Что такое «умный дом» на базе Arduino?

В последнее время все чаще инновационные технологии проникают в различные сферы нашей жизни. Их использование позволяет существенно повысить комфорт и экономит время человека на выполнении различных задач. Сегодня мы коснемся темы так называемых «умных домов» и расскажем об их особенностях, преимуществах, минусах и технологии создания.

Если разбираться в термине «умный дом», то наиболее близким аналогом, который будет понятен большинству людей, является фраза «домашняя автоматизация». Смысл таких вещей состоит в обеспечении автоматического осуществления разных процессов, которые происходят в помещении. Использовать такой механизм можно не только в жилых домах, но и в офисах, а также на различных объектах специализированного назначения.

Первой особенностью, о которой следует сказать, будет возможность сбора системы наподобие конструктора. Она представляет собой наличие центрального элемента на платформе Arduino, представленного центральным контроллером, куда стекается вся информация от различных систем, установленных в доме. И по мере возможности допустимо добавлять новые компоненты в систему – управлять светом в различных комнатах, оповещать владельца о возникновении различных непредвиденных ситуаций, контролировать климатические условия, следить за инженерными механизмами.

Но следует понимать, что четких представлений, какие компоненты и механизмы должны быть в подобной системе – нет. То есть, это концепция, а не определенный продукт. При необходимости можно поставить какую-то одну систему, а остальные нет. То есть начинаем с чего-то малого и по мере необходимости наращиваем функционал дома, получая новые возможности в сфере управления жилищем. Одной из самых значимых особенностей является возможность интеллектуального управления освещением. Применение подобной системы в быту позволяет серьезно сэкономить ресурсы, ведь освещение включается исключительно тогда, когда человек находится в каком-то помещении.

Следующая особенность – контроль микроклимата в помещении. Описываемый механизм имеет не меньшую важность. Например, автоматизация отопления будет крайне важной не только для экономии в холодное время года, но и чтобы включить отопление в нужный момент, ведь не всегда есть возможность сделать его активным при резком понижении температурного режима. Если у вас имеется автономное отопление на основе котла, то при наличии термодатчиков и механизма контроля газоутечек в случае внештатной ситуации владелец будет оповещен и сможет оперативно отреагировать на нее в режиме реального времени.

Еще одно преимущество – техническая оснащенность различных систем. С установкой автоматики владелец дома получает возможность выполнять различные действия: опускать жалюзи, включать экран телевизора или медиапроигрывателя. Подключив эти и другие системы к общему механизму, можно реально создать условия для активации того или иного устройства при помощи нажатия всего одной клавиши.

Следующая особенность – система безопасности. Механизм «умного дома» поднимает на новый уровень защиту от проникновения в дом непрошенных гостей в отсутствие хозяев. Дом просто трансформируется практически в неприступный объект. Более того, система может имитировать эффект присутствия в доме путем включения и выключения света, а камеры наблюдения передают хозяину актуальную информацию об активности в доме или прилегающей территории, что позволяет сэкономить на охране. Система имеет еще целый ряд средств, которые позволят обезвредить нарушителя, если в этом есть необходимость.

И последняя особенность, о которой хочется сказать – простое и доступное управление. Несмотря на свой огромный функционал, описываемой системой может управлять даже ребенок. Обычно для этого используется небольшой пульт дистанционного управления с традиционными переключателями и специальными панелями. Кроме того, управлять механизмами можно с ПК или мобильного устройства. А в последние годы внедряются и так решения, как управление голосом. Как можно убедиться, у такой системы есть масса особенностей, которые делают ее отличным комплексным решением для дома или любого другого объекта.

Сегодня появилось большое количество модификаций и комплектаций на базе Arduino, где рассматриваемая система может быть реализована. Большое количество компаний, производящих такие механизмы, делают контроллеры уже со встроенными системами Wi-Fi и Bluetooth, что позволяет управлять системой в пределах помещения через мобильный. Существуют и решения, где управление осуществляется по интерфейсу типа Ethernet, речь идет о проводном способе при помощи оптоволоконных кабелей через домашнюю сеть локального типа. В подобные решения обычно добавляются коммутаторы, а также роутеры типа Wi-Fi, что позволяет осуществлять беспроводное подключение, если иное не предусмотрено самим контроллером.

Подключение обычных ручных выключателей можно осуществляться на центральный контроллер двумя методами:

• при помощи электрической проводки;
• по беспроводной технологии.

Как можно убедиться, существует большое количество составных частей «умного дома».

Обычно система состоит из следующих узлов, которые могут быть представлены разного рода устройствами:

• центральный системный контроллер, обычно представленный главным узлом, а также дискретными выводо-вводными модуляторами;
• устройства расширения и связи, куда входят роутеры, различные коммутаторы, а также модули GPS и GPRS;
• приборы, отвечающие за коммутацию электроцепи – реле, диммеры и блоки питания;
• приборы исполнения – различного рода клапаны (воды, газа);
• части системного управления – сенсорные панели, планшеты, карманные персональные компьютеры, а также пульты;
• различные измерительные части – приборы, датчики и сенсоры (речь идет о датчиках света, температуры и движения).

Подбирая оборудование для механизма на базе Arduino, необходимо брать в расчет, какой метод передачи информации будет использовать конкретная система. В качестве примера можно привести довольно распространенный стандарт EIB\KNX. Здесь обычно применяются электросети силового типа, компьютерные сети, а также радиоканалы. В то же время существует стандарт Х10, где для передачи информации используется обычная бытовая сеть переменного тока с напряжением 230 вольт.

Говоря о достоинствах «умного дома» на базе Arduino, следует отметить следующие моменты.

• Большие возможности в плане настройки работы всего механизма. То есть пользовать может самостоятельно написать программу, что может выполнить алгоритмы различного уровня сложности.
• При желании система может работать автономно по причине наличия собственного контроллера.
• Загрузить программу не составляет труда из-за того, что программатор для этого не нужен, а все осуществляется при помощи USB-интерфейса, так как в микроконтроллере просто осуществляется прошивка бутлоадера.
• Довольно невысокая цена составных частей системы. Это является следствием того, что у различных производителей нет монопольных прав. По этой причине архитектура Arduino относится к разряду открытых.

• Наличие открытого исходного кода, что дает возможность пользователю напрямую управлять механизмом умного дома.
• Доступность в том, что пользователь сам выбирает, какие датчики и механизмы ему необходимы.
• Универсальность и возможность реализации самых интересных идей. Инструкции или стандарта, каким должен быть «умный дом» на базе Arduino, не существует. Это значит, что пользователь может сделать систему такой, какой он хочет, так как владелец не ограничен ничем в плане монтажа датчиков в спальне или кухне.
• Возможность самостоятельной прошивки загрузчика.
• Наличие штыревого разъема у процессорных плат Arduino, что позволяет делать программирование уже внутри системы.

Как и любого механизма, у данной системы имеются и кое-какие недостатки.

• Несмотря на открытость системы, для того, чтобы ее освоить и успешно ею пользоваться, понадобятся знания из целого ряда специфических сфер, включая такие, как программирование, ремонт и электроника.
• Необходимость потратить немалое количество времени для реализации и настройки собственного проекта, так как каждый проект по своей сути является уникальным и может мало в чем повторять другие.
• Трудности в непосредственной настройке Arduino по причине того, что этот механизм работает лишь с небольшим количеством операционных систем.
• Существование вероятности наличия сбоев в программном обеспечении, что может привести к проблемам или неработоспособности той или иной команды. По этой причине следует время от времени делать диагностику исправности оборудования.

• Излучения различных типов, которые неизбежны при таком алгоритме управления.
• Необходимость отведения места под специальный шкаф, где будет расположено дополнительное оборудование и провода.
• Если управление осуществляется при помощи сети интернет, то данные, что передаются между компонентами механизма могут быть перехвачены злоумышленниками. Частичным решением проблемы станет исключительно защищенное соединение. Но для его обеспечения потребуется вложить немало средств в модернизацию оборудования.

Создание любой системы умного дома на базе Arduino стартует с создания проекта. При его разработке следует понимать, какие именно функции и задачи должна выполнять система.

Обычно проект на базе решения Arduino Uno предполагает решение следующих задач.

• Отслеживание погодных условий за окном и температуры в помещении и, как следствие, адекватная реакция на их изменение. Устройство обычно становится элементом единой системы вместе с отопительными, вентиляционными приборами и иными устройствами.
• Мониторинг состояния окон и дверей – закрыты они или открыты.
• Генерирование звукового сигнала при активизации датчика движения, если активна функция сигнализации.
• Автоматическое управление бытовой техникой.
• Контроль потребления электроэнергии, благодаря автоподключению и выключению осветительной техники.
• Обеспечение пожарной безопасности. Механизм подает владельцу сигнал о наличии возгорания или дыма в помещении. Если разработана сложная система, то она может даже вызвать на место пожарных.

• Прихожая. Здесь необходимо автовключение света, когда становится темно на улице, а также создание механизма обнаружения движения. В ночное время обычно активируется лампочка средней мощности, что не должно стать причиной дискомфорта для членов семьи.
• Кухня. Активация и деактивация освещения на кухне осуществляется обычно вручную. Отключение может быть автоматическим, если никто длительное время не ходит по помещению. Если система обнаруживает, что человек начинает приготовление пищи, то автоматически включается вытяжка.
• Крыльцо. Активация осветительных приборов может осуществляться либо при открытии дверей, когда человек выходит из здания, либо же когда хозяин приближается к дому, если на улице уже темно.
• Комната. Включение световых приборов осуществляется вручную, хотя при надобности и наличии датчика движения активация может производиться и в авторежиме.

• Санузел. Говоря об этой комнате, скажем, что здесь обычно все сводится к управлению бойлером. В нем самом есть выключатель питания, когда при достижении определенной температуры воды устройство выключается. Управление водонагревателем будет осуществляться в зависимости от автоматики, которая есть в наличии. Также при входе в санузел можно включать свет и активировать работу вытяжки.

После того как все описанные выше моменты стали максимально ясны, осуществляется подготовка технического задания, куда заказчик вносит любые правки. Когда будет составлен финальный вариант, это станет основой для формирования сметной документации на проведение работ проектного типа.

Обычно проект состоит из следующих компонентов:

• пояснительный документ, где приводится описание различных подсистем;
• схема расположения устройств управления;
• схематический план трасс для кабелей;
• проект размещения устройств в шкафчиках автоматики;
• принципиальные варианты подключения техники в таких шкафах;
• планы подключения техники;
• журнал кабельного типа;
• различные спецификации.

Кроме того, на этапе формирования проекта осуществляется расчет цены «умного дома».

Зависеть цена будет от таких факторов:

• количество устройств;
• выбранное оборудование и подсистемы.

Следует сказать, что этапы создания системы «умного дома» с привлечением специалистов или же своими руками будут одинаковыми. Правда, в последнем случае готовый вариант в целом обойдется существенно дешевле, чем если привлекать специалистов, которых на рынке и так не хватает. По этой причине зарплаты у них будут соответствующими, а значит, если вы не хотите тратить лишние средства, то можно обойтись собственными силами. Итак, начнем с комплектующих для этой системы, если вы решили все-таки создавать ее самостоятельно.

Если говорить о комплектации системы, то технология будет включать в себя следующий набор компонентов:

• датчик движения;
• датчик температуры и влажности;
• датчик освещенности;
• пара температурных датчиков с маркировкой DS18B20;
• Ethernet-модуль марки ENC28J60;
• микрофон;
• переключатель язычкового типа;
• реле;
• кабель типа «витая пара»;
• кабель категории Ethernet;
• резистор, имеющий сопротивление 4,7 килоома;
• микропроцессорная плата Arduino.

Следует сказать, что умный дом должен быть оснащен исключительно светодиодными лампочками, так как обычные варианты просто могут не выдержать большого напряжения. Когда проект будет готов, а все нужные запчасти уже приобретены, следует начать подключение датчиков и контроллеров. Делать это необходимо исключительно по схеме, созданной ранее. Контакты необходимо полностью заизолировать.

Если говорить кратко, то поэтапно алгоритм подключения будет выглядеть таким образом:

• установка кода;
• настройка приложения для ПК или мобильного;
• портовая переадресация;
• осуществление тестирования ПО и датчиков;
• устранение неисправностей, если они были выявлены при тестировании.

Итак, начнем с установки кода.

Сначала пользователю следует написать ПО в Arduino IDE. В нем представлены:

• текстовый редактор;
• создатель проектов;
• программа для компиляции;
• препроцессор;
• инструмент для загрузки ПО в мини-процессор Arduino.

Следует сказать, что существуют версии ПО для основных компьютерных ОС – Windows, Linux, Mac OS X. Если говорить об используемом языке программирования, то речь идет о C++ с рядом упрощений. Программы, написанные пользователями для Arduino, обычно называют скетчами. Ряд функций система создает автоматически и пользователю не нужно разбираться в их написании, прописывая список обычных действий. Также нет необходимости вносить файлы заголовочного типа обычных библиотек. Но пользовательские вставлять необходимо.

Добавлять библиотеки в проектный IDE-менеджер можно различными методами. В виде исходников, прописанных на С++, идет добавление в отдельную директорию на рабочей директории IDE-оболочки. Теперь имена необходимых библиотек появляются в определенном IDE-меню. Те, что вы отметите, войдут в компиляционный список. В IDE существует малое количество настроек, а задавать тонкости компилятора вообще нет возможности. Это сделано для того, чтобы несведущий человек не натворил каких-либо ошибок.

Если вы скачали библиотеку, то ее необходимо распаковать и просто вставить в IDE. В программном тексте есть комментарии, которые поясняют принцип ее работы. Следует отметить, что все приложения на Arduino работают по одной технологии: пользователь шлет запрос на процессор, а он, в свою очередь, осуществляет загрузку нужного кода на экран устройства. Когда человек нажимает клавишу Refresh, то микроконтроллер отсылает информацию. С каждой из страниц с определенным обозначением идет программный код, что будет отображаться на экране.

Следующий комплекс действий заключается в установке клиента на персональный компьютер или смартфон. Скачать его можно в интернете, в Google Play Market или из другого источника. Для того чтобы сделать это, необходимо открыть файл на телефоне, который вы скачали, после чего щелкнуть по нему и в появившемся окне нажать на клавишу «Установить». При этом следует знать, что для этого должна быть активирована опция, позволяющая осуществлять установку программ не из сервиса Google Play. Чтобы включить эту опцию, необходимо войти в раздел настроек и выбрать там пункт «Безопасность». Именно так и необходимо активировать соответствующую опцию. Когда установка завершится, то можно будет осуществить активацию приложения и настроить его.

Используя это ПО, можно не только получать информацию от системы, но и осуществлять управление – например, активировать и деактивировать сигнализацию. Если опция активна, то при активации датчика движения программа получит соответствующую информацию. Отметим, что опрос Arduino на активацию датчика движения программа осуществляет с интервалом раз в 60 секунд.

Следующий этап подключения – настройка браузерной программы на использование с «умным домом». В адресной строчке нужно ввести определенную последовательность, которой будет IP-адрес вашего компьютера. После осуществления этого действия пользователю станет доступной возможность получения информации от «умного дома» и возможность управлять им.

После этого можно переходить к работе с маршрутизатором. На нем следует открыть порт.

Осуществить это можно по следующему алгоритму:

• открыть настройки;
• прописать адрес микроконтроллера Arduino;
• открыть восьмидесятый порт.

Теперь следует настроить учетную запись на портале Noip. com. Хотя данный этап необязателен, но в нем есть необходимость, если адресу необходимо дать имя доменного типа. Нужно пройти процедуру регистрации на портале www. noip. com, после чего перейти в категорию Add host и указать IP-системы. После прохождения этой процедуры можно будет получать доступ не только по IP, но и по домену. На этом формирование проекта закончено и можно осуществлять проверку системы на предмет ее работоспособности.

Учитывая, что совестимые с Arduino компоненты выпускаются большим количеством производителей, а сама Arduino не может контролировать продукцию, пользователь сталкивается с вероятностью приобретения компонента, который будет работать, мягко говоря, некорректно. В целом такая ситуация уже существует в сегменте создания персональных компьютеров. Очень давно компания IBM сделала архитектуру своих персональных компьютеров открытой, по причине чего совместимые компьютеры стали производить различные компании.

В то же время качество деталей и степень совместимости упали. В противовес этому можно назвать политику компании Apple, которая существенно ограничила число разработчиков, получивших доступ к ее архитектуре.

Пользователи отметили следующие особенности в работе ряда компонентов Adruino.

• На ряде микропроцессорных решений Arduino при осуществлении замыкания реле, что к ним подключены, ломается порт типа COM. По этой причине микроконтроллер не может осуществить загрузку скетча. При старте этой процедуры оборудование уходит на перезагрузку. Самое интересно, что реле издает щелчок, COM-порт выключается, а скетч не загружается.
• На случай сбоя в деятельности микроконтроллера или же возникновения кодовой ошибки лучше использовать хорошо замкнутые реле, к которым подключены последовательно выключатели ручного типа.
• Датчик закрывания дверей может иногда срабатывать ложно. По этой причине скетч создается так, дабы система осуществляла нужное действие при получении пары-тройки сигналов сразу.
• Для устройства, которое отвечает за противопожарную сигнализацию, лучше всего использовать дымовой датчик, а не огневой. У последнего существует недостаток – он обнаруживает огонь не далее, чем на расстоянии тридцати сантиметров от себя.

• Температурный датчик модели DHT11, который идет в так называемом стандартном наборе, выдает серьезную погрешность на уровне два-три градуса. В постройке лучше использовать модель DHT22, которая существенно точнее. А за окном лучше использовать DHT21. Он может работать даже при минусовой температуре и устойчив к повреждениям механического типа.
• Чтобы настроить управление процессами с помощью хлопков, ряд пользователей по незнанию вместо микрофона берет звуковой детектор, где присутствует настройка порога ручного типа. Для таких целей это устройство не подойдет по причине того, что оно имеет сравнительно небольшой радиус действия. Да и датчик осуществляет передачу сигналов небольшими по времени импульсами. При наличии большого по размеру скетча, обработка которого занимает время, микроконтроллер просто не фиксирует сигналы.

Следует сказать, что для визуализации процессов в рассматриваемой системе можно применять цифровые табло или дисплей на жидких кристаллах. Но это не лучший вариант в рассматриваемом случае. Использовать для визуализации отдельный сервер обрабатывания состояний будет эффективнее всего. Его можно реализовать на Node. js, которая позволяет реализовать какой угодно сервер. Естественно, что речь идет и об обрабатывании состояний платы Adruino.

Данная технология применяется для выполнения задач так называемого интернета вещей, по причине чего для визуализации системной автоматики она подойдет. Необходимо просто создать сервер и обработчик на JavaScript, тогда легко будет отобразить итог в браузере любого устройства. Как аппаратную основу можно применять тот же микрокомпьютер Raspberry Pi либо ПК. Но возможности механизма автоматизации существенно увеличатся. Например, на сервере объем памяти неограничен, да и серверную программу можно создать таким образом, чтобы она управляла всем.

При помощи такого типа сервера можно даже связать вещи между собой. Речь идет о том, чтобы визуализировать автоматические процессы дома при помощи облачных сервисов. Еще один вариант – получение информации и управление системой посредством SMS-сообщений.

О том, что такое «умный дом» на базе Arduino, смотрите в следующем видео.