Умный дом из ардуино через wifi. Умный дом с Arduino

Дальше дело техники - написать под Ардуино цикл опроса параметров и вывести их для начала в монитор порта. Время одного цикла получилось около секунды. Однако в конечном варианте проекта с логированием данных на флэшку и опросом температурных датчиков это время выросло до 4-x секунд. Это меня уже совершенно не устраивало и пришлось погрузиться в оптимизацию. В итоге я вновь добился секундного интервала без потери функциональности. К слову, скетч я переписывал с нуля два или три раза, пока не нашёл правильную архитектуру и экономные алгоритмы.

Программная реализация обмена со счётчиком

Код выдран из контекста моего большого рабочего скетча. Скомпилирован, но в таком виде я его никогда не запускал. Привожу только для примера, а не как готовую рабочую программу. Хотя в теории всё должно работать именно в таком виде.

Код написан для двух типов счётчиков одновременно, однофазного МТ-124 и трёхфазного МТ-324. Выбор типа счётчика происходит в программе автоматически по ответному слову инициализирующей команды.

Код привожу как есть, без прекрас и дополнительных комментариев кроме тех, что писал сам для себя. И да, я не программист, и даже не учусь на него, поэтому пинать меня за качество кода не следует, но поучить как надо кодить можно: EnergyMeterNeva.ino

Огромный дополнительный плюс счётчика электроэнергии - это надёжные и точные часы реального времени. Мне не пришлось обеспечивать систему дополнительным модулем, который ещё нужно найти не просто абы какой, а качественный. Текущее время с точностью до секунды я получаю со счётчика среди прочих данных. Да, относительно атомного времени время счётчика немного сдвинуто (несколько секунд), уж не знаю с чем это связано, с некачественной заводской установкой или ещё чем, но точность хода при этом отличная, просто с небольшим смещением.

В редкие моменты, когда электропитание на даче отключается и счётчик становится недоступен, текущее время я получаю от внутреннего таймера Ардуины. Когда электросчётчик работает и его данные доступны, внутренний таймер Ардуины я перепрописываю значением со счётчика на каждом витке loop. Когда счётчик отваливается - текущее время продолжает тикать на таймере Ардуины.

Помимо чтения параметров счётчик, естественно, можно и программировать. То есть интерфейс работает и на чтение, и на запись. Однако я с такими сложностями добивался протокола команд чтения, что о просьбе протокола записи я даже не заикнулся производителю. Во-первых, мне это было ни к чему, разве что только время чуть сдвинуть. Во-вторых, подозреваю, что эти данные уже не являются открытыми, так как могут быть использованы в мошеннических целях.

Температурные датчики

Тест температурных датчиков с помощью скетча-примера я уже проводил отдельно раньше. Теперь оставалось только встроить их опрос в основной проект. Это не составило никакого труда. Все девять имеющихся у меня датчиков работали без проблем при параллельном включении по 1-Wire. Разброс показаний между ними составил около 0.5 градуса, что показывает бессмысленность использования их на максимальной точности в 0.0625 градуса. Датчики для теста собрал в пачку и завернул в несколько слоёв пупырчатого полиэтилена. Для большей точности пачку расположил вертикально и ждал сутки для полного выравнивания температуры. Показания всех датчиков так и не оказались одинаковыми.

Однако загрублять точность конвертации температуры самих датчиков я тоже не стал. Проще округлить показания программно, а выгоды по времени опроса я бы не получил, так как придумал такой алгоритм, при котором время ожидания конвертации не является пустым бесполезным delay(750). Обычная логика работы с датчиками такая - сначала подача команды на запуск конвертации температуры, потом ожидание окончания конвертации (те самые 750 мс минимум), и уже затем вычитывание данных. Я сделал всё наоборот, что позволило мне исключить пустой интервал ожидания - сначала вычитываю данные из датчиков, а потом сразу запускаю конвертацию. И пока весь остальной код в цикле LOOP отработает, данные как раз успевают подготовиться для вычитывания на следующем витке. По времени данные с датчиков я получаю в этом случае чуть позже - цикл LOOP занимает примерно 1-1.5 секунды, но это совершенно не критично.

Иногда со всех датчиков я получал данные «85» или «0». Что это за косяк, я так и не понял, поэтому сделал в коде проверку и исключил попадание таких данных в результат. Ещё обнаружился косяк у одного из датчиков - он не держал настройки при отключении питания. То ли флэшка его внутренняя дохлая, то ли ещё что. Поэтому в сетапе прописал настройку датчиков, и теперь по включению питания (если оно таки пропадает) все датчики гаранитрованно настроены.

Адреса конкретных датчиков я получил с помощью скетча-примера, где-то нарытого и немного мной модифицированного: DS18x20_Temperature.ino

После чего адреса я забил константами в массив и в основной программе обращался к датчикам уже сразу по их адресам: TempSensors_DS18B20.ino

Для правильной работы датчиков на шине 1-Wire требуется установить подтяжечный резистор 4.7 кОм между линией данных и питанием. Мне было удобно припаять между пинами клеммной колодки SMD-резистор, но нашёл я у себя в подходящем корпусе только 5.1 кОм, его и поставил (он виден на фотке в разделе про сборку на нижней стороне платы). Работает всё хорошо.

Датчики температуры у меня подключены электрически параллельно на одной длинной линии (+5, gnd и data), все 9 штук, но хитро. Физически кабели витой пары подключены звездой для удобства разводки датчиков по объекту. В каждом плече кабеля я использую две пары. Одна пара - это питание датчика. Вторая пара - это линия данных, которая идёт по одному проводу к датчику и возвращается от него же обратно по второму проводу. Таким образом получается возможным развести кабели звездой от щитка, но электрически это звезда только по питанию, а по данным это одна линия. Такой вариант подключения оказался более надёжен в работе на длинных линиях, при простом параллельном подключении было много сбоев при чтении данных. Вот эскиз такой схемы:

Полуметровые хвосты трёхпроводных кабелей самих датчиков я не укорачивал, подключил их как были, оказалось не критично.

Всего по бытовке разведено три кабеля, два - для внешних датчиков, на каждом по одному, и один для всех оставшихся семи внутренних. Эти семь внутренних датчиков подключены по той же схеме, но в пределах одного длинного кабеля и с короткими ответвлениями от него (см. нижнюю Т-образную конфигурацию на эскизе). Где-то хватило штатного полуметрового хвоста датчика для ответвления, где-то ответвлял с помощью такой же витой пары.

Общая длина витой пары по бытовке составила примерно 25 метров. Куски для внешних датчиков - 5 и 10 метров, и десятиметровый внутренний кусок с ответвлениями на семь датчиков. Всё работает почти идеально. Лишь изредка проскакивают прочерки вместо значений температуры. Это значит, что данные с конкретного датчика были прочитаны некорректно. Но случается это настолько редко (замечаю раз в месяц может), что не доставляет никаких проблем.

Удалённый доступ

Для удалённого доступа к Ардуино был куплен Ethernet shield. При наличии встроенной библиотеки работа с ним, как и со всем остальным в Ардуино, оказалась довольно проста.

Функционально схема работы у меня такая. На Ардуино поднят веб-сервер, который при обращении к нему клиента (браузера) генерирует веб-страничку с различной информацией. Автообновление данных на страничке реализуется посредством яваскрипта, опрашивающего по таймеру сервер.

Также страничка имеет набор контролов для управления исполнительными механизмами, подключенными к Ардуино - силовыми реле, которые коммутируют нагрузку - электрообогреватели и освещение.

С дизайном веб-странички я не парился, тем более что был необходим минимальный объём текстовых данных для её более быстрой загрузки, поэтому самый примитивный html и всё:

В html-код я вместо данных встроил теги, которые на лету подменяются реальными данными при генерации странички сервером. При автообновлении данных по запросу яваскрипта они передаются в браузер уже непосредственно из микроконтроллера в формате JSON.

Код страничики лежит в файле на карте памяти и загружается с неё при обращении к серверу. Для более быстрой и удобной модификации кода странички я встроил механизм её обновления в неё саму. Внизу, под блоком основных контролов есть текстовое поле и кнопка Отправить. В текстовое поле копирую новый html-код, жму кнопку, после чего java-скрипт производит отправку данных на веб-сервер контроллера, который сохраняет его сначала в буферный файл. Если передача произошла успешно, то основной файл подменяется буферным, страничка автоматически обновляется. Всё. Изменения приняты.

Привожу фрагменты кода моей реализации этого механизма.
В html-страничке встраиваем форму:

CONTROL.HTM:


Идёт отправка страницы:
По кнопке «Отправить» запускается следующий ява-скрипт: send_HTM.js

В скетче в функции обработки запросов веб-сервера по префиксам в запросе "CONTROL.HTM" (старт отправки файла), "htmlineN" (отправка строки №) и "END_CONTROL.HTM" (конец отправки файла) определяем дальнейшие действия:

File acceptHtmFile; ................ if (fl_accept_htm) // префикс "CONTROL.HTM" { SD.remove(CTRL_HTM); acceptHtmFile = SD.open(CTRL_HTM, FILE_WRITE); // открываем файл на запись if (!acceptHtmFile) // если файл открыть не удалось - ничего не пишем { #ifdef DEBUG_SD Serial.println("SD-card not found"); #endif client.print("FAIL"); client.stop(); } else client.print("OK_OPEN_FILE"); acceptHtmMode = true; break; } if (fl_htmline) // префикс "htmlineN" { int b = acceptHtmFile.println(tag); if (b == 0) { client.print("FAIL"); acceptHtmMode = false; cntHtmModeIteration = 0; } else { client.print("OK"); } cntHtmModeIteration = 0; break; } if (fl_endhtm) // префикс "END_CONTROL.HTM" { SD.remove(CONTROL_HTM); acceptHtmFile.close(); File htmlFile = SD.open(CONTROL_HTM, FILE_WRITE); // открываем на запись acceptHtmFile = SD.open(CTRL_HTM); // открываем на чтение for (int i = 0; i < acceptHtmFile.size(); i++) { digitalWrite(PIN_WATCHDOG_DONE, 1); htmlFile.write(acceptHtmFile.read()); digitalWrite(PIN_WATCHDOG_DONE, 0); } acceptHtmFile.close(); htmlFile.close(); client.print("OK_CLOSE_FILE"); acceptHtmMode = false; cntHtmModeIteration = 0; break; }
Дефайны CONTROL_HTM и CTRL_HTM здесь это имена html-файлов. Первый - основной файл, второй - буферный. В массиве чаров tag лежит текст принятой строки, выделенный из запроса. Логика такова: при приёме данных они пишутся в буферный файл, по окончании приёма буферный файл переписывается в основной. Как просто переименовать файлы я так и не смог понять, в стандартной библиотеке SD такой функции нет, поэтому тупое посимвольное копирование, отнимающее кучу времени.

Было бы удобным код веб-странички управления хранить не на карте памяти контроллера, а на клиентской машине, или загружать с какого-нибудь внешнего ресурса. Но запрет на кроссдоменные запросы не позволяет этого сделать. Яваскрипты могут отправлять свои запросы только тому северу, с которого были загружены сами. Тела яваскриптов при этом могут подгружаться откуда угодно, важно лишь только откуда была загружена страница с их вызовом.

Логирование данных

Ethernet shield имеет на борту слот карты памяти micro-SD. Именно из-за его наличия я и решил писать данные в лог-файлы. Для работы с картой памяти также имеется встроенная библиотека, и управлять записью-чтением файлов с ней вообще элементарно.

Для экономии объёма данных алгоритм логирования я построил так, что запись происходит только тогда, когда данные изменяются более чем на заданный порог. Для температуры это 0.1°, для напряжения это 0.2В. В один файл пишутся данные за одни сутки. В ноль часов создаётся новый файл. Формат хранения я выбрал обычный текстовый, с разделителями, чтобы можно было быстро контролировать содержимое файлов при отладке, и была бы простая возможность загрузки в Excel.

Конструктивные ограничения не позволяют удобно вставлять-вынимать карту памяти, поэтому я использовал карту большого объема. По моим расчётам, она будет заполняться в течение нескольких лет, после чего нужно будет подразобрать корпус, вынуть карту памяти и очистить её.

Приводить код логирования смысла не вижу, там всё совершенно тривиально - банальная запись текста в файл. Да и размазан этот код по всему скетчу (логируются не только параметры датчиков, но ещё и разнообразные разовые события), вычленить затруднительно.

Графики

В качестве движка для построения графиков я использую очень гибко настраиваемую javascript-библиотеку визуализации данных amchart . Библиотека бесплатная и доступна для скачивания и автономного использования. Эту библиотеку я также расположил на своём сетевом хранилище с постоянным доступом в интернет. Подключить и использовать её с дефолтными настройками не сложно, однако чтобы получить в итоге тот вид, который мне был нужен, пришлось немало повозиться. Помогло огромное количество примеров на сайте и наличие подробной документации.

Для примера приведу свой яваскрипт отрисовки графиков. Сам по себе он бесполезен, так как работает только в совокупности и с веб-сервером, и с html-страницей, и, возможно, завязан на другие скрипты (дело было давно, всех деталей уже не помню). Но настройки внешнего вида моих графиков содержаться именно в нём и почерпнуть их оттуда можно: get_log.js

Большим преимуществом библиотеки amchart является то, что она умеет отрисовывать правильные графики по «рваным» данным. Как я уже упоминал выше, в лог я сохраняю данные только при их изменении. То есть это происходит асинхронно и хаотично. Новых данных может не быть несколько минут, а потом за несколько секунд они поменяются несколько раз. Соответственно записи в логе идут с произвольными интервалами времени. Amchart при отрисовке учитывает это самостоятельно, у меня нет необходимости интерполировать данные перед отрисовкой. Я просто отправляю массив данных как есть, и вижу красивый равномерный во времени график.

Недостаток этой библиотеки я обнаружил только один - она не умеет (ну или я так и не понял как) по-человечески обновлять графики в реальном времени. Можно добавить новые данные к уже имеющимся, но перерисовка производится каждый раз полностью всего массива данных, и это сильно подтормаживает работу браузера. Впрочем, сама идеология чтения из Ардуины данных для отрисовки по запросу из браузера ущербна своей неоптимальностью, поэтому бороться за быстрое обновление в реальном времени смысла не было никакого.

Правильным решением было бы организовать отдельный сервер хранения и визуализации данных, куда с Ардуины в реальном времени данные капали бы по чуть-чуть и складировались в БД, и откуда бы они могли быстро быть отданы пользователю в браузер для визуализации.

Сейчас графики выглядят так (на примере дня, когда в бытовке никого нет и, соответственно, нет никакого энергопотребления). Когда возникают данные тока, масштаб автоматически устанавливается так, чтобы всё красиво влезало, и на вертикальной оси возникают и значения уровней тока:

Графики отображаются на той же самой страничке, где происходит управление, прямо ниже основного блока контролов.

Полный комплект исходников проекта не привожу намеренно по нескольким причинам:

Его нельзя запустить как есть в любой другой сети, кроме моей, так как я не пытался сделать проект портабельным, и он жёстко завязан на мои адреса и мою топологию сети.

Я уверен, что общая идеология проекта страдает массой разнообразных проблем, так как это моя первая попытка в той области, в которой я разбираюсь плохо. Поэтому не предлагаю никому весь проект к повторению именно в таком виде. Я поделился лишь теми моментами, в которых более менее уверен.

Проект делался давно и долго, и я уже никогда не вспомню всех деталей и не смогу объяснить ряд решений. Объём скетча очень большой (по моим меркам, около 2 тыс строк), разнообразных обслуживающих ява-скриптов более десятка, принципиальную схему железа я не делал. То есть не смогу помочь консультативно по большинству вопросов.

Сборка

С самого начала я поставил себе цель - сделать законченное устройство, а не просто макет с ворохом проводочков на столе:

И сразу же решил, что устройство это я хочу разместить внутри электрощитка. Там и питание, и счётчик, и вообще, это удобно.

Для этого требовался динреечный корпус. Вначале думал разработать его и напечатать на 3D-принтере. Но, своего 3D-принтера у меня нет, а то, что печатают мои коллеги по работе на своих самосборных принтерах, меня совершенно не устраивало по качеству внешнего вида. Нашел в продаже готовые корпуса на DIN-рейку (разных размеров), выглядят хорошо, пользоваться удобно (разборные), да ещё и плата-слепыш под них специально имеется готовая.

Купил самый большой корпус, чтобы в него вместилась не только Ардуино с изернет-шилдом, но еще и реле для коммутации нагрузки:

Дальше был длительный и увлекательный процесс монтажа всей требухи в корпус. Под это дело я даже приобрёл себе замечательный паяльничек с функцией сна (имеющиеся у меня паяльники все были ещё советских времен):

Для монтажа накупил кучу всевозможных стоечек, винтиков, шайбочек и гаечек. Первая прикидочная сборка:

Для подключения проводов к верхним контактам пришлось использовать загнутые штырьки, иначе не влезало в корпус:

Изолирующие шайбы местами приходилось подрезать:

А местами изгаляться более извратно, поднимать винт на втулке, и вычурно подрезать втулку:

Для одиночной релюшки не хватило точек опоры, поэтому повисла только на двух точках:

Прикидочная сборка вместе с клеммными колодками:

Потом поделка стала постепенно обрастать проводами. Плата была использована только для разводки питания и для подключений к клеммным колодкам. Для сигнальных связей использовал провод МС-16 (мне он больше нравится), для силовых он не проходил по напряжению (до 100 В), поэтому МГТФ:

На лицевой панели закрепил светодиодики, токоограничивающие резисторы припаял прямо к ножкам светодиодов и закрыл термоусадкой:

В итоге получилась вот такая бородатая начинка:

А вот и платка с микросхемкой сторожевого таймера, приютилась в недрах моего творения, прямо над преобразователем уровней RS-485 - TTL:

Вся конструкция разборная, всё можно снять, отсоединить и заменить без пайки, кроме платки с вотчдогом, она припаяна к пинам разъема, одетого на ряд IO-портов Ардуины.

В коробочке:

Отверстия под разъёмы Ардуины выпилил в пластиковой стенке корпуса. Сначала сделал отверстия точно по размерам разъёмов, но сборку в корпус нужно заводить по диагнонали (иначе просто никак) и разъёмы не проходили, пришлось расточить немного:

Включение готового изделия на столе, всё заработало сразу:

На лицевую панель вывел:

• Четыре красных светодиода - индикация нагрузки;
• Два зеленых - наличие связи со счётчиком и с VPN-сервером;
• Два желтых - запасные;
• Один желтый - индикация перезагрузки роутера;
• Один красный - питание;
• И кнопочка сброса.

Для получения 5-ти вольт из 220-ти я использовал динреечный блок питания с подстройкой выходного уровня, питание подано непосредственно на микроконтроллер, минуя входной преобразователь из 7-12 в 5 вольт. Это было удобно по нескольким причинам. Во-первых, мощности встроенного преобразователя в какой-то момент стало не хватать, ток там ограничен. Во-вторых, питать реле всё равно нужно было 5-ю вольтами. В третьих, в щитке удобен динреечный форм-фактор с точки зрения монтажа. Поэтому вот:

Испытания

На столе всё было преверено, всё работало как надо, настала пора инсталлировать контроллер в щиток и проверить его в боевом режиме.

Но сначала я подключил всё «на соплях», буквально затолкав всю требуху в другой щиток, слаботочный, чтобы протестировать работу термодатчиков в реальных условиях на длинных линиях, проложенных в одном кабель-канале с силовыми кабелями ~220В:

Как можно заметить на фотке выше, доселе я пытался управлять перезагрузкой роутера по питанию с помощью «умной» розетки Senseit. Однако сей девайс безумной стоимостью в 5 тыс (на 2016 год) оказался на редкость глючным и капризным. За год использования не раз заставлял меня незапланированно приезжать на дачу в неурочное время, дабы вручную вывести это чудо инженерной и маркетинговой мысли из глубокого дауна в части GSM-связи. С переходом на свой Ардуино-контроллер, который оказался не в пример надёжнее, я с облегчением бросил это «профессиональное» барахло в красивой коробочке в ящик, и забыл про него.

Тест прошёл успешно, сбоев не было, и можно было приступить к окончательной инсталляции в штатное место:

Да-да, это щиток ABB TwinLine 800x300x225 IP55, стоимостью в 25 тыс. руб. без начинки (и начинка ещё на 15 тыс. примерно). И да, он установлен в бытовке 6х2. У всех свои тараканы. Да, собирал всю электрику сам . И бытовку строил тоже, да. Нет, я не электрик. И не строитель.

В глубине щитка я расположил небольшой источник бесперебойного питания Powercom WOW 300 , вон там горит его зелёный светодиод, а левее и выше - его вилка входного питания:

Его хватает на ~40 минут автономной работы Ардуино-девайса, роутера с USB-модемом и вайфаем, и Full HD IP-камеры наружного наблюдения.

А здесь видны белые вилки питания двух бесперебойных потребителей - блок питания Ардуино и слаботочный щиток, где расположен роутер и блок питания камеры наружного наблюдения. Эта линия идёт с разрывом через контактор, которым управляет Ардуино, как раз для того самого программного вотчдога, перезагружающего роутер по питанию в случае падения VPN (камера перезагружается заодно, хотя ей это и не надо). Сверху к контроллеру подключены линии витых пар от датчиков температуры:

Надо сказать, что маленьким синим китайским релюшечкам я бы никогда не доверил коммутацию мощной нагрузки, несмотря на вроде бы позволяющие это делать параметры этих релюшек. Поэтому сразу же было заложено использование нормальных модульных контакторов Legrand кат.№ 4 125 01 с возможностью ручного управления. То есть релюшки внутри корпуса контроллера управляют контакторами, а контакторы уже управляют нагрузкой. Это надёжно. А вот питание роутера и камеры осуществляется только лишь через эту маленькую синюю китайскую релюшку, ток там небольшой, поэтому можно.

При первом же боевом запуске меня ждало большое разочарование. На столе я испытал всё, кроме нагрузки. Зачем? Контакторы щёлкают, и так понятно, что нагрузку они коммутировать будут. Ан нет, надо было испытать. Мощные электроконвекторы привнесли в систему помеху в момент размыкания контактов, что приводило к гарантированному зависанию изернет-шилда. Причем вывести его из дауна было возможно только снятием питания, простой ресет не помогал. Погуглил - да, есть такая проблема у этой китайщины. И библиотека не обрабатывает эту ситуацию. То есть и железка хреновая, и софт не очень.

Думал уже, что всё пропало. Даже заказал твёрдотельные реле, но они, сволочи, больше по высоте, и в мою конструкцию уже не поместились бы. Но потом подумал, что может быть всё же помеху можно подавить. Опять погуглил, нашёл специальные помехоподавляющие конденсаторы (т.н. конденсаторы типа X). Просто подключил их параллельно управляющей обмотке контакторов, и о чудо! Зависания пропали полностью. За вот уже год эксплуатации ни одного случая не зарегистрировано:

А вот таким образом можно заглянуть внутрь коробки:

Ну и законченный вид щитка с пластроном (заглушек вот в комплекте не дали):

Для дебага и перепрошивки кабель USB подключен к контроллеру и хранится внутри щитка за закрытой дверцей (изернет на этой фотке временно не подключен):

Система работает уже почти год, пережила морозы до 20 градусов без проблем.

В целом я доволен результатом. Однако для более-менее функциональных задач Ардуино явно слабенький. Я уже не раз сталкивался с исчерпыванием памяти и приходилось кроить и оптимизировать. Да и скорость работы, особенно с картой памяти, меня совершенно не устраивает. Поэтому будущие реализации подобных поделок, если таковые потребуются, я бы хотел основывать на чём-то более мощном. Коллеги пиарят мне Raspberry Pi, хороший вариант, думаю. Добавить метки

Еще не так давно технология автоматизированного дома была недоступной для большинства людей, и считалась непозволительной роскошью. Эти времена прошли, и теперь позволить себе умный дом могут практически все жители городов и других населенных пунктов. Более того, можно сделать умный дом на Arduino своими руками, и тем самым значительно сэкономить. Что нужно для самостоятельного изготовления, и как сделать умный дом?

Из чего сделан современный умный дом?

Любая система автоматизации бытовых процессов состоит из нескольких компонентов, которые связаны друг с другом посредством проводной или беспроводной связи. В состав умного дома входят следующие элементы:

Контроллер. Главное устройство, которое занимается обработкой и отправкой сигналов. Контроллер – это сердце умного дома, к которому подключаются внешние датчики и исполнительные устройства. Именно на эту роль мы возьмем Arduino, так как его возможностей вполне достаточно для автоматизации жилья.

Датчики. Сегодня существует множество датчиков, реагирующих на те или иные изменения окружающей среды. К ним можно отнести датчики движения, открытия и закрытия дверей, разбивания стекла, света, температуры, влажности воздуха, освещения, магнитного поля, углекислого газа, а также многие другие.

Исполнительные устройства. К этой категории относятся краны с сервоприводом, системы тушения огня, сирены, твердотельные и электромагнитные реле, и многие другие. Именно при помощи них контроллер управляет процессами, происходящими в доме, и именно они делают жилище автоматизированным.

Нельзя не отметить и такой важный компонент автоматизированного жилья, как пульт управления. В готовых решениях в его качестве зачастую выступает одна или несколько настенных панелей, нередко сенсорных. Также возможно управление умным оборудованием при помощи пульта дистанционного управления. В готовых и в самодельных решениях есть возможность слежения за домом через приложение на мобильных устройствах.

Каковы особенности платформы Arduino?

Arduino – торговая марка, под которой выпускается широкий ассортимент аппаратно-программных устройств. Они предназначены специально для формирования систем автоматики и робототехники. Главное достоинств таких устройств заключается в том, что они рассчитаны на непрофессиональных пользователей. С настройкой автоматического дома на базе Ардуино можно разобраться, даже не имея при этом навыков программирования.

Автоматизированный дом на платформе Arduino отличается множеством преимуществ, среди которых такие:

Универсальность. К контроллеру можно подключить широкий спектр внешних датчиков для приема сигналов из окружающей среды, и большой выбор исполнительных устройств для управления домом.

Масштабируемость. При необходимости можно в любой момент добавить к системе дополнительные датчики и устройства, чтобы расширить возможности самодельного умного дома – дело пары минут.

Производительность. Если речь идет о несложных проектах, их вполне можно реализовать на базе Ардуино. К тому же под этой торговой маркой выпускаются контроллеры с различной продуктивностью.

Доступность. Стоимость контроллера и дополнительных модулей настолько низкая, что не нанесет существенного удара по бюджету. Кроме того, все это можно заказывать в Китае по самой низкой цене.

Эти и другие преимущества послужили причиной высокой востребованности платформы Arduino у тех людей, которые хотят автоматизировать жилье собственными силами. Разберемся подробно в том, как это сделать.

Какие компоненты требуется подготовить?

Прежде, чем собрать умный дом своими руками на базе Arduino, необходимо подготовить все комплектующие и инструменты для работы. Ниже мы рассмотрим изготовление автоматизированной системы из таких деталей:

• контроллер Arduino Leonardo;
• модуль Ethernet ENC28J60;
• датчик атмосферных осадков;
• датчик передвижения;
• два датчика температуры DS18B20;
• язычковый переключатель;
• реле и резистор с сопротивлением 4,7 кОм;
• кабель Ethernet и кабель типа «витая пара»;
• чувствительный микрофон.

Приблизительная стоимость всех перечисленных выше компонентов составляет порядка 90 долларов. Это в разы меньше по сравнению со стоимостью уже готовых к использованию систем автоматизации домашних процессов.

Стоит отметить, что для сборки автоматизированного дома на базе контроллера Ардуино вам даже не нужен паяльник. Все соединения выполняются стандартными проводами, которые продаются вместе с контроллером. Собрать устройство можно даже на макетной плате, после чего закрыть ее в защищенный корпус, чтобы не допустить ее затопление или механическое повреждение. Это упрощает и удешевляет процесс изготовления.

Подключение компонентов к Ардуино

После того, как все комплектующие для изготовления устройства готовы, и лежат под рукой, можно начинать сборку своими руками автоматизированного умного дома на платформе Arduino. Первое, что нужно сделать, это подключить внешние модули и устройства портам на контроллере Ардуино. Это выполняется по такой схеме:

Как можно заметить, даже после сборки всей системы в единое целое, на контроллере остается достаточно много свободных контактов. В дальнейшем можно будет подключить к ним дополнительные устройства. Если вам вдруг не будет хватать места для подключения внешних датчиков, можно приобрести плату расширения для Ардуино вашей версии. Нужно будет установить плату на контроллер, и все датчики подключать через нее.

Работа с программной частью проекта

Следующий после сборки системы этап – перепрошивка контроллера. Она выполняется для того, чтобы научить Ардуино работать с внешними датчиками по необходимым вам алгоритмам. Прежде, чем начать перепрошивку, нужно скачать программу Arduino IDE на персональный компьютер, и подключить контроллер к нему через USB кабель. После того, как устройство будет определено компьютером, можно начинать работу по перепрошивке.

Расписывать весь процесс написания прошивки не имеет смысла, так как сегодня в Интернете можно найти массу примеров готовых прошивок для автоматизации жилья. Достаточно скачать необходимые для работы внешних устройств библиотеки, скачать нужную прошивку и перенести ее на контроллер через программу Arduino IDE. Сразу после перепрошивки контроллера можно приступать к настройке самодельного умного дома.

Настройка управления автоматизированным домом

Заключительный этап – настройка управления умным жильем. Для этого нужно скачать в магазине приложений программу SmartHome и установить ее на своем мобильном устройстве. После этого надо зайти в настройки этой программы и отредактировать IP-адрес. Необходимо указать IP-адрес вашего роутера, к которому подключается контроллер Ардуино при помощи Ethernet кабеля. Далее выполняется настройка роутера по этой инструкции:

откройте настройки маршрутизатора;

впишите в настройках IP-адрес контроллера;

откройте порт под номером 80.

Сразу после этого у вас появится возможность получать сведения с датчиков умного дома, и видеть их на экране своего мобильного устройства. Если к системе подключены исполнительные устройства, можно ими управлять.

Заключение

Умный дом на базе контроллера Ардуино – это простое и современное решение, которое можно самостоятельно собрать и настроить за пару часов, не имея при этом никаких навыков программирования. Не упустите шанс воспользоваться возможностью недорого и достаточно быстро настроить автоматизацию домашних процессов.

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.

Что такое «умный дом»

У этого термина есть более понятный аналог - «домашняя автоматизация». Суть подобных решений состоит в том, чтобы обеспечить автоматическое выполнение различных процессов, происходящих в жилище, офисе или на специализированных объектах. Простейший пример - автоматическое включение освещения в тот момент, когда кто-то из жильцов входит в комнату.

Система «умный дом» от Arduino представляет собой комплект оборудования для управления работой различных устройств с помощью мобильного телефона на базе ОС Android

В любой системе «умный дом» можно выделить следующие составляющие:

Сенсорная часть. Это набор устройств, основная часть которых представлена всевозможными датчиками, позволяющими системе регистрировать события различного характера. Примерами могут служить датчики температуры и движения. Прочие устройства сенсорной части служат для передачи системе команд пользователя. Это выносные кнопки и пульты дистанционного управления с приёмниками.

Одним из наиболее часто импользуемых элементов «умного дома» является датчик движения

Исполнительная часть. Это устройства, которыми система может управлять, реагируя таким образом на то или иное событие в соответствии с заданным пользователем сценарием. Прежде всего, это реле, посредством которых контроллер «умного дома» может подавать питание на любой электрический прибор, то есть включать и выключать его. Например, по хлопку в ладони (система «услышит» его при помощи микрофона) можно настроить включение реле, подающего питание на вентилятор. Обратите внимание: в этом примере вентилятор может быть любым. Но можно применить и прибор, специально выпущенный для работы в составе той или иной системы. Например, компания Arduino выпускает для своих систем электромоторчики, при помощи которых можно, допустим, закрывать или открывать форточку, а компания Xiaomi (китайский производитель подобных систем) - устройства управления воздухоочистителем. Такой прибор полностью контролируется системой, то есть она может не только включить его, но и изменить настройки.

Электромоторчик является исполнительным устройством, которое включается по сигналу контроллера системы и приводит в движение подключённый к нему механизм

Процессор. Может также называться контроллером. Это «мозг» системы, который координирует и согласовывает работу всех её составляющих.

Плата процессора (или контроллера) управляет исполнительными устройствами на основе встроенной программы и данных, полученных от сенсоров

Программное обеспечение. Это набор инструкций, которыми руководствуется процессор. В системах некоторых производителей, в том числе и от Arduino, пользователь может написать программу самостоятельно, в других - используются готовые решения, в которых пользователю доступны лишь типовые сценарии.

Современные системы «умный дом» делятся на несколько разновидностей:

Оснащённые собственным контроллером.

Использующие в этом качестве процессор пользовательского компьютера (планшета, смартфона).

Обрабатывающие информацию при помощи удалённого сервера, принадлежащего компании-разработчику (облачный сервис).

Система может не только активировать тот или иной прибор, но и проинформировать пользователя о происшедшем событии путём отправки сообщения на телефон или каким-то иным способом. Таким образом, на неё можно возложить функции сигнализации, в том числе и противопожарной.

Сценарии могут быть гораздо более сложными, чем мы описали в примерах. Например, можно научить систему включать бойлер и переводить снабжение горячей водой на него при отключении централизованной подачи, если при этом обнаруживается присутствие кого-то из жильцов в доме (помогают инфракрасные, ультразвуковые датчики, а также датчики движения).

Знакомимся с Arduino

Arduino - итальянская компания, занимающаяся разработкой и производством компонентов и программного обеспечения для простых систем «умный дом», предназначенных для неспециалистов. Примечательным является то, что этот разработчик сделал архитектуру созданных им систем полностью открытой, что дало возможность сторонним производителям разрабатывать новые и копировать уже существующие Arduino-совместимые устройства, а также выпускать ПО для них.

Набор Arduino Uno содержит необходимые компоненты для реализации устройств, описанных в прилагаемой книге

Такой подход обеспечил высокую популярность системам итальянской компании, но у него есть и недостаток: из-за того что за производство компонентов для Arduino-систем берутся, так сказать, все кому не лень, не всегда удаётся с первого раза приобрести качественное изделие. Зачастую приходится сталкиваться и с проблемой совместимости компонентов от разных производителей.

Потенциальному пользователю следует знать, что с 2008 года существуют две компании, выпускающие продукцию под торговой маркой Arduino. У первой, которая начинала это направление, официальный сайт размещён по адресу www.arduino.cc ; у второй, новообразовавшейся - по адресу www.arduino.org. То, что было разработано до раскола, на обоих сайтах представлено одинаково, а вот ассортимент новой продукции уже отличается.

ПО для систем «умный дом» Arduino имеет вид программной оболочки (называется IDE), в которой можно писать и компилировать программы. Распространяется бесплатно. Программы пишутся на языке C++.

Версии программы Arduino IDE, представленные на указанных сайтах, тоже сильно отличаются, хотя имеют одинаковые не только название, но и номера версий. Из-за этого в них довольно легко запутаться. Отличие состоит в том, что каждое ПО поддерживает свои библиотеки и платы.

«Железо» системы состоит из платы с микроконтроллером (процессорная плата) и установленных на ней плат расширения, которые в обиходе называют шилдами. Подключение шилд к процессорной плате позволяет добавлять к «умному дому» новые компоненты. Собранная система может быть как полностью автономной, так и работающей в связке с компьютером через стандартный проводной или беспроводной интерфейс.

На процессорную плату можно устанавливать специальные расширения (шилды), которые увеличивают функциональность системы Преимущества системы Arduino

Этот аппаратно-программный комплекс привлекает пользователя такими достоинствами:

• возможность автономной работы, обусловленная наличием собственного контроллера;
• широкие возможности по настройке работы системы (пользователь сам пишет программу, в которой могут быть предусмотрены сценарии любой сложности);
• простота процесса загрузки программы в контроллер: программатор для этого не требуется, достаточно иметь USB-кабель (в микроконтроллере имеется прошивка загрузчика Bootloader);
• доступная стоимость компонентов, обусловленная отсутствием у того или иного производителя монопольных прав (архитектура является открытой).

Если загрузчик Bootloader стал работать со сбоями, либо в приобретённом микроконтроллере его не оказалось, пользователь имеет возможность прошить его самостоятельно. В программной оболочке IDE для этой цели предусмотрена поддержка ряда наиболее доступных и популярных программаторов. Кроме того, почти все процессорные платы Arduino имеют штыревой разъём, позволяющий осуществлять внутрисхемное программирование.

В программе Arduino IDE, представленной на сайте arduino.cc, заложена возможность создания пользовательских аппаратно-программных платформ, в то время как в версии программы на arduino.org такая функция отсутствует.

Какие решения предлагает Arduino

Поскольку производством Arduino-совместимых датчиков и приборов занимается множество компаний, ассортимент этой продукции довольно широк. Вот что применяется чаще всего:

Сенсоры, отслеживающие климатические параметры:

Сенсоры, позволяющие определить пространственное положение объекта, на котором они закреплены:

Сенсоры, позволяющие регистрировать присутствие различных объектов:

Аварийные сенсоры:

Прочие устройства, например:

• микрофон;
• часы;
• датчик открывания двери;
• пульты дистанционного управления (радиочастотные и инфракрасные) с приёмниками;
• удалённые кнопки.

Некоторые из этих устройств включены в состав базового набора Arduino Start, который у ряда производителей имеет название StarterKit.

Стартовый набор системы Arduino включает в себя процессорную плату и несколько наиболее часто используемых устройств

Исполнительная часть содержит огромный набор устройств, например:

• электромоторы;
• реле и различные переключатели;
• диммеры (позволяют плавно менять интенсивность освещения);
• доводчики дверей;
• вентили и 3-ходовые клапаны с сервоприводами.

Если вы планируете подключить через реле Arduino освещение, то правильнее использовать в качестве светильников светодиодные лампы. Лампы накаливания при подключении через такие реле быстро горят.

Видео: начинаем работать с Arduino - управляем светодиодом через web-интерфейс Составление проекта на Arduino

Процесс создания и настройки «умного дома» Arduino покажем на примере системы, в которую будут заложены следующие функции:

• мониторинг температуры на улице и в помещении;
• отслеживание состояния окна (открыто/закрыто);
• мониторинг погодных условий (ясно/дождь);
• генерация звукового сигнала при срабатывании датчика движения, если активирована функция сигнализации.

Систему настроим таким образом, чтобы данные можно было просматривать посредством специального приложения, а также веб-браузера, то есть пользователь сможет сделать это из любого места, где есть доступ в интернет.

Используемые сокращения:

«GND» - заземление.

«VCC» - питание.

«PIR» - датчик движения.

Необходимые компоненты для изготовления системы «умного дома»

Для системы «умного дома» Arduino потребуется следующее:

• микропроцессорная плата Arduino;
• модуль Ethernet ENC28J60;
• два температурных датчика марки DS18B20;
• микрофон;
• датчик дождя и снега;
• датчик движения;
• переключатель язычковый;
• реле;
• резистор сопротивлением 4,7 кОм;
• кабель «витая пара»;
• кабель Ethernet.

Стоимость всех компонентов составляет примерно 90 долларов.

Для изготовления системы с необходимыми нам функциями потребуется набор устройств стоимостью около 90 долларов Сборка «умного дома»: пошаговая инструкция

Вот в какой последовательности необходимо действовать.

Подключение исполнительных и сенсорных устройств

Подключаем все компоненты согласно схеме.

Сборка системы в основном сводится к подключению исполнительных устройств к соответствующим контактам процессорной платы Разработка программного кода

Пользователь пишет всю программу целиком в оболочке Arduino IDE, для чего последняя оснащена текстовым редактором, менеджером проектов, компилятором, препроцессором и средствами для заливки программного кода в микропроцессор платы Arduino. Разработаны версии IDE для операционных систем Mac OS X, Windows и Linux. Язык программирования - С++ с некоторыми упрощениями. Пользовательские программы для Arduino принято называть скетчами (sketch) или набросками, программа IDE сохраняет их в файлы с расширением «.ino».

Функцию main(), которая в С++ является обязательной, оболочка IDE создаёт автоматически, прописывая в ней ряд стандартных действий. Пользователь должен написать функции setup() (выполняется единоразово во время старта) и loop() (выполняется в бесконечном цикле). Обе эти функции для Arduino являются обязательными.

Заголовочные файлы стандартных библиотек вставлять в программу не нужно - IDE делает это автоматически. К пользовательским библиотекам это не относится - они должны быть указаны.

Добавление библиотек в «Менеджер проекта» IDE осуществляется несколько необычным способом. В виде исходных текстов, написанных на С++, они добавляются в особую папку в рабочем каталоге оболочки IDE. После этого названия этих библиотек появятся в соответствующем меню IDE. Те, что отметит пользователь, будут внесены в список компиляции.

В IDE предусмотрен минимум настроек, а возможность настройки компилятора отсутствует вовсе. Таким образом, начинающий программист застрахован от ошибок.

Вот пример самой простой программы, заставляющей каждые 2 секунды мигать подключённый к 13-му выводу платы светодиод:

void setup () { pinMode (13, OUTPUT); // Назначение 13 вывода Arduino выходом}

void loop () { digitalWrite (13, HIGH); // Включение 13 вывода, параметр вызова функции digitalWrite HIGH - признак высокого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1000 мс - 1 секунду

digitalWrite (13, LOW); // Выключение 13 вывода, параметр вызова LOW - признак низкого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1 секунду}

Однако в настоящий момент перед пользователем далеко не всегда встаёт необходимость лично писать программу: в сети выложено множество готовых библиотек и скетчей (загляните сюда: http://arduino.ru/Reference). Имеется готовая программа и для системы, рассматриваемой в этом примере. Её нужно загрузить, распаковать и импортировать в IDE. Текст программы снабжён комментариями, поясняющими принцип её работы.

Все программы на Arduino работают по одному принципу: пользователь посылает запрос процессору, а тот загружает необходимый код на экран компьютера или смартфона

Когда пользователь нажимает в браузере или установленном на смартфоне приложении кнопку «Refresh» (Обновление), микроконтроллер Arduino осуществляет отсылку данных этому клиенту. С каждой из страниц, обозначенных как «/tempin», «/tempout», «/rain», «/window», «/alarm», поступает программный код, который и отображается на экране.

Установка клиентского приложения на смартфон (для ОС Android)

Для получения данных от системы «умный дом» в сети можно скачать готовое приложение.

Вот что необходимо сделать владельцу гаджета:

С помощью этого приложения можно не только получать информацию от системы «умный дом», но и управлять ею - включать и отключать сигнализацию. Если она включена, то при срабатывании датчика движения приложению будет отправлено уведомление. Опрос системы Arduino на предмет срабатывания датчика движения приложение выполняет с периодичностью раз в минуту.

Активировав иконку «Настройки», можно отредактировать свой IP-адрес.

Настройка браузера на работу с «умным домом»

В адресной строке браузера следует ввести XXX.XXX.XXX.XXX/all, где «XXX.XXX.XXX.XXX» - ваш IP-адрес. После этого появится возможность получать данные от системы и осуществлять управление ею.

Представленный здесь программный код позволяет через браузер включать и выключать свет, тогда как в приложении для Android-смартфона такая функция не реализована.

Работа с роутером
Настройка учётной записи на noip.com

Этот этап не является обязательным, но он необходим, если вы хотите присвоить адресу доменное имя. Для этого надо зарегистрироваться на сайте https://www.noip.com/ , перейти в раздел «Add host» и ввести IP-адрес системы.

После регистрации на сайте noip.com доступ к системе можно получать не только по IP-адресу, но и по полному доменному имени

Создание проекта завершено, можно проверять работоспособность системы.

Видео: умный дом на «Ардуино» 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.

Похожая ситуация сложилась в сфере разработки персональных компьютеров. В своё время компания IBM сделала архитектуру своих компьютеров открытой, вследствие чего IBM-совместимые компьютеры и отдельные компоненты стали выпускать многие компании. В итоге «персоналки» этого типа широко распространились по всему миру, однако, качество комплектующих и степень их совместимости во многих случаях оказывались не на самом высоком уровне. Противоположной тактики придерживалась компания Apple. Она ограничила круг разработчиков, имеющих доступ к архитектуре, и такую же политику провела в сфере разработки ПО. В итоге компьютеры Apple оказались менее распространёнными и более дорогими, но зато по качеству они на порядок превосходят IBM-совместимые устройства, работающие под Windows.

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.

Система «Умный дом» на Arduino пользуется большим спросом у людей, стремящихся создать максимальный комфорт дома или в офисе.

Ее особенность - в способности управлять различными системами без участия владельца, а суть заключается в объединении электронных устройств в одну сеть для экономии электроэнергии, управления освещением и электроприборами, оповещения о проникновении в дом посторонних лиц и решении других задач.

Одним из главных элементов системы умный дом в рассматриваемом варианте является Arduino. Что это такое? Как он работает? Какие функции выполняет? Все подробно мы рассмотрим в этой статье.

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 : , обзор, комплектация, подключение и настройка своими руками, сценарии.

Чем управляет Arduino?

Благодаря большому количеству выводов на печатной плате, к Ардуино удается подключить множество различных устройств, а именно:

Кроме того, к Ардуино подключается набор датчиков в зависимости от задач, поставленных перед системой. Как правило, устанавливаются датчики освещенности, дыма и состава воздуха, магнитного поля, влажности, температуры и прочие.

Благодаря этой особенности, Arduino становится универсальным устройством - «мозговым центром» системы «Умный дом» с возможностью конфигурации с учетом поставленных задач.

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 : .

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 .

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.

Здесь имеются нюансы, которые зависят от типа операционной системы:

• 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.

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.

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 , 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 http://flprog.ru/.

Подбираем комплектацию под проект на примере Arduino Mega 2560 R3

Для создания полноценной системы «Умный дом» и выполнения ею возложенных функций важно правильно подойти к комплектации и выбору оборудования.

Что входит в комплект поставки?

Если ваша цель - «Умный дом» на базе Arduino, требуется подготовить следующее оборудование - саму плату Mega 2560 R3, модуль Ethernet (ENC28J60), датчик движения, а также другие датчики и контроллеры.

Кроме того, стоит подготовить кабель вида «витая пара», резистор, реле, переключатель и кабель для модуля Ethernet.

Необходимы и дополнительные инструменты - отвертки, паяльники и прочее.

Учтите, что покупать наборы для монтажа системы стоит в сертифицированных пунктах. Это объясняется тем, что при реализации проекта применяется электричество, а использование подделки может привести к снижению уровня безопасности.

Все программы для адаптации можно найти в сети на официальном сайте Arduino http://arduino.ru. При выборе датчиков стоит ориентироваться на задачи, которая должен решать «Умный дом».

Как правило, требуются датчики движения, температуры, открытия дверей и освещенности. Роль датчика открытия дверей может выполнять обычный геркон.

Прошивается плата с помощью специального софта, предназначенного для различных операционных систем, в том числе и кабеля USB. При этом в программаторах нет необходимости.

Что касается ПО, которое применяется в Ардуино, оно написано на языке Си. На число байт имеются определенные ограничения, но текущей памяти достаточно для реализации поставленной задачи.

Начало работы

Как только необходимое оборудование подготовлено, а проект разработан, можно приступать к выполнению поставленной задачи.

Этапы

При организации системы «Умный дом» на базе Ардуино, стоит действовать по следующему алгоритму:

• Инсталляция программного кода;
• Конфигурация приложения под применяемое устройство;
• Переадресация портов (для роутера);
• Проведение тестов;
• Внесение правок и так далее.

В Сети имеется весь необходимый софт на применяемое оборудование - его достаточно скачать с официального сайта и установить (ссылку смотрите выше).

Приложение позволяет увидеть информацию о датчиках. Если это требуется, настройки IP-адрес могут быть изменены.

Последовательность действий при подключении к компьютеру

Чтобы начать работать с Ардуино в Windows, сделайте следующие шаги:

• Подготовьте необходимое оборудование - USB-кабель и Arduino.
• Скачайте программу на странице arduino.cc/en/Main/Software.
  
• Подсоедините плату с помощью USB-кабеля. Проследите, чтобы загорелся светодиод PWR.
• Поставьте необходимый набор драйверов для работы с Ардуино. На этом этапе стоит запустить установку драйвера и дождаться завершения процесса.
  После жмите на кнопку «Пуск» и перейдите в панель управления. Там откройте вкладку «Система и безопасность» и выберите раздел «Система». После открытия окна выберите «Диспетчер устройств», жмите на название Ардуино и с помощью правой кнопки мышки задайте команду обновления драйвера. Найдите строчку «Browse my computer for Driver software!», кликните по ней и выберите соответствующий драйвер для вашего типа платы - ArduinoUNO.inf (находится в папке с драйверами). Это может быть UNO, Mega 2560 или другая.
  
• Запустите среду разработки Ардуино, для чего дважды кликните на значок с приложением.
• Откройте готовый пример (File - Examples - 1.Basics - Blink).
• Выберите плату. Для этого перейдите в секцию Tools, а дальше в Board Menu.
  
• Установите последовательный порт (его можно найти путем отключения и подключения кабеля).
• Скачайте скетч в Ардуино. Кликните на «Upload» и дождитесь мигания светодиодов TX и RX на плате. В завершение система показывает, что загрузка прошла успешно. Через несколько секунд после завершения работы должен загореться светодиод 13 L (он будет мигать оранжевым). Если это так, система готова к выполнению задач.

Работа с роутером

Для полноценной работы «Умного дома» важно правильно обращаться с роутером. Здесь требуется выполнить следующие действия - открыть конфигурацию, указать адрес Arduino IP, к примеру, 192.168.10.101 и открыть 80-й порт.

После требуется присвоить адресу доменное имя и перейти к процессу тестирования проекта. Учтите, что для такой системы запрещено применение открытого IP-адреса, ведь в этом случае высок риск взлома через Сеть.

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.

Общение с Arduino

Чтобы узнать, какие действия осуществлять, процессор должен получить соответствующую команду. Общение производится с помощью специального языка, который адаптирован под работу с Ардуино и достаточно прост. При желании в нем легко работаться даже при отсутствии навыков программирования.

Оформление и отправка сообщения контроллеру называется программированием. Чтобы упростить процесс, разработана среда Arduino IDE, в состав которой входит множество программ. Их изучение позволяет получить массу полезной информации о работе с Ардуино.

Как можно управлять?

Как отмечалось, сервер Node.js позволяет связать между собой оборудование в доме. Одним из способов управления процессами являются облачные сервисы в Сети. При этом включить отопление или бойлер можно за один-два часа до приезда.

Еще один способ - управление с помощью сообщений (MMS или SMS). Этот вариант актуален в случае, когда нет связи с Интернетом. Одним из преимуществ системы является возможность получения информации о форс-мажорной ситуации (например, протечке). Здесь помогает плата Edison от компании Intel.

В итоге, что мы получим?

Сегодня Arduino востребовано среди людей, которые ничего не знают о программировании.

Причиной этому является простой интерфейс, а также ряд преимуществ - простой язык программирования, возможность создания своего алгоритма, благодаря открытому исходному коду, а также легкость переноса программ с помощью USB-кабеля. Необходимый для Ардуино софт имеется в Интернете, поэтому тут проблем нет.

Как видно, Ардуино - не просто плата, позволяющая подключить различные устройства. Это мощная база, которую можно использовать для создания «Умного дома». При этом нет нужды тратить большие деньги за дорогостоящие устройства, стоимость которых в 5-10 раз больше.

Это и есть основные преимущества системы.

К особенностям платы стоит отнести возможность подключения к компьютеру и получения визуализации процессов на дисплее планшета или ПК.

Управление автоматикой возможно через Интернет или посредством сообщений. Так что Ардуино отлично подходит для создания устройств повышенной сложности.

Если коротко описать принцип действия Ардуино, то все очень просто. Например, при реализации проекта «Умный дом», это устройство работает следующим образом. По всему дому в определенных местах расставлены датчики, которые реагируют на внешнюю обстановку, и передают информацию на микропроцессор, который принимает решение.

Микропроцессор может быть соединен с компьютером, планшетом, ноутбуком, или смартфоном. Программы для ардуино можно легко скачать в интернете. Все комплектующие, разъемы производители выполняют стандартными, для любых подключений. Рассмотрим подробнее, как можно реализовать «Умный дом».

Проектирование «Умного дома»

Техника с каждым годом все глубже проникает в нашу жизнь. Без электроники уже невозможно представить повседневную жизнь, так как техника делает ее намного интереснее и проще.

Любой человек, который имеет хотя бы основные знания электротехники, может самостоятельно изготовить какое-либо полезное для дома устройство. Если в вашей квартире или доме установлены специальные считывающие информацию датчики, которые еще и выполняют различные функции, то это и есть «умный дом».

На практике не все так красиво и волшебно, как в фантастических фильмах, где роботы готовят утренние завтраки, стирают белье и делают в доме уборку. Реальные компьютеры еще далеки от подобного уровня развития.

Датчики «умного дома» всего лишь могут выполнять следующие функции:

• Автоматическое управление бытовыми устройствами. Система сама подключает и отключает чайник, телевизор, микроволновку и другие устройства.
• Обеспечивать пожарную безопасность. Система подает сигнал хозяину о возникновении возгорания, наличия дыма в помещении. В более сложных системах включается не только сигнализация, но и автоматически вызывается пожарная охрана и другие необходимые службы.
• Контроль погоды. Система контролирует и подает сигнал об изменениях погодных условий на улице. Это помогает человеку правильно планировать свой день.
• Контроль климатических условий в помещении. Устройство работает совместно с приборами отопления, вентиляции и другими климатическими устройствами. Ее принцип действия заключается в автоматическом увеличении или уменьшении температуры, влажности и т.д., в зависимости от настройки программы.
• Контроль проникновения на территорию жилого помещения. Система взаимосвязана с датчиками движения, и способна автоматически запирать дверные замки, определять точное число людей, находящихся в помещении.
• Контроль потребления электрической энергии путем автоматического подключения и отключения приборов освещения. В более сложных вариантах систем, осуществляется отключение освещения как с пульта управления, так и автоматическое полное отключение света, при отсутствии хозяина дома.

Квалифицированных специалистов, занимающихся обустройством таких умных домов, не так уж и много. Их услуги стоят немалых денег. Однако эту работу вполне можно выполнить самостоятельно. Вся система состоит из датчиков и контроллеров. Например, для контроля температуры в комнате, установлен датчик, который реагирует на понижение температуры ниже запрограммированного уровня. В этом случае микропроцессор автоматически включает нагревательные устройства. Аналогичные датчики располагают по всему дому, которые выполняют различные функции.

Система контроля достаточно надежна, и редко выходит из строя. В нее заложен открытый программный код, имеется возможность соединения с компьютером. В заводских настройках в микропроцессор заложено несколько стандартных программ. Однако, код этих программ можно легко изменять, и даже заменять на свои собственные проекты.

Работа системы ардуино

Датчики передают информацию на компьютер по беспроводной связи. Эти данные обрабатываются с помощью специальной программы. Далее, подается команда на исполнение определенных действий. Центральную плату можно приобрести или собрать самостоятельно. Все разъемы на плате являются стандартизованными, что облегчает сборку системы.

Необходимые комплектующие

Для самостоятельной сборки потребуются следующие и комплектующие:

• Отвертки.
• Пассатижи.
• Резисторы.
• Реле.
• Датчики.
• Модуль связи.
• Ардуино UNO.

Наборы для аналогичных систем лучше покупать в сертифицированных магазинах, так как использование поддельных элементов очень опасно. Необходимые программы для настройки системы без труда можно найти в интернете.

Датчики необходимо приобрести такие, которые будут соответствовать контролируемым ими параметрам.

Особенности установки ардуино

В системе умного дома целесообразно использовать только энергосберегающие лампы, лучше всего светодиодные. Применение обычных ламп не допускается, так как устройство не рассчитано на такую нагрузку.

После подготовки проекта и приобретения всех комплектующих, можно начинать подключение всех элементов в систему. Все подключения выполняются строго по схеме. Все контакты и соединения необходимо изолировать.

• Инсталляция кода программы.
• Настройка программы для применяемого планшета или компьютера.
• Настройка портов на модуле связи.
• Проверка работоспособности.
• Корректировка кода программы (при необходимости).

Для используемого вами гаджета в интернете скачивают специальную программу, которую затем устанавливают. Скачивать рекомендуется из официальных источников, во избежание сбоев в работе программы. После установки программы компьютер или планшет перезагружают.

Программа должна показывать информацию с датчиков, расположенных в разных помещениях. При необходимости настройки программы можно изменять.

Настройка роутера На модуле связи (роутере) необходимо открыть порт. Это делается следующим образом:

• Открыть свойства роутера.
• Указать IP-адрес устройства.
• Открыть 80 порт.
• На новый адрес присвоить доменное имя.
• Произвести тестирование работы всей системы.

Для подобных проектов нецелесообразно применять открытый тип IP-адреса, так как такую систему могут взломать хакеры через интернет, и нарушить функционирование системы.

Такие системы «умных домов» способны значительно экономить электрическую энергию. Основным этапом является правильный выбор сертифицированных комплектующих, в противном случае нет гарантии качественной работы системы. Для ардуино существует большое множество готовых программных кодов. Это позволяет легко самостоятельно собрать такую систему.