Умный дом на базе контроллеров Arduino: проектирование и организация управляемого пространства

Уже больше года Яндекс развивает систему управления умным домом через Алису. Благодаря ей вы сможете включать свет, переключать каналы телевизора, заваривать кофе, изменять цвет подсветки, будить умные пылесосы и контролировать температуру в помещении.

Чтобы создать такую продвинутую экосистему умных устройств, совсем не обязательно штурмовать магазины электроники. Яндекс предоставляет API для интеграции ваших собственных решений через платформу навыков.

В этой статье расскажем, как с помощью микроконтроллера и обычного реле сделать умную лампочку и управлять ей с помощью Алисы.

Что такое Arduino?

Ардуино (Arduino) — специальный инструмент, позволяющий проектировать электронные устройства, имеющие более тесное взаимодействие с физической средой в сравнении с теми же ПК, фактически не выходящими за пределы виртуальной реальности.

В основе платформы лежит открытый код, а само устройство построено на печатной плате с «вшитым» в ней программным обеспечением.

Другими словами, Ардуино — небольшое устройство, обеспечивающее управление различными датчиками, системами освещения, принятия и передачи данных.

В состав Arduino входит микроконтроллер, представляющий собой собранный на одной схеме микропроцессор. Его особенность — способность выполнять простые задачи. В зависимости от модели устройство Ардуино может комплектоваться микроконтроллерами различных типов.

Существует несколько моделей плат, самые распространённые из них – UNO, Mega 2560 R3.

Не менее важная особенность печатной платы заключается в наличии 22 выводов, которые расположены по периметру изделия. Они бывают аналоговыми и цифровыми.

Особенность последних заключается в управлении с помощью только двух параметров — логической единицы или нуля. Что касается аналогового вывода, между 1 и 0 имеется много мелких участков.

Сегодня Arduino используется при создании электронных систем, способных принимать информацию с различных датчиков (цифровых и аналоговых).

Устройства на Ардуино могут работать в комплексе с ПО на компьютере или самостоятельно.

Что касается плат, их можно собрать своими руками или же приобрести готовое изделие. Программирование Arduino производится на языке Wiring.

ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ: Умный дом Xiaomi Smart Home, обзор, комплектация, подключение и настройка своими руками, сценарии.

Как работает такой умный дом?

Чтобы создать умный дом своими руками, потребуется навык Домовёнок Кузя. Через него можно не только контролировать умный дом, но и интегрировать виртуальные устройства напрямую в Яндекс.Алису. Это значит, что вам не придётся постоянно открывать навык, чтобы просто выключить лампочку. С микроконтроллером навык будет связываться через веб-хуки.

Для веб-хуков отлично подходит платформа Blynk — панель управления устройствами на Arduino и Raspberry Pi. Там вы сможете без труда создать графический интерфейс, через который можно будет управлять устройством по Wi-Fi (а ещё по Ethernet, USB, GSM и Bluetooth).

Чем управляет Arduino?

Благодаря большому количеству выводов на печатной плате, к Ардуино удается подключить множество различных устройств, а именно:

Кроме того, к Ардуино подключается набор датчиков в зависимости от задач, поставленных перед системой. Как правило, устанавливаются датчики освещенности, дыма и состава воздуха, магнитного поля, влажности, температуры и прочие.

Благодаря этой особенности, Arduino становится универсальным устройством — «мозговым с возможностью конфигурации с учетом поставленных задач.

Таблица подключения к Arduino UNO R3 элементов схемы

Сведем все соединения между Ардуино и внешними устройствами в единую таблицу, которая поможет в деле сборки готовой схемы.

Планируемая система полностью не заняла все пины микроконтроллера. Еще есть место для добавления аналогового датчика и одной линии управления. Вариант — использовать свободные контакты для сенсора дыма и сигнализатора. Если планируется расширять конструкцию дальше, — придется брать микроконтроллер Arduino Mega. В нем больше портов ввода/вывода и памяти, при полной программной совместимости.

Принцип работы системы

Устройство Arduino работает следующим образом. Информация, собранная с различных датчиков в доме, направляется по беспроводной сети на планшет или ПК. Далее с помощью специального софта производится обработка данных и выполнение определенной команды.

Главную функцию выполняет центральный датчик, который можно приобрести или собрать самостоятельно. Разъемы на платах являются стандартными, что значительно упрощает выбор комплектующих.

Питание

Питание Arduino производится через USB разъем или от внешнего питающего устройства. Источник напряжения определяется в автоматическом режиме.

Если выбран вариант с внешним питанием не через USB, можно подключать АКБ или блок питания (преобразователь напряжения). В последнем случае подключение производится с помощью 2,1-миллиметровго разъема с «+» на главном контакте.

Провода от АКБ подключаются к различным выводам питающего разъема — Vin и Gnd.

Для нормальной работы платформа нуждается в напряжении от 6 до 20 Вольт. Если параметр падает ниже 7 вольт, на выводе 5V может оказаться меньшее напряжение и появляется риск сбоя.

Если подавать 12 В, возможен перегрев регулятора напряжения и повреждения платы. По этой причине оптимальным уровнем является питание с помощью 7 — 12 В.

В отличие от прошлых типов плат, Arduino Mega 2560 работает без применения USB-микроконтроллера типа FTDI. Для обеспечения обмена информацией по USB применяется запрограммированный под конвертер USB-to-serial конвертер.

ПОПУЛЯРНО У ЧИТАТЕЛЕЙ: Что такое умный дом CLAP.

На Ардуино предусмотрены следующие питающие выводы:

• 5V — используется для подачи напряжения на микроконтроллер, а также другие элементы печатной платы. Источник питания является регулируемым. Напряжение подается через USB-разъем или от вывода VIN, а также от иного источника питания 5 Вольт с возможностью регулирования.
• VIN — применяется для подачи напряжения с внешнего источника. Вывод необходим, когда нет возможности подать напряжение через USB-разъем или другой внешний источник. При подаче напряжения на 2,1-миллиметровй разъем применяется этот вход.
• 3V3 — вывод, напряжение на котором является следствием работы самой микросхемы FTDI. Предельный уровень потребляемого тока для этого элемента составляет 50 мА.
• GND — заземляющие выводы.

Принципиальную схему платы в pdf формате можно посмотреть ЗДЕСЬ.

Связь

Возможности Arduino позволяют подключить группу устройств, обеспечивающих стабильную связь с ПК, а также другими элементами системы — микроконтроллерами или такими же платами Ардуино.

Модель ATmega 2560 отличается наличием 4 портов, через которые можно передавать данные для TTL и UART. Специальная микросхема ATmega 8U2 на плате передает интерфейс (один из них) через USB-разъем. В свою очередь, программы на ПК получают виртуальный COM.

Здесь имеются нюансы, которые зависят от типа операционной системы:

• Если на ПК установлен Linux, распознавание происходит в автоматическом режиме.
• Если стоит Windows, потребуется дополнительный файл .inf.

С помощью утилиты мониторинга обеспечивается отправление и получение информации в текстовом формате после подключения к системе.

Мигание светодиодов TX и RX свидетельствует о передаче данных. Для последовательной отправки информации применяется специальная библиотека Software Serial.

К особенностям ATmega 2560 стоит отнести наличие интерфейсов SPI и I2C. Кроме того, в состав Ардуино входит библиотека Wire.

Достоинства микроконтроллера 2560

Ардуино – популярнейшая платформа для реализации различных проектов, подходящая инженерам, которые не хотят программировать «пустые» микроконтроллеры и, в принципе, желают свести общение с программной средой к минимуму.

Но даже у неё в базовой комплектации имеются свои подводные камни, о которых лучше узнать заранее.

Постепенно ставя перед собой более сложные задачи и занимаясь новыми разработками на данном МК, вы со временем столкнетесь с двумя главными проблемами стандартных плат:

1. Неоптимальные размеры, не подходящие для удобного их размещения во многих корпусах.
2. Недостача в количестве пинов на ввод-вывод данных.

Проблема № 1

Минимизировать занимаемое место крайне легко – достаточно использовать специальные разновидности МК, будь то нано или мини. Здесь есть некоторые особенности, с недостатком памяти, например, на Attiny85, но для простого функционала – это не столь существенно.

Конечно, для более сложных задач можно докупить специальные модули с дополнительным объемом памяти под инструкции, но это полностью нивелирует все плюсы нано, ведь уменьшенный размер будет компенсирован дополнительным слотом под чип и занятым пином. Относится эта проблема не ко всем платам, и всё та же nano способна полностью копировать функционал уно.

Проблема № 2

Менее приятная, но и у неё есть несколько путей для решения:

Как мы видим, оба выхода из ситуации задействуют «костыли», и элегантными их не назовешь. Но это далеко не единственная проблема. Они или работают частично, или нивелируют достоинства системы, что абсолютно недопустимо для сколь-нибудь сложных проектов.

Благо, есть и третий подход, используемый всё чаще, – Ардуино Мега 2560, проекты на которой уже не страдают от обилия этих «костылей». Есть также аналог данной платы, поддерживающий usb-хосты, но давайте сначала разберёмся с основным МК.

Первое, что бросается в глаза при знакомстве с 2560, – внешний вид, ведь она в 1.8 раз длиннее уно, что является необходимым злом, дабы разместить на ней целых 54 порта.

Притом, 15 из них можно использовать в качестве источников ШИМ-сигналов, чтобы регулировать мощность тока или другие параметры системы. Регуляция осуществляется с помощью широтно-импульсных модуляций, а дополнительные 16 портов под вход могут обработать цифровые сигналы и применяться в качестве всё тех же цифровых выходов. В результате, мы получаем более тонкую, длинную и функциональную плату.

Под связь с несколькими видами устройств установлено 4-о UART интерфейсов, на 0, 1, 14, 19 пинах. Притом, один из них направлен под usb с помощью микроконтроллера ATmega8U2, применяемого в качестве замены привычному USB-TTL, который использовался повсеместно в более старых платах.

Но, что важнее, – прошивка располагается в паблик репозитории, а соответственно, доступна для скачивания и модификации любому желающему. Под связь с дисплеями присутствуют SPI и I2C технологии, которые вы также можете применить в своем проекте.

Разработка проекта

На современном рынке представлено множество устройств Arduino, имеющих различную комплектацию. Но универсального решения «на все случаи жизни» не существует. В зависимости от поставленной задачи каждый комплект подбирается в индивидуальном порядке. Чтобы избежать ошибок, требуется разработка проекта.

Какие проекты можно создавать на Arduino?

Ардуино позволяет создавать множество уникальных проектов. Вот лишь некоторые из них:

• Сборка кубика Рубика (система справляется за 0,887 с);
• Контроль влажности в подвальном помещении;
• Создание уникальных картин;
• Отправка сообщений;
• Балансирующий робот на двух колесах;
• Анализатор спектра звука;
• Лампа оригами с емкостным сенсором;
• Рука-робот, управляемая с помощью Ардуино;
• Написание букв в воздухе;
• Управление фотовспышкой и многое другое.

Подбираем комплектацию под проект на примере Arduino Mega 2560 R3

Для создания полноценной системы «Умный дом» и выполнения ею возложенных функций важно правильно подойти к комплектации и выбору оборудования.

Что входит в комплект поставки?

Если ваша цель — «Умный дом» на базе Arduino, требуется подготовить следующее оборудование — саму плату Mega 2560 R3, модуль Ethernet (ENC28J60), датчик движения, а также другие датчики и контроллеры.

Кроме того, стоит подготовить кабель вида «витая пара», резистор, реле, переключатель и кабель для модуля Ethernet.

Необходимы и дополнительные инструменты — отвертки, паяльники и прочее.

Учтите, что покупать наборы для монтажа системы стоит в сертифицированных пунктах. Это объясняется тем, что при реализации проекта применяется электричество, а использование подделки может привести к снижению уровня безопасности.

Все программы для адаптации можно найти в сети на официальном сайте Arduino https://arduino.ru. При выборе датчиков стоит ориентироваться на задачи, которая должен решать «Умный дом».

Как правило, требуются датчики движения, температуры, открытия дверей и освещенности. Роль датчика открытия дверей может выполнять обычный геркон.

Прошивается плата с помощью специального софта, предназначенного для различных операционных систем, в том числе и кабеля USB. При этом в программаторах нет необходимости.

Что касается ПО, которое применяется в Ардуино, оно написано на языке Си. На число байт имеются определенные ограничения, но текущей памяти достаточно для реализации поставленной задачи.

Платы дополнения (шилды)

Для увеличения возможностей материнских плат используют шилды (Shields) – расширяющие функционал дополнительные устройства. Они изготавливаются под конкретный форм-фактор, что отличает их от модулей, которые подключают к портам. Шилды стоят дороже модулей, однако работа с ними проще. Также они снабжены готовыми библиотеками с кодом, что убыстряет разработку собственных программ управления для «умного дома».

Шилды Proto и Sensor

Эти два стандартных шилда не привносят каких-либо особых функций. Их используют для более компактного и удобного подключения большого числа модулей.

Proto Shield представляет собой практически полную копию оригинала в плане портов, а посередине модуля можно приклеить макетную плату. Это облегчает сборку конструкции. Такие дополнения существуют для всех полноформатных плат Arduino.

Но если устройств очень много (более 10), то лучше использовать более дорогие коммутационные платы Sensor Shield.

У них не предусмотрен брэдборд, однако ко всем выводам портов индивидуально подведено питание и земля. Это позволяет не путаться в проводах и перемычках.

Также на этой плате есть колодки для простого подключения нескольких модулей: Bluetoots, SD-карты, RS232 (COM-port), радио и ультразвука.

Подключение вспомогательного функционала

Шилды с интегрированным в них функционалом рассчитаны на решение сложных, но типовых задач. При необходимости реализации оригинальных задумок лучше все же подобрать подходящий модуль.

Motor Shield. Он предназначен для управления скоростью и вращением маломощных двигателей. Оригинальная модель оснащена одним чипом L298 и может работать одновременно с двумя моторами постоянного тока или с одним сервоприводом. Есть и совместимая деталь от стороннего производителя, у которой два чипа L293D с возможностью управления вдвое большим количеством приводов.

Relay Shield. Часто используемый модуль с системах «умный дом». Плата с четырьмя электромеханическими реле, каждое из которых допускает прохождение тока с силой до 5А. Этого достаточно для автоматического включения и отключения киловатных приборов или линий освещения, рассчитанных на переменный ток 220 В.

LCD Shield. Позволяет выводить информацию на встроенный экран, который можно проапгрейдить до TFT-устройства. Это расширение часто применяют для создания метеостанций с показаниями температуры в различных жилых помещениях, пристройках, гараже, а также температуры, влажности и скорости ветра на улице.

Data Logging Shield. Основная задача модуля – записывать данные с датчиков на полноформатную SD-карту объемом до 32 Gb с поддержкой файловой системы FAT32. Для записи на микро-SD карту нужно приобрести адаптер. Этот шилд можно использовать как хранилище информации, например, при записи данных с видеорегистратора. Производство американской фирмы Adafruit Industries.

SD-card Shield. Более простая и дешевая версия предыдущего модуля. Такие расширения выпускают многие производители.

EtherNet Shield. Официальный модуль для связи Arduino с Интернетом без участия компьютера. Есть слот для микро-SD карты, что позволяет записывать и отправлять данные через всемирную сеть.

Wi-Fi Shield. Позволяет осуществлять беспроводной обмен информацией с поддержкой режима шифрования. Служит для связи с интернетом и устройствами, которыми можно управлять через Wi-Fi.

GPRS Shield. Этот модуль, как правило, используют для связи «умного дома» с владельцем по мобильному телефону через SMS сообщения.

Начало работы

Как только необходимое оборудование подготовлено, а проект разработан, можно приступать к выполнению поставленной задачи.

Этапы

При организации системы «Умный дом» на базе Ардуино, стоит действовать по следующему алгоритму:

• Инсталляция программного кода;
• Конфигурация приложения под применяемое устройство;
• Переадресация портов (для роутера);
• Проведение тестов;
• Внесение правок и так далее.

В Сети имеется весь необходимый софт на применяемое оборудование — его достаточно скачать с официального сайта и установить (ссылку смотрите выше).

Приложение позволяет увидеть информацию о датчиках. Если это требуется, настройки IP-адрес могут быть изменены.

Последовательность действий при подключении к компьютеру

Чтобы начать работать с Ардуино в Windows, сделайте следующие шаги:

• Подготовьте необходимое оборудование — USB-кабель и Arduino.
• Скачайте программу на странице arduino.cc/en/Main/Software.

• Подсоедините плату с помощью USB-кабеля. Проследите, чтобы загорелся светодиод PWR.
• Поставьте необходимый набор драйверов для работы с Ардуино. На этом этапе стоит запустить установку драйвера и дождаться завершения процесса.

• Запустите среду разработки Ардуино, для чего дважды кликните на значок с приложением.
• Откройте готовый пример (File — Examples — 1.Basics — Blink).

• Выберите плату. Для этого перейдите в секцию Tools, а дальше в Board Menu.

• Установите последовательный порт (его можно найти путем отключения и подключения кабеля).
• Скачайте скетч в Ардуино. Кликните на «Upload» и дождитесь мигания светодиодов TX и RX на плате. В завершение система показывает, что загрузка прошла успешно. Через несколько секунд после завершения работы должен загореться светодиод 13 L (он будет мигать оранжевым). Если это так, система готова к выполнению задач.

Работа с роутером

Для полноценной работы «Умного дома» важно правильно обращаться с роутером. Здесь требуется выполнить следующие действия — открыть конфигурацию, указать адрес Arduino IP, к примеру, 192.168.10.101 и открыть 80-й порт.

После требуется присвоить адресу доменное имя и перейти к процессу тестирования проекта. Учтите, что для такой системы запрещено применение открытого IP-адреса, ведь в этом случае высок риск взлома через Сеть.

Настройка навыка «Домовёнок Кузя»

Перейдите на сайт навыка и авторизуйтесь там через Яндекс. Далее жмите на Добавить правило HTTP (GET)

. Перед вами откроется форма настройки правила.

Активационная фраза

— название запроса, которое будет отображаться в списке (например «свет на кухне, включение»). Если вы не планируете контролировать умный дом конкретно изнутри навыка, то больше фраза нигде не понадобится. Поле
Ответ Кузи
тоже оставляйте пустым. В поле
URL
вставляете соответствующий веб-хук на включение света (виртуального порта). Остальные параметры можно не изменять. После этого нужно сделать идентичное правило на выключение света.

— комната, в которой будет установлено устройство. Это нужно на тот случай, если в нескольких комнатах будут одинаковые по названию элементы. К тому же, одной голосовой командой можно включать и выключать все устройства в определённой комнате.

В Правило на включение/выключение

из списка выбираете соответствующие запросы. В лампе имеется возможность управления яркостью. Для этого нужно создать ещё одно правило, но значение параметра value установить как {value}. Тогда в запрос будет подставляться число от 0 до 100, которое будет обозначать требуемую яркость. Вам лишь остаётся обработать это значение в скетче.

Примечание Если вы планируете изменять яркость, то параметр value

в веб-хуке на включение нужно изменить с 1 на 100.

Современные гаджеты, которые можно сделать своими руками

tproger.ru

Расширение возможности на Ардуино

Одной из возможностей умного дома является визуализация состояния автоматики и проходящих в системе процессов. Для этого рекомендуется применять отдельный сервер, обеспечивающий обработку состояний (может применяться программа Node.js).

Упомянутая программная технология применяется для решения интернет-задач, поэтому для визуализации «Умного дома» используется язык Java Script (именно с его помощью создается обработчик и сервер). Результаты можно увидеть на экране компьютера или ПК.

Для реализации задуманного подойдет ноутбук, обычный ПК или Raspberry Pi. Применение такой системы позволяет увеличить ее возможности. Так, если на плате Ардуино имеется небольшой объем памяти, на сервере такие ограничения отсутствуют. Программа пишется таким образом, чтобы обеспечить полное управление платформой.

При желании можно задать алгоритм, который будет фиксировать факт нахождения человека в доме, и собирать эту информацию. Если владелец ежедневно возвращается где-то к 17.30, за час может быть включен бойлер или отопительные устройства. По приходу домой человек попадает в теплое здание с горячей водой.

Программа может запомнить время, когда владелец ложится отдыхать и отключать нагрев воды. Таких нюансов, которые при необходимости вносятся в программу, множество. Именно наличие внешнего ПК дает большие возможности контроллеру на Ардуино.

Общение с Arduino

Чтобы узнать, какие действия осуществлять, процессор должен получить соответствующую команду. Общение производится с помощью специального языка, который адаптирован под работу с Ардуино и достаточно прост. При желании в нем легко работаться даже при отсутствии навыков программирования.

Оформление и отправка сообщения контроллеру называется программированием. Чтобы упростить процесс, разработана среда Arduino IDE, в состав которой входит множество программ. Их изучение позволяет получить массу полезной информации о работе с Ардуино.

Создание систем на платформе Arduino

Arduino – платформа для разработки электронных устройств с автоматическим, полуавтоматическим или ручным управлением. Она выполнена по принципу конструктора с четко определенными правилами взаимодействия между элементами. Система является открытой, что позволяет сторонним производителям участвовать в ее развитии.

Классический «умный дом» состоит из автоматизированных блоков, которые выполняют следующие функции:

• собирают нужную информацию через датчики;
• анализируют данные и принимают решения с помощью программируемого микропроцессора;
• реализовывают принятые решения, отдавая команды различным устройствам.

Платформа Arduino хороша именно тем, что не замыкается на определенном производителе, а позволяет потребителю самому подобрать подходящие ему компоненты. Их выбор огромен, поэтому можно реализовать практически любые задумки.

Рекомендуем ознакомиться с лучшими умными устройствами для дома.

Помимо многообразия подключаемых устройств, вариативности добавляет среда программирования, реализованная на языке C++. Пользователь может не только воспользоваться созданными библиотеками, но и сам запрограммировать реакцию компонентов системы на возникающие события.

Как можно управлять?

Как отмечалось, сервер Node.js позволяет связать между собой оборудование в доме. Одним из способов управления процессами являются облачные сервисы в Сети. При этом включить отопление или бойлер можно за один-два часа до приезда.

Еще один способ — управление с помощью сообщений (MMS или SMS). Этот вариант актуален в случае, когда нет связи с Интернетом. Одним из преимуществ системы является возможность получения информации о форс-мажорной ситуации (например, протечке). Здесь помогает плата Edison от компании Intel.

Контроль и управление климатической системой

Владелец может совершать обогрев помещения, а также очистку, увлажнение и вентиляцию воздуха. Допустим, к моменту своего прихода прогреть помещение до определенного температурного режима.

Основные достоинства данной функции:

1. Отопление, или охлаждение температуры в помещении осуществляется одной общей системой.
2. Возможность регулировки любых температурных режимов в помещении, в соответствии с погодными условиями климата.
3. Каждое отдельное устройство имеет свои специальные датчики, которые регулируют работу того или иного механизма, и позволяет контролировать внутренний климат в помещении.