В данном проекте я покажу, как построить умный дом. Он может контролировать температуру снаружи и внутри помещения, фиксировать открыто или закрыто окно, показывать, идет ли дождь, а также подавать тревожный сигнал, когда сработает датчик движения PIR. Я создал приложение на ОС Android для отображения всех данных (данные можно также просматривать через браузер). Вы сможете видеть температуру в вашем доме и другую информацию с любой точки мира! Приложение переведено на английский и польский язык. Я создал данное устройство, поскольку хотел иметь свой собственный умный дом, которым можно управлять. Вы также сможете построить умный дом из компонентов, рекомендованных ниже. Тогда приступим.

Объяснение сокращений для начинающих:

GND - земля
VCC - питание
PIR – датчик движения

Шаг 1: Компоненты

Стоимость всех компонентов не превышает $90

• Датчик температуры DS18B20 x 2 штуки
• Язычковый переключатель
• Резистор 4.7 кОм
• Кабель, витая пара
• ethernet кабель
• инструменты (паяльник, отвертка)

Шаг 2: Соединения

Схема соединений показана выше.

Шаг 3: Программный код

Сначала вам необходимо загрузить, разархивировать и импортировать данную библиотеку в среду разработки Arduino IDE. Далее потребуется загрузить данную программу в Arduino. В комментариях объясняется программный код.

Шаг 4: Принцип работы

Если вы нажмете на кнопке refresh (обновить) в вашем приложении или в браузере, то Arduino отправит данные в смартфон/браузер. Приложение получает программный код с каждой страницы (/tempin, /tempout, /rain, /window, /alarm) и отображает его на вашем смартфоне.

Шаг 5: Приложения для Android.

Для установки приложения на вашем смартфоне под управлением ОС Android вам необходимо выполнить следующее (это видно на картинках выше):

1. Сначала загрузите файл smartHome.apk
2. Отправьте файл apk на ваш телефон
3. Откройте файловый менеджер и разместите файл smarthHome.apk
4. Щелкните на нем и нажмите установить (вам необходимо установить галочку, которая разрешает устанавливать приложения вне маркета google play)
5. После установки вам необходимо активировать приложение

Шаг 6: Конфигурирование приложения

Я кратко объясню, как работает приложение. Оно отображает все данные из вашего дома. Вы можете нажать на иконку настроек для редактирования вашего IP адреса, и включать и выключать тревожную сигнализацию. Когда вы включаете сигнализацию, то приложение получает данные от активного датчика движения PIR. Если датчик определяет постороннее движение в доме, он посылает уведомление. Приложение получает данные от датчика каждую минуту. В поле IP введите ваш IP-адрес.

Шаг 7: Браузер

Введите в адресной строке браузера ваш ip адрес / all. При этом вы увидите все данные и сможете включать и выключать свет.

Для этих функций вы также можете использовать приложение на Android.

Шаг 8: Переадресация портов

Вам нужно открыть порт на вашем роутере. Войдите в конфигурацию роутера, установите адрес arduino ip и откройте порт 80. Процедура показана на картинке выше.

Система «Умный дом» на Arduino пользуется большим спросом у людей, стремящихся создать максимальный комфорт дома или в офисе.

Ее особенность - в способности управлять различными системами без участия владельца, а суть заключается в объединении электронных устройств в одну сеть для экономии электроэнергии, управления освещением и электроприборами, оповещения о проникновении в дом посторонних лиц и решении других задач.

Одним из главных элементов системы умный дом в рассматриваемом варианте является Arduino. Что это такое? Как он работает? Какие функции выполняет? Все подробно мы рассмотрим в этой статье.

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 : , обзор, комплектация, подключение и настройка своими руками, сценарии.

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 центром» системы «Умный дом» с возможностью конфигурации с учетом поставленных задач.

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 : .

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 .

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.

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.

Составление проекта для умного дома

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо сделать автоматику для дома с одной комнатой.

Такое здание состоит из пяти основных зон - прихожей, крыльца, кухни, санузла, а также комнаты для проживания.

При составлении проекта стоит учесть следующее:

• КРЫЛЬЦО . Включение света производится в двух случая - приближение хозяина к дому в темное время суток и открытие дверей (когда человек выходит из здания).
• САНУЗЕЛ . В бойлере предусмотрен выключатель питания, который при достижении определенной температуры выключается. Управление бойлером производится в зависимости от наличия соответствующей автоматики. При входе в помещение должна срабатывать вытяжка, и загорается свет.
• ПРИХОЖАЯ . Здесь требуется включение света при наступлении темноты (автоматическое), а также система обнаружения движения. Ночью включается лампочка небольшой мощности, что исключает дискомфорт для других жильцов дома.
• КОМНАТА . Включение света производится вручную, но при необходимости и наличии датчика движения эта манипуляция может происходить автоматически.
• КУХНЯ . Включение и отключение света на кухне осуществляется в ручном режиме. Допускается автоматическое отключение в случае продолжительного отсутствия перемещений по комнате. Если человек начинает готовить пищу, активируется вытяжка.

Отопительные устройства выполняют задачу поддержания необходимой температуры в помещении. Если в доме отсутствуют люди, нижний предел температуры падает до определенного уровня.

После появления людей в здании этот параметр поднимается до прежнего значения. Рекуперация воздуха осуществляется в случае, когда система обнаружила присутствие владельца. Продолжительность процесса - не более 10 минут в час.

Стоит обратить внимание, что если в доме планируется установка , то для управления ими лучше использовать приложения на мобильных устройствах, WIFI или через SMS сообщения.

Визуальное программирование для Arduino можно осуществлять с помощью специального приложения FLProg, которое можно скачать с официального сайта http://flprog.ru/.

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 http://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.

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.
  После жмите на кнопку «Пуск» и перейдите в панель управления. Там откройте вкладку «Система и безопасность» и выберите раздел «Система». После открытия окна выберите «Диспетчер устройств», жмите на название Ардуино и с помощью правой кнопки мышки задайте команду обновления драйвера. Найдите строчку «Browse my computer for Driver software!», кликните по ней и выберите соответствующий драйвер для вашего типа платы - ArduinoUNO.inf (находится в папке с драйверами). Это может быть UNO, Mega 2560 или другая.
  
• 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.

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.

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.

В итоге, что мы получим?

Сегодня Arduino востребовано среди людей, которые ничего не знают о программировании.

Причиной этому является простой интерфейс, а также ряд преимуществ - простой язык программирования, возможность создания своего алгоритма, благодаря открытому исходному коду, а также легкость переноса программ с помощью USB-кабеля. Необходимый для Ардуино софт имеется в Интернете, поэтому тут проблем нет.

Как видно, Ардуино - не просто плата, позволяющая подключить различные устройства. Это мощная база, которую можно использовать для создания «Умного дома». При этом нет нужды тратить большие деньги за дорогостоящие устройства, стоимость которых в 5-10 раз больше.

Это и есть основные преимущества системы.

К особенностям платы стоит отнести возможность подключения к компьютеру и получения визуализации процессов на дисплее планшета или ПК.

Управление автоматикой возможно через Интернет или посредством сообщений. Так что Ардуино отлично подходит для создания устройств повышенной сложности.

Если коротко описать принцип действия Ардуино, то все очень просто. Например, при реализации проекта «Умный дом», это устройство работает следующим образом. По всему дому в определенных местах расставлены датчики, которые реагируют на внешнюю обстановку, и передают информацию на микропроцессор, который принимает решение.

Микропроцессор может быть соединен с компьютером, планшетом, ноутбуком, или смартфоном. Программы для ардуино можно легко скачать в интернете. Все комплектующие, разъемы производители выполняют стандартными, для любых подключений. Рассмотрим подробнее, как можно реализовать «Умный дом».

Проектирование «Умного дома»

Техника с каждым годом все глубже проникает в нашу жизнь. Без электроники уже невозможно представить повседневную жизнь, так как техника делает ее намного интереснее и проще.

Любой человек, который имеет хотя бы основные знания электротехники, может самостоятельно изготовить какое-либо полезное для дома устройство. Если в вашей квартире или доме установлены специальные считывающие информацию датчики, которые еще и выполняют различные функции, то это и есть «умный дом».

На практике не все так красиво и волшебно, как в фантастических фильмах, где роботы готовят утренние завтраки, стирают белье и делают в доме уборку. Реальные компьютеры еще далеки от подобного уровня развития.

Датчики «умного дома» всего лишь могут выполнять следующие функции:

• Автоматическое управление бытовыми устройствами. Система сама подключает и отключает чайник, телевизор, микроволновку и другие устройства.
• Обеспечивать пожарную безопасность. Система подает сигнал хозяину о возникновении возгорания, наличия дыма в помещении. В более сложных системах включается не только сигнализация, но и автоматически вызывается пожарная охрана и другие необходимые службы.
• Контроль погоды. Система контролирует и подает сигнал об изменениях погодных условий на улице. Это помогает человеку правильно планировать свой день.
• Контроль климатических условий в помещении. Устройство работает совместно с приборами отопления, вентиляции и другими климатическими устройствами. Ее принцип действия заключается в автоматическом увеличении или уменьшении температуры, влажности и т.д., в зависимости от настройки программы.
• Контроль проникновения на территорию жилого помещения. Система взаимосвязана с датчиками движения, и способна автоматически запирать дверные замки, определять точное число людей, находящихся в помещении.
• Контроль потребления электрической энергии путем автоматического подключения и отключения приборов освещения. В более сложных вариантах систем, осуществляется отключение освещения как с пульта управления, так и автоматическое полное отключение света, при отсутствии хозяина дома.

Квалифицированных специалистов, занимающихся обустройством таких умных домов, не так уж и много. Их услуги стоят немалых денег. Однако эту работу вполне можно выполнить самостоятельно. Вся система состоит из датчиков и контроллеров. Например, для контроля температуры в комнате, установлен датчик, который реагирует на понижение температуры ниже запрограммированного уровня. В этом случае микропроцессор автоматически включает нагревательные устройства. Аналогичные датчики располагают по всему дому, которые выполняют различные функции.

Система контроля достаточно надежна, и редко выходит из строя. В нее заложен открытый программный код, имеется возможность соединения с компьютером. В заводских настройках в микропроцессор заложено несколько стандартных программ. Однако, код этих программ можно легко изменять, и даже заменять на свои собственные проекты.

Работа системы ардуино

Датчики передают информацию на компьютер по беспроводной связи. Эти данные обрабатываются с помощью специальной программы. Далее, подается команда на исполнение определенных действий. Центральную плату можно приобрести или собрать самостоятельно. Все разъемы на плате являются стандартизованными, что облегчает сборку системы.

Необходимые комплектующие

Для самостоятельной сборки потребуются следующие и комплектующие:

• Отвертки.
• Пассатижи.
• Резисторы.
• Реле.
• Датчики.
• Модуль связи.
• Ардуино UNO.

Наборы для аналогичных систем лучше покупать в сертифицированных магазинах, так как использование поддельных элементов очень опасно. Необходимые программы для настройки системы без труда можно найти в интернете.

Датчики необходимо приобрести такие, которые будут соответствовать контролируемым ими параметрам.

Особенности установки ардуино

В системе умного дома целесообразно использовать только энергосберегающие лампы, лучше всего светодиодные. Применение обычных ламп не допускается, так как устройство не рассчитано на такую нагрузку.

После подготовки проекта и приобретения всех комплектующих, можно начинать подключение всех элементов в систему. Все подключения выполняются строго по схеме. Все контакты и соединения необходимо изолировать.

• Инсталляция кода программы.
• Настройка программы для применяемого планшета или компьютера.
• Настройка портов на модуле связи.
• Проверка работоспособности.
• Корректировка кода программы (при необходимости).

Для используемого вами гаджета в интернете скачивают специальную программу, которую затем устанавливают. Скачивать рекомендуется из официальных источников, во избежание сбоев в работе программы. После установки программы компьютер или планшет перезагружают.

Программа должна показывать информацию с датчиков, расположенных в разных помещениях. При необходимости настройки программы можно изменять.

Настройка роутера

На модуле связи (роутере) необходимо открыть порт. Это делается следующим образом:

• Открыть свойства роутера.
• Указать IP-адрес устройства.
• Открыть 80 порт.
• На новый адрес присвоить доменное имя.
• Произвести тестирование работы всей системы.

Для подобных проектов нецелесообразно применять открытый тип IP-адреса, так как такую систему могут взломать хакеры через интернет, и нарушить функционирование системы.

Такие системы «умных домов» способны значительно экономить электрическую энергию. Основным этапом является правильный выбор сертифицированных комплектующих, в противном случае нет гарантии качественной работы системы. Для ардуино существует большое множество готовых программных кодов. Это позволяет легко самостоятельно собрать такую систему.

К настоящему времени системы типа «умный дом» из удивительной экзотики, доступной только самым состоятельным лицам, превратились в обыденность, к которой может приобщиться любой желающий. Выбирать есть из чего: выпуск подобных аппаратно-программных комплексов освоили очень многие разработчики. К числу наиболее известных принадлежит компания Arduino, с продукцией которой мы сейчас и познакомимся.

Что такое «умный дом»

У этого термина есть более понятный аналог - «домашняя автоматизация». Суть подобных решений состоит в том, чтобы обеспечить автоматическое выполнение различных процессов, происходящих в жилище, офисе или на специализированных объектах. Простейший пример - автоматическое включение освещения в тот момент, когда кто-то из жильцов входит в комнату.

Система «умный дом» от Arduino представляет собой комплект оборудования для управления работой различных устройств с помощью мобильного телефона на базе ОС Android

В любой системе «умный дом» можно выделить следующие составляющие:

1. Сенсорная часть. Это набор устройств, основная часть которых представлена всевозможными датчиками, позволяющими системе регистрировать события различного характера. Примерами могут служить датчики температуры и движения. Прочие устройства сенсорной части служат для передачи системе команд пользователя. Это выносные кнопки и пульты дистанционного управления с приёмниками.

   Одним из наиболее часто импользуемых элементов «умного дома» является датчик движения

2. Исполнительная часть. Это устройства, которыми система может управлять, реагируя таким образом на то или иное событие в соответствии с заданным пользователем сценарием. Прежде всего, это реле, посредством которых контроллер «умного дома» может подавать питание на любой электрический прибор, то есть включать и выключать его. Например, по хлопку в ладони (система «услышит» его при помощи микрофона) можно настроить включение реле, подающего питание на вентилятор. Обратите внимание: в этом примере вентилятор может быть любым. Но можно применить и прибор, специально выпущенный для работы в составе той или иной системы. Например, компания Arduino выпускает для своих систем электромоторчики, при помощи которых можно, допустим, закрывать или открывать форточку, а компания Xiaomi (китайский производитель подобных систем) - устройства управления воздухоочистителем. Такой прибор полностью контролируется системой, то есть она может не только включить его, но и изменить настройки.

   Электромоторчик является исполнительным устройством, которое включается по сигналу контроллера системы и приводит в движение подключённый к нему механизм

3. Процессор. Может также называться контроллером. Это «мозг» системы, который координирует и согласовывает работу всех её составляющих.

   Плата процессора (или контроллера) управляет исполнительными устройствами на основе встроенной программы и данных, полученных от сенсоров

4. Программное обеспечение. Это набор инструкций, которыми руководствуется процессор. В системах некоторых производителей, в том числе и от Arduino, пользователь может написать программу самостоятельно, в других - используются готовые решения, в которых пользователю доступны лишь типовые сценарии.

Современные системы «умный дом» делятся на несколько разновидностей:

1. Оснащённые собственным контроллером.
2. Использующие в этом качестве процессор пользовательского компьютера (планшета, смартфона).
3. Обрабатывающие информацию при помощи удалённого сервера, принадлежащего компании-разработчику (облачный сервис).

Система может не только активировать тот или иной прибор, но и проинформировать пользователя о происшедшем событии путём отправки сообщения на телефон или каким-то иным способом. Таким образом, на неё можно возложить функции сигнализации, в том числе и противопожарной.

Сценарии могут быть гораздо более сложными, чем мы описали в примерах. Например, можно научить систему включать бойлер и переводить снабжение горячей водой на него при отключении централизованной подачи, если при этом обнаруживается присутствие кого-то из жильцов в доме (помогают инфракрасные, ультразвуковые датчики, а также датчики движения).

Знакомимся с Arduino

Arduino - итальянская компания, занимающаяся разработкой и производством компонентов и программного обеспечения для простых систем «умный дом», предназначенных для неспециалистов. Примечательным является то, что этот разработчик сделал архитектуру созданных им систем полностью открытой, что дало возможность сторонним производителям разрабатывать новые и копировать уже существующие Arduino-совместимые устройства, а также выпускать ПО для них.

Набор Arduino Uno содержит необходимые компоненты для реализации устройств, описанных в прилагаемой книге

Такой подход обеспечил высокую популярность системам итальянской компании, но у него есть и недостаток: из-за того что за производство компонентов для Arduino-систем берутся, так сказать, все кому не лень, не всегда удаётся с первого раза приобрести качественное изделие. Зачастую приходится сталкиваться и с проблемой совместимости компонентов от разных производителей.

Потенциальному пользователю следует знать, что с 2008 года существуют две компании, выпускающие продукцию под торговой маркой Arduino. У первой, которая начинала это направление, официальный сайт размещён по адресу www.arduino.cc ; у второй, новообразовавшейся - по адресу www.arduino.org. То, что было разработано до раскола, на обоих сайтах представлено одинаково, а вот ассортимент новой продукции уже отличается.

ПО для систем «умный дом» Arduino имеет вид программной оболочки (называется IDE), в которой можно писать и компилировать программы. Распространяется бесплатно. Программы пишутся на языке C++.

Версии программы Arduino IDE, представленные на указанных сайтах, тоже сильно отличаются, хотя имеют одинаковые не только название, но и номера версий. Из-за этого в них довольно легко запутаться. Отличие состоит в том, что каждое ПО поддерживает свои библиотеки и платы.

«Железо» системы состоит из платы с микроконтроллером (процессорная плата) и установленных на ней плат расширения, которые в обиходе называют шилдами. Подключение шилд к процессорной плате позволяет добавлять к «умному дому» новые компоненты. Собранная система может быть как полностью автономной, так и работающей в связке с компьютером через стандартный проводной или беспроводной интерфейс.

На процессорную плату можно устанавливать специальные расширения (шилды), которые увеличивают функциональность системы

Преимущества системы Arduino

Этот аппаратно-программный комплекс привлекает пользователя такими достоинствами:

• возможность автономной работы, обусловленная наличием собственного контроллера;
• широкие возможности по настройке работы системы (пользователь сам пишет программу, в которой могут быть предусмотрены сценарии любой сложности);
• простота процесса загрузки программы в контроллер: программатор для этого не требуется, достаточно иметь USB-кабель (в микроконтроллере имеется прошивка загрузчика Bootloader);
• доступная стоимость компонентов, обусловленная отсутствием у того или иного производителя монопольных прав (архитектура является открытой).

Если загрузчик Bootloader стал работать со сбоями, либо в приобретённом микроконтроллере его не оказалось, пользователь имеет возможность прошить его самостоятельно. В программной оболочке IDE для этой цели предусмотрена поддержка ряда наиболее доступных и популярных программаторов. Кроме того, почти все процессорные платы Arduino имеют штыревой разъём, позволяющий осуществлять внутрисхемное программирование.

В программе Arduino IDE, представленной на сайте arduino.cc, заложена возможность создания пользовательских аппаратно-программных платформ, в то время как в версии программы на arduino.org такая функция отсутствует.

Какие решения предлагает Arduino

Поскольку производством Arduino-совместимых датчиков и приборов занимается множество компаний, ассортимент этой продукции довольно широк. Вот что применяется чаще всего:

1. Сенсоры, отслеживающие климатические параметры:
   
2. Сенсоры, позволяющие определить пространственное положение объекта, на котором они закреплены:
   
3. Сенсоры, позволяющие регистрировать присутствие различных объектов:
   
4. Аварийные сенсоры:
   
5. Прочие устройства, например:
   • микрофон;
   • часы;
   • датчик открывания двери;
   • пульты дистанционного управления (радиочастотные и инфракрасные) с приёмниками;
   • удалённые кнопки.

Некоторые из этих устройств включены в состав базового набора Arduino Start, который у ряда производителей имеет название StarterKit.

Стартовый набор системы Arduino включает в себя процессорную плату и несколько наиболее часто используемых устройств

Исполнительная часть содержит огромный набор устройств, например:

• электромоторы;
• реле и различные переключатели;
• диммеры (позволяют плавно менять интенсивность освещения);
• доводчики дверей;
• вентили и 3-ходовые клапаны с сервоприводами.

Если вы планируете подключить через реле Arduino освещение, то правильнее использовать в качестве светильников светодиодные лампы. Лампы накаливания при подключении через такие реле быстро горят.

Видео: начинаем работать с Arduino - управляем светодиодом через web-интерфейс

Составление проекта на Arduino

Процесс создания и настройки «умного дома» Arduino покажем на примере системы, в которую будут заложены следующие функции:

• мониторинг температуры на улице и в помещении;
• отслеживание состояния окна (открыто/закрыто);
• мониторинг погодных условий (ясно/дождь);
• генерация звукового сигнала при срабатывании датчика движения, если активирована функция сигнализации.

Систему настроим таким образом, чтобы данные можно было просматривать посредством специального приложения, а также веб-браузера, то есть пользователь сможет сделать это из любого места, где есть доступ в интернет.

Используемые сокращения:

1. «GND» - заземление.
2. «VCC» - питание.
3. «PIR» - датчик движения.

Необходимые компоненты для изготовления системы «умного дома»

Для системы «умного дома» Arduino потребуется следующее:

• микропроцессорная плата Arduino;
• модуль Ethernet ENC28J60;
• два температурных датчика марки DS18B20;
• микрофон;
• датчик дождя и снега;
• датчик движения;
• переключатель язычковый;
• реле;
• резистор сопротивлением 4,7 кОм;
• кабель «витая пара»;
• кабель Ethernet.

Стоимость всех компонентов составляет примерно 90 долларов.

Для изготовления системы с необходимыми нам функциями потребуется набор устройств стоимостью около 90 долларов

Сборка «умного дома»: пошаговая инструкция

Вот в какой последовательности необходимо действовать.

Подключение исполнительных и сенсорных устройств

Подключаем все компоненты согласно схеме.

Сборка системы в основном сводится к подключению исполнительных устройств к соответствующим контактам процессорной платы

Разработка программного кода

Пользователь пишет всю программу целиком в оболочке Arduino IDE, для чего последняя оснащена текстовым редактором, менеджером проектов, компилятором, препроцессором и средствами для заливки программного кода в микропроцессор платы Arduino. Разработаны версии IDE для операционных систем Mac OS X, Windows и Linux. Язык программирования - С++ с некоторыми упрощениями. Пользовательские программы для Arduino принято называть скетчами (sketch) или набросками, программа IDE сохраняет их в файлы с расширением «.ino».

Функцию main(), которая в С++ является обязательной, оболочка IDE создаёт автоматически, прописывая в ней ряд стандартных действий. Пользователь должен написать функции setup() (выполняется единоразово во время старта) и loop() (выполняется в бесконечном цикле). Обе эти функции для Arduino являются обязательными.

Заголовочные файлы стандартных библиотек вставлять в программу не нужно - IDE делает это автоматически. К пользовательским библиотекам это не относится - они должны быть указаны.

Добавление библиотек в «Менеджер проекта» IDE осуществляется несколько необычным способом. В виде исходных текстов, написанных на С++, они добавляются в особую папку в рабочем каталоге оболочки IDE. После этого названия этих библиотек появятся в соответствующем меню IDE. Те, что отметит пользователь, будут внесены в список компиляции.

В IDE предусмотрен минимум настроек, а возможность настройки компилятора отсутствует вовсе. Таким образом, начинающий программист застрахован от ошибок.

Вот пример самой простой программы, заставляющей каждые 2 секунды мигать подключённый к 13-му выводу платы светодиод:

void setup () { pinMode (13, OUTPUT); // Назначение 13 вывода Arduino выходом}

void loop () { digitalWrite (13, HIGH); // Включение 13 вывода, параметр вызова функции digitalWrite HIGH - признак высокого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1000 мс - 1 секунду

digitalWrite (13, LOW); // Выключение 13 вывода, параметр вызова LOW - признак низкого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1 секунду}

Однако в настоящий момент перед пользователем далеко не всегда встаёт необходимость лично писать программу: в сети выложено множество готовых библиотек и скетчей (загляните сюда: http://arduino.ru/Reference). Имеется готовая программа и для системы, рассматриваемой в этом примере. Её нужно загрузить, распаковать и импортировать в IDE. Текст программы снабжён комментариями, поясняющими принцип её работы.

Все программы на Arduino работают по одному принципу: пользователь посылает запрос процессору, а тот загружает необходимый код на экран компьютера или смартфона

Когда пользователь нажимает в браузере или установленном на смартфоне приложении кнопку «Refresh» (Обновление), микроконтроллер Arduino осуществляет отсылку данных этому клиенту. С каждой из страниц, обозначенных как «/tempin», «/tempout», «/rain», «/window», «/alarm», поступает программный код, который и отображается на экране.

Установка клиентского приложения на смартфон (для ОС Android)

Для получения данных от системы «умный дом» в сети можно скачать готовое приложение.

Вот что необходимо сделать владельцу гаджета:

С помощью этого приложения можно не только получать информацию от системы «умный дом», но и управлять ею - включать и отключать сигнализацию. Если она включена, то при срабатывании датчика движения приложению будет отправлено уведомление. Опрос системы Arduino на предмет срабатывания датчика движения приложение выполняет с периодичностью раз в минуту.

Активировав иконку «Настройки», можно отредактировать свой IP-адрес.

Настройка браузера на работу с «умным домом»

В адресной строке браузера следует ввести XXX.XXX.XXX.XXX/all, где «XXX.XXX.XXX.XXX» - ваш IP-адрес. После этого появится возможность получать данные от системы и осуществлять управление ею.

Представленный здесь программный код позволяет через браузер включать и выключать свет, тогда как в приложении для Android-смартфона такая функция не реализована.

Работа с роутером

Настройка учётной записи на noip.com

Этот этап не является обязательным, но он необходим, если вы хотите присвоить адресу доменное имя. Для этого надо зарегистрироваться на сайте https://www.noip.com/ , перейти в раздел «Add host» и ввести IP-адрес системы.

После регистрации на сайте noip.com доступ к системе можно получать не только по IP-адресу, но и по полному доменному имени

Создание проекта завершено, можно проверять работоспособность системы.

Видео: умный дом на «Ардуино»

Особенности работы некоторых аппаратных средств Arduino

Ввиду того что Arduino-совместимые компоненты выпускаются множеством сторонних компаний, качество продукции которых сама компания Arduino никак не контролирует, пользователь с большой вероятностью может приобрести компонент, работающий не совсем корректно.

Похожая ситуация сложилась в сфере разработки персональных компьютеров. В своё время компания IBM сделала архитектуру своих компьютеров открытой, вследствие чего IBM-совместимые компьютеры и отдельные компоненты стали выпускать многие компании. В итоге «персоналки» этого типа широко распространились по всему миру, однако, качество комплектующих и степень их совместимости во многих случаях оказывались не на самом высоком уровне. Противоположной тактики придерживалась компания Apple. Она ограничила круг разработчиков, имеющих доступ к архитектуре, и такую же политику провела в сфере разработки ПО. В итоге компьютеры Apple оказались менее распространёнными и более дорогими, но зато по качеству они на порядок превосходят IBM-совместимые устройства, работающие под Windows.

В отношении некоторых комплектующих для систем Arduino пользователи заметили следующее:

1. Датчик температуры DHT11, поставляемый с базовым набором (StarterKit), даёт значительную погрешность в 2–3 градуса. В помещении рекомендуют применять температурный датчик DHT22, дающий более точные показания, а для установки на улицу - DHT21, способный работать при отрицательных температурах и имеющий защиту от механических повреждений.
2. На некоторых микропроцессорных платах Arduino при замыкании подключённых к ним реле выходит из строя COM-порт. Из-за этого на микроконтроллер не удаётся загрузить скетч: как только начинается заливка, процессор перезагружается. Реле при этом щёлкает, COM-порт отключается и процесс загрузки скетча прекращается.
3. Датчик закрытия окна/двери иногда преподносит сюрпризы в виде ложных срабатываний. С учётом этого скетч пишут так, чтобы система производила необходимое действие только по получении нескольких сигналов подряд.
4. Для настройки управления процессами при помощи хлопков некоторые пользователи по неопытности вместо микрофона заказывают детектор звука с ручной настройкой порога. Для подобных целей этот компонент не подходит, так как имеет слишком малый радиус действия: хлопать приходится не далее 10 см от детектора. Кроме того, этот датчик передаёт сигналы импульсами малой продолжительности, так что при наличии большого скетча, на обработку которого уходит сравнительно много времени, микроконтроллер просто не успевает их зафиксировать.
5. Для устройства противопожарной сигнализации следует использовать датчик дыма, а не датчик огня. Последний регистрирует пламя не далее 30 см от себя.
6. На случай сбоя в работе микроконтроллера или ошибки в коде лучше применять нормально замкнутые реле с последовательно подключёнными ручными выключателями.

Чтобы избежать покупки низкокачественных комплектующих, бывалые пользователи рекомендуют предварительно изучать отзывы о них, опубликованные в Сети. Недорогие датчики можно покупать в нескольких вариантах, чтобы лично проверить, какой из них работает лучше.

Возможно, система «умный дом» от компании Arduino является не самой качественной, но зато широчайший выбор компонентов и их доступная стоимость точно сделали её одной из самых популярных. Воспользовавшись нашими советами, вы быстро научитесь создавать проекты Arduino, автоматизируя различные домашние процессы.