То, что получилось в итоге, можно назвать, пожалуй, самым дешевым решением для создания Умного дома, которое, тем не менее, умеет:
- Управлять освещением и силовыми устройствами(Реле, диммеры DMX-512 и Modbus RTU)
- Управлять теплыми полами (в качестве термодатчиков используются полтора десятка дешевых DS18B20, разведенных по квартире)
- Управлять задвижками вентиляции/кондиционера
- Управлять самодельной системой приточной вентиляции.
- Многое такого, о чем я изначально не задумывался, просто в силу того, что контроллер получился абсолютно открытым, гибко конфигурируемым, и прекрасно дополняющим Опенсорсные решения Openhab+Mosquitto+NodeRed
Serial CLI при создании нового контроллера надо прописать в NVRAM уникальный MAC адрес. Именно MAC является ключом, по которому изначально загружается конфигурация c http сервера.
В качестве управляющего ПО я взял Openhab 2, имеющий весь нужный мне функционал, плюс, мобильное приложение, плюс «Облако» - роль которого, правда, только в том, чтобы предоставлять доступ к домашней инфраструктуре извне, не прокидывая портов на роутере и не обладая фиксированным IP. Также, Openhab имеет интеграцию с HomeKit от Apple, что позволяет управлять устройствами дома с iPhone, вообще без установки аппликации. (Возможность интересная, но пользуюсь, в основном, «родным» приложением).
Немного скриншотов Openhab
Наличие в проекте квартиры большого кол-ва светодиодного освещения, также, требовало какого-то разумного управления.
Подробности по LED освещению
Решения, обнаруженные на рынке были либо закрытыми «вещами в себе», либо стоили неадекватных денег, поддерживая при этом немного каналов. Часто, производители ограничивались тремя каналами (RGB), хотя, вариант RGBW позволяет использовать светодионые ленты в качестве основного освещения, а не просто для цветовой подсветки.
Подумав, я заказал на АliExpress пару плат , каждая из которых может управлять 30-ю каналами LED с номинальным током до 2А на канал.
Для того, чтобы увеличить максимальную мощность одного канала, я перешел со светодиодных лент на 12В на 24В ленты. При этом, полноценно осветить комнату около 16-18 кв. м оказалось возможным при помощи 4-х ключей. БОльшие по площади помещения пришлось зонировать - в гостиной подключил независимо 4 ленты по 5 м, задействовав при это 16 каналов.
Для синхронного управления всей комнатой, пришлось придумать тип канала «группа»
Вот как выглядит описание гостиной в JSON конфиге:
"kuh":],
"kuhwin":,
"kuhline":,
"kuhfre":,
"kuhwork":,
Первый элемент массива - тип канала, второй - параметр канала, который может являться массивом.
Для элемента типа 7 (группа) - аргументом является массив элементов, входящих в группу.
Рекурсия, конечно же, поддерживается.
Для элемента типа 1 (лента RGBW) - аргумент - базовый DMX адрес канала.
Со стандартной библиотекой EasyDMX платы не заработали сразу. Как оказалось, китайский LED контроллер не переваривал 2ms задержку между фреймами DMX (interframe delay). Несложная модификация кода библиотеки (сокращение цикла в два раза) помогла.
Подробности по кондиционированию
К сожалению, не удалось найти приводов воздушных заслонок с ШИМ или каким-то цифровым входом, поэтому на том же AliExpress были приобретены 4 преобразователя ШИМ в стандартный аналоговый сигнал 0..10В.
К сожалению, на Aliexpress этих устройств уже не вижу, но на e-bay - пожалуйста
Преобразователи великолепно заработали сразу, пришлось только перепрограммировать таймер ШИМ выходов для того, чтобы задать подходящую частоту.
Ниже пример перепрограммирования таймеров 3 и 4 (отвечают за pin-ы 2, 3, 5, 6, 7, 8 Arduino Mega на частоту 4000Гц).
PinMode(iaddr,OUTPUT);
//timer 0 for pin 13 and 4
//timer 1 for pin 12 and 11
//timer 2 for pin 10 and 9
//timer 3 for pin 5 and 3 and 2
//timer 4 for pin 8 and 7 and 6
int tval = 7; // 111 in binary - used as an eraser
TCCR4B &= ~tval; // set the three bits in TCCR2B to 0
TCCR3B &= ~tval;
tval=2; //prescaler = 2 ---> PWM frequency is 4000 Hz
TCCR4B|=tval;
TCCR3B|=tval;
analogWrite(iaddr,k=map(Value,0,100,0,255));
Далее, я начал искать WiFi контроллеры теплых полов. Нашел, в целом, неплохое устройство стоимостью около 6 тыс руб от Теплолюкс, но оно имело некоторые существенные для меня недостатки.
Несмотря на наличие мобильного приложения, протокол управления был закрыт. Я провел некоторый реверс-инженеринг, который показал, что, теоретически, протокол можно расшифровать. Возможно, я бы этим и занялся, но обнаружил, что без переустановки подразетников сие устройство не устанавливается в один ряд с выключателями. Это определило судьбу устройства: продав его, я реализовал функционал простого термостата на своем контроллере, сэкономив почти 30 тыс руб на 5-ти теплых полах.
Получилось следующее:
- Все управление - локально на контроллере и независимо от домашней ИТ инфраструктуры
- Используются измерения с 1-wire термодатчиков. Если датчик долгое время не может быть опрошен - нагреватель отключается.
- Через MQTT можно включить/выключить теплый пол и задать его температуру. Соответственно, полы управляемы через интерфейсы и мобильное приложение Openhab
- Я не стал реализовывать хитрые сценарии и расписания на контроллере. При желании, это легко реализуется правилами Openhab или Node-Red. Я ограничился только отключением устройств, когда люди покидают дом.
"ow":{
"2807FFD503000036":{"emit":"t_bath1","item":"h_bath1"}
},
"items":{
"h_bath1":,
},
Данные при опросе термометра OneWire с указанным адресом передаются на шину MQTT в топик t_bath1, а также, внутри контроллера, объекту h_bath, имеющему тип №5 (термостат), реле подключено к pin#24 контроллера, уставка - 33 градуса (можно корректировать по MQTT)
Входы устройства
В конфиге для каждого входа можно задать как передачу команды локальному объекту так и выдачу команды в MQTT топик. Причем, отдельно как на условное «нажатие» кнопки так и на «отпускание».
Примеры:
"in":{
"41":{"emit":"/myhome/in/all","scmd":"HALT","rcmd":"REST"},
"38":{"item":"spots_en"},
"37":{"emit":"/myhome/in/light","scmd":"ON","rcmd":"OFF"},
"40":{"emit":"/myhome/in/gstall","scmd":"TOGGLE","rcmd":"TOGGLE"},
"35":{"emit":"/myhome/s_out/water_leak"}
}
Pin 41: Геркон на замке входной двери - при запирании - выдаем в топик /myhome/in/all команду HALT, при отпирании - команду REST.
У меня это приводит к полному «засыпанию» и «просыпанию» дома. К слову - команды не входят в стандартный набор OpenHab, но получились крайне удобны - HALT - выключает устройство, REST - восстанавливает параметры устройства до последнего значения (цвет, яркость, температура), но только для того устройства, которое было выключено командой HALT а не OFF. Это позволяет не включать то, что было выключено на момент покидания дома.
Pin 38: Просто обычный выключатель света. При замыкании - выдает (по умолчанию) команду ON, при размыкании - команду OFF. Эти значения передаются объекту «spots_en». Понятно, что состояние обьекта можно изменить с мобильного приложения. В этом случае, выключатель, как бы, остается, например, во включенном положении, но свет выключен.
Для любителей классических проходных выключателей, подойдет синтаксис Pin 40: И при включении и при выключении выдается команда TOGGLE (тоже, кстати, новая, относительно OpenHab), меняющая положение Вкл-Выкл устройства (в данном примере, лампа управляется не локально, а через MQTT другим контроллером).
Если это не перекидной выключатель а кнопка - достаточно просто скорректировать «rcmd»:"" - при этом команда на переключение будет выдаваться только при нажатии.
А, ну и почти забыл описать DMX-IN - вход, ради которого, можно сказать, я и начинал эту разработку.
На рынке масса удачных с дизайнерской точки зрения и, в целом, эргономичных DMX контроллеров светодиодных лент.
Один из таких (сенсорную панель) я и купил в самом начале для экспериментов с DMX. Все хорошо, но архитектура DMX не предусматривает никакого управления из более чем одного места. Существует один Мастер, который постоянно транслирует в шину яркости каналов. Но в этом проекте данная проблема решена. Контроллер LightHub отслеживает изменения каналов DMX на входе, подключенном к сенсорной панели. Если они изменяются - транслирует изменения на выход (с маппингом на сконфигурированные устройства, в том числе, на группы светодиодных лент).
Пока ничего не меняется - устройства нормально управляются удаленно. Стоит сенсорной панели поменять значения яркости каналов - эти изменения транслируются на DMX выходы.
Как не странно, этот костыль получился вполне эргономичным. Хотя, как показал опыт, мы все реже используем сенсорную панель и все чаще смартфоны для управления устройствами.
Заключение
К сожалению, в одной статье невозможно описать все нюансы, заложенные в разработку.
Например, совсем за кадром осталась тема подключения Modbus устройств, их пуллинг и синхронизация локального состояния устройства с системой Умного Дома, интеграция с простой приточной установкой. Ну и, возможно, сравнение с существующими системами близких классов, такими, например, как MegaD-328, AMS и, даже, WirenBoard. Возможно, если будет заинтересованность - продолжу.
Также, пока за кадром то, что с использованием NodeRed удалось проинтегрировать систему с Telegram. Пока работает для получения оповещений, но можно создать полноценный Bot.
Относительно проекта LightHub - при всей дешевизне, контроллеры оказались вполне рабочим решением. Честно говоря, я сам не верил, что на основе Arduino можно создать стабильно работающую систему, но, по-моему, это удалось.
Конечно, надо многое еще доделать: полностью уйти от хардкода (осталось совсем чуть-чуть), немного и местами почистить и рефакторить код, тщательно документировать проект, развести печатную плату (сейчас интерфейсные Шилды спаяны просто на основе макетных плат и содержат три MAX-485 - (DMX-IN, DMX-OUT, Modbus) и 1-Wire мост) - и это станет, по сути, очень бюджетным готовым решением.
Warning: Напоминаю, что проект пока на уровне макетных плат. Открывая следующий спойлер, вы можете нанести урон своим эстетическим чувствам.
Немного картинок
Первый контроллер, управляющий LED (60 каналов DMX-512), Modbus (диммеры, приточка), заслонки ветиляции;
Это DMX-512 декодер, который удобно размещать там, где светодиодные ленты приходят к трансформаторам. У меня - под фальшпотолком в кладовке.
А это-второй контроллер, обслуживающий 1-wire, выключатели/датчики и релейный модуль. (Сам релейный модуль разместился прямо в распаечной коробке, где ему и место вместе с тремя фазами. Соседство 380В и слаботочки я искоренил везде, где возможно, после одного неудачного происшествия)
Понятно, что надо расширять функционал. Как минимум, в направлении беспроводных датчиков/устройств. (Хотя, например, ZWave и так сейчас можно использовать через стандартные биндинги Openhab).
Возможность подключения, например, бюджетного NooLight, вероятно, неплохая идея. Возможно, подумаю над миграцией на ESP-8266 для расширения RAM, хотя, уход на WiFi с проводного подключения к LAN мне не нравится с точки зрения надежности. Да и ESP не обладает такой богатой переферией как Arduino Mega. Еще планирую сделать учет электроэнергии через датчики тока и подключение Rotary Encoder на вход.
Также, полезно было бы сделать конфигурирование и запуск контроллера более User Friendly (визуальные конфигураторы и пр.). При этом, сознательно не хочется превращать контроллер в вебсервер с файлами/картинками, AJAX и пр. На мой взгляд, это уже должно являться прерогативой сервера. Хотя бы на основе Raspberry.
Но поскольку проект абсолютно Опенсорсный - возможны разные варианты, присоединяйтесь.
Также, с нетерпением ожидаю ваших отзывов.
UPDATE:
После публикации статьи, объединив усилия вместе с одним из жителей Хабра и нарисовав принципиальную схему LighthHub Shield, приступили к разводке печатной платы, с учетом всего осмысленного опыта и комментариев- Плата будет совместима как с Arduino Mega (5v) так и с Arduino DUE (ARM 3,3В)
- Встроенный интерфейс Ethernet на базе Wiznet5500
- 8 опторазвязанных дискретных входов, 8 дискретных входов/выходов с защитой по напряжению/току
- 8 аналоговых входов с защитой по напряжению/току. В дальнейшем, предполагаю использовать аналоговые входы для контроля потребляемой мощности (датчики тока) и для того, чтобы подключать внешние потенциометры (диммеры)
- 8 ШИМ выходов, 4 из них с мощными выходными ключами (до 500 мА/50В) + 4 дискретных мощных выхода. Позволят подключить локально к контроллеру, например, несколько пускателей или даже не сильно длинную RGBW LED ленту.
- Разьем формата UEXT , который позволит, впоследствии, подключить к контроллеру совместимую переферию - например дополнительные радиомодули, для соединения с беспроводными устройствами.
- Остальные входы/выходы будут выведены без защит на разъемы RJ45 для подключения локальных устройств (релейные платы, ЦАП и пр)
- 1-wire
- dmx-512
- dmx
- Node-Red
- modbus
- iot
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.
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.
В данном проекте я покажу, как построить умный дом. Он может контролировать температуру снаружи и внутри помещения, фиксировать открыто или закрыто окно, показывать, идет ли дождь, а также подавать тревожный сигнал, когда сработает датчик движения PIR. Я создал приложение на ОС Android для отображения всех данных (данные можно также просматривать через браузер). Вы сможете видеть температуру в вашем доме и другую информацию с любой точки мира! Приложение переведено на английский и польский язык. Я создал данное устройство, поскольку хотел иметь свой собственный умный дом, которым можно управлять. Вы также сможете построить умный дом из компонентов, рекомендованных ниже. Тогда приступим.
Объяснение сокращений для начинающих:
GND - земля
VCC - питание
PIR – датчик движения
Шаг 1: Компоненты
Стоимость всех компонентов не превышает $90
- Датчик температуры DS18B20 x 2 штуки
- Язычковый переключатель
- Резистор 4.7 кОм
- Кабель, витая пара
- ethernet кабель
- инструменты (паяльник, отвертка)
Шаг 2: Соединения
Схема соединений показана выше.
Шаг 3: Программный код
Сначала вам необходимо загрузить, разархивировать и импортировать данную библиотеку в среду разработки Arduino IDE. Далее потребуется загрузить данную программу в Arduino. В комментариях объясняется программный код.
Шаг 4: Принцип работы
Если вы нажмете на кнопке refresh (обновить) в вашем приложении или в браузере, то Arduino отправит данные в смартфон/браузер. Приложение получает программный код с каждой страницы (/tempin, /tempout, /rain, /window, /alarm) и отображает его на вашем смартфоне.
Шаг 5: Приложения для Android.
Для установки приложения на вашем смартфоне под управлением ОС Android вам необходимо выполнить следующее (это видно на картинках выше):
1. Сначала загрузите файл smartHome.apk
2. Отправьте файл apk на ваш телефон
3. Откройте файловый менеджер и разместите файл smarthHome.apk
4. Щелкните на нем и нажмите установить (вам необходимо установить галочку, которая разрешает устанавливать приложения вне маркета google play)
5. После установки вам необходимо активировать приложение
Шаг 6: Конфигурирование приложения
Я кратко объясню, как работает приложение. Оно отображает все данные из вашего дома. Вы можете нажать на иконку настроек для редактирования вашего IP адреса, и включать и выключать тревожную сигнализацию. Когда вы включаете сигнализацию, то приложение получает данные от активного датчика движения PIR. Если датчик определяет постороннее движение в доме, он посылает уведомление. Приложение получает данные от датчика каждую минуту. В поле IP введите ваш IP-адрес.
Шаг 7: Браузер
Введите в адресной строке браузера ваш ip адрес / all. При этом вы увидите все данные и сможете включать и выключать свет.
Для этих функций вы также можете использовать приложение на Android.
Шаг 8: Переадресация портов
Вам нужно открыть порт на вашем роутере. Войдите в конфигурацию роутера, установите адрес arduino ip и откройте порт 80. Процедура показана на картинке выше.
Комплексные системы управления инженерными коммуникациями жилища, известные под названием «Умный дом» набирают всё большую популярность. Широкому внедрению этих систем препятствует достаточно высокая стоимость комплектующих элементов и монтажных работ. Умный дом на базе Arduino представляет собой решение вполне доступное для всех, кто хоть немного разбирается в электронике.
Что такое Arduino
Ардуино – это бренд, под которым выпускаются аппаратные и программные средства для самостоятельного построения систем автоматики и телеуправления.
По сути это модульный конструктор, обладающий широкими возможностями. Аппаратные средства Ардуино представляют собой большой ассортимент печатных плат, на которых организованы различные датчики, исполнительные устройства и платы расширения. Ядром системы являются платы с программируемыми микроконтроллерами разного уровня сложности от Arduino Pro Mini до Arduino Mega. Платы расширения позволяют использовать большое количество внешних устройств.
На небольшой печатной плате установлен микроконтроллер, немного дискретных элементов, кварц и различные виды разъёмов, в том числе и вертикальные штыри, с помощью которых собираются конструкции-этажерки с добавлением плат расширения. В качестве микроконтроллеров используются чипы семейства Atmega. Тип контроллера определяет функциональные возможности платы, зависящие от количества входов и выходов.
Так широко распространённый модуль Arduino Uno с микроконтроллером Atmega 328 имеет следующие характеристики:
- Цифровые входы/выходы – 14
- Из них 6 – ШИМ
- Аналоговые входы – 6
- Память – 32 Кб
- Питание – 7-12 В
- Цена – 950 рублей
Цифровые контакты можно запрограммировать на выполнение конкретной функции. Это может быть вход или выход. Эти входы/выходы могут работать с устройствами, для функционирования которых достаточно двух уровней. Это логическая единица или уровень близкий к напряжению питания и логический низкий уровень соответствующий нулю. На цифровые входы можно подключать двухуровневые датчики. К ним относится пара магнит-геркон. Этот датчик реагирует на открывание дверей и окон. По такому принципу работают многие датчики охранной и пожарной сигнализации.
Цифровые выходы могут управлять работой электромагнитных реле, которые в свою очередь включают и выключают сетевые розетки, к которым подключены различные бытовые приборы. Умный от Arduino обойдётся значительно дешевле, чем готовый промышленный комплект.
Аналоговые входы через аналогово-цифровые преобразователи передают на контроллер информацию о состоянии датчиков температуры, освещённости и некоторых других приборов. Сравнивая показания датчиков с командами, хранящимися в памяти, центральный блок системы может управлять устройствами, где требуется плавное изменение мощности. Шесть выходов, связанных с широтно-импульсным модулятором позволяют плавно управлять мощностью нагрузки. Например, регулировать яркость светильника, регулировать температуру обогревателя или управлять частотой вращения электродвигателя.
Самой мощной и многофункциональной платой
этой линейки является Arduino Mega. На печатной плате смонтирован контроллер
AT
mega
2560
, дискретные элементы, порт USBконнектор для подключения питания. Плата имеет 54 универсальных контакта, которые можно запрограммировать на выполнение функций входа/выхода. 14 из них могут управлять аналоговыми устройствами при помощи широтно-импульсной модуляции. 16 аналоговых входов предназначены для подключения любых аналоговых приборов.
Плата контроллера Arduino Mega стоит в пределах 1 500 рублей. Программировать его проще всего с помощью персонального компьютера через USB-порт.
Периферийные модули для Ардуино
Плата контроллера является ядром системы, но подключать к ней какие либо устройства нельзя. Выходы имеют небольшую нагрузочную способность и ограниченный ток. Для организации системы управления бытовой техникой потребуются внешние силовые модули, устройства связи и другие устройства. Это не является проблемой, поскольку для контроллеров Arduino разработано большое количество периферийных модулей.
Вот только некоторые из них:
- Газоанализатор – MQ-2
- Датчик освещённости – 2CH-Light-2
- Датчик температуры внешний – DS18B20-PL
- Датчик температуры и влажности комнатный – DHT-11
- Драйверы электродвигателя – L298N, L9110
- Релейные модули – 1ch5V, 4ch5V
- Модуль дистанционного управления IC2262/2272
Датчик, определяющий утечку газа в помещении, реагирует на пропан и бутан, которые являются составляющими бытового газа. Модуль имеет регулировку чувствительности и аналоговый/цифровой выходы. Датчик освещённости может являться частью автоматизированной системы управления светом. Он состоит из двух независимых каналов с индивидуальной регулировкой чувствительности. Уличный термодатчик предназначен для работы при температуре от – 55 до +125 градусов. Комнатный датчик температуры и влажности предназначен . Диапазон изменения температуры от 0 до +55 0 С и влажности от 20 до 90%.
Поскольку питающее напряжение модулей Ардуино лежит в диапазоне от 7 до 12 вольт, то для организации охранной или пожарной сигнализации можно использовать любые стандартные датчики, которые имеют такие же рабочие уровни.
Драйверы электродвигателей позволяют управлять однофазными, двухфазными, четырёхфазными и шаговыми двигателями. С помощью таких устройств можно открывать и закрывать жалюзи или шторы. Подключенные к драйверам сервоприводы позволяют регулировать поток теплоносителя в радиаторах отопления. Незаменимыми в системе «Умный дом» являются релейные ключи. Управляемые потенциалом логической единицы +5 вольт, реле допускают коммутацию нагрузок в цепях переменного тока до 10 ампер при напряжении до 250 вольт.
С их помощью можно включать и выключать электрические розетки, электронасосы и другие системы.
Модуль дистанционного управления состоит из пульта и приёмного устройства. Пульт оборудован четырьмя кнопками и обеспечивает передачу команд на приёмный блок на расстоянии до 100 метров. Все периферийные модули имеют одинаковое питающее напряжение и совместимы с любыми микроконтроллерами Arduino.
Организация системы «Умный дом»
Без определённых навыков, знания принципиальных схем и основ электроники за систему «Умный дом» в полном объёме лучше не браться.
Программирование микроконтроллеров линейки Ардуино осуществляется на языке С/С++.
Для начала можно написать простейшие программы, которые могут включать и выключать светодиод или управлять работой микроэлектродвигателя. Примеров таких программ очень много. В них используются простые операторы вида: если, пока, то и другие. Они позволяют писать программы даже школьникам. Когда первые программы будут правильно выполняться можно попробовать собрать более сложные устройства, где будут задействованы ШИМ выходы для плавного управления светом.
Для того чтобы сделать «Умный дом» на Ардуино своими руками необходимо составить технический проект, где будет указано количество датчиков и исполнительных устройств для каждого помещения. Можно начать с одной комнаты, где будут реализованы несколько простых функций. Некоторые из них будут выполняться по сигналам от внешних датчиков, а некоторые по сигналам таймера. Когда утром человек встаёт на работу контроллер Ардуино, по сигналу таймера включит электрический чайник или кофеварку. Если на улице темно, что зафиксирует наружный датчик, в комнате плавно загорится светильник. Комфортную температуру в помещении так же можно задать как для сна, так и для просыпания.
Для небольшого числа функций подойдёт микроконтроллер Arduino Uno и набор периферийных модулей.
Для управления бытовыми приборами потребуются релейные ключи, которые будут включать и выключать электрические розетки. Для управления светом потребуется детектор движения. Если умная система монтируется на кухне необходимо предусмотреть автоматическое включение вытяжки, датчик утечки бытового газа и датчик протечки воды. Как элемент пожарной сигнализации в помещении должен быть установлен дымовой датчик.
Заключение
Контроллер Ардуино позволит выполнить проект умный дом и уложиться в сравнительно небольшую сумму. Если подсчитать все расходы на оборудование трёхкомнатной квартиры, то сумма вряд ли превысит 30-40 тысяч рублей. Если сократить число функций, бюджет окажется ещё более скромным.
