPUT выставить V0, а режим работы переключить в Switch.

Теперь к указанному порту можно подключать реле. Если всё правильно, то при нажатии на кнопку в панели управления реле будет открываться и закрываться.

Голосовое управление светом не мешает управлению им аппаратно. К микроконтроллеру можно подключить физическую кнопку или выключатель, которые тоже будут включать и выключать свет. Если это необходимо, то изменять состояние виртуального порта можно методом . Тогда изменения будут отображаться и на панели управления.

Примечание При работе с механическими кнопками и выключателями не забывайте про дребезг контактов.

Всё работает? Тогда можете переходить к следующему этапу.

Что такое Arduino?

Ардуино (Arduino) — специальный инструмент, позволяющий проектировать электронные устройства, имеющие более тесное взаимодействие с физической средой в сравнении с теми же ПК, фактически не выходящими за пределы виртуальной реальности.

В основе платформы лежит открытый код, а само устройство построено на печатной плате с «вшитым» в ней программным обеспечением.

Другими словами, Ардуино — небольшое устройство, обеспечивающее управление различными датчиками, системами освещения, принятия и передачи данных.

В состав Arduino входит микроконтроллер, представляющий собой собранный на одной схеме микропроцессор. Его особенность — способность выполнять простые задачи. В зависимости от модели устройство Ардуино может комплектоваться микроконтроллерами различных типов.

Существует несколько моделей плат, самые распространённые из них – UNO, Mega 2560 R3.

Не менее важная особенность печатной платы заключается в наличии 22 выводов, которые расположены по периметру изделия. Они бывают аналоговыми и цифровыми.

Особенность последних заключается в управлении с помощью только двух параметров — логической единицы или нуля. Что касается аналогового вывода, между 1 и 0 имеется много мелких участков.

Сегодня Arduino используется при создании электронных систем, способных принимать информацию с различных датчиков (цифровых и аналоговых).

Устройства на Ардуино могут работать в комплексе с ПО на компьютере или самостоятельно.

Что касается плат, их можно собрать своими руками или же приобрести готовое изделие. Программирование Arduino производится на языке Wiring.

ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ: Умный дом Xiaomi Smart Home, обзор, комплектация, подключение и настройка своими руками, сценарии.

Расширение возможности на Ардуино

Одной из возможностей умного дома является визуализация состояния автоматики и проходящих в системе процессов. Для этого рекомендуется применять отдельный сервер, обеспечивающий обработку состояний (может применяться программа Node.js).

Упомянутая программная технология применяется для решения интернет-задач, поэтому для визуализации «Умного дома» используется язык Java Script (именно с его помощью создается обработчик и сервер). Результаты можно увидеть на экране компьютера или ПК.

Для реализации задуманного подойдет ноутбук, обычный ПК или Raspberry Pi. Применение такой системы позволяет увеличить ее возможности. Так, если на плате Ардуино имеется небольшой объем памяти, на сервере такие ограничения отсутствуют. Программа пишется таким образом, чтобы обеспечить полное управление платформой.

При желании можно задать алгоритм, который будет фиксировать факт нахождения человека в доме, и собирать эту информацию. Если владелец ежедневно возвращается где-то к 17.30, за час может быть включен бойлер или отопительные устройства. По приходу домой человек попадает в теплое здание с горячей водой.

Программа может запомнить время, когда владелец ложится отдыхать и отключать нагрев воды. Таких нюансов, которые при необходимости вносятся в программу, множество. Именно наличие внешнего ПК дает большие возможности контроллеру на Ардуино.

Что такое «Умный дом»

Понятие Smart Homes или «Умный дом» можно охарактеризовать как простой набор контроллеров и датчиков. Эти приспособления могут срабатывать как на тепловую энергию, так и на движения. Как правило, такие наборы контролируют работу техники внутри дома, коммуникации, системы безопасности. Есть и более «умные» проекты: системы по расписанию включают отопление, запускают работу бытовой техники и т. д. Только представьте себе: вы приходите домой, где вас уже ждет разогретый обед в микроволновке и горячая ванная. Интересно? Тогда есть смысл сделать это своими руками.

«Умный дом» можно охарактеризовать как простой набор контроллеров и датчиков

Контроль и управление климатической системой

Владелец может совершать обогрев помещения, а также очистку, увлажнение и вентиляцию воздуха. Допустим, к моменту своего прихода прогреть помещение до определенного температурного режима.

Основные достоинства данной функции:

1. Отопление, или охлаждение температуры в помещении осуществляется одной общей системой.
2. Возможность регулировки любых температурных режимов в помещении, в соответствии с погодными условиями климата.
3. Каждое отдельное устройство имеет свои специальные датчики, которые регулируют работу того или иного механизма, и позволяет контролировать внутренний климат в помещении.

Готовые комплекты и решения

Получение функциональности умного дома доступно не только самодельным методом. Продаются готовые комплекты и наборы оборудования, которые можно объединять в единую систему. Сюда входят:

• блок микроконтроллера;
• беспроводные выключатели;
• датчики дыма, движения, температуры, открытия;
• управляемые розетки с контролем состояния;
• пульт дистанционного управления или иное средство коммуникации с пользователем;
• сигнализаторы;
• модемы или роутеры, позволяющие вывести информацию из системы в сеть;
• камеры видеонаблюдения;
• блоки бесперебойного питания.

Возможности контроля таких систем достаточно широки и могут выражаться не только в реакции на нажатие физического выключателя или кнопки на пульте. Доступно начальное программирование функций (времени включения, расписания) и проверка происходящего через сеть.

Объем сервисных возможностей, предоставляемых комплексами такого класса, непосредственно зависит от их стоимости и бренда. Доступно расширение начальной комплектации дополнительными устройствами от производителя, ориентированными на интеграцию в конкретную систему.

Распространенные комплексы выполняют контроль оборудования по нескольким физическим интерфейсам, каждый из которых имеет определенные плюсы и минусы в установке с использованием. Речь идет о проводных и беспроводных коммуникациях. Кроме того, управление может осуществляться на уровне одного микроконтроллера или быть распределенным по различным «умным» элементам. В последнем случае система не сильно зависит от центра, который осуществляет только объединяющую функцию.

Модели умных домов, представленные на рынке

Бренд/название	Комплектация	Коммуникации	Удаленное управление/контроль	Расширение уст-ми производителя	Пульт	*Универсальность	Цена (руб)
Xiomi Smart Home Suite	Контроллер, замаскированный под настольную лампу, датчики открытия и движения, умная розетка и беспроводная кнопка включения	Проводные	Приложение Mi Home	Есть	Нет	Нет	5000
Redmond Smart Home	Продается раздельно, собирается во едино с основой в виде модуля skycenter	Bluetooth	Приложение Ready for Sky	Есть	Есть	Нет
Vstarcam E27AR-TZ1V	Умная камера (по совместительству контроллер), датчики движения и открывания дверей, светильник и управляемая розетка	ИК	Приложение на мобильный телефон, электронная почта	Есть	Есть	Нет	12000
NooLite mini kit	Приложение на мобильный телефон	Есть	Есть	Есть	14000
Fibaro starter kit	Контроллер, БП, Датчики в комплекте: освещенности, движения, температуры, протечки, открытия	Веб-интерфейс, приложение смартфона	Есть	Есть	Есть	50000
Wulian Smart Home	Дизайнерский контроллер	Радио	Приложение	Есть	Нет	Есть

* Универсальность — подразумевает подключение внешних устройств не только через розетку, но и иные контроллеры. К примеру, внешние реле времени или силовые повторители.

Что такое умный дом?

Для меня умный дом, это не тот который с тобой говорит, а тот который обладает возможностями к саморегуляции,. Который способен поддерживать комфортную температуру и влажность, следить за качеством воздуха, автоматически проветривать помещения, открывать и закрывать шторы, разумно использовать коммунальные ресурсы и предотвращать всевозможные недоразумения вроде протечек воды и т.п. Также очень важным преимуществом такого дома считаю возможность использования альтернативных источников энергии. Автоматическая система способна умело переключаться между различными ресурсами именно тогда, когда это наиболее эффективно, а не «когда вспомнил».

Технологии альтернативной энергетики система управления дома это две составные части домов будущего.

Представьте себе дом, который в течении дня накапливает тепловую энергию, полученную от солнца в энергоаккумуляторах, а в течении ночи использует её для отопления, который содержит воздух внутри себя всегда в идеальном для человека состоянии, который ждёт хозяина и к определенному времени включает тёплый пол, подогревает для него сауну или набирает тёплую ванную, сам поливает цветы или огород с учётом прогноза погоды или влажности почвы.

Модули и решения «умного дома» на Ардуино

Основным элементом умного дома является центральная плата микроконтроллера. Две и более соединенных между собой плат, отвечают за взаимодействие всех элементов системы.

Существует три основных микроконтроллера в системе:

Arduino UNO – средних размеров плата с собственным процессором и памятью. Основа — микроконтроллер ATmega328.  В наличии 14 цифровых входов/выходов (6 из них можно использовать как ШИМ выводы), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор 16 МГц, USB-порт (на некоторых платах USB-B), разъем для внутрисхемного программирования, кнопка RESET. Флэш-память – 32 Кб, оперативная память (SRAM) – 2 Кб, энергонезависимая память (EEPROM) – 1 Кб.

Arduino UNO

Arduino NANO – плата минимальных габаритов с микроконтроллером ATmega328. Отличие от UNO – компактность, за счет используемого типа контактных площадок – так называемого «гребня из ножек».

Arduino Nano

Arduino MEGA – больших размеров плата с микроконтроллером ATMega 2560. Тактовая частота 16 МГц (как и в UNO), цифровых пинов 54 вместо 14, а аналоговых 16, вместо 6. Флэш-память – 256 Кб, SRAM – 8 Кб, EEPROM – 4.

Arduino Mega

Arduino UNO – самая распространённая плата, так как с ней проще работать в плане монтажных работ. Плата NANO меньше в размерах и компактнее – это позволяет разместить ее в любом уголке умного дома. MEGA используется для сложных задач.

Сейчас на рынке представлено 3 поколение плат (R3) Ардуино. Обычно, при покупке платы, в комплект входит обучающий набор для собирания StarterKit, содержащий:

1. Шаговый двигатель.
2. Манипулятор управления.
3. Электросхематическое реле SRD-05VDC-SL-C 5 В.
4. Беспаечная плата для макета MB-102.
5. Модуль с картой доступа и и двумя метками.
6. Звуковой датчик LM393.
7. Датчик с замером уровня жидкости.
8. Два простейших устройства отображения цифровой информации.
9. LCD-дисплей для вывода множества символов.
10. LED-матрица ТС15-11GWA.
11. Трехцветный RGB-модуль.
12. Температурный датчик и измеритель влажности DHT11.
13. Модуль риал тайм DS1302.
14. Сервопривод SG-90.
15. ИК-Пульт ДУ.
16. Матрица клавиатуры на 16 кнопок.
17. Микросхема 74HC595N сдвиговый регистр для получения дополнительных выходов.
18. Основные небольшие компоненты электроники для составления схемы.

Можно найти и более укомплектованный набор для создания своими руками умного дома на Ардуино с нуля. А для реализации иного проекта, кроме элементов обучающего комплекта, понадобятся дополнительные вещи и модули.

Сенсоры и датчики

Чтобы контролировать температуру и влажность в доме и в подвальном помещении, потребуется датчик измерения температуры и влажности. В конструкторе умного дома это плата, соединяющая в себе датчики температуры, влажности и LCD дисплей для вывода данных.

Плата дополняется совместимыми датчиками движения или иными PIR-сенсорами, которые определяют присутствие или отсутствие человека в зоне действия, и привязывается через реле к освещению.

Датчик Arduino

Газовый датчик позволит быстро отреагировать на задымленность, углекислоту или утечку газа, и позволит при подключении к схеме, автоматически включить вытяжку.

Газовый датчик Arduino

Реле

Компонент схемы «Реле» соединяет друг с другом электрические цепи с разными параметрами. Реле включает и выключает внешние устройства с помощью размыкания и замыкания электрической цепи, в которой они находятся. С помощью данного модуля, управление освещением происходит также, если бы человек стоял и самостоятельно переключал тумблер.

Реле Arduino

Светодиоды могут указывать состояние, в котором реле находится в данным момент времени. Например, красный – освещение выключено, зеленый – освещение есть. Схема подключение к лампе выглядит так.

Для более крупного проекта лучше применять шину реле, например, восьмиканальный модуль реле 5V.

Контроллер

В качестве контроллера выступает плата Arduino UNO. Для монтажа необходимо знать:

описание элементов;

распиновку платы;

принципиальную схему работы платы;

распиновку микроконтролеера ATMega 328.

Программная настройка

Программирование подключенных элементов Ардуино происходит в редакторе IDE. Скачать его можно с официального сайта. Для программирования можно использовать готовые библиотеки.

Или воспользоваться готовым скетч решением Ardublock – графический язык программирования, встраиваемый в IDE. По сути, вам нужно только скачать и установить ПО, а затем использовать блоки для создания схемы.

Набор «Умный дом» для экспериментов с контроллером Arduino + КНИГА

Набор «Умный дом» содержит всё необходимое для разработки полезных проектов по автоматизации вашего жилища с использованием платы Arduino: Arduino Uno, макетную плату, электронные компоненты и краткое руководство. В комплект входит популярная книга Джереми Блюма «Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства» (Дж. Блум), которая поможет вам изучить основы использования популярной микроконтроллерной платформы Arduino.Arduino Uno+ 22 электронных компонента для экспериментов и проектов+ руководство+ книга Джереми Блума «Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства»СОСТАВ НАБОРА1 Arduino Uno1 Макетная плата Breadboard 8,5´5,5 см21 Провода мама-папа5 Провода папа-папа1 Кабель USB1 Датчик звука1 Датчик движения HC-SR5011 Датчик углекислого газа MQ-1351 Кнопка тактовая1 Потенциометр1 Фоторезистор1 Модуль реле 4х1 Пьезоизлучатель1 Светодиоды красные1 Светодиоды зеленые1 Светодиоды синие1 Светодиоды желтые10 Резисторы 220 Ом1 Резисторы 10 кОм1 Руководство пользователя1 Книга «Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства»ВЫ НАУЧИТЕСЬ— работать с монитором порта;— подключать светодиоды, пьезоизлучатель, фоторезистор, датчики звука, движения и газа;— управлять домашними электроприборами через модуль реле;ВЫ СМОЖЕТЕ СОЗДАТЬ ГОТОВЫЕ ПРОЕКТЫ— универсальная сигнализация;— автоматизация освещения для растений домашнего сада;— управление освещением в квартире— включение устройств по «секретным хлопкам»— «умный дом».О РУКОВОДСТВЕ

Руководство содержит пошаговое описание выполнения экспериментов и проектов с помощью электронных компонентов, представленных в наборе «Умный дом».

О КНИГЕШироко известная во всем мире книга Джереми Блума «Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства» поможет вам научиться работать с популярной микроконтроллерной платформой Arduino. Автор делится в этой книге передовым опытом в области программирования и проектирования устройств, а также фрагментами кода и схемотехническими решениями. В отличие от большинства книг, посвященных Arduino, вы узнаете не только как собрать готовое устройство, но и как анализировать электрические схемы, читать технические описания, выбирать подходящие детали для собственных проектов. Материал книги ориентирован на применение несложных и недорогих комплектующих для экспериментов в домашних условиях.

Размеры 258х169х60 мм

Другие идеи проектов

Проекты умного дома на Ардуино

Проекты умного дома являются одним из примеров того, как перейти от «игрушек» и тренажеров к реальным системам, помогающими и облегчающим жизнь. Как правило, с помощью ардуино невозможно создать полноценные автономные решения, но отдельные компоненты сделать вполне реально.

При этом нужно понимать, что сталкиваясь с реальными  инфраструктурными объектами, мы должны соблюдать особую предусмотрительность при работе с электричеством, отоплением, водопроводом под давлением, канализацией. Любые эксперименты здесь нужно проводить обязательно под контролем профессионала.

Что может являться прототипом умного дома на ардуино:

• Системы освещения с автоматическим включением и отключением в зависимости от показателей датчиков. Наиболее популярнее варианты – использовать датчик освещенности, PIR датчик движения или датчик звука.
• Дистанционно управляемые электрические приборы. Например, включение или выключение системы отопления в зависимости от температуры или умное управление освещением в помещениях. Здесь вам понадобятся различные виды реле и один из механизмов обеспечения беспроводной связи: WiFi, GPRS, Bluetooth или радиоканал. Управлять устройствами можно через Web-интерфейс (через браузер) или с использованием соответствующего мобильного приложения (можно написать самому или выбрать одну из готовых платформ).
• Всевозможные системы учета: воды, тепла, электроэнергии. Начинающим доступны любительские датчики напора воды, температуры, влажности, силы тока. Можно использовать и профессиональные приборы, взаимодействуя с ними по одному из промышленных протоколов. Полученные данные можно собирать локально или отправлять в облако для последующего анализа.
• Охранные системы и контролирование внештатных ситуаций. Здесь понадобится различные датчики присутствия, движения, звука, магнитные датчики Холла и другие. Естественно, не обойтись без коммуникаций и возможности быстрой передачи информации владельцу через интернет.

Каждое из этих направлений может содержать в себе десятки разных проектов. Вы можете без труда найти себе подходящий вариант в интернете или в одной из наших статей.

Проекты «Зеленой робототехники»

Юные ардуинщики, живущие в небольших городах и сельской местности, где много природы и не очень много «цивилизации», могут с успехом использовать ардуино для исследования и охраны природы, а также автоматизации сельского хозяйства. Вот некоторые из идей проектов, которые можно реализовывать своими силами на уровне прототипов и готовых решений:

• Умная теплица
• Полив растений
• Умный инкубатор
• Умный улей
• Антигрызуны
• Умный агроном
• Умный ошейник для животных
• Расширенная метеостанция
• Робот – сеяльщик
• Счетчик муравьев

Проекты с дронами: аэрофотосъемка, внесение удобрений.

Настройка IBM Bluemix

Создание Bluemix-приложения

Пользовательский интерфейс BlueMix

1. Войдите в консоль Bluemix.
2. После входа вы увидите панель управления (DASHBOARD).
3. Щёлкните CREATE APP.
4. Выберите тип приложения WEB.
5. Выберите SDK for Node.js и нажмите на кнопку CONTINUE.
6. Дайте приложению имя и щёлкните по кнопке FINISH.
7. После того, как приложение будет создано в облаке IBM, щёлкните по кнопке ADD A SERVICE OR API.
8. В разделе Data & Analytics выберите MongoLab.
9. Щёлкните по BI для того, чтобы подтвердить создание сервиса.
10. После того, как сервис будет создан, появится всплывающее окно с предложением перезагрузить приложение. Щёлкните кнопку RESTAGE.
11. Дождитесь окончания перезагрузки приложения. Когда этот процесс завершится, будет показано соответствующее сообщение.