Паметна кућа заснована на Ардуино контролерима: дизајн и организација контролисаног простора
Развој алата за аутоматизацију довео је до стварања сложених система који побољшавају квалитет људског живота.Многи познати произвођачи електронике и софтверских окружења нуде готова стандардна решења за различите објекте.
Чак и неискусни корисник може развити независне пројекте и саставити „паметну кућу“ користећи Ардуино како би одговарао њиховим потребама. Главна ствар је разумети основе и не плашити се експериментисања.
У овом чланку ћемо погледати принцип креирања и главне функције аутоматизованог дома заснованог на Ардуино уређајима. Такође ћемо размотрити врсте плоча које се користе и главне модуле система.
Садржај чланка:
Креирање система на Ардуино платформи
Ардуино је платформа за развој електронских уређаја са аутоматском, полуаутоматском или ручном контролом. Израђен је по принципу дизајнера са јасно дефинисаним правилима интеракције између елемената. Систем је отворен, што омогућава независним произвођачима да учествују у његовом развоју.
класична «паметна кућа» састоји се од аутоматизованих блокова који обављају следеће функције:
- прикупити потребне информације путем сензора;
- анализирају податке и доносе одлуке помоћу програмабилног микропроцесора;
- имплементирати донете одлуке издавањем команди разним уређајима.
Ардуино платформа је добра управо зато што није закључана за одређеног произвођача, већ омогућава потрошачу да изабере компоненте које му одговарају. Њихов избор је огроман, тако да можете реализовати скоро сваку идеју.
Препоручујемо да проверите најбоље паметни уређаји за дом.
Поред разноврсности повезаних уређаја, програмско окружење имплементирано у Ц++ додаје разноликост. Корисник не може само да користи креиране библиотеке, већ и да програмира реакцију компоненти система на догађаје који се појављују.
Елементи главне плоче
Главни елемент „паметне куће“ је једна или више централних (матичних) плоча. Они су одговорни за интеракцију свих елемената. Тек након идентификације задатака које треба решити, можете почети да бирате главни чвор система.
Матична плоча комбинује следеће елементе:
- Микроконтролер (процесор). Његова главна намена је да излази и мери напон у портовима у опсегу од 0-5 или 0-3,3 В, чува податке и врши прорачуне.
- Програматор (није доступан на свим плочама). Помоћу овог уређаја у меморију микроконтролера се уписује програм према којем ће „паметна кућа“ радити. Повезује се са рачунаром, таблетом, паметним телефоном или другим уређајем помоћу УСБ интерфејса.
- Регулатор напона. За напајање целог система потребан је уређај од 5 волти.
Неколико модела плоча се производи под брендом Ардуино.Разликују се једни од других по фактору форме (величини), броју портова и капацитету меморије. На основу ових индикатора морате одабрати одговарајући уређај.
Постоје две врсте портова:
- дигитални, који су на табли означени словима "д";
- аналогни, који су означени словом "а".
Захваљујући њима, микроконтролер комуницира са повезаним уређајима. Било који порт може да ради и за пријем сигнала и за његово слање. Дигитални портови означени са “пвм” су намењени за улаз и излаз ПВМ (пулсно ширинска модулација) сигнала.
Стога, пре куповине плоче, потребно је барем приближно проценити ниво њеног оптерећења на различитим уређајима. Ово ће вам омогућити да одредите потребан број портова свих типова.
Треба разумети да систем паметне куће не мора нужно да буде повезан са контролном јединицом заснованом на једној матичној плочи. Функције као што су, на пример, укључивање вештачког осветљења у локалном подручју у зависности од доба дана и одржавање резерве воде у резервоару за складиштење су независне једна од друге.
Са становишта обезбеђивања поузданости електронског система, боље је раздвојити неповезане задатке у различите блокове, што Ардуино концепт олакшава имплементацију. Ако комбинујете више уређаја на једном месту, микропроцесор може да се прегреје, сукоб софтверских библиотека и потешкоће у проналажењу и отклањању софтверских и хардверских грешака.
Сваки микропроцесор је опремљен са три типа меморије:
- Флеш меморија. Главна меморија у којој се чува програмски код за управљање системом. Мали део (3-12%) заузима уграђени програм за покретање система.
- СРАМ. РАМ, где се чувају привремени подаци неопходни за покретање програма. Одликује се великом радном брзином.
- ЕЕПРОМ Спорија меморија где се подаци такође могу чувати.
Главна разлика између типова меморије за складиштење података је у томе што када се напајање искључи, информације које су снимљене у СРАМ се губе, али остају у ЕЕПРОМ-у. Али непроменљиви тип такође има недостатак - ограничен број циклуса писања. Ово је нешто што треба имати на уму када креирате сопствене апликације.
За разлику од употребе Ардуина у роботици, већина задатака паметне куће не захтева пуно меморије ни за програме ни за складиштење информација.
Врсте плоча за склапање паметне куће
Хајде да погледамо главне врсте плоча које се најчешће користе приликом склапања система паметних кућа.
Поглед #1 - Ардуино Уно и његови деривати
Најчешће коришћене плоче у системима паметне куће су Ардуино Уно и Ардуино Нано. Имају довољно функционалности да реше типичне проблеме.
Главни параметри Ардуино Уно Рев3:
- процесор: АТМега328П (8 бит, 16 МХз);
- број дигиталних портова: 14;
- од тога са ПВМ функцијом: 6;
- број аналогних портова: 6;
- флеш меморија: 32 КБ;
- СРАМ: 2 КБ;
- ЕЕПРОМ: 1 КБ.
Не тако давно је објављена модификација - Уно Ви-Фи, која садржи интегрисани модул ЕСП8266 који вам омогућава да размењујете информације са другим уређајима користећи стандард 802.11 б/г/н.
Разлика између Ардуино Нано и његовог већег колеге је у томе што он нема сопствену струјну утичницу од 12 В. Ово је учињено како би се постигла мања величина уређаја, што омогућава да се лако сакрије у малом простору. Такође у ове сврхе, стандардна УСБ веза је замењена чипом са мини-УСБ каблом. Ардуино Нано има 2 аналогна порта више у односу на Уно.
Постоји још једна модификација Уно плоче - Ардуино Мини. Чак је мањи од Нано-а и много је тежи за рад. Прво, недостатак УСБ порта ствара проблем са фирмвером, јер ћете за ово морати да користите УСБ-серијски конвертор. Друго, ова плоча је избирљивија када је у питању напајање - потребно је обезбедити опсег улазног напона од 7-9 В.
Из горе описаних разлога, Ардуино Мини плоча се ретко користи за рад паметне куће. Обично се користи или у роботици или у реализацији готових пројеката.
Поглед #2 - Ардуино Леонардо и Мицро
Ардуино Леонардо плоча је слична Уно, али мало моћнија. Још једна занимљива карактеристика овог модела је да се идентификује као тастатура, миш или џојстик када је повезан са рачунаром. Због тога се често користи за креирање оригиналних уређаја за игре и симулатора.
Главни параметри Ардуино Леонардо су следећи:
- процесор: АТМега32у4 (8 бит, 16 МХз);
- број дигиталних портова: 20;
- од тога са ПВМ функцијом: 7;
- број аналогних портова: 12;
- флеш меморија: 32 КБ;
- СРАМ: 2,5 КБ;
- ЕЕПРОМ: 1 КБ.
Као што се види из листе параметара, Леонардо има више портова, што омогућава да овај модел буде оптерећен већим бројем сензора.
Такође за Леонарда постоји минијатурни аналог са апсолутно идентичним карактеристикама под називом Мицро. Нема напајање од 12В и уместо пуног УСБ улаза постоји чип за мини-УСБ кабл.
Леонардова модификација под називом Есплора је чисто играчки модел и није погодна за потребе „паметне куће“.
Поглед #3 - Ардуино 101, Ардуино Зеро и Ардуино МКР1000
Понекад је за рад система паметних кућа реализованих на бази Ардуина потребна велика рачунарска снага, коју 8-битни микроконтролери нису у могућности да обезбеде. Задаци као што су препознавање гласа или слике захтевају брз процесор и значајну количину РАМ-а за такве уређаје.
За решавање таквих специфичних проблема користе се моћне плоче које раде по Ардуино концепту. Број портова који имају приближно је исти као и код Уно или Леонардо плоча.
Једна од најлакших за коришћење, али моћних плоча, Ардуино 101 има следеће карактеристике:
- процесор: Интел Цурие (32 бит, 32 МХз);
- флеш меморија: 196 КБ;
- СРАМ: 24 КБ;
- ЕЕПРОМ: не.
Додатно, плоча је опремљена БЛЕ функционалношћу (Блуетоотх Лов Енерги) са могућношћу једноставног повезивања готових решења, попут сензора откуцаја срца, примања информација о времену ван прозора, слања текстуалних порука итд. У уређај су такође интегрисани жироскоп и акцелерометар, али се углавном користе у роботици.
Друга слична плоча, Ардуино Зеро, има следеће индикаторе:
- процесор: САМ-Д21 (32 бит, 48 МХз);
- флеш меморија: 256 КБ;
- СРАМ: 32 КБ;
- ЕЕПРОМ: не.
Посебност овог модела је присуство уграђеног дебагера (ЕДБГ). Уз његову помоћ много је лакше пронаћи грешке приликом програмирања плоче.
Ардуино МКР1000 је још један модел погодан за рачунарство велике снаге. Има микропроцесор и меморију сличну нули. Његова главна разлика је присуство интегрисаног Ви-Фи чипа са 802.11 б/г/н протоколом и крипто чипа са подршком за СХА-256 алгоритам за заштиту пренетих података.
Поглед #4 - Мега породични модели
Понекад је потребно користити велики број сензора и контролисати значајан број уређаја. На пример, ово је неопходно за аутоматски рад дистрибуираних система за климатизацију, који одржавају одређену температуру за појединачне зоне.
За сваку локалну област потребно је пратити очитавања два температурна сензора (други се користи као контролни) и, у складу са алгоритмом, подесити положај клапне која одређује запремину топлог ваздуха који улази.
Ако у викендици има више од 10 таквих зона, онда је потребно више од 30 портова за контролу читавог система. Наравно, можете користити неколико плоча типа Уно под заједничком контролом једне од њих, али то ствара додатне потешкоће при пребацивању. У овом случају, препоручљиво је користити моделе породице Мега.
Ардуино Мега плоча је заснована на прилично једноставном 8-битном микропроцесору од 16 МХз аТМега1280.
Има велику количину меморије:
- флеш меморија: 128 КБ;
- СРАМ: 8 КБ;
- ЕЕПРОМ: 4 КБ.
Али његова главна предност је присуство многих портова:
- број дигиталних портова: 54;
- од тога са ПВМ функцијом: 15;
- број аналогних портова: 16.
Ова плоча има две модерне варијанте:
- Мега 2560 је заснован на микропроцесору аТМега2560, који се одликује великом количином флеш меморије – 256 КБ;
- Мега АДК, поред микропроцесора аТМега2560, опремљен је и УСБ интерфејсом са могућношћу повезивања са уређајима базираним на Андроид оперативном систему.
Ардуино Мега АДК модел има једну функцију. Када повежете телефон са УСБ улазом, могућа је следећа ситуација: ако телефон треба да се напуни, он ће почети да га „извлачи“ са плоче. Због тога постоји додатни захтев за извор електричне енергије - мора да обезбеди струју од 1,5 ампера. Приликом напајања преко батерија, овај услов се мора узети у обзир.
Дуе је још један модел из Ардуина који комбинује снагу микропроцесора са великим бројем портова.
Његове карактеристике су следеће:
- процесор: Атмел САМ3Кс8Е (32 бит, 84 МХз);
- број дигиталних портова: 54;
- од тога са ПВМ функцијом: 12;
- број аналогних портова: 14;
- флеш меморија: 512 КБ;
- СРАМ: 96 КБ;
- ЕЕПРОМ: не.
Аналогни контакти ове плоче могу да раде како у уобичајеној 10-битној резолуцији за Ардуино, која је направљена за компатибилност са претходним моделима, тако иу 12-битној, што вам омогућава да примите прецизнији сигнал.
Карактеристике интеракције модула преко портова
Сви модули који ће бити повезани на плочу имају најмање три излаза. Два од њих су жице за напајање, тј. „земља“, као и напон од 5 или 3,3 В. Трећа жица је логична. Он преноси податке на порт. За повезивање модула користе се специјалне жице груписане у групе од 3, које се понекад називају краткоспојницима.
Пошто Ардуино модели обично имају само 1 напонски порт и 1-2 прикључка за уземљење, да бисте повезали неколико уређаја, мораћете или лемити жице или користити матичне плоче.
Лемљење је поузданије и користи се у уређајима који су подложни физичком удару, као што су контролне табле за роботе и квадкоптере. За паметни дом је боље користити развојне плоче, јер је лакше и приликом инсталирања и приликом уклањања модула.
Неки модели (на пример, Ардуино Зеро и МКР1000) имају радни напон од 3,3 В, тако да ако се на портове примени већа вредност, плоча може да се оштети. Све информације о напајању доступне су у техничкој документацији за уређај.
Додатне плоче (штитови)
Да би се повећале могућности матичних плоча, користе се штитови - додатни уређаји који проширују функционалност. Произведени су за одређени фактор облика, што их разликује од модула који су повезани на портове. Штитови су скупљи од модула, али је рад са њима лакши. Опремљени су и готовим библиотекама са кодом, што убрзава развој сопствених управљачких програма за паметни дом.
Прото и сензорски штитови
Ова два стандардна штита не додају никакву посебну функционалност. Користе се за компактније и погодније повезивање великог броја модула.
Прото Схиелд је скоро потпуна копија оригинала у смислу портова, а развојну плочу можете залепити у средину модула. Ово олакшава састављање структуре. Такви додаци постоје за све Ардуино плоче пуне дужине.
Али ако има пуно уређаја (више од 10), онда је боље користити скупље преклопне плоче Сенсор Схиелд.
Немају брадбоард, али сви портови се појединачно напајају струјом и уземљењем. Ово вам омогућава да избегнете заплетање у жице и краткоспојнике.
Ова плоча такође има конекторе за једноставно повезивање неколико модула: Блуетоотс, СД картице, РС232 (ЦОМ-порт), радио и ултразвук.
Повезивање помоћне функционалности
Штитови са интегрисаном функционалношћу у њих су дизајнирани да решавају сложене, али типичне проблеме. Ако треба да имплементирате оригиналне идеје, боље је изабрати одговарајући модул.
Мотор Схиелд. Дизајниран је за контролу брзине и ротације мотора мале снаге. Оригинални модел је опремљен са једним Л298 чипом и може истовремено да покреће два ДЦ мотора или један серво. Постоји и компатибилни део треће стране који има два Л293Д чипа са могућношћу контроле двоструко више дискова.
Релаи Схиелд. Често коришћени модул у системима паметне куће. Плоча са четири електромеханичка релеја, од којих сваки омогућава пролазак струје јачине до 5А. Ово је довољно за аутоматско укључивање и искључивање киловатних уређаја или расветних водова дизајнираних за наизменичну струју од 220 В.
ЛЦД Схиелд. Омогућава вам да прикажете информације на уграђеном екрану, који се може надоградити на ТФТ уређај. Ово проширење се често користи за креирање метеоролошких станица са очитањима температуре у различитим стамбеним просторима, помоћним зградама, гаражама, као и температуром, влажношћу и брзином ветра напољу.
Штит за евидентирање података. Главни задатак модула је снимање података са сензора на СД картицу пуног формата до 32 Гб са подршком за систем датотека ФАТ32. За снимање на микро СД картицу потребно је да купите адаптер.Овај штит се може користити као складиште информација, на пример, када снимате податке са ДВР-а. Произведен од стране америчке компаније Адафруит Индустриес.
Штит за СД картицу. Једноставнија и јефтинија верзија претходног модула. Многи произвођачи производе такве екстензије.
Етхернет Схиелд. Званични модул за повезивање Ардуина на Интернет без рачунара. Постоји слот за микро СД картицу, који вам омогућава да снимате и шаљете податке путем Ворлд Виде Веба.
Ви-Фи Схиелд. Омогућава бежичну размену информација са подршком за режим шифровања. Служи за повезивање на Интернет и уређаје који се могу контролисати преко Ви-Фи мреже.
ГПРС Схиелд. Овај модул се обично користи за комуникацију између паметне куће и њеног власника путем мобилног телефона путем СМС порука.
Модули паметне куће
Повезивање модула независних произвођача и могућност рада са њима користећи уграђени програмски језик је главна предност отвореног Ардуино система у поређењу са „брендираним“ решењима за паметне куће. Главна ствар је да модули имају опис примљених или пренетих сигнала.
Начини добијања информација
Унос информација може се вршити преко дигиталних или аналогних портова. Зависи од типа дугмета или сензора који прима информације и преноси их на плочу.
Сигнал микропроцесору може послати особа која за то користи две методе:
- Притиском на дугме (тастер). Логичка жица у овом случају иде на дигитални порт, који добија вредност „0“ ако се дугме отпусти и „1“ ако се притисне.
- Окретање поклопца ротационог потенциометра (отпорника). или померање ручице мотора. У овом случају, логичка жица иде на аналогни порт. Напон пролази кроз аналогно-дигитални претварач, након чега подаци иду у микропроцесор.
Дугмад се користе за покретање догађаја, на пример, укључивање и искључивање светла, грејања или вентилације. Окретна дугмад се користе за промену интензитета - повећање или смањење осветљености светлости, јачине звука или брзине ротације лопатица вентилатора.
Сензори се користе за аутоматско одређивање параметара околине или порекла догађаја.
Следећи типови су најтраженији за рад паметне куће:
- Сензор звука. Дигиталне верзије овог уређаја се користе за активирање догађаја помоћу пљескања или гласа. Аналогни модели вам омогућавају да препознате и обрадите звук.
- Светлосни сензор. Ови уређаји могу да раде у видљивом и инфрацрвеном опсегу. Потоњи се може користити као систем за упозорење на пожар.
- Сензор температуре. За унутрашњу и спољашњу употребу користе се различити модели, јер су спољашњи боље заштићени од влаге. На жици су и удаљени уређаји.
- Сензор влажности ваздуха. Модел ДХТ11 је погодан за затворене просторе, а скупљи ДХТ22 за спољашње. Оба уређаја такође могу да обезбеде очитавања температуре. Повежите се на дигитални порт.
- Сензор притиска ваздуха. Аналогни барометри компаније Босх су се доказали да добро раде са Ардуино плочама: бмп180, бмп280. Такође мере температуру.Модел бме280 се може назвати метеоролошка станица, јер такође обезбеђује додатну вредност влажности.
- Сензори покрета и присуства. Користе се у безбедносне сврхе или за аутоматско паљење светла.
- Сензор за кишу. Реагује на воду која улази на његову површину. Такође се може користити за активирање аларма за цурење у водоводном или грејном кругу.
- Сензор струје. Користе се за откривање нерадних електричних уређаја (прегореле лампе) или за анализу напона како би се спречило преоптерећење.
- Сензор цурења гаса. Користи се за откривање и реаговање на повећане концентрације пропана.
- Сензор угљен-диоксида. Користи се за одређивање концентрације угљен-диоксида у дневним собама и посебним просторијама, као што су вински подруми, где долази до ферментације.
Постоји много више различитих сензора за специфичне задатке, на пример, за мерење тежине, брзине протока воде, удаљености, влаге у земљишту итд.
Многи сензори и сензори се могу направити независно користећи једноставније компоненте. То ће коштати мање. Али, за разлику од употребе серијских уређаја, мораћете да потрошите време на калибрацију.
Управљање уређајима и системима
Поред прикупљања и анализе информација, „паметна кућа“ мора да одговори на новонастале догађаје. Присуство напредне електронике на савременим кућним апаратима омогућава вам да им приступите директно користећи Ви-Фи, ГПРС или ЕтхерНет. Типично, Ардуино системи имплементирају пребацивање између микропроцесора и високотехнолошких уређаја путем Ви-Фи мреже.
Да бисте помоћу Ардуина укључили клима уређај када је висока температура у кући, блокирали ТВ и интернет ноћу у дечијој соби или покренули котао за грејање када власници стигну, потребно је да извршите три корака:
- Инсталирајте Ви-Фи модул на матичну плочу.
- Пронађите незаузете фреквенцијске канале да бисте избегли конфликт система.
- Разумети команде уређаја и радње програма (или користити готове библиотеке).
Поред „комуникације“ са компјутеризованим уређајима, често се јављају задаци који укључују извођење неких механичких радњи. На пример, можете повезати серво погон или мали мењач на плочу, који ће се напајати из њега.
Ако је потребно повезати моћне уређаје који раде са спољног извора напајања, користе се две опције:
- Укључивање у релејно коло.
- Повезивање прекидача за напајање и триака.
Укључено у електрично коло електромагнетне или преноц у солидном стању затвара и отвара једну од жица према команди која долази из микропроцесора. Њихова главна карактеристика је максимална дозвољена струја (на пример, 40 А) која може проћи кроз овај уређај.
Што се тиче повезивања прекидача за напајање (мосфет) за једносмерну струју и триац за наизменичну струју, они имају нижу дозвољену струју (5-15 А), али могу глатко повећати оптерећење. У ту сврху су ПВМ портови предвиђени на плочама. Ово својство се користи када се регулише јачина осветљења, брзина вентилатора итд.
Користећи релеје и прекидаче за напајање, можете у потпуности аутоматизовати сва електрична кола код куће и покренути генератор у одсуству струје. Стога је на основу Ардуина могуће реализовати аутономно пружање стана или зграде, укључујући све посебно важне функције - грејање, систем водоснабдевања, одводње, вентилације и обезбеђења.
Да ли желите да ваш дом постане паметнији, али са програмирањем за „тебе“? У овом случају препоручујемо да погледате готова решења компаније Ксиаоми и Аппле, која се лако инсталирају и конфигуришу чак и за почетнике. Можете подесити команде и контролисати њихову имплементацију чак и са свог паметног телефона.
Прочитајте више о паметном дому компаније Ксиаоми и Аппле у следећим чланцима:
- Ксиаоми паметна кућа: карактеристике дизајна, преглед главних компоненти и радних елемената
- Аппле паметна кућа: суптилности организовања система контроле куће компаније Аппле
Закључци и користан видео на тему
Пример само-састављеног радног комада почетног нивоа за „паметну кућу“:
Отвореност Ардуино платформе омогућава коришћење компоненти различитих произвођача. Ово олакшава дизајнирање „паметне куће“ која одговара потребама корисника. Стога, ако имате барем мало знања из области програмирања и повезивања електронских уређаја, овај систем вреди обратити пажњу.
Да ли сте упознати са Ардуино платформом у пракси и желите да поделите своје искуство са новопридошлицама у овој ствари? Можда бисте желели да допуните горњи материјал корисним препорукама или коментарима? Напишите своје коментаре испод ове публикације.
Ако имате било каквих питања о дизајнирању аутоматизованог кућног система заснованог на Ардуину, питајте их нашим стручњацима и другим посетиоцима сајта у блоку испод.