Chytrý dům založený na ovladačích Arduino: návrh a organizace řízeného prostoru
Vývoj automatizačních nástrojů vedl k vytvoření komplexních systémů, které zlepšují kvalitu lidského života.Mnoho známých výrobců elektroniky a softwarových prostředí nabízí hotová standardní řešení pro různé objekty.
Dokonce i nezkušený uživatel může vyvíjet nezávislé projekty a sestavit „chytrou domácnost“ pomocí Arduina tak, aby vyhovovala jejich potřebám. Hlavní je pochopit základy a nebát se experimentovat.
V tomto článku se podíváme na princip tvorby a hlavní funkce automatizované domácnosti založené na zařízeních Arduino. Zvážíme také typy použitých desek a hlavní moduly systému.
Obsah článku:
Vytváření systémů na platformě Arduino
Arduino je platforma pro vývoj elektronických zařízení s automatickým, poloautomatickým nebo manuálním ovládáním. Je vyrobena podle principu designéra s jasně definovanými pravidly interakce mezi prvky. Systém je otevřený, což umožňuje výrobcům třetích stran podílet se na jeho vývoji.
Klasika «chytrý dům» se skládá z automatických bloků, které plní následující funkce:
- shromažďovat potřebné informace prostřednictvím senzorů;
- analyzovat data a rozhodovat se pomocí programovatelného mikroprocesoru;
- implementovat rozhodnutí učiněná vydáváním příkazů různým zařízením.
Platforma Arduino je dobrá právě proto, že není vázána na konkrétního výrobce, ale umožňuje spotřebiteli vybrat si komponenty, které mu vyhovují. Jejich výběr je obrovský, takže zrealizujete téměř jakýkoli nápad.
Doporučujeme vyzkoušet to nejlepší chytrá zařízení pro domácnost.
Kromě rozmanitosti připojených zařízení přidává rozmanitost programovací prostředí implementované v C++. Uživatel může nejen využívat vytvořené knihovny, ale také programovat reakce systémových komponent na vznikající události.
Prvky hlavní desky
Hlavním prvkem „chytrého domu“ je jedna nebo více centrálních (mateřských) desek. Jsou zodpovědní za interakci všech prvků. Teprve po identifikaci úkolů, které je třeba vyřešit, můžete začít vybírat hlavní uzel systému.
Základní deska kombinuje následující prvky:
- Mikrokontrolér (procesor). Jeho hlavním účelem je výstup a měření napětí v portech v rozsahu 0-5 nebo 0-3,3 V, ukládání dat a provádění výpočtů.
- Programátor (ne všechny desky ho mají). Pomocí tohoto zařízení se do paměti mikrokontroléru zapíše program, podle kterého bude „chytrá domácnost“ fungovat. K počítači, tabletu, smartphonu nebo jinému zařízení se připojuje pomocí USB rozhraní.
- Regulátor napětí. K napájení celého systému je zapotřebí 5V zařízení.
Pod značkou Arduino se vyrábí několik modelů desek.Liší se od sebe tvarovým faktorem (velikost), počtem portů a kapacitou paměti. Na základě těchto indikátorů je třeba vybrat vhodné zařízení.
Existují dva typy portů:
- digitální, které jsou na tabuli označeny písmeny "d";
- analogový, které jsou označeny písmenem "A".
Díky nim mikrokontrolér komunikuje s připojenými zařízeními. Jakýkoli port může fungovat jak pro příjem signálu, tak pro jeho odesílání. Digitální porty označené „pwm“ jsou určeny pro vstup a výstup signálu PWM (pulse width modulation).
Před pořízením desky je proto nutné alespoň přibližně odhadnout míru jejího zatížení na různých zařízeních. To vám umožní určit požadovaný počet portů všech typů.
Je třeba si uvědomit, že systém chytré domácnosti nemusí být nutně připojen k řídicí jednotce založené na jedné základní desce. Funkce, jako je například zapínání umělého osvětlení v místním prostoru v závislosti na denní době a udržování zásoby vody v akumulační nádrži, jsou na sobě nezávislé.
Z hlediska zajištění spolehlivosti elektronického systému je lepší oddělit nesouvisející úlohy do různých bloků, což koncept Arduino usnadňuje implementaci. Pokud spojíte mnoho zařízení na jednom místě, může dojít k přehřátí mikroprocesoru, konfliktu softwarových knihoven a potížím při hledání a odstraňování softwarových a hardwarových závad.
Každý mikroprocesor je vybaven třemi typy paměti:
- Flash paměť. Hlavní paměť, kde je uložen programový kód správy systému. Malou část (3-12 %) zabírá vestavěný bootloader program.
- SRAM. RAM, kde jsou uložena dočasná data nezbytná pro běh programu. Vyznačuje se vysokou provozní rychlostí.
- EEPROM Pomalejší paměť, kam lze ukládat i data.
Hlavní rozdíl mezi typy pamětí pro ukládání dat spočívá v tom, že při vypnutí napájení se informace zaznamenané v SRAM ztratí, ale zůstanou v EEPROM. Nevolatilní typ má ale i nevýhodu – omezený počet cyklů zápisu. Na to je třeba pamatovat při vytváření vlastních aplikací.
Na rozdíl od použití Arduina v robotice většina úkolů v chytré domácnosti nevyžaduje mnoho paměti ani pro programy, ani pro ukládání informací.
Typy desek pro sestavení chytré domácnosti
Podívejme se na hlavní typy desek, které se nejčastěji používají při sestavování systémů chytré domácnosti.
Pohled #1 - Arduino Uno a jeho deriváty
Nejčastěji používané desky v systémech chytré domácnosti jsou Arduino Uno a Arduino Nano. Mají dostatečnou funkčnost pro řešení typických problémů.
Hlavní parametry Arduino Uno Rev3:
- procesor: ATMega328P (8 bitů, 16 MHz);
- počet digitálních portů: 14;
- z toho s funkcí PWM: 6;
- počet analogových portů: 6;
- flash paměť: 32 KB;
- SRAM: 2 KB;
- EEPROM: 1 KB.
Není to tak dávno, co byla vydána modifikace - Uno Wi-Fi, která obsahuje integrovaný modul ESP8266, který umožňuje výměnu informací s jinými zařízeními pomocí standardu 802.11 b/g/n.
Rozdíl mezi Arduino Nano a jeho větším protějškem je v tom, že nemá vlastní napájecí zásuvku 12 V. To je provedeno pro dosažení menší velikosti zařízení, což umožňuje jeho snadné ukrytí na malém prostoru. Také pro tyto účely je standardní USB připojení nahrazeno čipem s mini-USB kabelem. Arduino Nano má ve srovnání s Uno o 2 více analogových portů.
Existuje další modifikace desky Uno - Arduino Mini. Je ještě menší než Nano a mnohem obtížněji se s ním pracuje. Za prvé, nedostatek USB portu vytváří problém s firmwarem, protože k tomu budete muset použít USB-Serial Converter. Za druhé, tato deska je vybíravější, pokud jde o napájení - je nutné zajistit rozsah vstupního napětí 7-9 V.
Z výše popsaných důvodů se deska Arduino Mini pro provoz chytré domácnosti používá jen zřídka. Obvykle se používá buď v robotice, nebo při realizaci již hotových projektů.
Pohled #2 - Arduino Leonardo a Micro
Deska Arduino Leonardo je podobná jako Uno, ale o něco výkonnější. Další zajímavostí tohoto modelu je, že je po připojení k počítači identifikován jako klávesnice, myš nebo joystick. Proto se často používá k vytváření originálních herních zařízení a simulátorů.
Hlavní parametry Arduino Leonardo jsou následující:
- procesor: ATMega32u4 (8 bitů, 16 MHz);
- počet digitálních portů: 20;
- z toho s funkcí PWM: 7;
- počet analogových portů: 12;
- flash paměť: 32 KB;
- SRAM: 2,5 KB;
- EEPROM: 1 KB.
Jak je z výčtu parametrů patrné, Leonardo má více portů, což umožňuje zatížit tento model větším počtem senzorů.
Také pro Leonarda existuje miniaturní analog s naprosto identickými vlastnostmi s názvem Micro. Nemá 12V napájení a místo plnohodnotného USB vstupu je zde čip pro mini-USB kabel.
Modifikace Leonardo s názvem Esplora je čistě herní model a není vhodná pro potřeby „chytré domácnosti“.
Pohled #3 – Arduino 101, Arduino Zero a Arduino MKR1000
Někdy provoz systémů chytré domácnosti implementovaných na bázi Arduina vyžaduje velký výpočetní výkon, který 8bitové mikrokontroléry nejsou schopny poskytnout. Úkoly, jako je rozpoznávání hlasu nebo obrazu, vyžadují u takových zařízení rychlý procesor a značné množství paměti RAM.
K řešení takových specifických problémů se používají výkonné desky, které fungují podle konceptu Arduino. Počet portů, které mají, je přibližně stejný jako u desek Uno nebo Leonardo.
Arduino 101, jedna z nejsnadněji použitelných a přitom výkonných desek, má následující vlastnosti:
- procesor: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
- flash paměť: 196 KB;
- SRAM: 24 KB;
- EEPROM: ne.
Deska je navíc vybavena funkcionalitou BLE (Bluetooth Low Energy) s možností snadného připojení hotových řešení, jako je snímač srdečního tepu, příjem informací o počasí za oknem, odesílání textových zpráv atd. V přístroji je integrován i gyroskop a akcelerometr, které se však využívají především v robotice.
Další podobná deska, Arduino Zero, má následující indikátory:
- procesor: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
- flash paměť: 256 KB;
- SRAM: 32 KB;
- EEPROM: ne.
Charakteristickým rysem tohoto modelu je přítomnost vestavěného debuggeru (EDBG). S jeho pomocí je mnohem snazší najít chyby při programování desky.
Arduino MKR1000 je další model vhodný pro vysoce výkonné výpočty. Má mikroprocesor a paměť podobnou Zero. Jeho hlavním rozdílem je přítomnost integrovaného Wi-Fi čipu s protokolem 802.11 b/g/n a kryptočipu s podporou algoritmu SHA-256 pro ochranu přenášených dat.
Pohled #4 - Mega rodinné modely
Někdy je nutné použít velké množství senzorů a ovládat značné množství zařízení. Je to nutné například pro automatický provoz distribuovaných klimatizačních systémů, které udržují určitou teplotu pro jednotlivé zóny.
Pro každou lokální oblast je nutné sledovat naměřené hodnoty dvou teplotních čidel (druhé je použito jako kontrolní) a podle algoritmu upravit polohu klapky, která určuje objem vstupujícího teplého vzduchu.
Pokud je na chatě více než 10 takových zón, pak je pro ovládání celého systému potřeba více než 30 portů. Samozřejmě můžete použít několik desek typu Uno pod společnou kontrolou jedné z nich, ale to vytváří další potíže s přepínáním. V tomto případě je vhodné použít modely rodiny Mega.
Deska Arduino Mega je založena na docela jednoduchém 8bitovém 16 MHz mikroprocesoru aTMega1280.
Má velké množství paměti:
- flash paměť: 128 KB;
- SRAM: 8 KB;
- EEPROM: 4 KB.
Jeho hlavní výhodou je však přítomnost mnoha portů:
- počet digitálních portů: 54;
- z toho s funkcí PWM: 15;
- počet analogových portů: 16.
Tato deska má dvě moderní varianty:
- Mega 2560 je založen na mikroprocesoru aTMega2560, který se vyznačuje velkým množstvím flash paměti - 256 KB;
- Mega ADK je kromě mikroprocesoru aTMega2560 vybaven USB rozhraním s možností připojení k zařízením na bázi operačního systému Android.
Model Arduino Mega ADK má jednu vlastnost. Při připojení telefonu k USB vstupu je možná následující situace: pokud telefon potřebuje nabít, začne jej „tahat“ z desky. Existuje tedy další požadavek na zdroj elektřiny - musí poskytovat proud 1,5 ampéru. Při napájení přes baterie je třeba s tímto stavem počítat.
Due je dalším modelem od Arduina, který kombinuje výkon mikroprocesoru s velkým množstvím portů.
Jeho vlastnosti jsou následující:
- procesor: Atmel SAM3X8E (32 bit, 84 MHz);
- počet digitálních portů: 54;
- z toho s funkcí PWM: 12;
- počet analogových portů: 14;
- flash paměť: 512 KB;
- SRAM: 96 KB;
- EEPROM: ne.
Analogové kontakty této desky mohou pracovat jak v obvyklém 10bitovém rozlišení pro Arduino, které je vyrobeno pro kompatibilitu s předchozími modely, tak ve 12bitovém, což umožňuje přijímat přesnější signál.
Vlastnosti interakce modulů přes porty
Všechny moduly, které budou připojeny k desce, mají minimálně tři výstupy. Dva z nich jsou silové dráty, tzn. „zem“, stejně jako napětí 5 nebo 3,3 V. Třetí vodič je logický. Přenáší data do portu. Pro připojení modulů se používají speciální vodiče seskupené do skupin po 3, které se někdy nazývají propojky.
Vzhledem k tomu, že modely Arduino mají obvykle pouze 1 napěťový port a 1-2 zemnící porty, pro připojení několika zařízení budete muset buď připájet dráty, nebo použít prkénka.
Pájení je spolehlivější a používá se v zařízeních, která jsou vystavena fyzickému nárazu, jako jsou řídicí desky pro roboty a kvadrokoptéry. Pro chytrou domácnost je lepší použít vývojové desky, protože je to jednodušší jak při instalaci, tak při vyjímání modulu.
Některé modely (například Arduino Zero a MKR1000) mají provozní napětí 3,3 V, takže při použití vyšší hodnoty na porty může dojít k poškození desky. Veškeré informace o napájení jsou k dispozici v technické dokumentaci k zařízení.
Přídavné desky (štíty)
Pro zvýšení schopností základních desek se používají Shields - přídavná zařízení rozšiřující funkčnost. Jsou vyráběny pro specifický tvarový faktor, který je odlišuje od modulů, které jsou připojeny k portům. Štíty jsou dražší než moduly, ale práce s nimi je jednodušší. Jsou vybaveny i hotovými knihovnami s kódem, což urychluje vývoj vlastních ovládacích programů pro chytrou domácnost.
Proto a senzorové štíty
Tyto dva standardní štíty nepřidávají žádné speciální funkce. Používají se pro kompaktnější a pohodlnější připojení velkého množství modulů.
Proto Shield je z hlediska portů téměř kompletní kopie originálu a doprostřed modulu můžete vlepit vývojovou desku. To usnadňuje sestavení konstrukce. Takové doplňky existují pro všechny desky Arduino plné délky.
Pokud je ale zařízení hodně (více než 10), pak je lepší použít dražší spínací desky Sensor Shield.
Nemají bradboard, ale všechny piny portu jsou samostatně napájeny a uzemněny. To vám umožní vyhnout se zamotání do drátů a propojek.
Tato deska má také konektory pro snadné připojení několika modulů: Bluetoots, SD karty, RS232 (COM-port), rádio a ultrazvuk.
Připojení pomocných funkcí
Štíty s integrovanou funkčností jsou navrženy tak, aby řešily složité, ale typické problémy. Pokud potřebujete realizovat originální nápady, je lepší zvolit vhodný modul.
Motorový štít. Je určen pro řízení rychlosti a otáčení motorů s nízkým výkonem. Původní model je vybaven jedním čipem L298 a může pohánět dva stejnosměrné motory nebo jedno servo současně. K dispozici je také kompatibilní díl třetí strany, který má dva čipy L293D se schopností ovládat dvakrát tolik jednotek.
Reléový štít. Často používaný modul v systémech chytré domácnosti. Deska se čtyřmi elektromechanickými relé, z nichž každé umožňuje průchod proudu o síle až 5A. To stačí k automatickému zapínání a vypínání kilowattových zařízení nebo osvětlovacích linek určených pro střídavý proud 220 V.
LCD štít. Umožňuje zobrazit informace na vestavěné obrazovce, kterou lze upgradovat na zařízení TFT. Toto rozšíření se často používá k vytvoření meteostanic s odečítáním teploty v různých obytných prostorech, přístavcích, garážích a také venkovní teploty, vlhkosti a rychlosti větru.
Štít protokolování dat. Hlavním úkolem modulu je záznam dat ze senzorů na plnoformátovou SD kartu až do 32 Gb s podporou souborového systému FAT32. Pro záznam na micro SD kartu je potřeba zakoupit adaptér.Tento štít lze použít jako úložiště informací, například při záznamu dat z DVR. Vyrobeno americkou společností Adafruit Industries.
Štít SD karty. Jednodušší a levnější verze předchozího modulu. Mnoho výrobců vyrábí taková rozšíření.
Ethernetový štít. Oficiální modul pro připojení Arduina k internetu bez počítače. K dispozici je slot pro micro SD kartu, která umožňuje nahrávat a odesílat data přes World Wide Web.
Wi-Fi štít. Umožňuje bezdrátovou výměnu informací s podporou režimu šifrování. Slouží k připojení k internetu a zařízením, která lze ovládat přes Wi-Fi.
GPRS štít. Tento modul obvykle slouží ke komunikaci mezi chytrým domem a jeho majitelem přes mobilní telefon pomocí SMS zpráv.
Moduly chytré domácnosti
Propojení modulů od výrobců třetích stran a možnost s nimi pracovat pomocí vestavěného programovacího jazyka je hlavní výhodou otevřeného systému Arduino oproti „značkovým“ řešením chytré domácnosti. Hlavní je, že moduly mají popis přijímaných nebo vysílaných signálů.
Způsoby získávání informací
Vstup informací lze provádět přes digitální nebo analogové porty. Záleží na typu tlačítka nebo senzoru, který informaci přijímá a přenáší na desku.
Signál do mikroprocesoru může vyslat osoba, která k tomu používá dvě metody:
- Stisk tlačítka (klávesy). Logický vodič v tomto případě směřuje k digitálnímu portu, který obdrží hodnotu „0“ při uvolnění tlačítka a „1“, pokud je stisknuto.
- Otočení čepičky otočného potenciometru (odporu). nebo posunutím páky motoru. V tomto případě jde logický vodič do analogového portu. Napětí prochází analogově-digitálním převodníkem, po kterém jdou data do mikroprocesoru.
Tlačítka se používají ke spuštění události, například zapnutí a vypnutí světel, topení nebo ventilace. Otočné knoflíky slouží ke změně intenzity – zvýšení či snížení jasu světla, hlasitosti zvuku nebo rychlosti otáčení lopatek ventilátoru.
Senzory se používají k automatickému určení parametrů prostředí nebo původu události.
Pro provoz chytré domácnosti jsou nejžádanější tyto typy:
- Zvukový senzor. Digitální verze tohoto zařízení se používají k aktivaci události pomocí tleskání nebo hlasu. Analogové modely umožňují rozpoznávat a zpracovávat zvuk.
- Světelný senzor. Tato zařízení mohou pracovat ve viditelném i infračerveném rozsahu. Ten může být použit jako požární výstražný systém.
- Senzor teploty. Pro vnitřní a venkovní použití se používají různé modely, protože vnější jsou lépe chráněny před vlhkostí. Na drátě jsou také vzdálená zařízení.
- Čidlo vlhkosti vzduchu. Do interiéru je vhodný model DHT11, do exteriéru dražší DHT22. Obě zařízení mohou také poskytovat údaje o teplotě. Připojte se k digitálnímu portu.
- Snímač tlaku vzduchu. Analogové barometry od společnosti Bosh se osvědčily jako dobře fungující s deskami Arduino: bmp180, bmp280. Měří také teplotu.Model bme280 lze nazvat meteostanicí, protože také poskytuje další hodnotu vlhkosti.
- Senzory pohybu a přítomnosti. Používají se pro bezpečnostní účely nebo k automatickému rozsvícení světel.
- Dešťový senzor. Reaguje na vodu vstupující na jeho povrch. Lze jej také použít ke spuštění alarmu netěsností ve vodovodním nebo topném okruhu.
- Snímač proudu. Používají se k detekci nefunkčních elektrických spotřebičů (vypálené žárovky) nebo k analýze napětí, aby se zabránilo přetížení.
- Senzor úniku plynu. Používá se k detekci a reakci na zvýšené koncentrace propanu.
- Senzor oxidu uhličitého. Používá se ke stanovení koncentrace oxidu uhličitého v obytných místnostech a ve speciálních místnostech, jako jsou vinné sklepy, kde dochází ke kvašení.
Existuje mnohem více různých senzorů pro specifické úkoly, například pro měření hmotnosti, rychlosti proudění vody, vzdálenosti, vlhkosti půdy atd.
Mnoho senzorů a senzorů lze vyrobit nezávisle pomocí jednodušších komponent. Bude to stát méně. Na rozdíl od použití sériových zařízení však budete muset trávit čas kalibrací.
Řízení zařízení a systémů
Kromě shromažďování a analýzy informací musí „chytrá domácnost“ reagovat na vznikající události. Přítomnost pokročilé elektroniky na moderních domácích spotřebičích vám umožňuje přímý přístup k nim pomocí Wi-Fi, GPRS nebo EtherNet. Typicky systémy Arduino implementují přepínání mezi mikroprocesorem a high-tech zařízeními přes Wi-Fi.
Chcete-li pomocí Arduina zapnout klimatizaci, když je v domě vysoká teplota, blokovat televizi a internet v noci v dětském pokoji nebo spustit topný kotel, když dorazí majitelé, musíte provést tři kroky:
- Nainstalujte modul Wi-Fi na základní desku.
- Najděte neobsazené frekvenční kanály, abyste předešli konfliktu systému.
- Pochopte příkazy zařízení a akce programu (nebo použijte hotové knihovny).
Kromě „komunikace“ s počítačovými zařízeními se často objevují úkoly, které zahrnují provádění některých mechanických akcí. K desce můžete připojit například servopohon nebo malou převodovku, která z ní bude napájena.
Pokud je nutné připojit výkonná zařízení pracující z externího zdroje napájení, používají se dvě možnosti:
- Zařazení do reléového obvodu.
- Připojení vypínače a triaku.
Zahrnuto v elektrickém obvodu elektromagnetické nebo polovodičové relé zavře a rozepne jeden z vodičů podle příkazu přicházejícího z mikroprocesoru. Jejich hlavní charakteristikou je maximální přípustný proud (například 40 A), který může procházet tímto zařízením.
Co se týče zapojení výkonového spínače (mosfetu) na stejnosměrný proud a triaku na střídavý proud, mají nižší přípustný proud (5-15 A), ale mohou plynule zvyšovat zátěž. Právě pro tento účel jsou na deskách umístěny PWM porty. Tato vlastnost se používá při regulaci jasu osvětlení, rychlosti ventilátoru atd.
Pomocí relé a vypínačů můžete doma plně automatizovat všechny elektrické obvody a spustit generátor v nepřítomnosti proudu. Na bázi Arduina je tedy možné realizovat autonomní poskytování bytu či domu včetně všech zvláště důležitých funkcí - topení, vodovodní, kanalizační, ventilační a bezpečnostní systém.
Chcete, aby byl váš domov chytřejší, ale s programováním pro „vás“? V tomto případě doporučujeme podívat se na hotová řešení od Xiaomi a Apple, která se snadno instalují a konfigurují i pro začátečníka. A můžete nastavovat příkazy a ovládat jejich provádění i ze svého smartphonu.
Přečtěte si více o chytré domácnosti od Xiaomi a Apple v následujících článcích:
- Xiaomi smart home: designové prvky, přehled hlavních komponent a pracovních prvků
- Inteligentní dům Apple: jemnosti organizace systémů ovládání domácnosti od společnosti Apple
Závěry a užitečné video k tématu
Příklad samostatně sestaveného základního obrobku pro „chytrý dům“:
Otevřenost platformy Arduino umožňuje použití komponent od různých výrobců. Díky tomu je snadné navrhnout „chytrý dům“ tak, aby vyhovoval potřebám uživatele. Pokud tedy máte alespoň drobné znalosti v oblasti programování a připojování elektronických zařízení, stojí tento systém za pozornost.
Znáte platformu Arduino v praxi a chcete se podělit o své zkušenosti s nováčky v této věci? Možná byste chtěli výše uvedený materiál doplnit o užitečná doporučení nebo komentáře? Své komentáře pište pod tuto publikaci.
Pokud máte nějaké dotazy ohledně návrhu automatizovaného domácího systému založeného na Arduinu, zeptejte se je našim odborníkům a dalším návštěvníkům webu v bloku níže.
