Opensource контроллер умного дома на базе arduino mega 2560 с поддержкой mqtt, dmx-512, 1-wire, modbus и openhab

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:

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

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

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

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).

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.

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.

Умный дом представляет собой специальную систему, которая автоматизирует многие процессы в доме. Например, можно управлять системами отопления, включения освещения в определенные моменты времени, слежение за обстановкой, выполнять контроль состояния инженерных коммуникаций и прочее.

На потребительском рынке предлагается много систем подобного рода, которые имеют широкий набор функций и поддерживают работу с разными датчиками и исполнительными приспособлениями. Правда, есть еще возможность самостоятельно создать умный дом своими руками на базе Arduino.

Таблица подключения к Arduino UNO R3 элементов схемы

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

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

Дистанционное управление «умным» домом

Для подключения платы к интернету, понадобится:

• Wi-Fi-адаптер, настроенный на прием и передачу сигнала через маршрутизатор;
• или подключенный через Ethernet кабель Wi-Fi роутер.

Также, есть вариант дистанционного управления по блютуз. Соответственно, к плате должен быть подключен Bluetooth модуль.

Есть несколько вариантов управления умным домом Arduino: с помощью приложения для смартфона или через веб. Рассмотрим каждое подробнее.

Приложения управления

Так как данная система-конструктор – не закрытая экосистема, то и приложений, реализованных для нее очень много. Они отличаются друг от друга не только интерфейсом, но и выполнением различных задач.

Blynk

Приложение на андроид и iOS с отличным дизайном, позволяет разрабатывать проекты, имеющие напрямую доступ к триггеру событий, на плате Ардуино. Но для работы приложения нужно интернет подключение, иначе взаимодействовать с ним не возможно.

Virtuino

Крутое бесплатное приложение на Android, позволяющее совмещать проекты в одно целое и управлять с помощью Wi-Fi или Bluetooth сразу несколькими платами.

Разрешает создавать визуальные интерфейсы для светодиодов, переключателей, счетчиков, приборов аналоговой схематехники. В нем есть учебные материалы и библиотека знаний о процессе работы с системой.

Bluino Loader – Arduino IDE

Приложение для телефона, представляет собой программную среду для кодирования Arduino. С его помощью можно быстро и легко скомпилировать код в файл, а затем отправить по OTG-переходнику на плату.

Arduino Bluetooth Control

Приложение контролирует контакты Arduino и управляет основными функциями по Блютузу. Но, программа не направлена на удаленное управление, только мониторинг.

RemoteXY: Arduino Control

С помощью приложения пользователь может создать свой собственный интерфейс управления платой. Подключение происходит с помощью Wi-Fi, Блютуз или интернет, через облачный сервер.

Bluetooth Controller 8 Lamp

Созданное с помощью Bluetooth-модулей HC-05, HC-06 и HC-07 приложение, обеспечивает восьмиканальный контроль. Таким способом достигается контроль и регулирование работы Ардуино, в соответствии с каждым из 8 светодиодов.

BT Voice Control for Arduino

Приложение специально заточено под дистанционное управление данными с ультразвукового датчика, подключенного по блютуз через Arduino. Реализуется подключения через модуль HC-05.

Подключившись, ультразвуковой датчик сможет передавать информацию о расстоянии до объекта, которая отобразится в интерфейсе приложения на телефоне.

IoT Wi-Fi контроллер

Приложение с интерфейсом, информирующем о конфигурации каждого входа/выхода в плате Arduino. В утилите можно переключать в реальном времени GPIO и показывать значение АЦП.

Веб-клиент

Управлять удаленно платой умного дома можно, разместив получение и обработку данных умного дома на веб-сервере. Естественно, сервер для умного дома Ардуино нужно создавать самостоятельно.

Для этих целей понадобится Arduino Ethernet Shield – сетевое расширение для пинов Ардуино Уно, позволяющее добавить разъем RJ-45 для подключения к сети.

При удаленном подключении, необходимо обеспечить внешнее питание платы не от USB.

Затем, подключите по USB плату к компьютеру, а по Ethernet плату к роутеру, которой раздает интернет компьютеру. При правильном установлении соединения, вы увидите зеленый свечение на порту.

После этого, нужно использовать библиотеки шилдов Ethernet и в среде разработки IDE написать код для создания сервера и отправки данных на сервер. Пример самодельного сервера неплохо описан в данной инструкции.

Уведомления по SMS

С помощью подключаемой библиотеки GSM в Arduino IDE можно:

1. Работать с голосовыми вызовами.
2. Получать и отправлять СМС.
3. Подключаться к Интернету через GPRS.

Работает схема через специальную плату расширения GSM, содержащую специальный модем.

О создании универсальной сигнализации на Arduino, с отправкой СМС уведомления на смартфон можно узнать из соответствующей видеоинструкции.

Особенности проектов

Большинство электронщиков предпочитают создавать свои проекты на основе микроконтроллера Аrduino Uno, о которой и мы писали уже несколько раз.

Для начала стоит познакомиться с функционалом микропроцессора Ардуино уно, на котором строится большинство проектов, а также рассмотреть причины выбора данного приспособления. Ниже описаны факторы, по которым начинающему изобретателю стоит остановиться на Аrduino uno:

1. Довольно простой в использовании интерфейс. Понятно, где какой контакт, и к чему прикреплять соединительные провода.
2. Чип на плате подключается прямо к USB-порту. Преимущество этой установки заключается в том, что последовательная связь – это очень простой протокол, который проверен временем, а USB делает соединение с современными компьютерами очень удобным.
3. Легко найти центральную часть микроконтроллера, которая представляет собой чип ATmega328. Он имеет больше аппаратных функций, таких как таймеры, внешние и внутренние прерывания, пины PWM и несколько режимов ожидания.
4. Устройство с открытым исходным кодом, поэтому большое количество радиолюбителей могут исправить баги и неполадки в программном обеспечении. Это облегчает отладку проектов.
5. Тактовая частота равна 16 МГц, что достаточно быстро для большинства приложений и не ускоряет работу микроконтроллера.
6. Очень удобно управлять мощностью внутри него, и она имеет функцию встроенного регулирования напряжения. Также микроконтроллер можно отключить от USB-порта без внешнего источника питания. Можно подключить внешний источник питания до 12 В. Причем микропроцессор сам определит нужное напряжение.
7. Наличие 13 цифровых контактов и 6 аналоговых контактов. Эти пины позволяют подключать оборудование к плате Arduino uno со стороннего носителя. Контакты используются в качестве ключа для расширения вычислительной способности Arduino uno в реальном мире. Просто подключите свои электронные устройства и датчики к разъемам, которые соответствуют каждому из этих контактов.
8. Имеется в наличии разъем ICSP для обхода USB-порта и сопряжения с Arduino напрямую в качестве последовательного устройства. Этот порт необходим, чтобы перезагрузить чип, если он поврежден и больше не может использоваться на вашем компьютере.
9. Наличие 32 КБ флэш-памяти для хранения кода разработчика.
10. Светодиод на плате подключается к цифровому контакту 13 для быстрой отладки кода и упрощения этого процесса.
11. Наконец, у него есть кнопка для сброса программы на чипе.

Arduino был создан в 2005 году двумя итальянскими инженерами – Дэвидом Куартиллесом и Массимо Банзи с целью, чтобы ученики научились программировать микроконтроллер Arduino uno и улучшить свои навыки в области электроники и использовать их в реальном мире.

Arduino uno может воспринимать окружающую среду, получая вход от различных датчиков, и способен влиять на окружающую среду, контролируя свет, двигатели и другие исполнительные механизмы. Микроконтроллер запрограммирован с использованием языка программирования Arduino (на основе проводки) и среды разработки Arduino (на основе обработки).

Теперь переходим непосредственно к проектам на Аrduino uno.

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.

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:

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:

1. Скачайте файл SmartHome.apk.
2. Отправьте его на телефон.
3. Открыв «Менеджер файлов», разместите этот файл.
4. Щёлкните на нём и выберите «Установить» (должна быть отмечена «галочка», позволяющая осуществлять установку программ вне сервиса Google Play).
5. Когда установка будет завершена, активируйте приложение.
6. Выполните его настройку.

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

Далее на маршрутизаторе необходимо открыть порт:

• открываем настройки маршрутизатора;
• прописываем адрес Arduino IP;
• открываем порт 80.

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.

Модель на базе FT232RL

Чтобы правильно сделать контроллер Arduino своими руками, рекомендуется подобрать высоковольтный трансивер. Проводимость элемента обязана составлять не менее 400 мк при чувствительности 50 мВ. Контакторы в данном случае устанавливаются на выходе цепи

Реле разрешается использовать низкой проводимости, но важно обратить внимание на показатель предельного напряжения, который не должен превышать 210 В. Триод можно устанавливать только за обкладкой

Также стоит отметить, что для контроллера потребуется один преобразователь. Конденсаторная коробка используется с двумя фильтрами низкой проводимости. Уровень выходного сопротивления элемента зависит от типа компаратора. В основном он используется на дипольном переходнике. Однако есть импульсные аналоги.

Принцип работы

Многие из нас слышали о системах автоматизации, но при этом мало кто имеет правильное представление о работе таких многочисленных датчиков и контроллеров. Подобные приспособления при условии их правильного планирования могут контролировать работу всей техники в доме, безопасность, инженерные коммуникации и так далее. Причём в каждом конкретном случае функционал такой системы жизнеобеспечения будет существенно различаться в зависимости от конкретных требований домовладельца.

Если до недавнего прошлого подобные системы имели высокую стоимость, что объяснялось сложностью технологии и необходимостью использования специальных микропроцессоров и программного обеспечения для управления, то сегодня на платформе Arduino можно с легкостью выполнить такие простейшие системы жизнеобеспечения, которые будут иметь расширенный функционал.

Составляющие платформы

Стандартный Умный дом включает следующие составляющие:

1. Сенсорная часть, которая включает различные датчики, способные реагировать на температуру, влажность, движение или различные иные события.
2. Исполнительная часть, то есть устройства, которыми пользователи или сама система может управлять, отправляя на них соответствующие команды по включению или выключению. К такой исполнительной части относятся различные реле, электромоторы, устройства управления воздухоочистителями и так далее.
3. Микропроцессор — это «головной мозг,” который согласовывает и координирует работу всех компонентов.

Программное обеспечение представляет собой набор инструкций и простейших приложений, с помощью которых пользователь может настраивать программу самостоятельно или же загружать уже готовые предустановки и сценарии.

Визуализация «умного дома» и расширение возможностей на Ардуино

Безусловно, для визуализации процессов «умного» дома можно было бы использовать ЖК-дисплей, любые цифровые табло. Но всё-таки, для «умного» дома это не является хорошим решением.

Для визуализации процессов и состояний автоматики на платформе Arduino лучше всего использовать отдельный сервер обработки состояний. Этот сервер может быть реализован на программной технологии Node.js, позволяющей реализовать любой сервер, в том числе и для обработки состояний платы Arduino.

Node.js
используется для решения задач Интернета вещей, поэтому для визуализации автоматики «умного» дома он точно подойдёт. Достаточно создать сервер и обработчик на языке JavaScript
, и можно будет отображать результат в браузере компьютера или планшета.

Микрокомпьютер одноплатный Raspberry Pi

В качестве «железа» сервера можно использовать микрокомпьютер Raspberry Pi или обычный стационарный компьютер или ноутбук. При этом расширяются возможности самой системы автоматизации.

Если на плате Arduino ограниченный объём физической памяти, то на сервере этот объём ничем не ограничен. Саму программу сервера можно написать так, что она будет полностью управлять платформой Arduino.

Например, можно расширить функционал нашего «умного» дома и приблизить его к умному дому без кавычек. Есть возможность написать такой алгоритм, который будет вести статистику нахождения хозяина в доме и его возвращение домой. Если хозяин обычно возвращается домой в районе 17:30, то за час можно включить бойлер для нагрева воды. Также, ориентируясь на это время, можно заранее включить отопительные приборы, чтобы возвращение было уже в тёплый дом, а не в тот, где температура ниже на 10 градусов из-за экономии электричества в отсутствии хозяев. Программа может понять когда хозяева обычно ложатся спать и заранее переставать греть воду, так как ею уже никто не будет пользоваться до утра. И таких нюансов может быть множество. Именно внешний компьютер может дать продвинутые «мозги» контроллеру на Arduino
, который превратится больше в исполнительный механизм.

Выводы и полезное видео по теме

Пример самостоятельно собранной заготовки начального уровня для “умного дома”:

Открытость платформы Arduino позволяет использовать компоненты различных производителей. Это позволяет легко сконструировать “умный дом” под запросы пользователя

Поэтому, если есть хотя бы незначительные познания в области программирования и подключения электронных приборов, на эту систему стоит обратить внимание

Вы на практике знакомы с платформой Arduino и хотите поделиться своим опытом с новичками в этом деле? Может вы хотите дополнить изложенный выше материал полезными рекомендациями или замечаниями? Пишите свои комментарии под этой публикацией.

Если у вас возникли вопросы по проектированию системы автоматизированного дома на базе Ардуино, задавайте их нашим экспертам и другим посетителям сайта в блоке ниже.