Проекты для умного дома на базе Ардуино

Оглавление статьи: Проекты для умного дома на базе Ардуино
Содержание

Микроконтроллеры, как логические модули используются во множестве бытовых и промышленных устройств. Вычислительные возможности современных моделей позволяют не только оперировать какой-либо одной единицей оборудования, но и управлять целыми взаимосвязанными комплексами. Хорошим примером здесь станут системы «умный дом», которые объединяют бытовую технику, контролируя ее в автоматическом режиме. Включение света в помещениях или вне их, в моменты присутствия человека. Вентиляция или отопление жилища с подгонкой температуры воздуха установленным характеристикам. Защита от сторонних посягательств на дом или квартиру. Все названное по силам цифровым помощникам человека.

Объединение техники микроконтроллером

Существуют целые комплексы «умного дома», продающиеся в сборе. Тем не менее, вполне доступна и возможность создания аналогичного решения своими силами. Нужно немногое. Небольшой набор инструментов, знание основ электрики, одна или несколько плат микроконтроллеров, с дополнением в виде датчиков и исполнительных частей. Количество элементов зависит только от требуемых функций и фантазии проектировщика.

Наибольшее распространение среди недорогих моделей логических устройств получили Arduino. Их плюс в широком спектре дополнительного оборудования, ориентированного конкретно на интеграцию с настоящей платой. Речь, в разрезе темы статьи, идет о датчиках температуры, дыма, газа, приближения человека и исполняемых модулей – реле, которые останавливают или запускают устройства, находящиеся в жилье или равноценном офисе по командам микроконтроллера.

Создать «умный дом» на Arduino не сложно и вполне по силу среднестатистическому обывателю.

Рекомендуем узнать про датчик протечки, своими руками его собрать не сложно и можно включить в систему умного дома на Ардуино.

Возможный функционал и постановка требований к системе

Прежде чем перейти к части проектирования, вначале нужно описать для себя, что требуется от конкретной системы.

Часто используемые функции

Комплекс будет устанавливаться в небольшом доме (даче), находящемся достаточно далеко от жилья и средств коммуникации. Отопление в нем выполнено на основе электрических тэнов, что тоже накладывает свои ограничения. Дом посещается редко в холодную часть года, но отопление вымерзать не должно. Экономия при отсутствии людей обязательна. Последнее касается и случайно забытых включенными осветительных приборов — они должны сами отключаться.

Также важным фактором, требующим неустанного контроля, служит охрана дома. Любым образом человек должен узнать о попадании в дом посторонних.

Так как приезд осуществляется в темное время суток, любой хозяин желает, чтобы ему подсветили момент открывания дверей и перемещения по двору. Что нужно учесть в проектировании системы. Итак, в комплексе:

  • Выявление прохода через калитку участка, для подсветки пути при необходимости.
  • Определение открытия входной двери в дом.Простые датчики открытия
  • Управление системой отопления. В отсутствие хозяев держать температуру не ниже 5 ℃, чтобы не вымерзла вода. По полученной команде удаленно прогреть помещение до +20 градусов.
  • Сообщать владельцу о перебоях энергоснабжения, чтобы не размораживался холодильник.
  • Включение света в кладовке, когда ее дверь кто-то открыл.
  • Все перечисленное получить при минимальных денежных затратах.
  • Отключение всей электрики и переход дома в режим экономии энергии. При этом холодильник продолжает работать.

Существует много проектов умного дома на Ардуино, но под описанные возможности они слишком дороги. Проще собрать аналогичную систему самостоятельно.

Как это выглядит физически

Для контроля открытия на калитку, двери дома и вход кладовки устанавливаются герконовые датчики. Питание системы отопления осуществляется через силовое реле-повторитель, которое в свою очередь запускается от платы автоматического включения, управляемого Ардуино.

Промежуточное реле

Вся электрика дома, за исключением согревающего жилье оборудования и холодильника контролируется отдельным силовым модулем отключения. Определение наличия напряжения в общей приходящей сети питания 220 В выполняется однофазным реле тока, работающим в «обратную сторону». То есть, включение его обеспечивается 220 В в розетке, а коммутирует оно низковольтное соединение, указывающее микроконтроллеру о наличии электричества в доме.

Охрана обеспечивается контролем состояний герконовых сенсоров. При срабатывании каждого из них, на телефон владельца будет отправлено соответствующее СМС. Естественно, с возможностью отключения функции в моменты присутствия хозяев.

Умный дом на основе Ардуино будет управлять всем перечисленным в двух режимах — когда никого нет или люди присутствуют. Кроме того, для включения внешнего освещения микроконтроллер будет руководствоваться показаниями фоторезистора, установленного снаружи. Подсветка станет активна только когда темно.

Подсветка крыльца

Что до отопления, включение его на обогрев производиться соответствующей СМС с телефона владельца. Переход в состояние экономии — физической кнопкой. Контроль температурного режима выполняется термодатчиком.

Вторая кнопка, установленная в доме и связанная с микроконтроллером, применяется для включения состояния охраны и снятия с него. О текущем статусе информируют светодиоды. Два зеленых, на активность каждой из функций и пара красных указывающих пассивный режим.

Текущая установка сохраняется в энергонезависимой памяти Ардуино, и читается в момент рестарта микроконтроллера. Информация о форс-мажорных обстоятельствах отправляется на телефон владельца.

Питание Ардуино выполнено от батареи и сети. В тот момент, когда с последнее прекращается — реле не только включает информатор об отсутствии тока, но и соединяет Ардуино с резервом.

Итак, что потребуется:

Наименование Количество
Ардуино-реле 220 В на 4 контакта 1
Реле-повторитель для высокой нагрузки 2
GSM модуль SIM900 1
Arduino UNO R3 1
Реле-повторитель для коммутации 5 В работающее от сети переменного тока 220 В 1
Диоды зеленые 2
Кнопки 2
Резисторы 10 kОм 5
Резисторы 220 Ом 5
Диоды красные 2
Фоторезистор 1
Терморезистор 1
Резистор 2.2 кОм 1
Конденсатор 0.1 мкФ 1
Электролитный конденсатор 470 мкФ, 6.3 В 1

Также потребуется необходимое количество провода для соединения датчиков и выполнения силовых линий.

Общая структурная схема конструкции

Несколько замечаний по схеме. Фоторезистор должен быть расположен за пределами света, падающего при включении уличной лампы. Сенсор температуры помещается в доме, там, где нагрев воздуха будет достигнут в последнюю очередь.

План схема структуры «умного дома»

Датчики

В комплексе контроля 6 датчиков. Все их можно использовать в качестве аналоговых элементов, часть универсальны. Применяться в схеме будет первый вариант, по причине малого количества цифровых портов у Arduino UNO R3. Последние будут использоваться в управлении внешними реле, контроля индикации и для работы с GSM модулем.

Принципиальная схема подключения датчиков

Герконы входной двери S2 и калитки S3 висят параллельно на одной линии. Причина — действие каждого датчика едино – или отправка сообщения владельцу о факте попадания на контролируемую территорию, или включение света при открытии любого входа.

Исполняемая часть

Для исполняемой части берутся «семейные» релейные модули на 4 линии. Найти подобные можно на АлиЭкспресс по цене около 200 р. Главное при выборе — триггерное напряжение 5 В, при коммутируемом AC до 250 В/10 А. Настоящие платы достаточно просто подключаются к Ардуино и не требуют гальванической развязки. Модуль объединяющий несколько реле имеет отдельные входы активирующий каждый из триггеров. Дополнительно к нему идет +5 В и GND от Arduino, через фильтр уменьшающий шанс просадки общего напряжения системы.

Силовая техника будет подключена через повторяющие реле высокой нагрузки. Несмотря на заявления производителей модулей, рисковать с мощными потребителями на конечную плату, соединенную напрямую с Ардуино — не стоит.

Принципиальная схема индикаторов и исполняющих модулей

Светодиоды Led1-4 на схеме больше относятся к интерфейсной части и показывают текущий режим работы: 1 — охрана отключена, 3 — активирована, 2 — люди дома, 4 — экономия электроэнергии. Уличная лампа и в кладовке — обычные бытовые светильники на 220 В.

GSM модуль

В качестве модуля обмена информацией через сотовые сети связи, в проекте умного дома на Ардуино, используется GSM SIM900. Выбран шилд по причине его аналогичности питания 5 В, для совместного подключения с микроконтроллером к резерву.

Обмен информацией между GSM900 и Arduino выполняется по последовательному порту. В схеме, аппаратный D0 занят реле экономии, D1 отоплением. Будет использоваться программный порт на цифровых пинах 7 и 8. Питание с Ардуино раздельно, электрическая взаимосвязь выполняется через GND модема и аналогичную линию микроконтроллера.

Запуск аппарата будет производиться программно. Для чего в GSM900 запаивается перемычка R13 и пин D9 модема соединяется с D13 Ардуино.

Схема подключения GSM-модуля

Обратите внимание, что соединение коммутирующих линий TX-RX выполняется перекрестно.

Скетч включения GSM SIM900:

void Modem_on()
{
pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13,LOW);
delay(1000);
digitalWrite(13,HIGH);
delay(2000);
digitalWrite(13,LOW);
delay(3000);
}

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.

Куда Пин Arduino UNO R3 Пин устройства/контакт
Модуль на 4 реле D0 общее освещение, D1 отопление, D2 свет в кладовке, D3 на улице. D0 D0
D1 D1
D2 D2
D3 D3
Кнопка постановки на сигнализацию/снятия D4
Клавиша включения режима экономии/люди дома D5
D6
Коммуникация с модемом D7 RX
D8 TX
Светодиод охрана отключена(кр) D9
Охрана активирована (зел) D10
Хозяева дома (кр) D11
Режим экономии (зел) D12
Включение модема D13 D9
Геркон кладовка A1
Геркон дверь/калитка A2
Термометр A3
Определение наличия сети 220 В A4

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.

Резерв питания

Есть много способов обеспечить резервное питание. Так как одно из требований для проекта умного дома своими руками было — экономичность, в качестве резерва будут использоваться обычные аккумуляторы, соединенные последовательно для получения 5 В. Описание интерфейса их подзарядки выходит за рамки статьи и обеспечивать наличие запасенной энергии хозяева должны будут сами. Периодическая подзарядка «лягушкой», раз в несколько месяцев проблем не составит для конечного пользователя.

Компоновка батарей для получения +5В

Принцип работы прост. При отключении сети 220 В нормально разомкнутое реле К1 соединяет Ардуино и модем с +5 питания батареи. Одновременно устанавливается состояние HIGH на входе A4 микроконтроллера. Последний аналоговый, а значит через него можно контролировать заряд батареи, вычислив опытным путем при каких минимальных показаниях происходит отключение логических компонентов. Информирование человека о разряде выполняется отправкой СМС.

Интерфейс с пользователем

Основой управления системой «умный дом» представленного проекта можно считать обмен СМС сообщениями и две ручные кнопки с индикаторами состояния.

Ручной

Схема:

Принципиальная схема подключения кнопок

Кнопка охраны переводит дом в защищенный режим. Клавиша экономной стадии работы отключает питание на приборы освещения и устанавливает программу прогрева пространства до 5 °С.

Через сообщения Сим

На телефон пользователя передается три вида сообщений: открытие двери и калитки, отключение и восстановление энергоснабжения дома, разряд резерва питания.

При обратном получении СМС сообщения вида «Мы едем», микроконтроллер включает отопление до +20. Одновременно активируется возможность запуска ламп уличной подсветки, которые обычно отключены в экономичном режиме. Но система в остальном остается в ожидании — внутреннее освещение и розетки жилья отключены. Выйти из последнего можно физической кнопкой.

В целях уменьшения совпадений — хозяева в дороге, а дом обносят — снять с сигнализации получится только ручным нажатием на клавишу. То есть, по возвращению владельцев, им все равно поступит сообщение о том, что они открыли дверь и калитку.

Иные средства коммуникации

Пример орагнизации web-сервера для умного дома

Обеспечение интерфейса умного дома, использующего Arduino можно выполнить не только двумя кнопками, индикаторами режима и СМС сообщениями. Доступны шилды с ЖК-экраном, полноформатной цифровой или буквенной клавиатурой, сетевыми адаптерами. Используя последние, организовывается web-сервер, заходя на который удаленно видно информацию о текущем статусе. Доступно добавление элементов на страницу, управляющих конечным оборудованием.

Прототип скетча

Здесь не полная версия программы Ардуино, но предоставленная часть рабочая и требует минимального доведения руками. Конкретно понадобиться выставить пороги срабатывания в зависимости полученных данных (помечено «обратить внимание») от термистора и оптического датчика. Все остальное, включая интерфейсную часть — сделано.

Ссылка для скачивания скетча: https://cloud.mail.ru/public/eSuY/tefqzrxXS

Готовые комплекты и решения

Получение функциональности умного дома доступно не только самодельным методом. Продаются готовые комплекты и наборы оборудования, которые можно объединять в единую систему. Сюда входят:

  • блок микроконтроллера;
  • беспроводные выключатели;
  • датчики дыма, движения, температуры, открытия;
  • управляемые розетки с контролем состояния;
  • пульт дистанционного управления или иное средство коммуникации с пользователем;
  • сигнализаторы;
  • модемы или роутеры, позволяющие вывести информацию из системы в сеть;
  • камеры видеонаблюдения;
  • блоки бесперебойного питания.

Возможности контроля таких систем достаточно широки и могут выражаться не только в реакции на нажатие физического выключателя или кнопки на пульте. Доступно начальное программирование функций (времени включения, расписания) и проверка происходящего через сеть.

Пример интерфейса «умного дома»

Объем сервисных возможностей, предоставляемых комплексами такого класса, непосредственно зависит от их стоимости и бренда. Доступно расширение начальной комплектации дополнительными устройствами от производителя, ориентированными на интеграцию в конкретную систему.

Распространенные комплексы выполняют контроль оборудования по нескольким физическим интерфейсам, каждый из которых имеет определенные плюсы и минусы в установке с использованием. Речь идет о проводных и беспроводных коммуникациях. Кроме того, управление может осуществляться на уровне одного микроконтроллера или быть распределенным по различным «умным» элементам. В последнем случае система не сильно зависит от центра, который осуществляет только объединяющую функцию.

Если у вас частный дом, то рекомендуем ознакомиться с тем, как делается умная теплица на Ардуино, чтобы автоматизировать как можно больше обязанностей.

Модели умных домов, представленные на рынке

Бренд/название Комплектация Коммуникации Удаленное управление/контроль Расширение уст-ми производителя Пульт *Универсальность Цена (руб)
Xiomi Smart Home Suite Контроллер, замаскированный под настольную лампу, датчики открытия и движения, умная розетка и беспроводная кнопка включения Проводные Приложение Mi Home Есть Нет Нет 5000
Redmond Smart Home Продается раздельно, собирается во едино с основой в виде модуля skycenter Bluetooth Приложение Ready for Sky Есть Есть Нет
Vstarcam E27AR-TZ1V Умная камера (по совместительству контроллер), датчики движения и открывания дверей, светильник и управляемая розетка ИК Приложение на мобильный телефон, электронная почта Есть Есть Нет 12000
NooLite mini kit Приложение на мобильный телефон Есть Есть Есть 14000
Fibaro starter kit Контроллер, БП, Датчики в комплекте: освещенности, движения, температуры, протечки, открытия Веб-интерфейс, приложение смартфона Есть Есть Есть 50000
Wulian Smart Home Дизайнерский контроллер Радио Приложение Есть Нет Есть

* Универсальность — подразумевает подключение внешних устройств не только через розетку, но и иные контроллеры. К примеру, внешние реле времени или силовые повторители.

Резюмируя

Оборудовать свое жилище или небольшой офис системами умного дома доступно любому человеку. Выполнить конструкцию можно своими руками на основе микроконтроллеров, датчиков и исполняющих устройств. Или купить готовый комплект от производителей. В последнем случае система получиться сильно дороже, тем не менее она гораздо проще в размещении и уже спроектирована, как единое целое.

Видео по теме

Добавить комментарий Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector
Кнопка - вверх