Визуализация «умного дома» и расширение возможностей на Ардуино
Безусловно, для визуализации процессов «умного» дома можно было бы использовать ЖК-дисплей, любые цифровые табло. Но всё-таки, для «умного» дома это не является хорошим решением.
Для визуализации процессов и состояний автоматики на платформе Arduino лучше всего использовать отдельный сервер обработки состояний. Этот сервер может быть реализован на программной технологии Node.js, позволяющей реализовать любой сервер, в том числе и для обработки состояний платы Arduino.
Node.js
используется для решения задач Интернета вещей, поэтому для визуализации автоматики «умного» дома он точно подойдёт. Достаточно создать сервер и обработчик на языке JavaScript
, и можно будет отображать результат в браузере компьютера или планшета.
Микрокомпьютер одноплатный Raspberry Pi
В качестве «железа» сервера можно использовать микрокомпьютер Raspberry Pi или обычный стационарный компьютер или ноутбук. При этом расширяются возможности самой системы автоматизации.
Если на плате Arduino ограниченный объём физической памяти, то на сервере этот объём ничем не ограничен. Саму программу сервера можно написать так, что она будет полностью управлять платформой Arduino.
Например, можно расширить функционал нашего «умного» дома и приблизить его к умному дому без кавычек. Есть возможность написать такой алгоритм, который будет вести статистику нахождения хозяина в доме и его возвращение домой. Если хозяин обычно возвращается домой в районе 17:30, то за час можно включить бойлер для нагрева воды. Также, ориентируясь на это время, можно заранее включить отопительные приборы, чтобы возвращение было уже в тёплый дом, а не в тот, где температура ниже на 10 градусов из-за экономии электричества в отсутствии хозяев. Программа может понять когда хозяева обычно ложатся спать и заранее переставать греть воду, так как ею уже никто не будет пользоваться до утра. И таких нюансов может быть множество. Именно внешний компьютер может дать продвинутые «мозги» контроллеру на Arduino
, который превратится больше в исполнительный механизм.
Что такое «Ардуино» и что можно делать с ним
Arduino — небольшая печатная плата, имеющая собственные процессор и модуль памяти.
Впервые проект Arduino был предложен в 2005 г. студентам итальянского Института интерактивного дизайна Ивреа. Перед разработчиками стояла задача обеспечить малобюджетный и простой способ создания устройств, способных взаимодействовать с окружающей средой. Сегодня на основе «Ардуино» создаются роботы, детекторы, термостаты и любые проекты, на которые способна фантазия программистов и инженеров. Разрабатывать устройства на базе «Ардуино» смогут даже новички.
Девайсом управляет программа, выполняемая процессором платы. Подобные программы пишутся на языке C++ в официальной среде программирования Arduino IDE, реализованной для Windows, MacOS и Linux. Даже в отсутствие навыков разработки и проектирования электронных схем человек способен за пару недель освоиться в программной среде и начать создавать простые девайсы.
Принцип работы системы Arduino
Получение и передача данных контроллером производится через порты. Всего на стандартной плате насчитывается свыше десятка различных портов, число которых можно увеличить присоединив ещё один такой же контроллер. Все порты Arduino делятся на два типа, для присоединения различных приборов:
- Аналоговые.
Цифровые.
Инициировать работу аналоговых портов следует, использовав в загружаемой программе pin-Mode-функцию:
- Выбираем номер нужного пина.
- Выставляем режим «Приём данных» (OUTPUT) или «Передача данных» (INPUT).
Широтноимпульсные цифровые модуляторы (ШИМ) имеют более интеллектуальный интерфейс, позволяющий им как принимать, так и передавать нужные данные. На плате ШИМ-порты обозначаются тильдой (~) или аббревиатурой PWM. При подключении к плате-контроллеру внешних датчиков и приборов следует учитывать и технические показатели портов. Они способны выдавать:
- 5 вольт напряжения.
- 0,02 ампера силы тока.
Если использовать в качестве питающего элемента для платы батарейки или АКБ напряжением свыше 12 вольт, возможен её перегрев и выход из строя. При снижении питающего напряжения до 6-7 вольт наоборот, на выходе порта может оказаться меньше 5В, что, в свою очередь, вызовет сбои в работе. Собранные в единый комплекс устройства, детекторы и датчики передают информацию на процессор Arduino, а оттуда, через подключенный модуль GPS или GSM, отправляется на компьютер или иное управляющее устройство с установленным софтом, принимающее решение о выдаче определённой команды. Это может быть включение-отключение бытового прибора, либо передача данных на мобильное устройство владельца дома.
Дистанционное управление «умным» домом
Home Automation Arduino и Raspberry Pi
Как уже упоминалось выше, с помощью сервера на Node.js можно связать вещи друг с другом. Это касается и визуализации процессов автоматики дома в Интернете через облачные сервисы. Это один способ управления своим домом через Интернет. Можно включить бойлер или отопительные приборы вручную заранее перед приездом в дом.
Другой способ — это получение данных и управление «умным» домом на платформе Arduino с помощью SMS и MMS сообщений
. Ведь далеко не всегда может быть Интернет под рукой. И, если включение какого-либо прибора может быть не критичным, то получение сообщения о протечке воды может оказаться просто необходимым. И здесь, на помощь в разработке своими руками полнофункционального «умного» дома на платформе Arduino может прийти плата Edison компании Intel.
И что же мы получаем?
Как видно, Arduino — это не просто плата для разработки каких-то простых устройств автоматики. На платформе Arduino можно легко создать своими руками даже автоматику «умного» дома. При этом нет необходимости переплачивать деньги за устройства от компании Simens, которые дороги и обойдутся в 5-10 раз дороже Arduino.
Arduino можно подключить к компьютеру и получить визуализацию процессов на экране монитора или планшета. Автоматикой «умного» дома на платформе Arduino можно управлять через Интернет или с помощью SMS и MMS сообщений. На Arduino можно создавать своими руками достаточно сложные устройства.
К настоящему времени системы типа «умный дом» из удивительной экзотики, доступной только самым состоятельным лицам, превратились в обыденность, к которой может приобщиться любой желающий. Выбирать есть из чего: выпуск подобных аппаратно-программных комплексов освоили очень многие разработчики. К числу наиболее известных принадлежит компания Arduino, с продукцией которой мы сейчас и познакомимся.
Принцип работы системы
Устройство Arduino работает следующим образом. Информация, собранная с различных датчиков в доме, направляется по беспроводной сети на планшет или ПК. Далее с помощью специального софта производится обработка данных и выполнение определенной команды.
Главную функцию выполняет центральный датчик, который можно приобрести или собрать самостоятельно. Разъемы на платах являются стандартными, что значительно упрощает выбор комплектующих.
Питание
Питание Arduino производится через USB разъем или от внешнего питающего устройства. Источник напряжения определяется в автоматическом режиме.
Если выбран вариант с внешним питанием не через USB, можно подключать АКБ или блок питания (преобразователь напряжения). В последнем случае подключение производится с помощью 2,1-миллиметровго разъема с «+» на главном контакте.
Провода от АКБ подключаются к различным выводам питающего разъема — Vin и Gnd.
Для нормальной работы платформа нуждается в напряжении от 6 до 20 Вольт. Если параметр падает ниже 7 вольт, на выводе 5V может оказаться меньшее напряжение и появляется риск сбоя.
Если подавать 12 В, возможен перегрев регулятора напряжения и повреждения платы. По этой причине оптимальным уровнем является питание с помощью 7 — 12 В.
В отличие от прошлых типов плат, Arduino Mega 2560 работает без применения USB-микроконтроллера типа FTDI. Для обеспечения обмена информацией по USB применяется запрограммированный под конвертер USB-to-serial конвертер.
ПОПУЛЯРНО У ЧИТАТЕЛЕЙ: Что такое умный дом CLAP.
На Ардуино предусмотрены следующие питающие выводы:
- 5V — используется для подачи напряжения на микроконтроллер, а также другие элементы печатной платы. Источник питания является регулируемым. Напряжение подается через USB-разъем или от вывода VIN, а также от иного источника питания 5 Вольт с возможностью регулирования.
- VIN — применяется для подачи напряжения с внешнего источника. Вывод необходим, когда нет возможности подать напряжение через USB-разъем или другой внешний источник. При подаче напряжения на 2,1-миллиметровй разъем применяется этот вход.
- 3V3 — вывод, напряжение на котором является следствием работы самой микросхемы FTDI. Предельный уровень потребляемого тока для этого элемента составляет 50 мА.
- GND — заземляющие выводы.
Принципиальную схему платы в pdf формате можно посмотреть ЗДЕСЬ.
Связь
Возможности Arduino позволяют подключить группу устройств, обеспечивающих стабильную связь с ПК, а также другими элементами системы — микроконтроллерами или такими же платами Ардуино.
Модель ATmega 2560 отличается наличием 4 портов, через которые можно передавать данные для TTL и UART. Специальная микросхема ATmega 8U2 на плате передает интерфейс (один из них) через USB-разъем. В свою очередь, программы на ПК получают виртуальный COM.
- Если на ПК установлен Linux, распознавание происходит в автоматическом режиме.
- Если стоит Windows, потребуется дополнительный файл .inf.
С помощью утилиты мониторинга обеспечивается отправление и получение информации в текстовом формате после подключения к системе.
Мигание светодиодов TX и RX свидетельствует о передаче данных. Для последовательной отправки информации применяется специальная библиотека Software Serial.
К особенностям ATmega 2560 стоит отнести наличие интерфейсов SPI и I2C. Кроме того, в состав Ардуино входит библиотека Wire.
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.
Разработка проекта
На современном рынке представлено множество устройств Arduino, имеющих различную комплектацию. Но универсального решения «на все случаи жизни» не существует. В зависимости от поставленной задачи каждый комплект подбирается в индивидуальном порядке. Чтобы избежать ошибок, требуется разработка проекта.
Какие проекты можно создавать на Arduino?
Ардуино позволяет создавать множество уникальных проектов. Вот лишь некоторые из них:
- Сборка кубика Рубика (система справляется за 0,887 с);
- Контроль влажности в подвальном помещении;
- Создание уникальных картин;
- Отправка сообщений;
- Балансирующий робот на двух колесах;
- Анализатор спектра звука;
- Лампа оригами с емкостным сенсором;
- Рука-робот, управляемая с помощью Ардуино;
- Написание букв в воздухе;
- Управление фотовспышкой и многое другое.
Как подключить проходной выключатель: одноклавишный, двухклавишный, как обычный, схемы, критерии выбора
Составление проекта для умного дома
Рассмотрим ситуацию, когда необходимо сделать автоматику для дома с одной комнатой.
Такое здание состоит из пяти основных зон — прихожей, крыльца, кухни, санузла, а также комнаты для проживания.
При составлении проекта стоит учесть следующее:
- КРЫЛЬЦО. Включение света производится в двух случая — приближение хозяина к дому в темное время суток и открытие дверей (когда человек выходит из здания).
- САНУЗЕЛ. В бойлере предусмотрен выключатель питания, который при достижении определенной температуры выключается. Управление бойлером производится в зависимости от наличия соответствующей автоматики. При входе в помещение должна срабатывать вытяжка, и загорается свет.
- ПРИХОЖАЯ. Здесь требуется включение света при наступлении темноты (автоматическое), а также система обнаружения движения. Ночью включается лампочка небольшой мощности, что исключает дискомфорт для других жильцов дома.
- КОМНАТА. Включение света производится вручную, но при необходимости и наличии датчика движения эта манипуляция может происходить автоматически.
- КУХНЯ. Включение и отключение света на кухне осуществляется в ручном режиме. Допускается автоматическое отключение в случае продолжительного отсутствия перемещений по комнате. Если человек начинает готовить пищу, активируется вытяжка.
Отопительные устройства выполняют задачу поддержания необходимой температуры в помещении. Если в доме отсутствуют люди, нижний предел температуры падает до определенного уровня.
После появления людей в здании этот параметр поднимается до прежнего значения. Рекуперация воздуха осуществляется в случае, когда система обнаружила присутствие владельца. Продолжительность процесса — не более 10 минут в час.
Стоит обратить внимание, что если в доме планируется установка умных розеток, то для управления ими лучше использовать приложения на мобильных устройствах, WIFI или через SMS сообщения. Визуальное программирование для Arduino можно осуществлять с помощью специального приложения FLProg, которое можно скачать с официального сайта https://flprog.ru/
Визуальное программирование для Arduino можно осуществлять с помощью специального приложения FLProg, которое можно скачать с официального сайта https://flprog.ru/.
Принцип работы
Многие из нас слышали о системах автоматизации, но при этом мало кто имеет правильное представление о работе таких многочисленных датчиков и контроллеров. Подобные приспособления при условии их правильного планирования могут контролировать работу всей техники в доме, безопасность, инженерные коммуникации и так далее. Причём в каждом конкретном случае функционал такой системы жизнеобеспечения будет существенно различаться в зависимости от конкретных требований домовладельца.
Если до недавнего прошлого подобные системы имели высокую стоимость, что объяснялось сложностью технологии и необходимостью использования специальных микропроцессоров и программного обеспечения для управления, то сегодня на платформе Arduino можно с легкостью выполнить такие простейшие системы жизнеобеспечения, которые будут иметь расширенный функционал.
Составляющие платформы
Стандартный Умный дом включает следующие составляющие:
- Сенсорная часть, которая включает различные датчики, способные реагировать на температуру, влажность, движение или различные иные события.
- Исполнительная часть, то есть устройства, которыми пользователи или сама система может управлять, отправляя на них соответствующие команды по включению или выключению. К такой исполнительной части относятся различные реле, электромоторы, устройства управления воздухоочистителями и так далее.
- Микропроцессор — это «головной мозг,” который согласовывает и координирует работу всех компонентов.
Программное обеспечение представляет собой набор инструкций и простейших приложений, с помощью которых пользователь может настраивать программу самостоятельно или же загружать уже готовые предустановки и сценарии.
Мозговой
В действительности данные системы имеют все необходимое оснащение, а при помощи технических контроллеров осуществляется обработка полученной от него информации, благодаря которой можно руководить каждым процессом по отдельности. В наших уроках мы будем за основу брать микроконтроллеры Arduino, Wemos, Raspberry и другие, доступные для покупки по низним ценам.
Специализированные питательные элементы дают возможность для использования бесперебойного снабжения электричеством, а при задействовании особых элементов осуществляется управление и регулировка работы бытовых приборов, находящихся под контролем системы.
Наличие в системе оборудования с дистанционным управлением дает возможность совершения общего контроля над всеми приборами, которые находятся в управлении системы. Бывают они в виде стационарных либо переносных модулей. Переносной модуль более практичный, поскольку позволяет совершать дистанционное управление при помощи любого электронного устройства, например телефона или ноутбука.
В то же время, хозяин может совершать управление, любым, процессом, который происходит в помещение, на расстояние от жилища, где непосредственно данная система установлена. Благодаря такой функции, владелец может задать любую программу выполнения действий умному дому на длительный срок, и как последствие просто контролировать выполняемые процессы. Сюда могут входить как кондиционирование помещения, так и его автоматическое освещение в определенный интервал времени, и прочие подобные автоматизированные функции, включая охранную систему.
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.
Особенности работы некоторых аппаратных средств Arduino
Ввиду того что Arduino-совместимые компоненты выпускаются множеством сторонних компаний, качество продукции которых сама компания Arduino никак не контролирует, пользователь с большой вероятностью может приобрести компонент, работающий не совсем корректно.
В отношении некоторых комплектующих для систем Arduino пользователи заметили следующее:
- Датчик температуры DHT11, поставляемый с базовым набором (StarterKit), даёт значительную погрешность в 2–3 градуса. В помещении рекомендуют применять температурный датчик DHT22, дающий более точные показания, а для установки на улицу — DHT21, способный работать при отрицательных температурах и имеющий защиту от механических повреждений.
- На некоторых микропроцессорных платах Arduino при замыкании подключённых к ним реле выходит из строя COM-порт. Из-за этого на микроконтроллер не удаётся загрузить скетч: как только начинается заливка, процессор перезагружается. Реле при этом щёлкает, COM-порт отключается и процесс загрузки скетча прекращается.
- Датчик закрытия окна/двери иногда преподносит сюрпризы в виде ложных срабатываний. С учётом этого скетч пишут так, чтобы система производила необходимое действие только по получении нескольких сигналов подряд.
- Для настройки управления процессами при помощи хлопков некоторые пользователи по неопытности вместо микрофона заказывают детектор звука с ручной настройкой порога. Для подобных целей этот компонент не подходит, так как имеет слишком малый радиус действия: хлопать приходится не далее 10 см от детектора. Кроме того, этот датчик передаёт сигналы импульсами малой продолжительности, так что при наличии большого скетча, на обработку которого уходит сравнительно много времени, микроконтроллер просто не успевает их зафиксировать.
- Для устройства противопожарной сигнализации следует использовать датчик дыма, а не датчик огня. Последний регистрирует пламя не далее 30 см от себя.
- На случай сбоя в работе микроконтроллера или ошибки в коде лучше применять нормально замкнутые реле с последовательно подключёнными ручными выключателями.
Чтобы избежать покупки низкокачественных комплектующих, бывалые пользователи рекомендуют предварительно изучать отзывы о них, опубликованные в Сети. Недорогие датчики можно покупать в нескольких вариантах, чтобы лично проверить, какой из них работает лучше.
Возможно, система «умный дом» от компании Arduino является не самой качественной, но зато широчайший выбор компонентов и их доступная стоимость точно сделали её одной из самых популярных. Воспользовавшись нашими советами, вы быстро научитесь создавать проекты Arduino, автоматизируя различные домашние процессы.
Умный дом представляет собой специальную систему, которая автоматизирует многие процессы в доме. Например, можно управлять системами отопления, включения освещения в определенные моменты времени, слежение за обстановкой, выполнять контроль состояния инженерных коммуникаций и прочее.
На потребительском рынке предлагается много систем подобного рода, которые имеют широкий набор функций и поддерживают работу с разными датчиками и исполнительными приспособлениями. Правда, есть еще возможность самостоятельно создать умный дом своими руками на базе Arduino.
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 НАБОРА
1 Arduino Uno
1 Макетная плата Breadboard 8,5´5,5 см
21 Провода мама-папа
5 Провода папа-папа
1 Кабель USB
1 Датчик звука
1 Датчик движения HC-SR501
1 Датчик углекислого газа MQ-135
1 Кнопка тактовая
1 Потенциометр
1 Фоторезистор
1 Модуль реле 4х
1 Пьезоизлучатель
1 Светодиоды красные
1 Светодиоды зеленые
1 Светодиоды синие
1 Светодиоды желтые
10 Резисторы 220 Ом
1 Резисторы 10 кОм
1 Руководство пользователя
1 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 КНИГЕ
Широко 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
