Создание умного дома на базе Arduino: проектирование и реализация автоматизированного пространства

Современные технологии автоматизации привнесли в нашу жизнь сложные системы, которые существенно повышают уровень комфорта. Множество известных брендов в области электроники и программного обеспечения предлагают ряд готовых решений для различных объектов.

Даже новички в этой области могут разработать собственный проект и собрать уникальную систему «умного дома» на платформе Arduino. Важно лишь овладеть основами и быть готовым к экспериментам.

В данной статье мы обсудим, как создавать и реализовывать функции автоматизированного дома, используя устройства Arduino. Также ознакомимся с типами плат и ключевыми модулями системы.

Разработка систем на базе Arduino

Arduino функционирует как платформа для создания электронных устройств, что обеспечивает автоматизированное, полуавтоматизированное или ручное управление. Конструкция платформы напоминает конструктор с четко установленными правилами взаимодействия компонентов. Открытая природа системы позволяет сторонним разработчикам активно участвовать в ее эволюции.

Типичный «умный дом» представляет собой набор автоматизированных модулей, которые выполняют следующие задачи:

• сбор данных с помощью датчиков;
• анализ информации и принятие решений через программируемый микропроцессор;
• исполнение принятых решений с отправкой команд различным устройствам.

Преимущества платформы Arduino заключаются в том, что она не привязана к конкретному производителю, а предоставляет пользователю возможность подбирать нужные компоненты самостоятельно. Разнообразие доступных деталей позволяет реализовывать практически любые идеи.

Рекомендуем ознакомиться с лучшими умными устройствами, которые можно интегрировать в дом.

Для начала работы с Arduino можно приобрести стартовый комплект (Starter Kit) на сайте производителя. Владение техническим английским языком будет необходимым, поскольку документация отсутствует на русском языке.

К тому же разнообразие подключаемых устройств дополняется программной средой, написанной на языке C++. Пользователь может воспользоваться уже созданными библиотеками или самостоятельно написать код для управления компонентами на основе событий.

Ключевые компоненты плат

Центральным элементом системы «умный дом» является одна или несколько основных плат, отвечающих за взаимодействие всех компонентов. Прежде чем начать выбирать материнскую плату, важно определить задачи, которые нужно будет решать.

Материнская плата включает в себя такие компоненты:

• Микроконтроллер (процессор). Основная задача – измерять и выдавать напряжение на портах в диапазоне 0-5 или 0-3.3 В, хранить данные и выполнять вычисления.
• Программатор (не присутствует на всех платах). Это устройство позволяет записывать программу в память микроконтроллера, которая будет определять работу «умного дома». Подключается к компьютеру, планшету, смартфону или другому устройству через USB.
• Стабилизатор напряжения. Устройство на 5 вольт, необходимое для питания всей системы.

Существует несколько вариантов плат Arduino, которые различаются форм-фактором, количеством портов и объемом памяти. Именно по этим критериям следует выбирать подходящий продукт.

Советуем приобретать платы Arduino и шилды непосредственно у производителя, так как они отличаются качеством по сравнению с совместимыми устройствами из Китая.

Существует два типа портов:

Благодаря им микроконтроллер может взаимодействовать с подключенными устройствами. Каждый порт способен как принимать, так и передавать сигнал. Цифровые порты с обозначением «pwm» предназначены для работы с сигналами типа ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Перед покупкой платы стоит предварительно оценить предполагаемую загрузку различными устройствами. Это поможет определить нужное количество портов каждого типа.

Важно помнить, что система «умный дом» не обязана зависеть от одной материнской платы. Например, управление освещением во дворе в зависимости от времени суток и автоматизация наполнения резервуара с водой – независимые задачи.

Для повышения надежности работы всей системы лучше распределить несвязанные задачи по разным блокам, что концепция Arduino позволяет без труда реализовать. Если объединить множество устройств в одном месте, это может привести к перегреву микропроцессора, конфликту программных библиотек и увеличению трудностей при поиске неисправностей.

Подключение множества различных устройств к одной плате часто используют в робототехнике, где важна компактность. В системе «умный дом» лучше, чтобы для каждой задачи использовалась своя плата.

Каждый микропроцессор обладает тремя типами памяти:

• Flash Memory. Основная память, в которой хранится код программы управления системой. Небольшую часть (3-12%) занимает встроенная программа загрузки (bootloader).
• SRAM. Оперативная память для временных данных, необходимых в процессе работы программы, отличается высокой скоростью выполнения.
• EEPROM. Более медленная память, предназначенная для хранения данных.

Ключевое различие между типами памяти заключается в том, что при отключении питания информация, хранящаяся в SRAM, исчезает, а в EEPROM – остается. Но у последнего есть недостаток – ограниченное число циклов записи. Это стоит учитывать при разработке собственных приложений.

По сравнению с применением Arduino в робототехнике, для большинства задач «умного дома» не требуется большого объема памяти ни для самих программ, ни для хранения информации.

Типы плат для сборки системы умного дома

Теперь давайте рассмотрим основные типы плат, которые чаще всего используются при создании системы «умного дома».

Тип #1 — Arduino Uno и его производные

Наиболее распространенные платы в системах «умный дом» – это Arduino Uno и Arduino Nano, обладающие достаточными функциональными возможностями для выполнения типичных задач.

Преимущества полноформатных плат, работающих при напряжении 7-12 Вольт, заключаются в возможности продолжительной автономной работы от обычных батарей или аккумуляторов.

Основные характеристики Arduino Uno Rev3:

• процессор: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• количество цифровых портов: 14;
• из них с функцией ШИМ: 6;
• количество аналоговых портов: 6;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Недавно появилась модификация – Uno Wi-Fi, в которой интегрирован модуль ESP8266, позволяющий обмениваться данными с другими устройствами по стандарту 802.11 b/g/n.

Arduino Nano отличается от своего более крупного аналога отсутствием собственного разъема для питания от 12 В, что было сделано для достижения меньших размеров и легкости скрытия устройства в ограниченном пространстве. Стандартное USB-подключение заменено чипом с mini-USB-кабелем. Кроме того, у Arduino Nano на два аналоговых порта больше, чем у Uno.

Существует еще одна модификация плат Uno – Arduino Mini. Она компактнее, чем Nano, и работать с ней сложнее. Во-первых, отсутствие USB-порта создает трудности с прошивкой, так как для этого потребуется использовать USB-Serial Converter. Во-вторых, данная плата более требовательна к питанию – необходим диапазон входного напряжения 7-9 В.

По перечисленным причинам Arduino Mini редко используется в «умном доме». Чаще она находит применение в робототехнике или в уже готовых проектах.

Тип #2 — Arduino Leonardo и Micro

Arduino Leonardo напоминает Uno, но обладает большей мощностью. Интересной особенностью этой модели является то, что при подключении к компьютеру она определяется как клавиатура, мышь или джойстик. Поэтому данную плату часто используют для создания уникальных игровых устройств и симуляторов.

Таблица размеров и габаритов моделей Uno, Leonardo и их мини-версий. Разработчики не придерживались логики в наименованиях – “нано” должна была быть самой маленькой.

Основные параметры Arduino Leonardo:

• процессор: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• количество цифровых портов: 20;
• из них с функцией ШИМ: 7;
• количество аналоговых портов: 12;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Как видно из представленного списка, Leonardo имеет больше портов, что позволяет подключать к ней большее количество датчиков.

Для Leonardo также доступна совершенно идентичная по характеристикам мини-модель под названием Micro. У нее нет питания от 12 В, а вместо стандартного USB-входа имеется чип для mini-USB кабеля.

Модифицированная версия Leonardo называется Esplora и представляет собой игровую модель, не подходящую для «умного дома».

Тип #3 — Arduino 101, Arduino Zero и Arduino MKR1000

В некоторых случаях для систем «умного дома», основанных на Arduino, требуется более высокая вычислительная мощность, чем могут предложить 8-битные микроконтроллеры. Задачи, такие как распознавание голоса или изображений, требуют быстрого процессора и значительных объемов оперативной памяти.

Для решения таких специфических задач существуют мощные платы, которые работают в рамках концепции Arduino. Количество портов у них примерно соответствует моделям Uno или Leonardo.

Arduino 101 имеет те же размеры, что и Uno или Leonardo, но его масса почти в два раза больше. Это объясняется наличием двух USB-портов и дополнительных чипов.

Модель Arduino 101, одна из самых простых в обращении, но в то же время мощная, обладает следующими характеристиками:

• процессор: Intel Curie (32 бита, 32 МГц);
• встроенная память: 196 КБ;
• SRAM: 24 КБ;
• EEPROM: отсутствует.

Кроме того, плата поддерживает функции BLE (Bluetooth Low Energy), что упрощает подключение разнообразных устройств, таких как датчики сердечного ритма, получение данных о погоде, отправка текстовых сообщений и многое другое. Также имеются встроенные гироскоп и акселерометр, которые, в основном, применяются в робототехнике.

Аналогичная плата Arduino Zero имеет такие характеристики:

• процессор: SAM-D21 (32 бита, 48 МГц);
• встроенная память: 256 КБ;
• SRAM: 32 КБ;
• EEPROM: отсутствует.

Уникальной чертой данной модели становится наличие встроенного отладчика (EDBG), который значительно облегчает поиск ошибок в программе.

При разработке объемного проекта, даже опытный программист может столкнуться с ошибками. Для их диагностики используется отладчик (debugger).

Arduino MKR1000 – новая модель, подходящая для решения сложных вычислительных задач. Она обладает аналогичными процессором и памятью, как у Zero, но ее ключевое отличие заключается в наличии встроенного Wi-Fi модуля по протоколу 802.11 b/g/n и крипто-чипа, который поддерживает алгоритм SHA-256 для защиты данных.

Модель #4 — серия Mega

Иногда требуется подключать большое количество датчиков и управлять множеством устройств. Это актуально, например, для систем автоматического контроля климата, поддерживающих заданную температуру в различных зонах.

Для каждой области необходимо отслеживать данные от двух датчиков температуры (второй служит контрольным) и, согласно алгоритму, регулировать заслонку, которая регулирует поток теплого воздуха.

Если таких зон в доме больше десяти, для управления всей системой потребуется свыше 30 портов. Хотя возможно использовать несколько плат типа Uno, управляемых одной, это создаст дополнительные сложности в подключении. В таких случаях имеет смысл использовать модели серии Mega.

Размеры плат серии Mega (101,5 x 53,4 см) больше, чем у ранее упомянутых моделей, что является технической необходимостью для размещения большого количества портов.

Плата Arduino Mega построена на базе достаточно простого 8-битного 16-МГц микропроцессора aTMega1280.

Она обладает значительным объемом памяти:

• встроенная память: 128 КБ;
• SRAM: 8 КБ;
• EEPROM: 4 КБ.

Однако ее главное преимущество заключается в множестве портов:

• цифровых портов: 54;
• из них поддерживающих ШИМ: 15;
• аналоговых портов: 16.

Существуют две современные версии этой платы:

• Mega 2560, основанная на микропроцессоре aTMega2560, отличающимся большим объемом встроенной памяти – 256 КБ;
• Mega ADK, которая, помимо процессора aTMega2560, имеет USB-интерфейс для подключения к устройствам на платформе Android.

Одной из особенностей модели Arduino Mega ADK является возможность подключения телефона к USB-входу, что может привести к ситуации, когда устройство начнет «заимствовать» заряд от платы. Поэтому важно рассмотреть источник питания – он должен предоставить ток в 1,5 ампера. Это условие нужно учитывать при использовании батарей.

Для автономного питания Arduino можно использовать батареи или аккумуляторы. Комбинируя последовательные и параллельные подключения, можно добиться необходимого напряжения и длительности работы.

Due – еще одна модель от Arduino, сочетающая в себе мощность процессора и большое количество портов.

Вот ее характеристики:

• процессор: Atmel SAM3X8E (32 бита, 84 МГц);
• цифровых портов: 54;
• из них поддерживающих ШИМ: 12;
• аналоговых портов: 14;
• встроенная память: 512 КБ;
• SRAM: 96 КБ;
• EEPROM: отсутствует.

Аналоговые порты этой платы могут функционировать как в стандартном 10-битном разрешении для совместимости с предыдущими моделями, так и в 12-битном, что позволяет получать более точный сигнал.

Особенности взаимодействия модулей через порты

Все модули, подключаемые к плате, имеют как минимум три вывода. Два из них служат для питания: «земля» и напряжение 5 или 3.3 В. Третий вывод отвечает за передачу данных к порту. Для подключения модулей применяют специальные кабели, сгруппированные по три, известные как джамперы.

Поскольку на моделях Arduino в наличии всего один порт с питанием и один-два порта «земли», для подключения нескольких устройств может потребоваться либо пайка проводов, либо использование макетных плат (breadboard).

К макетной плате можно подключать не только питание и порты Arduino, но и другие компоненты, такие как резисторы, регистры и т.д.

Пайка более надежна и используется в тех устройствах, которые подвергаются физическому воздействию, например, в управляющих платах для роботов и квадрокоптеров. Для систем «умный дом» лучше применять макетные платы, так как они упрощают процесс установки и демонтажа модуля.

У некоторых моделей (например, Arduino Zero и MKR1000) рабочее напряжение составляет 3.3 В, поэтому подача большего напряжения на порты может привести к повреждению платы. Вся информация о питании доступна в технической документации к устройству.

Дополнительные платы (шилды)

Для расширения возможностей материнских плат используются шилды (Shields) – дополнительные устройства, увеличивающие функциональность. Они разрабатываются под конкретный форм-фактор, что отличает их от модулей, подключаемых к портам. Хотя шилды дороже модулей, с ними работать проще, так как они оснащены готовыми библиотеками с кодом, ускоряющими разработку программ для «умного дома».

Шилды Proto и Sensor

Эти два стандартных шилда не вводят новых функций, а предназначены для компактного и удобного подключения большого числа модулей.

Proto Shield практически является идентичной копией оригинальной модели по количеству портов, а в центре модуля можно разместить макетную плату, что упрощает сборку конструкции. Такие дополнения доступны для всех полноразмерных плат Arduino.

Proto Shield устанавливается поверх материнской платы. Это немного увеличивает высоту конструкции, но значительно экономит место в горизонтальной плоскости.

Если же устройств значительно больше (более 10), стоит рассмотреть использование более дорогих коммутационных плат Sensor Shield.

У них нет брэдборда, однако ко всем выводам портов индивидуально подведено питание и земля, что позволяет избежать путаницы с проводами и перемычками.

Площадь поверхности материнской и сенсорной плат одинакова, но на шилде отсутствуют чипы, конденсаторы и другие элементы, что освобождает пространство для полноценного подключения.

Кроме того, на этой плате предусмотрены колодки для удобного подключения нескольких модулей, включая Bluetooth, SD-карты, RS232 (COM-порт), радиопередатчики и ультразвуковые датчики.

Подключение вспомогательных функций

Шилды с встроенными функциями предназначены для решения сложных, но типичных задач. Для реализации оригинальных идей лучше подобрать соответствующий модуль.

Motor Shield. Этот модуль предназначен для управления скоростью и направлением вращения маломощных двигателей. Оригинальная версия оснащена одним чипом L298 и может одновременно управлять двумя моторами постоянного тока или одним сервоприводом. Существуют и совместимые варианты от сторонних производителей, которые имеют два чипа L293D, позволяя управлять большим количеством приводов.

Relay Shield. Широко используемый модуль в системах «умный дом». Плата содержит четыре электромеханических реле, каждое из которых может пропускать ток до 5А, что достаточно для автоматического включения и выключения приборов мощностью до киловатта или освещения, работающего от переменного тока 220 В.

LCD Shield. Позволяет отображать информацию на встроенном экране, который можно обновить до TFT-устройства. Этот расширитель часто используется для создания метеостанций с показаниями температуры в разных жилых помещениях, пристройках и гараже, а также для измерения температуры, влажности и скорости ветра на улице.

Включает в себя кнопки, позволяющие программировать прокрутку информации и выбор действий для отправки команд микропроцессору.

Data Logging Shield. Основная задача этого модуля – заполнение данных с датчиков на полноразмерной SD-карте объемом до 32 Гб с поддержкой файловой системы FAT32. Для подключения микро-SD карты потребуется адаптер. Этот шилд может служить хранилищем данных, например, для записи информации с видеорегистраторов, и производится американской компанией Adafruit Industries.

SD-card Shield. Более простая и экономичная версия предыдущего модуля. Множество производителей выпускает такие расширения.

EtherNet Shield. Официальный модуль для подключения Arduino к интернету без необходимости использования компьютера. Имеет слот для микро-SD карты, что позволяет сохранять и отправлять данные через всемирную паутину.

Модуль Wi-Fi. Данный модуль обеспечивает беспроводную связь с использованием шифрования данных. Он используется для подключения к интернету и взаимодействия с устройствами, которые управляются по Wi-Fi.

Модуль GPRS. Этот компонент в основном применяется для обмена сообщениями между системой «умного дома» и его владельцем через SMS на мобильный телефон.

Компоненты «умного дома»

Одним из ключевых преимуществ платформы Arduino является открытость системы, позволяющая подключать модули от различных производителей и программировать их на встроенном языке. Важно, чтобы у компонентов было полное описание типов сигналов, которые они могут передавать или принимать.

Методы получения данных

Информация может поступать в систему через аналоговые или цифровые порты, и это зависит от типа кнопки или датчика, который используется для передачи данных на плату.

В цифровом формате сигнал представлен в виде нулей и единиц, а аналоговый сигнал выдает диапазоны значений, соответствующие своей размерности.

Сигналы для микропроцессора могут поступать от пользователя двумя способами:

• Простое нажатие кнопки. В этом случае сигнал поступает на цифровой порт: при отпускании кнопки подается значение «0», а при нажатии — «1».
• Вращение потенциометра или переключение рычага. В данном случае логический сигнал идет на аналоговый порт, где напряжение преобразуется через аналогово-цифровой преобразователь и передается на микропроцессор.

Кнопки используются для активации различных действий, таких как включение или выключение света, отопления или вентиляции. Поворотные ручки служат для изменения уровня – повышения или понижения яркости, громкости или скорости вентилятора.

Потенциометр – это довольно простое и доступное устройство, имеющее два основных параметра: электрическое сопротивление и угол поворота.

Для автоматического мониторинга окружающей среды или контроля различных событий применяются датчики.

Наиболее популярными среди них для систем «умного дома» являются:

• Датчик звука. Цифровые модели активируются звуковыми командами — хлопками или голосом, а аналоговые способны обрабатывать и распознавать звук.
• Датчик освещенности. Эти устройства могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре; последние могут применяться для пожарной сигнализации.
• Датчик температуры. Существуют разные модели для внутренних и наружных условий, последние имеют повышенную защиту от влаги. Также доступны выносные устройства.
• Датчик влажности воздуха. Mодель DHT11 подходит для помещений, а для улицы более подходящей будет DHT22; оба устройства также измеряют температуру и подключаются к цифровым портам.
• Датчик атмосферного давления. Хорошо работают с платами Arduino барометры Bosh, такие как bmp180 и bmp280, которые тоже измеряют температуру. Модель bme280 может быть названа метеостанцией, так как предоставляет данные о влажности.
• Датчики движения и присутствия. Используются в охранных системах или для автоматического освещения.
• Датчик дождя. Реагирует на контакт с водой и может активировать сигнализацию о протечках.
• Датчик тока. Применяется для определения неисправностей в электрических устройствах или для анализа нагрузки, во избежание перегрузки.
• Датчик утечки газа. Используется для обнаружения повышенной концентрации пропана.
• Датчик углекислого газа. Применяется для контроля уровня углекислоты в жилых помещениях и в таких местах, как винные погреба, где проходит процесс брожения.

Существует множество других датчиков, предназначенных для особых нужд, например, для измерения веса, скорости течения воды и влажности почвы.

Некоторые устройства, вроде анемометра, который фиксирует скорость и направление ветра, являются сложными электромеханическими системами.

Многие сенсоры можно создать собственноручно, комбинируя более простые компоненты, что поможет снизить затраты, но потребуется время для их калибровки.

Управление системами и устройствами

К помимо сборки и анализа данных, система «умного дома» обязана реагировать на возникающие события. Современные бытовые приборы обладают сложной электроникой, позволяя управлять ими через Wi-Fi, GPRS или EtherNet. Обычно в системах на базе Arduino используется беспроводная связь для подключения микропроцессора с высокотехнологичными устройствами.

Для того чтобы с помощью Arduino контролировать кондиционер при повышении температуры, отключать телевизор и интернет в детской по ночам или включать бойлер, когда хозяева возвращаются домой, нужно выполнить три шага:

1. Установить модуль Wi-Fi на основную плату.
2. Найти свободные каналы частоты, чтобы избежать помех.
3. Познакомиться с командами управляемых устройств и запрограммировать необходимые действия (воспользовавшись готовыми библиотеками).

Кроме взаимодействия с компьютеризированными устройствами, также может возникнуть необходимость в выполнении механических операций. К плате можно подключить сервопривод или редуктор, питающийся от нее.

Сервоприводы состоят из мотора и нескольких редукторов, что позволяет им развивать значительную мощность, даже при низком напряжении (5 В), что может быть достаточно для, например, открытия окна.

Если необходимо подключать мощные устройства, работающие от внешнего питания, можно использовать два метода:

1. Подключение реле в электрическую цепь.
2. Использование силового ключа и симистора.

Электромагнитные или твердотельные реле, входящие в цепь, управляют замыканием и размыканием проводов по команде от микропроцессора. Главный параметр таких реле — максимально допустимая сила тока (например, 40 A), проходящего через них.

Когда дело доходит до силовых ключей (MOSFET для постоянного тока и симисторы для переменного), они обладают меньшими значениями допустимого тока (обычно 5-15 A), но могут постепенно увеличивать нагрузку через ШИМ-порты, предусмотренные на платах. Это удобно для управления яркостью освещения, скоростью вращения вентиляторов и т.д.

Используя реле и силовые ключи, можно полностью автоматизировать электросети в доме и запускать генератор в случае отключения электричества. Таким образом, на базе Arduino реально создать автономную систему для обеспечения квартиры или дома, включая жизненно важные функции такие как отопление, водоснабжение, водоотведение, вентиляция и охранные системы.

Хотите сделать свой дом «умнее», но не знакомы с программированием? В таком случае рекомендуем обратить внимание на готовые решения от Xiaomi и Apple, которые легко устанавливаются и настраиваются даже для новичков. Команды можно задавать и контролировать их выполнение через смартфон.

Узнайте больше о «умном доме» от Xiaomi и Apple в следующих статьях:

• Умный дом Xiaomi: проектирование, обзор ключевых компонентов и элементов
• Умный дом Apple: особенности систем управления от компании Apple

Заключение и полезное видео по теме

Пример простой самостоятельной разработки для «умного дома»:

Открытость платформы Arduino позволяет использовать компоненты от различных производителей, что облегчает создание индивидуального «умного дома» по запросам пользователя. Поэтому, если у вас есть даже базовые знания в области программирования и подключения электронных устройств, стоит обратить внимание на эту платформу.

Вы уже имеете практический опыт работы с платформой Arduino и готовы поделиться им с новичками? Или, может быть, у вас есть полезные замечания и советы? Оставляйте свои комментарии под данной публикацией.

Если у вас есть вопросы по проектированию автоматизированной системы дома на базе Arduino, задавайте их нашим экспертам и другим пользователям в комментариях ниже.

Видео:

Уроки Ардуино. Алгоритмы релейного управления