Co to jest „inteligentny dom” oparty na Arduino?

Ostatnio coraz więcej innowacyjnych technologii przenika do różnych sfer naszego życia. Ich użycie może znacznie poprawić komfort i zaoszczędzić czas na różne zadania. Dzisiaj porozmawiamy na temat tak zwanych „inteligentnych domów” i opowiemy o ich cechach, zaletach, wadach i technologii tworzenia.

Jeśli rozumiesz termin „inteligentny dom”, najbliższym analogiem, który będzie zrozumiały dla większości ludzi, jest wyrażenie „automatyka domowa”. Znaczenie takich rzeczy polega na zapewnieniu automatycznej realizacji różnych procesów zachodzących w pomieszczeniu. Taki mechanizm może być stosowany nie tylko w budynkach mieszkalnych, ale także w biurach, a także w różnych specjalistycznych obiektach.

Pierwszą cechą, o której należy wspomnieć, będzie możliwość zbierania systemu jak projektant. Reprezentuje obecność centralnego elementu na platformie Arduino, reprezentowanego przez centralny kontroler, gdzie przepływają wszystkie informacje z różnych systemów zainstalowanych w domu. W miarę możliwości dopuszczalne jest dodawanie nowych elementów do systemu - kontrolowanie światła w różnych pomieszczeniach, powiadamianie właściciela o występowaniu różnych nieprzewidzianych sytuacji, kontrolowanie warunków klimatycznych, mechanizmy monitorujące.

Należy jednak rozumieć, że nie ma jasnych pomysłów, jakie komponenty i mechanizmy powinny być w takim systemie. Oznacza to, że jest to koncepcja, a nie konkretny produkt. Jeśli to konieczne, możesz umieścić jeden system, a reszta nie. Oznacza to, że zaczynamy od czegoś małego i, w razie potrzeby, zwiększamy funkcjonalność domu, zyskując nowe możliwości w dziedzinie zarządzania mieszkaniami. Jedną z najważniejszych cech jest inteligentna kontrola oświetlenia. Korzystanie z takiego systemu w życiu codziennym może poważnie zaoszczędzić zasoby, ponieważ oświetlenie jest włączone tylko wtedy, gdy dana osoba znajduje się w pokoju.

Kolejną funkcją jest sterowanie klimatem w pomieszczeniach. Opisany mechanizm jest równie ważny. Na przykład automatyzacja ogrzewania będzie niezwykle ważna nie tylko dla oszczędzania w zimnej porze roku, ale także dla włączania ogrzewania we właściwym czasie, ponieważ nie zawsze jest możliwe, aby było ono aktywne przy gwałtownym spadku temperatury. Jeśli posiadasz autonomiczne ogrzewanie oparte na kotle, to w przypadku wystąpienia czujników termicznych i mechanizmu kontroli przepływu gazu w sytuacji awaryjnej właściciel zostanie powiadomiony i będzie w stanie szybko zareagować na nie w czasie rzeczywistym.

Kolejną zaletą jest wyposażenie techniczne różnych systemów. Wraz z instalacją automatyki właściciel domu ma możliwość wykonania różnych czynności: obniżenia rolet, włączenia ekranu telewizora lub odtwarzacza multimedialnego.Łącząc te i inne systemy ze wspólnym mechanizmem, można faktycznie stworzyć warunki aktywacji urządzenia, naciskając tylko jeden klawisz.

Kolejną funkcją jest system bezpieczeństwa. Mechanizm „inteligentnego domu” podnosi na nowy poziom ochronę przed wtargnięciem do domu nieproszonych gości pod nieobecność właścicieli. Dom jest po prostu przekształcany w obiekt prawie nie do zdobycia. Co więcej, system może symulować wpływ obecności w domu, włączając i wyłączając światło, a kamery monitorujące przekazują gospodarzowi aktualne informacje o aktywności w domu lub okolicy, co oszczędza ochronę. System posiada szereg innych środków, które w razie potrzeby neutralizują sprawcę.

Ostatnia funkcja, o której chcę powiedzieć, to prosta i niedroga kontrola. Pomimo ogromnej funkcjonalności opisany system może być kontrolowany nawet przez dziecko. Zwykle stosuje się do tego mały pilot z tradycyjnymi przełącznikami i specjalnymi panelami. Ponadto mechanizmy mogą być sterowane z komputera lub urządzenia mobilnego. W ostatnich latach wprowadzane są rozwiązania i sterowanie głosowe. Jak widać, taki system ma wiele funkcji, które czynią go doskonałym zintegrowanym rozwiązaniem dla domu lub innego obiektu.

Obecnie duża liczba modyfikacji i kompletnych zestawów opartych na Arduino, w których można wdrożyć dany system. Duża liczba firm produkujących takie mechanizmy sprawia, że ​​kontrolery mają już wbudowane systemy Wi-Fi i Bluetooth, co umożliwia sterowanie systemem w lokalu za pomocą mobilnego. Istnieją również rozwiązania, w których zarządzanie odbywa się za pośrednictwem interfejsu typu Ethernet, jest to metoda przewodowa wykorzystująca kable światłowodowe w lokalnej sieci domowej. Przełączniki są zazwyczaj dodawane do takich rozwiązań, a także do routerów Wi-Fi, które umożliwiają połączenie bezprzewodowe, chyba że sam sterownik zapewnia inaczej.

Połączenie konwencjonalnych przełączników ręcznych można przeprowadzić na sterowniku centralnym za pomocą dwóch metod:

• korzystanie z instalacji elektrycznej;
• przez technologię bezprzewodową.

Jak widać, istnieje wiele elementów „inteligentnego domu”.

Zazwyczaj system składa się z następujących węzłów, które mogą być reprezentowane przez różnego rodzaju urządzenia:

• centralny kontroler systemu, zwykle reprezentowany przez węzeł nadrzędny, jak również dyskretne modulatory wejścia wyjściowego;
• Urządzenia rozszerzające i komunikacyjne, w tym routery, różne przełączniki, a także moduły GPS i GPRS;
• urządzenia odpowiedzialne za przełączanie obwodów elektrycznych - przekaźniki, ściemniacze i zasilacze;
• urządzenia wydajnościowe - różne typy zaworów (woda, gaz);
• części do zarządzania systemem - panele dotykowe, tablety, osobiste asystenty cyfrowe i konsole;
• różne części pomiarowe - urządzenia, czujniki i czujniki (mówimy o czujnikach światła, temperatury i ruchu).

Wybierając sprzęt dla mechanizmu opartego na Arduino, należy wziąć pod uwagę, która metoda przesyłania informacji będzie wykorzystywana przez dany system. Jako przykład można podać dość powszechny standard EIB KNX. Tutaj są zwykle używane sieci energetyczne, sieci komputerowe, a także kanały radiowe. Jednocześnie istnieje standardowy X10, w którym zwykłe zwykłe sieci prądu przemiennego o napięciu 230 woltów są wykorzystywane do przesyłania informacji.

Mówiąc o zaletach „inteligentnego domu” opartego na Arduino, Należy zwrócić uwagę na następujące punkty.

• Ogromne możliwości w zakresie uruchomienia pracy całego mechanizmu.Oznacza to, że użytkownik może samodzielnie napisać program, który może wykonywać algorytmy o różnych poziomach złożoności.
• W razie potrzeby system może działać autonomicznie dzięki obecności własnego kontrolera.
• Pobieranie programu nie jest trudne, ponieważ programista nie jest do tego potrzebny, ale wszystko odbywa się za pomocą interfejsu USB, ponieważ bootloader jest po prostu instalowany w mikrokontrolerze.
• Stosunkowo niska cena komponentów systemu. Wynika to z faktu, że różni producenci nie mają wyłącznych praw. Z tego powodu architektura Arduino jest klasyfikowana jako otwarta.

• Obecność otwartego kodu źródłowego, który pozwala użytkownikowi bezpośrednio kontrolować mechanizm inteligentnego domu.
• Dostępność polega na tym, że użytkownik wybiera, które czujniki i mechanizmy potrzebuje.
• Uniwersalność i możliwość realizacji najciekawszych pomysłów. Nie ma instrukcji ani standardów dotyczących inteligentnego domu opartego na Arduino. Oznacza to, że użytkownik może uczynić system tak, jak chce, ponieważ właściciel nie jest ograniczony do niczego w zakresie instalowania czujników w sypialni lub kuchni.
• Możliwość samodzielnego ładowania oprogramowania.
• Obecność złącza pinowego dla płyt procesorowych Arduino, co umożliwia programowanie w systemie.

Jak każdy mechanizm, ten system ma pewne wady.

• Pomimo otwartości systemu, aby go opanować i skutecznie go używać, będziesz potrzebował wiedzy z wielu konkretnych obszarów, w tym programowania, naprawy i elektroniki.
• Konieczność poświęcenia znacznej ilości czasu na wdrożenie i dostosowanie własnego projektu, ponieważ każdy projekt jest z natury wyjątkowy i może zrobić niewiele więcej niż inne.
• Trudności w bezpośredniej konfiguracji Arduino ze względu na fakt, że mechanizm ten działa tylko z niewielką liczbą systemów operacyjnych.
• Istnienie prawdopodobieństwa awarii oprogramowania, które może prowadzić do problemów lub braku możliwości działania zespołu. Z tego powodu konieczne jest od czasu do czasu zdiagnozowanie stanu zdrowia sprzętu.

• Promieniowanie różnych typów, które są nieuniknione przy takim algorytmie sterowania.
• Potrzeba przydzielenia miejsca na specjalną szafkę, w której znajdować się będzie dodatkowe wyposażenie i przewody.
• Jeśli sterowanie odbywa się za pomocą Internetu, dane przesyłane między elementami mechanizmu mogą zostać przechwycone przez intruzów. Częściowym rozwiązaniem problemu będzie wyłącznie bezpieczne połączenie. Ale zapewnienie, że będzie wymagało dużo pieniędzy zainwestowanych w modernizację sprzętu.

Tworzenie dowolnego systemu inteligentnego domu opartego na Arduino rozpoczyna się wraz z utworzeniem projektu. Podczas jego opracowywania należy dokładnie zrozumieć, jakie funkcje i zadania powinien wykonywać system.

Zazwyczaj projekt oparty na rozwiązaniu Arduino Uno obejmuje następujące zadania.

• Śledzenie warunków pogodowych za oknem i temperatury w pomieszczeniu, aw rezultacie odpowiednia reakcja na ich zmianę. Urządzenie zwykle staje się elementem ujednoliconego systemu wraz z ogrzewaniem, urządzeniami wentylacyjnymi i innymi urządzeniami.
• Monitorowanie stanu okien i drzwi - są zamknięte lub otwarte.
• Generuj dźwięk, gdy czujnik ruchu jest aktywny, jeśli funkcja alarmu jest aktywna.
• Automatyczna kontrola sprzętu gospodarstwa domowego.
• Kontrola zużycia energii elektrycznej dzięki automatycznemu połączeniu i wyłączeniu sprzętu oświetleniowego.
• Bezpieczeństwo pożarowe. Mechanizm daje właścicielowi sygnał o obecności ognia lub dymu w pomieszczeniu. Jeśli opracowany zostanie zaawansowany system, może on nawet wezwać strażaków na miejsce.

• Korytarz. Konieczne jest automatyczne włączenie światła, gdy na zewnątrz robi się ciemno, a także utworzenie mechanizmu wykrywania ruchu. W nocy zazwyczaj włącza się światło o średniej mocy, co nie powinno powodować dyskomfortu dla członków rodziny.
• Kuchnia Aktywacja i dezaktywacja oświetlenia w kuchni odbywa się zwykle ręcznie. Odłączenie może być automatyczne, jeśli nikt nie krąży po pokoju przez długi czas. Jeśli system wykryje, że dana osoba zaczyna gotować, automatycznie włącza się kaptur.
• Ganek. Aktywacja urządzeń oświetleniowych może być przeprowadzona albo po otwarciu drzwi, gdy osoba opuszcza budynek, albo gdy właściciel zbliża się do domu, jeśli na zewnątrz jest już ciemno.
• Pokój Włączenie urządzeń oświetleniowych odbywa się ręcznie, chociaż w razie potrzeby i obecność czujnika ruchu, aktywacja może być wykonana w trybie automatycznym.

• Łazienka. Mówiąc o tym pokoju, powiedzmy, że tutaj zazwyczaj sprowadza się do zarządzania kotłem. Sam ma przełącznik zasilania, gdy urządzenie wyłącza się, gdy osiągnie określoną temperaturę wody. Podgrzewacz wody będzie sterowany w zależności od dostępnej automatyki. Ponadto przy wejściu do łazienki można włączyć światło i aktywować układ wydechowy.

Po tym, jak wszystkie opisane powyżej punkty staną się jak najbardziej przejrzyste, przygotowywane jest zadanie techniczne, w którym klient wprowadza jakiekolwiek zmiany. Po utworzeniu ostatecznej wersji będzie ona podstawą do tworzenia dokumentacji szacunkowej dla prac typu projektu.

Zazwyczaj projekt składa się z następujących elementów:

• dokument wyjaśniający opisujący różne podsystemy;
• układ urządzeń sterujących;
• schematyczny plan tras kablowych;
• projekt umieszczania urządzeń w automatycznych szafkach;
• podstawowe opcje łączenia urządzeń w takich szafach;
• plany połączeń;
• magazyn kablowy;
• różne specyfikacje.

Ponadto na etapie tworzenia projektu przeprowadzana jest kalkulacja ceny „inteligentnego domu”.

Cena zależy od takich czynników:

• liczba urządzeń;
• wybrane urządzenia i podsystemy.

Należy powiedzieć, że etapy tworzenia systemu „inteligentnego domu” z udziałem specjalistów lub własnymi rękami będą takie same. Jednak w tym drugim przypadku gotowa wersja jako całość będzie kosztować znacznie mniej, niż gdyby przyciągała specjalistów, którym już brakuje na rynku. Z tego powodu ich wynagrodzenia będą odpowiednie, co oznacza, że ​​jeśli nie chcesz wydawać dodatkowych pieniędzy, możesz to zrobić samodzielnie. Zacznijmy więc od komponentów tego systemu, jeśli mimo wszystko zdecydujesz się go utworzyć.

Jeśli mówimy o konfiguracji systemu, Technologia obejmie następujący zestaw komponentów:

• czujnik ruchu;
• czujnik temperatury i wilgotności;
• czujnik światła;
• para czujników temperatury z oznaczeniem DS18B20;
• Marka modułu Ethernet ENC28J60;
• mikrofon;
• kontaktron;
• przekaźnik;
• skrętka komputerowa;
• Kabel Ethernet;
• rezystor o rezystancji 4,7 kg;
• karta mikroprocesorowa arduino.

Należy powiedzieć, że inteligentny dom powinien być wyposażony wyłącznie w światła LED, ponieważ zwykłe opcje mogą po prostu nie wytrzymywać dużego napięcia.Gdy projekt jest gotowy, a wszystkie niezbędne części zostały już zakupione, należy rozpocząć podłączanie czujników i kontrolerów. Należy to zrobić wyłącznie zgodnie ze schematem utworzonym wcześniej. Kontakty muszą być w pełni izolowane.

Krótko mówiąc, krok po kroku algorytm połączenia będzie wyglądał następująco:

• kod instalacyjny;
• konfigurowanie aplikacji na PC lub telefon komórkowy;
• przekierowanie portów;
• wdrażanie testowania oprogramowania i czujników;
• rozwiązywanie problemów, jeśli zostały wykryte podczas testowania.

Zacznijmy od zainstalowania kodu.

Po pierwsze, użytkownik powinien napisać oprogramowanie w Arduino IDE. Prezentuje:

• edytor tekstu;
• twórca projektu;
• program kompilacji;
• preprocesor;
• narzędzie do pobierania oprogramowania do mini procesora Arduino.

Należy powiedzieć, że istnieją wersje oprogramowania dla głównych systemów operacyjnych komputera - Windows, Linux, Mac OS X. Jeśli mówimy o używanym języku programowania, mówimy o C ++ z wieloma uproszczeniami. Programy napisane przez użytkowników dla Arduino są powszechnie określane jako szkice. System automatycznie tworzy wiele funkcji, a użytkownik nie musi rozumieć ich pisowni, przepisując listę wspólnych działań. Ponadto nie ma potrzeby dodawania plików w typie nagłówka zwykłych bibliotek. Ale niestandardowe osadzanie jest konieczne.

Możesz dodać biblioteki do menedżera IDE projektu przy użyciu różnych metod. W postaci kodów źródłowych, napisanych w C ++, jest dodawany do oddzielnego katalogu w katalogu roboczym powłoki IDE. Teraz nazwy wymaganych bibliotek pojawiają się w określonym menu IDE. Te, które zaznaczysz, zostaną uwzględnione na liście kompilacji. IDE ma małą liczbę ustawień i nie ma możliwości ustawienia subtelności kompilatora w ogóle. Dzieje się tak, aby nieświadomy człowiek nie popełnił żadnych błędów.

Jeśli pobrałeś bibliotekę, musisz ją rozpakować i po prostu wstawić do IDE. W tekście programu znajdują się komentarze wyjaśniające zasadę jego działania. Należy zauważyć, że wszystkie aplikacje w Arduino działają na tej samej technologii: użytkownik wysyła żądanie do procesora, a on z kolei pobiera niezbędny kod na ekranie urządzenia. Po naciśnięciu klawisza Refresh mikrokontroler wysyła informacje. Z każdą ze stron o określonym oznaczeniu jest kod programu, który będzie wyświetlany na ekranie.

Kolejnym zestawem działań jest instalacja klienta na komputerze osobistym lub smartfonie. Możesz go pobrać w Internecie, na Google Play Market lub z innego źródła. Aby to zrobić, musisz otworzyć plik w pobranym telefonie, a następnie kliknąć go i w wyświetlonym oknie kliknąć przycisk „Instaluj”. Jednocześnie należy pamiętać, że w tym celu należy aktywować opcję, która umożliwia instalację programów nie z usługi Google Play. Aby włączyć tę opcję, musisz wejść do sekcji ustawień i tam wybrać element „Zabezpieczenia”. W ten sposób można aktywować odpowiednią opcję. Po zakończeniu instalacji możesz aktywować aplikację i ją skonfigurować.

Korzystając z tego oprogramowania, można nie tylko otrzymywać informacje z systemu, ale także zarządzać - na przykład aktywować i dezaktywować alarm. Jeśli ta opcja jest aktywna, po aktywacji czujnika ruchu program otrzyma odpowiednie informacje. Zauważ, że Arduino sonduje program, aby aktywować czujnik ruchu w odstępach 60 sekund.

Kolejnym etapem połączenia jest skonfigurowanie programu przeglądarki do użytku z „inteligentnym domem”. W linii adresu musisz wprowadzić określoną sekwencję, która będzie adresem IP twojego komputera. Po zakończeniu tej akcji użytkownik będzie mógł odbierać informacje z inteligentnego domu i zarządzać nim.

Następnie możesz przystąpić do pracy z routerem. Powinien otworzyć port.

Możesz to zrobić za pomocą następującego algorytmu:

• otwórz ustawienia;
• zarejestruj adres mikrokontrolera Arduino;
• otwarty osiemdziesiąty port.

Teraz musisz założyć konto na portalu Noip. com. Chociaż ten krok jest opcjonalny, istnieje potrzeba, jeśli adres musi mieć nazwę domeny. Musisz przejść proces rejestracji na portalu www. noip. com, a następnie przejdź do kategorii Dodaj hosta i określ system IP. Po przejściu tej procedury możliwe będzie uzyskanie dostępu nie tylko przez IP, ale także przez domenę. W tym momencie tworzenie projektu jest zakończone i możesz sprawdzić system pod kątem jego wydajności.

Biorąc pod uwagę, że komponenty kompatybilne z Arduino są produkowane przez dużą liczbę producentów, a sam Arduino nie może kontrolować produktów, użytkownik staje wobec prawdopodobieństwa nabycia komponentu, który, delikatnie mówiąc, będzie działał niepoprawnie. Ogólnie rzecz biorąc, taka sytuacja już istnieje w segmencie tworzenia komputerów osobistych. Dawno temu IBM udostępnił architekturę komputerów osobistych, dlatego różne firmy zaczęły produkować kompatybilne komputery.

Jednocześnie spadła jakość części i stopień kompatybilności. W przeciwieństwie do tego, jest to polityka Apple, która znacznie ograniczyła liczbę programistów, którzy mieli dostęp do swojej architektury.

Użytkownicy zauważyli następujące funkcje w działaniu wielu komponentów Adruino.

• W wielu rozwiązaniach mikroprocesorowych Arduino, gdy przekaźnik jest zamknięty, który jest z nimi połączony, port COM jest uszkodzony. Z tego powodu mikrokontroler nie może załadować szkicu. Na początku tej procedury sprzęt przechodzi do ponownego uruchomienia. Najciekawsze jest to, że przekaźnik robi kliknięcie, port COM jest wyłączony, a szkic się nie ładuje.
• W przypadku nieprawidłowego działania mikrokontrolera lub wystąpienia błędu kodu lepiej jest użyć dobrze zamkniętych przekaźników, do których przełączniki ręczne są połączone szeregowo.
• Czujnik zamknięcia drzwi może czasami działać fałszywie. Z tego powodu szkic jest tworzony w taki sposób, że system wykonuje pożądane działanie po otrzymaniu kilku sygnałów na raz.
• W przypadku urządzenia odpowiedzialnego za alarm pożarowy najlepiej jest użyć detektora dymu, a nie czujnika pożarowego. Ten ostatni ma wadę - wykrywa ogień nie dalej niż trzydzieści centymetrów od siebie.

• Model czujnika temperatury DHT11, który jest dostarczany w tak zwanym zestawie standardowym, powoduje poważny błąd na poziomie od dwóch do trzech stopni. W konstrukcji lepiej jest użyć modelu DHT22, który jest znacznie dokładniejszy. A poza oknem lepiej jest korzystać z DHT21. Może pracować nawet w temperaturach poniżej zera i jest odporny na uszkodzenia mechaniczne.
• Aby skonfigurować sterowanie procesem za pomocą klaśnięć, wielu użytkowników nieświadomie pobiera detektor dźwięku zamiast mikrofonu, gdzie jest ustawienie progu typu ręcznego. Dla takich celów urządzenie to nie nadaje się ze względu na fakt, że ma stosunkowo mały promień działania. Czujnik wysyła sygnały z małymi impulsami czasowymi. W obecności wielkoformatowego szkicu, którego przetwarzanie wymaga czasu, mikrokontroler po prostu nie przechwytuje sygnałów.

Należy powiedzieć, że do wizualizacji procesów w rozpatrywanym systemie można wykorzystać wyświetlacze cyfrowe lub wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Ale nie jest to najlepsza opcja w tym przypadku. Korzystanie z oddzielnego serwera przetwarzania stanu do wizualizacji będzie najbardziej skuteczne. Może być zaimplementowany w węźle. js, który umożliwia wdrożenie dowolnego serwera. Oczywiście mówimy o przetwarzaniu stanów płyty Adruino.

Technologia ta służy do wykonywania zadań tzw. Internetu rzeczy, dlatego nadaje się do wizualizacji automatyzacji systemu. Po prostu musisz utworzyć serwer i obsługę w JavaScript, wtedy łatwo będzie wyświetlić sumę w przeglądarce dowolnego urządzenia. Jako podstawę sprzętową możesz użyć tego samego mikrokomputera Raspberry Pi lub PC. Jednak możliwości mechanizmu automatyzacji znacznie wzrosną. Na przykład na serwerze ilość pamięci jest nieograniczona, a program serwera można utworzyć w taki sposób, aby zarządzał wszystkim.

Z tego typu serwerem możesz nawet łączyć różne rzeczy. Ideą jest wizualizacja automatycznych procesów w domu za pomocą usług w chmurze. Inną opcją jest otrzymywanie informacji i sterowanie systemem za pomocą wiadomości SMS.

Fakt, że taki „inteligentny dom” oparty jest na Arduino, patrz poniższy film.