Интеллектуальные дома на базе Arduino: проектирование и организация автоматизированного пространства

Эволюция технологий автоматизации привела к появлению сложных систем, способствующих улучшению качества жизни. На сегодняшний день множество именитых производителей электроники и программного обеспечения предлагают готовые решения для разнообразных объектов.

Несмотря на это, даже новички могут самостоятельно разработать и создать «умный дом» на базе Arduino. Важно лишь освоить основные принципы и не бояться пробовать что-то новое.

В данной статье мы изучим основные принципы разработки и функциональные возможности умного дома, построенного на Arduino, а также рассмотрим используемые платы и ключевые модули системы.

Разработка систем на платформе Arduino

Arduino представляет собой платформу для проектирования электронных устройств с различными методами управления: автоматическим, полуавтоматическим и ручным. Концепция системы основывается на модульном принципе, где каждому элементу соответствует четкий набор правил взаимодействия. Система является открытой, что дает возможность сторонним разработчикам вносить свой вклад в ее развитие.

Классический «умный дом» включает автоматические блоки, выполняющие следующие задачи:

• сбор данных через датчики;
• обработка информации и принятие решений с помощью программируемого микроконтроллера;
• реализация решений через команды к различным устройствам.

Ключевым преимуществом платформы Arduino является ее открытость для выбора компонентов пользователем, что обеспечивает большой ассортимент, позволяя реализовать практически любую идею.

Рекомендуем ознакомиться с самыми актуальными умными устройствами для ваших нужд.

Для изучения работы с Arduino можно приобрести стартовый набор (Starter Kit) на сайте производителя. Обратите внимание, что знание технического английского языка необходимо, так как документация отсутствует на русском языке.

Среди разнообразия подключаемых устройств, важным аспектом является среда программирования, построенная на языке C++. Пользователь может как использовать готовые библиотеки, так и самостоятельно программировать реакции компонентов на возникающие события.

Основные компоненты плат Arduino

Ключевым элементом системы «умный дом» служит одна или несколько центральных (материнских) плат, отвечающих за координацию работы всех компонентов. Прежде чем выбрать основной узел системы, важно определить задачи, которые необходимо будет решить.

Материнская плата включает следующие элементы:

• Микроконтроллер (процессор). Его основное назначение заключается в том, чтобы выдавать и измерять напряжение на портах в диапазоне от 0 до 5 или 0-3.3 В, запоминать данные и выполнять вычисления.
• Программатор (возможно, не представлен на всех платах). Это устройство используется для загрузки программы в память микроконтроллера, согласно которой функционирует «умный дом». Соединяется с компьютером, планшетом или смартфоном через USB-порт.
• Стабилизатор напряжения. Необходимый элемент, обеспечивающий питание всей системы при 5 вольтах.

Под брендом Arduino производится несколько типов плат, которые различаются по форм-фактору (размерам), количеству портов и объему памяти. Выбор устройства стоит делать на основании этих характеристик.

Рекомендуется приобретать платы Arduino и соответствующие шилды у официального производителя, так как они имеют высокое качество, по сравнению с совместимыми устройствами из Китая.

Существуют два типа портов:

Эти порты обеспечивают связь микроконтроллера с подключенными устройствами. Каждый порт может использоваться как для приема, так и для передачи сигналов. Цифровые порты с пометкой «pwm» предназначены для сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Перед покупкой платы стоит приблизительно оценить загрузку устройства рядом различных компонентов, чтобы понять, сколько портов различных типов потребуется.

Следует учесть, что система «умный дом» не обязательно должна быть организована вокруг одной материнской платы. Например, такие функции, как автоматическое включение внешнего освещения в зависимости от времени суток или поддержание уровня воды в накопителях, могут работать независимо друг от друга.

Во избежание потенциальных проблем с работой электронной системы, разумно распределить независящие задачи по разным блокам, что концепция Arduino позволяет сделать легко. Объединение множества устройств на одной плате может привести к перегреву микропроцессора, конфликтам программного обеспечения и затруднениям при выявлении и устранении неисправностей.

Соединение многообразия устройств с одной платой чаще применяется в робототехнике, где важна компактность. Для «умного дома» будет целесообразнее использовать отдельные платы для различных задач.

Каждый микропроцессор располагает тремя видами памяти:

• Flash Memory. Основная память, где хранится управляющий код системы. Небольшую часть (от 3 до 12%) занимает загруженная программа (bootloader).
• SRAM. Оперативная память, предназначенная для временных данных, необходимых в процессе работы. Обладает высокой скоростью обработки.
• EEPROM. Медленная память, также предназначенная для хранения данных.

Ключевое различие типов памяти состоит в том, что после отключения питания информация, хранящаяся в SRAM, теряется, тогда как в EEPROM остается. Однако у энергонезависимой памяти есть недостаток — ограниченное количество циклов записи, что следует учитывать при разработке собственных приложений.

В отличие от использования Arduino в робототехнике, большинство задач «умного дома» не требуют большого объема памяти как для программ, так и для хранения данных.

Типы плат, используемых для создания умного дома

Далее рассмотрим основные типы плат, которые чаще всего применяются при создании систем «умного дома».

Тип #1 — Arduino Uno и её производные

В системах «умного дома» наиболее часто используются платы Arduino Uno и Arduino Nano, так как обладают достаточным функционалом для решения большинства стандартных задач.

Полноразмерные платы функционируют при напряжении 7-12 В, что предоставляет множество преимуществ, включая длительную автономную работу на стандартных батареях или аккумуляторах.

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 была выпущена модификация — Uno Wi-Fi, оснащённая встроенным модулем ESP8266 для обмена данными с другими устройствами по стандарту 802.11 b/g/n.

Arduino Nano, в отличие от более крупной модели, не имеет собственного гнезда питания на 12 В, что уменьшает размеры устройства и позволяет его удобно размещать в ограниченных пространствах. Также стандартный USB-порт был заменен соответствующим чипом и mini-USB кабелем. В сравнении с Uno, в Arduino Nano на 2 аналоговых порта больше.

Еще одна модификация платы Uno — Arduino Mini. Она еще меньше, чем Nano, и с ней сложнее работать. Во-первых, отсутствие USB-порта создает сложности с программированием, так как для этого требуется USB-Serial Converter. Во-вторых, плата более требовательна к питанию — необходим диапазон напряжения 7-9 В.

Из-за перечисленных причин Arduino Mini редко используют в «умных домах». Чаще её применяют в робототехнике или в рамках завершенных проектов.

Тип #2 — Arduino Leonardo и Micro

Плата Arduino Leonardo похожа на Uno, но обладает большей мощностью. Интересной особенностью является то, что при подключении к компьютеру она определяется как клавиатура, мышь или джойстик. Поэтому её часто используют для создания уникальных игровых устройств и симуляторов.

Размеры и габариты моделей Uno, Leonardo и их миниатюрных аналогов не всегда соотносятся между собой логично — «нано» не обязательно является самой маленькой моделью.

Основные характеристики 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 приведенного списка, у Leonardo большее количество портов, что позволяет подключать к ней больше датчиков.

Существует также отлично соответствующий по характеристикам мини-аналога Leonardo — Arduino Micro. Здесь тоже отсутствует питание от 12 В, а вместо стандартного USB-порты используется чип для подключения через mini-USB.

Модификация Leonardo, получившая название Esplora, является чисто игровой моделью и не подходит для «умного дома».

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

Иногда для «умных домов», построенных на базе Arduino, требуется высокая вычислительная мощность, которую не могут обеспечить 8-битные микроконтроллеры. Такие задачи, как распознавание голоса или изображений, требуют наличия мощного процессора и увеличенного объема оперативной памяти.

Для решения таких специфических задач рекомендуются более мощные платы, работающие в соответствии с концепцией Arduino. Количество портов на них аналогично платам Uno и Leonardo.

Arduino 101 обладает такими же размерами, как модели Uno и Leonardo, однако его масса почти вдвое больше из-за наличия двух USB-портов и дополнительных чипов.

Одной из самых удобных и эффективных плат является Arduino 101, обладающая следующими характеристиками:

• микропроцессор: Intel Curie (32 бит, 32 МГц);
• память flash: 196 КБ;
• SRAM: 24 КБ;
• EEPROM: отсутствует.

Кроме того, эта плата поддерживает функциональность BLE (Bluetooth Low Energy), что позволяет легко подключать готовые устройства, такие как датчики сердечного ритма, получать метеоинформацию и отправлять текстовые сообщения. Также в устройство встроены гироскоп и акселерометр, которые, как правило, применяются в робототехнике.

Существует и другая аналогичная плата – Arduino Zero, со следующими параметрами:

• микропроцессор: SAM-D21 (32 бит, 48 МГц);
• память flash: 256 КБ;
• SRAM: 32 КБ;
• EEPROM: отсутствует.

Одной из характеристик данной модели является встроенный отладчик (EDBG), упрощающий выявление ошибок в процессе программирования платы.

При написании большого кода, даже квалифицированные разработчики могут столкнуться с ошибками. Для их нахождения используют отладчик.

Arduino MKR1000 – еще одна вариация, которая подходит для сложных вычислений. Она имеет такой же микропроцессор и память, как Zero, но с отличием – встроенный Wi-Fi-модуль на базе протокола 802.11 b/g/n и крипто-чип на поддержку алгоритма SHA-256 для защиты данных.

Вид #4 — модели Mega

Когда необходимо использовать множество датчиков и контролировать множество устройств, такие как автоматические системы климат-контроля, требуется большая функциональность.

Для каждой зоны нужно контролировать два температурных датчика (второй из которых служит контрольным) и регулировать положение заслонки, регулирующей поток теплого воздуха в соответствии с алгоритмом.

Если в коттедже больше 10 таких зон, для управления всей системой потребуется свыше 30 портов. Хотя можно использовать несколько плат типа Uno под общим управлением, это усложняет подключение. В данной ситуации более разумно применять платы семейства Mega.

Размеры плат Mega (101.5 x 53.4 см) больше, чем у предыдущих моделей, что связано с необходимостью разместить множество портов на плате.

Плата Arduino Mega основана на простом 8-битном микропроцессоре aTMega1280 с тактовой частотой 16 МГц.

Она имеет увеличенный объём памяти:

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

Однако ее основное преимущество заключается в многочисленных портах:

• число цифровых портов: 54;
• в их числе с функцией ШИМ: 15;
• число аналоговых портов: 16.

Существуют и две современные версии данной платы:

• Mega 2560, имеющая микропроцессор aTMega2560, выделяющаяся большим объемом flash памяти – 256 КБ;
• Mega ADK, которая, помимо микропроцессора aTMega2560, оснащена USB-интерфейсом для подключения к устройствам на Android.

У модели Arduino Mega ADK имеется одна особеность: если к USB-порту подключить телефон, и ему будет требоваться зарядка, он попытается получать её от платы. Поэтому существует дополнительное требование к источнику питания – сила тока должна составлять 1,5 ампера. Это условие следует учитывать при питании от батареек.

Для автономного питания Arduino можно использовать аккумуляторы или батарейки. Смещая последовательное и параллельное соединение, возможно добиться нужного напряжения и продолжительности работы.

Модель Due также выделяется среди Arduino, сочетая мощля микропроцессора и большое количество портов.

Ее характеристики:

• микропроцессор: Atmel SAM3X8E (32 бит, 84 МГц);
• число цифровых портов: 54;
• из них с функцией ШИМ: 12;
• число аналоговых портов: 14;
• память flash: 512 КБ;
• SRAM: 96 КБ;
• EEPROM: отсутствует.

Аналоговые контакты этой платы могут работать как в стандартном 10-битном разрешении, характерном для Arduino, так и в 12-битном, что обеспечивает более высокую точность сигнала.

Характеристики взаимодействия модулей через порты

Каждый модуль, подключаемый к плате, имеет минимум три вывода: два из них предназначены для питания, то есть «земля» и выход постоянного напряжения (5 или 3.3 В), а третий – логический, предназначенный для передачи данных к порту. Для подключения модулей используются специальные проводники, сгруппированные по три, известные как джамперы.

Так как на обычных моделях Arduino имеется только один порт для напряжения и один-два порта для «земли», для подключения нескольких устройств необходимо либо паять провода, либо использовать макетные платы.

На макетной плате можно подключать не только питание и выходы Arduino, но и другие элементы — например, резисторы, регистры и т.д.

Пайка обеспечивает большую надежность и применяется в устройствах, подверженных физическим воздействиям, таких как управляющие платы для роботов и квадрокоптеров. Для систем умного дома лучше подойдет использование макетных плат, так как это проще как в установке, так и в демонтаже модулей.

У некоторых моделей (например, Arduino Zero и MKR1000) рабочее напряжение составляет 3.3 В, поэтому применение более высокого напряжения может повредить плату. Вся информация о питании указана в технической документации на устройство.

Дополнительные платы (шилды)

Для расширения возможностей основных плат используются шилды (Shields) — вспомогательные устройства, которые увеличивают функционал. Они разрабатываются под конкретный форм-фактор, что отличает их от модулей, которые подключаются к портам. Шилды более дороги, чем модули, но в работе с ними проще. Также они поставляются с готовыми библиотеками кода, что ускоряет разработку индивидуальных управляющих программ для «умного дома».

Шилды Proto и Sensor

Эти два стандартных шилда не вносят каких-либо особых функций и предназначены для более компактного и удобного подключения множества модулей.

Proto Shield представляет собой почти полную копию оригинальной платы по количеству портов, и в центре модуля можно крепить макетную плату, что упрощает сборку конструкции. Такие расширения совместимы со всеми полноформатными платами Arduino.

Proto Shield устанавливается сверху материнской платы и немного увеличивает высоту конструкции, при этом значительно экономя пространство в горизонтальной плоскости.

Однако, если устройств более 10, лучше воспользоваться более дорогими коммуникационными платами Sensor Shield.

На них нет брэдборда, зато ко всем выводам портов подведены отдельные провода для питания и «земли», что предотвращает путаницу в проводах и перемычках.

Поверхность Sensor Shield совпадает с материнской платой, однако на шилде отсутствуют чипы, конденсаторы и другие компоненты, что освобождает пространство для подключения.

На этой плате имеются разъёмы для простого подключения нескольких модулей, таких как Bluetooth, SD-карты, RS232 (COM-порт), радиомодулей и ультразвуковых датчиков.

Подключение дополнительных функций

Шилды с заранее интегрированным функционалом предназначены для решения сложных, но типичных задач. Для реализации более оригинальных идей лучше выбирать соответствующий модуль.

Motor Shield. Этот модуль предназначен для управления скоростью и направлением маломощных двигателей. Оригинальная версия оборудована одним чипом L298 и может одновременно работать с двумя моторами постоянного тока или одним сервоприводом. Существует и совместимая версия от стороннего производителя, оснащенная двумя чипами L293D, что позволяет управлять вдвое большим количеством приводов.

Relay Shield. Часто используемый модуль для систем «умный дом». Плата содержит четыре электромеханических реле, каждое из которых поддерживает ток до 5А. Этого достаточно для автоматического управления мощными приборами или освещением, рассчитанным на переменный ток 220 В.

LCD Shield. Позволяет выводить данные на встроенный экран, который можно модернизировать до TFT-дисплея. Это дополнение часто используется для создания метеостанций, контролирующих температуру в различных помещениях, а также внешнюю температуру, влажность и скорость ветра.

На LCD Shield имеются кнопки, позволяющие настраивать прокрутку информации и выбирать действия для передачи команд микропроцессору.

Data Logging Shield. Основной задачей этого модуля является запись данных с датчиков на полноразмерную SD-карту объемом до 32 ГБ с поддержкой файловой системы FAT32. Для использования с микро-SD-картами потребуется адаптер. Этот шилд можно применять как для хранения информации, например, данных с видеорегистратора. Производитель – американская компания Adafruit Industries.

SD-card Shield. Более простая и доступная версия предыдущего модуля. Такие шилды производятся многими компаниями.

EtherNet Shield. Официальный модуль, позволяющий connect Arduino к интернету без использования ПК. Включает слот для микро-SD-карты, что дает возможность записывать и отправлять данные по всему миру.

Wi-Fi Shield. Данный модуль обеспечивает возможность беспроводной передачи данных с опцией шифрования, служит для подключения к интернету и управления устройствами через Wi-Fi.

GPRS Shield. Обычно этот модуль используется для связи между системой «умного дома» и её владельцем с помощью отправки SMS-сообщений на мобильный телефон.

Компоненты для «умного дома»

Возможность интеграции модулей от других производителей и их использование с помощью встроенного языка программирования является главным достоинством открытой платформы Arduino в сравнении с традиционными решениями для «умного дома». Главное — наличие описаний сигналов, которые модули отправляют или принимают.

Методы получения данных

Информация может вводиться через цифровые или аналоговые порты, что зависит от типа кнопки или датчика, которые передают данные на плату.

Для программного обеспечения цифровой сигнал отражает состояния «0» и «1», тогда как аналоговый сигнал представляет собой диапазон значений, зависящий от своих характеристик.

Сигнал к микроконтроллеру может поступать от пользователя двумя способами:

• Нажатие клавиши. В этом случае сигнал идет к цифровому порту, который получает значение «0», если кнопка отпущена, и «1», когда кнопка нажата.
• Вращение ручки потенциометра или движение рычага. Здесь сигнал отправляется в аналоговый порт, где напряжение передается через аналогово-цифровой преобразователь, после чего данные поступают к микроконтроллеру.

Кнопки используются для запуска определенных процессов, таких как включение и выключение света, отопления или вентиляции. Вращающиеся ручки позволяют регулировать интенсивность, например, повышая или понижая яркость освещения, громкость или скорость вентилятора.

Потенциометры являются простыми и недорогими инструментами, основные параметры которых — электрическое сопротивление и угол поворота.

Для автоматического определения условий окружающей среды и контроля различных событий применяются датчики.

Наиболее востребованные в системах «умного дома» датчики включают:

• Датчик звука. Цифровые модели могут задействоваться для активации событий через звук, в то время как аналоговые версии позволяют обработку звуковых сигналов.
• Датчик света. Эти устройства могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах; инфракрасные датчики можно использовать для систем пожарной сигнализации.
• Датчик температуры. Существуют различные варианты для использования как в помещениях, так и на улице; у уличных моделей повышена защита от влаги. Также есть выносные устройства на проводе.
• Датчик влажности. Для закрытых помещений подходит модель DHT11, а для наружных условий — более дорогая DHT22. Оба устройства могут также измерять температуру и подключаются к цифровому порту.
• Датчик давления воздуха. Для системы Arduino прекрасно подходят аналоговые барометры от производителя Bosh: bmp180, bmp280, которые также контролируют температуру. Модель bme280 можно считать метеостанцией, так как она дополнительно измеряет влажность.
• Датчики движения и присутствия. Эти устройства предназначены для систем безопасности и автоматического управления освещением.
• Датчик дождя. Реагирует на попадание влаги на его поверхность и может использоваться для активации сигнализации в случае утечки воды.
• Датчик тока. Применяется для выявления неисправных электроприборов (например, перегоревших ламп) и контроля напряжения для предотвращения перегрузок.
• Датчик утечки газа. Используется для определения повышенной концентрации пропана.
• Датчик углекислого газа. Служит для определения CO2 в помещениях и, например, в винных погребах, где происходит ферментация.

Существует много различных датчиков для решения специализированных задач, включая измерения веса, скорость потока воды, расстояние, влажность почвы и многое другое.

Некоторые датчики, такие как анемометры для оценки скорости и направления ветра, являются сложными электромеханическими устройствами.

Многие датчики и сенсоры можно создать самостоятельно, используя простые компоненты, что будет экономически выгоднее. Однако такой подход требует времени на калибровку по сравнению с готовыми изделиями.

Управление устройствами и системами

Помимо сбора и анализа данных, «умный дом» должен реагировать на различные ситуации. Наличие современной электроники в бытовых приборах позволяет управлять ими напрямую через Wi-Fi, GPRS или Ethernet. Обычно для систем на базе Arduino используется связь между микроконтроллером и высокотехнологичными устройствами через Wi-Fi.

Чтобы с помощью Arduino осуществить включение кондиционера при повышении температуры в помещении, заблокировать телевизор и интернет в детской ночью или запустить отопительный котел на время прихода владельцев, необходимо выполнить несколько действий:

1. Установить модуль Wi-Fi на основную плату.
2. Найти свободные каналы частот, чтобы избежать конфликтов с другими системами.
3. Познакомиться с командами приборов и прописать необходимые действия (либо воспользоваться готовыми библиотеками).

Кроме взаимодействия с электронными устройствами, иногда возникает необходимость в осуществлении механических действий. Например, можно подключить сервопривод или редуктор, который будет питаться от платы.

Сервоприводы состоят из моторчика и нескольких редукторов, поэтому, несмотря на низкий входной ток (обычно 5 В), способны создавать значительную мощность, достаточную, например, для открытия окна.

При необходимости подключения мощных устройств, работающих от внешнего питания, существуют два основных способа:

1. Использование реле в цепи.
2. Подключение силового MOSFET ключа и симистора.

Электромагнитное или твердотельное реле, включаемое в электрическую схему, замыкает или размыкает провод по команде от микроконтроллера. Основной параметр реле — максимальная допустимая сила тока (например, 40 A), которая может проходить через устройство.

Что касается подключения силового MOSFET ключа для постоянного тока и симистора для переменного, то их характеристикам свойственны меньшие значения тока (5-15 A), однако они способны плавно регулировать нагрузку. Это свойство позволяет использовать ШИМ-порты на платах для настройки яркости света, скорости вентиляторов и прочего.

Посредством реле и силовых ключей можно полностью автоматизировать все электроцепи в доме и запускать генератор в случае отключения электроэнергии. Таким образом, на базе Arduino возможна реализация автономного управления квартирой или зданием, включая важнейшие функции — отопление, водоснабжение, водоотведение, вентиляцию и охранные системы.

Хотите сделать ваш дом более интеллектуальным, но не знакомы с программированием? В таком случае рекомендуем обратить внимание на готовые решения от Xiaomi и Apple, которые легко устанавливаются и настраиваются даже новичкам. Команды можно вводить и контролировать выполнение с помощью смартфона.

Детальную информацию о «умном доме» от Xiaomi и Apple ожидайте в следующих статьях:

• Умный дом Xiaomi: проектирование, обзор основных компонентов и рабочих узлов
• Умный дом Apple: особенности управления системами от компании “яблоко”

Заключение и полезные видео по теме

Пример простой конструкции для «умного дома», собранной собственноручно:

Открытая платформа Arduino позволяет использовать компоненты различных производителей, что дает возможность легко создать систему «умного дома» согласно индивидуальным требованиям. Таким образом, если у вас есть даже небольшие навыки программирования и работы с электроникой, стоит обратить внимание на эту платформу.

Вы уже имеете опыт работы с Arduino и хотите поделиться им с новичками? Или, возможно, у вас есть дополнения и советы к приведённой информации? Оставляйте свои комментарии под этой статьей.

Если у вас появились вопросы по созданию системы автоматизированного дома на базе Arduino, задавайте их нашим экспертам и другим пользователям сайта в комментариях ниже.