Умный дом своими руками arduino. «Умный дом» на Arduino: теория и практика

Всем привет! С вами снова Артем Лужецкий и очередной материал в направлении . Чтобы связать наши проекты с интернетом можно использовать 10-ки способов, но мы пока остановимся на модуле, о котором я еще говорил еще в самой первой статье, ESP 8266. не может работать с интернетом. Обычная плата без дополнений и модулей не может передавать информацию на расстоянии.

Но с помощью UART интерфейса на Arduino мы можем получать информацию, обрабатывать ее и отправлять данные обратно. С помощью него, UNO может работать с Bluetooth и Wi-fi модулями, которые уже и дают нашей системе дополнительные функции.

Выход в интернет

Давайте поговорим об интернете поподробнее. Я думаю, вы знаете, что интернет - это не магия и не просто радиоволны, а гигантская сеть между тысячами различных устройств с помощью беспроводной связи.

Сайты, с которыми мы каждый день сталкиваемся - это информация, переданная нам с сервера. Весь тот текст, картинки, анимация - все это хранится на сервере, пока клиент, мы, не захочет, чтобы ему передали эту информацию.

Вы можете узнать, что такое IP, TCP, HTTP, GET - запрос в интернете, если вам в дальнейшем будет не понятно.

Но это все не будет работать без связи нашей платы с сайтами и приложениями. Есть два решения, подключится к другому сайту (серверу), который будет обрабатывать информацию полученную либо от самой платы, либо от пользователя, чтобы управлять приборами на расстоянии или создать свой сервер, где будет лежать лично наш написанный сайт. Мы все это попробуем сделать в будущем.

Передача данных от Ардуино

Сначала мы заставим нашу ардуину передавать данные на отдельный сайт, который будет изображать данные, полученные с датчиков ардуино. Для этого прекрасно подойдет сайт для интернет вещей - dweet.io

Попробуем на него передавать данные изменения температуры нашей комнаты.

Можно обойтись без создания собственного ключа, и в коде (где нужно вставить ключ), можно записать все что угодно и сайт все равно вам выведет на экран график изменения отправленных данных по времени. Но для того, чтобы в дальнейшем создать сеть онлайн устройств, придется более серьезно отнестись к данному сайту.

На главной странице можно посмотреть возможные варианты работы данного сайта

Также создать свой аккаунт и сеть ключей для разных устройств, чтобы вы могли не беспокоится за безопасность данных и могли из любого устройства узнать, что происходит в вашем доме.

Схема подключения

Разберем электрическую схему подключения esp 8266. Нам потребуется только пины Rx, Tx, Gnd и Vcc. Данный модуль питается от 3,3 вольт.

И общую электрическую схему, в которой нам пригодится ардуино, esp и термистор.

Код проекта

Итак, приступим наконец-то к проекту. Основная часть нашего проекта будет в коде. Для библиотеки по использованию нашего модуля предусмотрено пара новых функций (ссылку на библиотеку можно найти в первой статье):

  • ESP8266 wifi(Serial) - Подключаем esp8266 через Serial соединение.
  • wifi.joinAP(a,b); - Подключение к wifi, где а - это название точки доступа, а b - пароль к этой точки доступа.
  • wifi.createTCP(a,b) - Открытие TCP соединения, где "a" - DNC сайта (www.dweet.io), а "b" - сетевой порт (порт 80).
  • wifi.send(a,b) - отправляем данные, где "a" - данные в массиве (строка с-стиля), а "b" - общее количество отправленных байтов.
  • wifi.releaseTCP() - Закрытие TCP соединения.
    • #include "ESP8266.h" // для работы с esp8266 #include // чтобы добавить больше пинов UART #include // чтобы высчитать логарифм #define SSID "Arduino" // имя вашего wi-fi #define PASSWORD "12345678" //пароль вашего wi-fi #define Thermistor_PIN A0 // пин подключения термистора SoftwareSerial mySerial(2, 3); // пины подключения по UART ESP8266 wifi(mySerial); // говорим esp8266, что она будет работать через пины UART String name = "MyEyse"; // ваш ключ от сайта dweet.io void setup() { Serial.begin(9600); // открываем serial соединение if (wifi.joinAP(SSID, PASSWORD)) { // если мы подключились к нашей сети Serial.println("https://dweet.io/follow/" + name); // пишем в мониторе порта адресс сайта } else { Serial.println("Wi-Fi connection error"); // в случае, если мы не подключимся к сети, нам выдадут ошибку } } void loop() { float volt_temp = 1023.0 / analogRead(Thermistor_PIN) - 1.0; // высчитываем температуру float temperatur = 1.0 / (-log(volt_temp) / 3977.0 + 1.0 / 295.0) - 273.0; if (wifi.createTCP("www.dweet.io", 80)) { // если нам удалось создать TCP соединение String data = "GET /dweet/for/" + name + "?"; // создаем переменную data в виде строки (заполняем GET-запрос) data += "temperatur_C=" + String(temperatur) + " HTTP/1.1\r\n"; data += "Host: dweet.io\r\n\r\n"; // закрываем GET-запрос в строке wifi.send(data.c_str(), data.length()); // отправляем данные в массиве (строка с-стиля) и общее количество байтов wifi.releaseTCP(); // закрываем TCP соеденение } else { Serial.println("create TCP error"); // в случае, если мы не создали TCP соеденение, нам выдадут ошибку } delay(1000); // ждем секунду (dweet.io обрабатывает данные 1 секунду, нет смысла отправлять данные раньше) } Итоговый результат

    Если код вы записали правильно, с правильным паролем и именем от вашего wifi, который исправно работает, то в монитор порта будет отправлена ссылка, которую необходимо вставить в адресную строку браузера. Изображение должно выглядеть так

    А теперь вы можете подключить ардуино к источнику питания и убрать провод подключения ардуино - компьютер. И узнавать температуру в вашем доме, находясь на другом конце города. Все зависит только от вашей фантазии.

    В следующий раз попробуем разобрать еще один проект, который поможет больше раскрыть все возможности интернет модуля. В дальнейшем попробуем создать свой сервер и сайт, а также поговорим о соединении с соцсетями. Увеличить возможности сделать ваш дом умным. Удачи!

    Мир не стоит на месте. Техника проникает в жизнь людей. С каждым днём все сложнее представить себе повседневность без электроники. И если раньше все это было доступно только состоятельным людям, то теперь техника находится в каждом доме и делает жизнь проще и интересней.

    К слову, сейчас любой человек, обладая базовыми знаниями, может собрать самостоятельно любое приспособление, которое в будущем может стать полезным в повседневной жизни. Интернет полон тематических сайтов и форумов, фото и видео мастер-классов, советов и инструкций. Вот так и создаются устройства, которые способствуют более лёгкой и приятной жизни. Если дом или квартира оснащена специальными датчиками, которые считывают ту или иную информацию и выполняют определённые функции, такой дом можно назвать «умным».

    «Умный» дом - что это?

    Возможно, в фантастических фильмах о будущем, многие уже встречали подобное строение. Красивая просторная квартира, в которой все автоматизировано. Компьютер будит семью по утрам, готовит завтраки, занимается стиркой и глажкой одежды, а также поддерживает чистоту в дому. Проще говоря - исполняет роль горничной-повара и даже больше.

    В реальности все, конечно, не так волшебно и красочно. Нынешние машины и компьютеры ещё не достигли такого уровня развития. Поэтому функции современного «умного» дома ограничены. К примеру, датчики могут контролировать:

    • Включение-выключение света.
    • Расход энергии.
    • Температуру.
    • Влажность в доме.

    Профессиональных компаний, которые занимаются строительством и обустройством «умных» домов, очень мало. К тому же их слуги довольно дорогие и по карману только узкому кругу потребителей. Но, это вовсе не повод отказывать себе в обустройстве комфортной жизни в собственном доме. Ведь можно сделать «умный дом» своими руками.

    Технология сборки

    «Умный дом» - это всего лишь контроллеры с датчиками , основной целью которых является считывание информации и, исходя из этого, выполнение соответствующих команд. К примеру, контроль температуры в помещении. Если в комнате температура падает ниже ранее установленного уровня, то система автоматически включает обогрев комнаты. Это только один из примеров функций «умного дома». Подобные контрольные датчики установлены по всему дому и выполняют самые разнообразные функции.

    Итак, как сделать свой дом «умным»? Что для этого нужно? Для начала нужно заняться закупкой необходимых контроллеров , которые будет необходимо запрограммировать и наладить. На первый взгляд все достаточно просто, но на самом деле могут возникнуть проблемы с эксплуатацией самой системы, для сборки и управления которой необходимы определённые знания. Поэтому компания Arduino постаралась максимально упростить свою систему, с которой может справиться даже ребёнок.

    Что такое система Arduino ?

    Система компании Arduino – это платформа для разработки собственных программ комфорта. Система легка в управлении и редко даёт сбои или выходит из строя. Система Arduino имеет открытый исходный код и возможность подключения при помощи USB-кабеля. Изначально система имеет набор программ, установленных по умолчанию, но благодаря открытому типу исходного кода, можно инсталлировать собственные разработки.

    Принцип работы Arduino

    Как же работает система Arduino? Очень просто. Установленные по всему дому или квартире датчики считывают информацию об окружающей среде и передают все данные на компьютер , который самостоятельно принимает решения. Функционировать эта система может на компьютере, ноутбуке, планшете или даже телефоне. Все программы для ардуино можно найти в свободном доступе. Все «железо» производитель делает максимально стандартизированным под системные разъёмы.

    Функции системы Arduino

    Система ардуино для проекта «умного дома» должна выполнять следующие функции:

    Несмотря на набор разнообразных функций, существуют несколько важных причин , отталкиваясь от которых потребители отдают своё предпочтение именно Arduino.

    Преимущества
    • Цена.
    • Качество.
    • Удобство.
    • Простота монтажа и проекта в целом.
    • Низкая стоимость в случае поломки или выхода из строя отдельных комплектующих.
    • Доступность программного обеспечения.

    Дальше дело техники - написать под Ардуино цикл опроса параметров и вывести их для начала в монитор порта. Время одного цикла получилось около секунды. Однако в конечном варианте проекта с логированием данных на флэшку и опросом температурных датчиков это время выросло до 4-x секунд. Это меня уже совершенно не устраивало и пришлось погрузиться в оптимизацию. В итоге я вновь добился секундного интервала без потери функциональности. К слову, скетч я переписывал с нуля два или три раза, пока не нашёл правильную архитектуру и экономные алгоритмы.

    Программная реализация обмена со счётчиком

    Код выдран из контекста моего большого рабочего скетча. Скомпилирован, но в таком виде я его никогда не запускал. Привожу только для примера, а не как готовую рабочую программу. Хотя в теории всё должно работать именно в таком виде.

    Код написан для двух типов счётчиков одновременно, однофазного МТ-124 и трёхфазного МТ-324. Выбор типа счётчика происходит в программе автоматически по ответному слову инициализирующей команды.

    Код привожу как есть, без прекрас и дополнительных комментариев кроме тех, что писал сам для себя. И да, я не программист, и даже не учусь на него, поэтому пинать меня за качество кода не следует, но поучить как надо кодить можно: EnergyMeterNeva.ino

    Огромный дополнительный плюс счётчика электроэнергии - это надёжные и точные часы реального времени. Мне не пришлось обеспечивать систему дополнительным модулем, который ещё нужно найти не просто абы какой, а качественный. Текущее время с точностью до секунды я получаю со счётчика среди прочих данных. Да, относительно атомного времени время счётчика немного сдвинуто (несколько секунд), уж не знаю с чем это связано, с некачественной заводской установкой или ещё чем, но точность хода при этом отличная, просто с небольшим смещением.

    В редкие моменты, когда электропитание на даче отключается и счётчик становится недоступен, текущее время я получаю от внутреннего таймера Ардуины. Когда электросчётчик работает и его данные доступны, внутренний таймер Ардуины я перепрописываю значением со счётчика на каждом витке loop. Когда счётчик отваливается - текущее время продолжает тикать на таймере Ардуины.

    Помимо чтения параметров счётчик, естественно, можно и программировать. То есть интерфейс работает и на чтение, и на запись. Однако я с такими сложностями добивался протокола команд чтения, что о просьбе протокола записи я даже не заикнулся производителю. Во-первых, мне это было ни к чему, разве что только время чуть сдвинуть. Во-вторых, подозреваю, что эти данные уже не являются открытыми, так как могут быть использованы в мошеннических целях.

    Температурные датчики

    Тест температурных датчиков с помощью скетча-примера я уже проводил отдельно раньше. Теперь оставалось только встроить их опрос в основной проект. Это не составило никакого труда. Все девять имеющихся у меня датчиков работали без проблем при параллельном включении по 1-Wire. Разброс показаний между ними составил около 0.5 градуса, что показывает бессмысленность использования их на максимальной точности в 0.0625 градуса. Датчики для теста собрал в пачку и завернул в несколько слоёв пупырчатого полиэтилена. Для большей точности пачку расположил вертикально и ждал сутки для полного выравнивания температуры. Показания всех датчиков так и не оказались одинаковыми.

    Однако загрублять точность конвертации температуры самих датчиков я тоже не стал. Проще округлить показания программно, а выгоды по времени опроса я бы не получил, так как придумал такой алгоритм, при котором время ожидания конвертации не является пустым бесполезным delay(750). Обычная логика работы с датчиками такая - сначала подача команды на запуск конвертации температуры, потом ожидание окончания конвертации (те самые 750 мс минимум), и уже затем вычитывание данных. Я сделал всё наоборот, что позволило мне исключить пустой интервал ожидания - сначала вычитываю данные из датчиков, а потом сразу запускаю конвертацию. И пока весь остальной код в цикле LOOP отработает, данные как раз успевают подготовиться для вычитывания на следующем витке. По времени данные с датчиков я получаю в этом случае чуть позже - цикл LOOP занимает примерно 1-1.5 секунды, но это совершенно не критично.

    Иногда со всех датчиков я получал данные «85» или «0». Что это за косяк, я так и не понял, поэтому сделал в коде проверку и исключил попадание таких данных в результат. Ещё обнаружился косяк у одного из датчиков - он не держал настройки при отключении питания. То ли флэшка его внутренняя дохлая, то ли ещё что. Поэтому в сетапе прописал настройку датчиков, и теперь по включению питания (если оно таки пропадает) все датчики гаранитрованно настроены.

    Адреса конкретных датчиков я получил с помощью скетча-примера, где-то нарытого и немного мной модифицированного: DS18x20_Temperature.ino

    После чего адреса я забил константами в массив и в основной программе обращался к датчикам уже сразу по их адресам: TempSensors_DS18B20.ino

    Для правильной работы датчиков на шине 1-Wire требуется установить подтяжечный резистор 4.7 кОм между линией данных и питанием. Мне было удобно припаять между пинами клеммной колодки SMD-резистор, но нашёл я у себя в подходящем корпусе только 5.1 кОм, его и поставил (он виден на фотке в разделе про сборку на нижней стороне платы). Работает всё хорошо.

    Датчики температуры у меня подключены электрически параллельно на одной длинной линии (+5, gnd и data), все 9 штук, но хитро. Физически кабели витой пары подключены звездой для удобства разводки датчиков по объекту. В каждом плече кабеля я использую две пары. Одна пара - это питание датчика. Вторая пара - это линия данных, которая идёт по одному проводу к датчику и возвращается от него же обратно по второму проводу. Таким образом получается возможным развести кабели звездой от щитка, но электрически это звезда только по питанию, а по данным это одна линия. Такой вариант подключения оказался более надёжен в работе на длинных линиях, при простом параллельном подключении было много сбоев при чтении данных. Вот эскиз такой схемы:

    Полуметровые хвосты трёхпроводных кабелей самих датчиков я не укорачивал, подключил их как были, оказалось не критично.

    Всего по бытовке разведено три кабеля, два - для внешних датчиков, на каждом по одному, и один для всех оставшихся семи внутренних. Эти семь внутренних датчиков подключены по той же схеме, но в пределах одного длинного кабеля и с короткими ответвлениями от него (см. нижнюю Т-образную конфигурацию на эскизе). Где-то хватило штатного полуметрового хвоста датчика для ответвления, где-то ответвлял с помощью такой же витой пары.

    Общая длина витой пары по бытовке составила примерно 25 метров. Куски для внешних датчиков - 5 и 10 метров, и десятиметровый внутренний кусок с ответвлениями на семь датчиков. Всё работает почти идеально. Лишь изредка проскакивают прочерки вместо значений температуры. Это значит, что данные с конкретного датчика были прочитаны некорректно. Но случается это настолько редко (замечаю раз в месяц может), что не доставляет никаких проблем.

    Удалённый доступ

    Для удалённого доступа к Ардуино был куплен Ethernet shield. При наличии встроенной библиотеки работа с ним, как и со всем остальным в Ардуино, оказалась довольно проста.

    Функционально схема работы у меня такая. На Ардуино поднят веб-сервер, который при обращении к нему клиента (браузера) генерирует веб-страничку с различной информацией. Автообновление данных на страничке реализуется посредством яваскрипта, опрашивающего по таймеру сервер.

    Также страничка имеет набор контролов для управления исполнительными механизмами, подключенными к Ардуино - силовыми реле, которые коммутируют нагрузку - электрообогреватели и освещение.

    С дизайном веб-странички я не парился, тем более что был необходим минимальный объём текстовых данных для её более быстрой загрузки, поэтому самый примитивный html и всё:

    В html-код я вместо данных встроил теги, которые на лету подменяются реальными данными при генерации странички сервером. При автообновлении данных по запросу яваскрипта они передаются в браузер уже непосредственно из микроконтроллера в формате JSON.

    Код страничики лежит в файле на карте памяти и загружается с неё при обращении к серверу. Для более быстрой и удобной модификации кода странички я встроил механизм её обновления в неё саму. Внизу, под блоком основных контролов есть текстовое поле и кнопка Отправить. В текстовое поле копирую новый html-код, жму кнопку, после чего java-скрипт производит отправку данных на веб-сервер контроллера, который сохраняет его сначала в буферный файл. Если передача произошла успешно, то основной файл подменяется буферным, страничка автоматически обновляется. Всё. Изменения приняты.

    Привожу фрагменты кода моей реализации этого механизма.
    В html-страничке встраиваем форму:



    CONTROL.HTM:


    Идёт отправка страницы:
    По кнопке «Отправить» запускается следующий ява-скрипт: send_HTM.js

    В скетче в функции обработки запросов веб-сервера по префиксам в запросе "CONTROL.HTM" (старт отправки файла), "htmlineN" (отправка строки №) и "END_CONTROL.HTM" (конец отправки файла) определяем дальнейшие действия:

    File acceptHtmFile; ................ if (fl_accept_htm) // префикс "CONTROL.HTM" { SD.remove(CTRL_HTM); acceptHtmFile = SD.open(CTRL_HTM, FILE_WRITE); // открываем файл на запись if (!acceptHtmFile) // если файл открыть не удалось - ничего не пишем { #ifdef DEBUG_SD Serial.println("SD-card not found"); #endif client.print("FAIL"); client.stop(); } else client.print("OK_OPEN_FILE"); acceptHtmMode = true; break; } if (fl_htmline) // префикс "htmlineN" { int b = acceptHtmFile.println(tag); if (b == 0) { client.print("FAIL"); acceptHtmMode = false; cntHtmModeIteration = 0; } else { client.print("OK"); } cntHtmModeIteration = 0; break; } if (fl_endhtm) // префикс "END_CONTROL.HTM" { SD.remove(CONTROL_HTM); acceptHtmFile.close(); File htmlFile = SD.open(CONTROL_HTM, FILE_WRITE); // открываем на запись acceptHtmFile = SD.open(CTRL_HTM); // открываем на чтение for (int i = 0; i < acceptHtmFile.size(); i++) { digitalWrite(PIN_WATCHDOG_DONE, 1); htmlFile.write(acceptHtmFile.read()); digitalWrite(PIN_WATCHDOG_DONE, 0); } acceptHtmFile.close(); htmlFile.close(); client.print("OK_CLOSE_FILE"); acceptHtmMode = false; cntHtmModeIteration = 0; break; }
    Дефайны CONTROL_HTM и CTRL_HTM здесь это имена html-файлов. Первый - основной файл, второй - буферный. В массиве чаров tag лежит текст принятой строки, выделенный из запроса. Логика такова: при приёме данных они пишутся в буферный файл, по окончании приёма буферный файл переписывается в основной. Как просто переименовать файлы я так и не смог понять, в стандартной библиотеке SD такой функции нет, поэтому тупое посимвольное копирование, отнимающее кучу времени.

    Было бы удобным код веб-странички управления хранить не на карте памяти контроллера, а на клиентской машине, или загружать с какого-нибудь внешнего ресурса. Но запрет на кроссдоменные запросы не позволяет этого сделать. Яваскрипты могут отправлять свои запросы только тому северу, с которого были загружены сами. Тела яваскриптов при этом могут подгружаться откуда угодно, важно лишь только откуда была загружена страница с их вызовом.

    Логирование данных

    Ethernet shield имеет на борту слот карты памяти micro-SD. Именно из-за его наличия я и решил писать данные в лог-файлы. Для работы с картой памяти также имеется встроенная библиотека, и управлять записью-чтением файлов с ней вообще элементарно.

    Для экономии объёма данных алгоритм логирования я построил так, что запись происходит только тогда, когда данные изменяются более чем на заданный порог. Для температуры это 0.1°, для напряжения это 0.2В. В один файл пишутся данные за одни сутки. В ноль часов создаётся новый файл. Формат хранения я выбрал обычный текстовый, с разделителями, чтобы можно было быстро контролировать содержимое файлов при отладке, и была бы простая возможность загрузки в Excel.

    Конструктивные ограничения не позволяют удобно вставлять-вынимать карту памяти, поэтому я использовал карту большого объема. По моим расчётам, она будет заполняться в течение нескольких лет, после чего нужно будет подразобрать корпус, вынуть карту памяти и очистить её.

    Приводить код логирования смысла не вижу, там всё совершенно тривиально - банальная запись текста в файл. Да и размазан этот код по всему скетчу (логируются не только параметры датчиков, но ещё и разнообразные разовые события), вычленить затруднительно.

    Графики

    В качестве движка для построения графиков я использую очень гибко настраиваемую javascript-библиотеку визуализации данных amchart . Библиотека бесплатная и доступна для скачивания и автономного использования. Эту библиотеку я также расположил на своём сетевом хранилище с постоянным доступом в интернет. Подключить и использовать её с дефолтными настройками не сложно, однако чтобы получить в итоге тот вид, который мне был нужен, пришлось немало повозиться. Помогло огромное количество примеров на сайте и наличие подробной документации.

    Для примера приведу свой яваскрипт отрисовки графиков. Сам по себе он бесполезен, так как работает только в совокупности и с веб-сервером, и с html-страницей, и, возможно, завязан на другие скрипты (дело было давно, всех деталей уже не помню). Но настройки внешнего вида моих графиков содержаться именно в нём и почерпнуть их оттуда можно: get_log.js

    Большим преимуществом библиотеки amchart является то, что она умеет отрисовывать правильные графики по «рваным» данным. Как я уже упоминал выше, в лог я сохраняю данные только при их изменении. То есть это происходит асинхронно и хаотично. Новых данных может не быть несколько минут, а потом за несколько секунд они поменяются несколько раз. Соответственно записи в логе идут с произвольными интервалами времени. Amchart при отрисовке учитывает это самостоятельно, у меня нет необходимости интерполировать данные перед отрисовкой. Я просто отправляю массив данных как есть, и вижу красивый равномерный во времени график.

    Недостаток этой библиотеки я обнаружил только один - она не умеет (ну или я так и не понял как) по-человечески обновлять графики в реальном времени. Можно добавить новые данные к уже имеющимся, но перерисовка производится каждый раз полностью всего массива данных, и это сильно подтормаживает работу браузера. Впрочем, сама идеология чтения из Ардуины данных для отрисовки по запросу из браузера ущербна своей неоптимальностью, поэтому бороться за быстрое обновление в реальном времени смысла не было никакого.

    Правильным решением было бы организовать отдельный сервер хранения и визуализации данных, куда с Ардуины в реальном времени данные капали бы по чуть-чуть и складировались в БД, и откуда бы они могли быстро быть отданы пользователю в браузер для визуализации.

    Сейчас графики выглядят так (на примере дня, когда в бытовке никого нет и, соответственно, нет никакого энергопотребления). Когда возникают данные тока, масштаб автоматически устанавливается так, чтобы всё красиво влезало, и на вертикальной оси возникают и значения уровней тока:

    Графики отображаются на той же самой страничке, где происходит управление, прямо ниже основного блока контролов.

    Полный комплект исходников проекта не привожу намеренно по нескольким причинам:

  • Его нельзя запустить как есть в любой другой сети, кроме моей, так как я не пытался сделать проект портабельным, и он жёстко завязан на мои адреса и мою топологию сети.
  • Я уверен, что общая идеология проекта страдает массой разнообразных проблем, так как это моя первая попытка в той области, в которой я разбираюсь плохо. Поэтому не предлагаю никому весь проект к повторению именно в таком виде. Я поделился лишь теми моментами, в которых более менее уверен.
  • Проект делался давно и долго, и я уже никогда не вспомню всех деталей и не смогу объяснить ряд решений. Объём скетча очень большой (по моим меркам, около 2 тыс строк), разнообразных обслуживающих ява-скриптов более десятка, принципиальную схему железа я не делал. То есть не смогу помочь консультативно по большинству вопросов.
    • Сборка

    С самого начала я поставил себе цель - сделать законченное устройство, а не просто макет с ворохом проводочков на столе:

    И сразу же решил, что устройство это я хочу разместить внутри электрощитка. Там и питание, и счётчик, и вообще, это удобно.

    Для этого требовался динреечный корпус. Вначале думал разработать его и напечатать на 3D-принтере. Но, своего 3D-принтера у меня нет, а то, что печатают мои коллеги по работе на своих самосборных принтерах, меня совершенно не устраивало по качеству внешнего вида. Нашел в продаже готовые корпуса на DIN-рейку (разных размеров), выглядят хорошо, пользоваться удобно (разборные), да ещё и плата-слепыш под них специально имеется готовая.

    Купил самый большой корпус, чтобы в него вместилась не только Ардуино с изернет-шилдом, но еще и реле для коммутации нагрузки:

    Дальше был длительный и увлекательный процесс монтажа всей требухи в корпус. Под это дело я даже приобрёл себе замечательный паяльничек с функцией сна (имеющиеся у меня паяльники все были ещё советских времен):

    Для монтажа накупил кучу всевозможных стоечек, винтиков, шайбочек и гаечек. Первая прикидочная сборка:

    Для подключения проводов к верхним контактам пришлось использовать загнутые штырьки, иначе не влезало в корпус:

    Изолирующие шайбы местами приходилось подрезать:

    А местами изгаляться более извратно, поднимать винт на втулке, и вычурно подрезать втулку:

    Для одиночной релюшки не хватило точек опоры, поэтому повисла только на двух точках:

    Прикидочная сборка вместе с клеммными колодками:

    Потом поделка стала постепенно обрастать проводами. Плата была использована только для разводки питания и для подключений к клеммным колодкам. Для сигнальных связей использовал провод МС-16 (мне он больше нравится), для силовых он не проходил по напряжению (до 100 В), поэтому МГТФ:

    На лицевой панели закрепил светодиодики, токоограничивающие резисторы припаял прямо к ножкам светодиодов и закрыл термоусадкой:

    В итоге получилась вот такая бородатая начинка:

    А вот и платка с микросхемкой сторожевого таймера, приютилась в недрах моего творения, прямо над преобразователем уровней RS-485 - TTL:

    Вся конструкция разборная, всё можно снять, отсоединить и заменить без пайки, кроме платки с вотчдогом, она припаяна к пинам разъема, одетого на ряд IO-портов Ардуины.

    В коробочке:

    Отверстия под разъёмы Ардуины выпилил в пластиковой стенке корпуса. Сначала сделал отверстия точно по размерам разъёмов, но сборку в корпус нужно заводить по диагнонали (иначе просто никак) и разъёмы не проходили, пришлось расточить немного:

    Включение готового изделия на столе, всё заработало сразу:

    На лицевую панель вывел:

    • Четыре красных светодиода - индикация нагрузки;
    • Два зеленых - наличие связи со счётчиком и с VPN-сервером;
    • Два желтых - запасные;
    • Один желтый - индикация перезагрузки роутера;
    • Один красный - питание;
    • И кнопочка сброса.
    Для получения 5-ти вольт из 220-ти я использовал динреечный блок питания с подстройкой выходного уровня, питание подано непосредственно на микроконтроллер, минуя входной преобразователь из 7-12 в 5 вольт. Это было удобно по нескольким причинам. Во-первых, мощности встроенного преобразователя в какой-то момент стало не хватать, ток там ограничен. Во-вторых, питать реле всё равно нужно было 5-ю вольтами. В третьих, в щитке удобен динреечный форм-фактор с точки зрения монтажа. Поэтому вот:

    Испытания

    На столе всё было преверено, всё работало как надо, настала пора инсталлировать контроллер в щиток и проверить его в боевом режиме.

    Но сначала я подключил всё «на соплях», буквально затолкав всю требуху в другой щиток, слаботочный, чтобы протестировать работу термодатчиков в реальных условиях на длинных линиях, проложенных в одном кабель-канале с силовыми кабелями ~220В:

    Как можно заметить на фотке выше, доселе я пытался управлять перезагрузкой роутера по питанию с помощью «умной» розетки Senseit. Однако сей девайс безумной стоимостью в 5 тыс (на 2016 год) оказался на редкость глючным и капризным. За год использования не раз заставлял меня незапланированно приезжать на дачу в неурочное время, дабы вручную вывести это чудо инженерной и маркетинговой мысли из глубокого дауна в части GSM-связи. С переходом на свой Ардуино-контроллер, который оказался не в пример надёжнее, я с облегчением бросил это «профессиональное» барахло в красивой коробочке в ящик, и забыл про него.

    Тест прошёл успешно, сбоев не было, и можно было приступить к окончательной инсталляции в штатное место:

    Да-да, это щиток ABB TwinLine 800x300x225 IP55, стоимостью в 25 тыс. руб. без начинки (и начинка ещё на 15 тыс. примерно). И да, он установлен в бытовке 6х2. У всех свои тараканы. Да, собирал всю электрику сам . И бытовку строил тоже, да. Нет, я не электрик. И не строитель.

    В глубине щитка я расположил небольшой источник бесперебойного питания Powercom WOW 300 , вон там горит его зелёный светодиод, а левее и выше - его вилка входного питания:

    Его хватает на ~40 минут автономной работы Ардуино-девайса, роутера с USB-модемом и вайфаем, и Full HD IP-камеры наружного наблюдения.

    А здесь видны белые вилки питания двух бесперебойных потребителей - блок питания Ардуино и слаботочный щиток, где расположен роутер и блок питания камеры наружного наблюдения. Эта линия идёт с разрывом через контактор, которым управляет Ардуино, как раз для того самого программного вотчдога, перезагружающего роутер по питанию в случае падения VPN (камера перезагружается заодно, хотя ей это и не надо). Сверху к контроллеру подключены линии витых пар от датчиков температуры:

    Надо сказать, что маленьким синим китайским релюшечкам я бы никогда не доверил коммутацию мощной нагрузки, несмотря на вроде бы позволяющие это делать параметры этих релюшек. Поэтому сразу же было заложено использование нормальных модульных контакторов Legrand кат.№ 4 125 01 с возможностью ручного управления. То есть релюшки внутри корпуса контроллера управляют контакторами, а контакторы уже управляют нагрузкой. Это надёжно. А вот питание роутера и камеры осуществляется только лишь через эту маленькую синюю китайскую релюшку, ток там небольшой, поэтому можно.

    При первом же боевом запуске меня ждало большое разочарование. На столе я испытал всё, кроме нагрузки. Зачем? Контакторы щёлкают, и так понятно, что нагрузку они коммутировать будут. Ан нет, надо было испытать. Мощные электроконвекторы привнесли в систему помеху в момент размыкания контактов, что приводило к гарантированному зависанию изернет-шилда. Причем вывести его из дауна было возможно только снятием питания, простой ресет не помогал. Погуглил - да, есть такая проблема у этой китайщины. И библиотека не обрабатывает эту ситуацию. То есть и железка хреновая, и софт не очень.

    Думал уже, что всё пропало. Даже заказал твёрдотельные реле, но они, сволочи, больше по высоте, и в мою конструкцию уже не поместились бы. Но потом подумал, что может быть всё же помеху можно подавить. Опять погуглил, нашёл специальные помехоподавляющие конденсаторы (т.н. конденсаторы типа X). Просто подключил их параллельно управляющей обмотке контакторов, и о чудо! Зависания пропали полностью. За вот уже год эксплуатации ни одного случая не зарегистрировано:

    А вот таким образом можно заглянуть внутрь коробки:

    Ну и законченный вид щитка с пластроном (заглушек вот в комплекте не дали):

    Для дебага и перепрошивки кабель USB подключен к контроллеру и хранится внутри щитка за закрытой дверцей (изернет на этой фотке временно не подключен):

    Система работает уже почти год, пережила морозы до 20 градусов без проблем.

    В целом я доволен результатом. Однако для более-менее функциональных задач Ардуино явно слабенький. Я уже не раз сталкивался с исчерпыванием памяти и приходилось кроить и оптимизировать. Да и скорость работы, особенно с картой памяти, меня совершенно не устраивает. Поэтому будущие реализации подобных поделок, если таковые потребуются, я бы хотел основывать на чём-то более мощном. Коллеги пиарят мне Raspberry Pi, хороший вариант, думаю. Добавить метки

    Еще не так давно технология автоматизированного дома была недоступной для большинства людей, и считалась непозволительной роскошью. Эти времена прошли, и теперь позволить себе умный дом могут практически все жители городов и других населенных пунктов. Более того, можно сделать умный дом на Arduino своими руками, и тем самым значительно сэкономить. Что нужно для самостоятельного изготовления, и как сделать умный дом?

    Из чего сделан современный умный дом?

    Любая система автоматизации бытовых процессов состоит из нескольких компонентов, которые связаны друг с другом посредством проводной или беспроводной связи. В состав умного дома входят следующие элементы:

      Контроллер. Главное устройство, которое занимается обработкой и отправкой сигналов. Контроллер – это сердце умного дома, к которому подключаются внешние датчики и исполнительные устройства. Именно на эту роль мы возьмем Arduino, так как его возможностей вполне достаточно для автоматизации жилья.

      Датчики. Сегодня существует множество датчиков, реагирующих на те или иные изменения окружающей среды. К ним можно отнести датчики движения, открытия и закрытия дверей, разбивания стекла, света, температуры, влажности воздуха, освещения, магнитного поля, углекислого газа, а также многие другие.

      Исполнительные устройства. К этой категории относятся краны с сервоприводом, системы тушения огня, сирены, твердотельные и электромагнитные реле, и многие другие. Именно при помощи них контроллер управляет процессами, происходящими в доме, и именно они делают жилище автоматизированным.

    Нельзя не отметить и такой важный компонент автоматизированного жилья, как пульт управления. В готовых решениях в его качестве зачастую выступает одна или несколько настенных панелей, нередко сенсорных. Также возможно управление умным оборудованием при помощи пульта дистанционного управления. В готовых и в самодельных решениях есть возможность слежения за домом через приложение на мобильных устройствах.

    Каковы особенности платформы Arduino?

    Arduino – торговая марка, под которой выпускается широкий ассортимент аппаратно-программных устройств. Они предназначены специально для формирования систем автоматики и робототехники. Главное достоинств таких устройств заключается в том, что они рассчитаны на непрофессиональных пользователей. С настройкой автоматического дома на базе Ардуино можно разобраться, даже не имея при этом навыков программирования.

    Автоматизированный дом на платформе Arduino отличается множеством преимуществ, среди которых такие:

      Универсальность. К контроллеру можно подключить широкий спектр внешних датчиков для приема сигналов из окружающей среды, и большой выбор исполнительных устройств для управления домом.

      Масштабируемость. При необходимости можно в любой момент добавить к системе дополнительные датчики и устройства, чтобы расширить возможности самодельного умного дома – дело пары минут.

      Производительность. Если речь идет о несложных проектах, их вполне можно реализовать на базе Ардуино. К тому же под этой торговой маркой выпускаются контроллеры с различной продуктивностью.

      Доступность. Стоимость контроллера и дополнительных модулей настолько низкая, что не нанесет существенного удара по бюджету. Кроме того, все это можно заказывать в Китае по самой низкой цене.

    Эти и другие преимущества послужили причиной высокой востребованности платформы Arduino у тех людей, которые хотят автоматизировать жилье собственными силами. Разберемся подробно в том, как это сделать.

    Какие компоненты требуется подготовить?

    Прежде, чем собрать умный дом своими руками на базе Arduino, необходимо подготовить все комплектующие и инструменты для работы. Ниже мы рассмотрим изготовление автоматизированной системы из таких деталей:

    • контроллер Arduino Leonardo;
    • модуль Ethernet ENC28J60;
    • датчик атмосферных осадков;
    • датчик передвижения;
    • два датчика температуры DS18B20;
    • язычковый переключатель;
    • реле и резистор с сопротивлением 4,7 кОм;
    • кабель Ethernet и кабель типа «витая пара»;
    • чувствительный микрофон.

    Приблизительная стоимость всех перечисленных выше компонентов составляет порядка 90 долларов. Это в разы меньше по сравнению со стоимостью уже готовых к использованию систем автоматизации домашних процессов.


    Стоит отметить, что для сборки автоматизированного дома на базе контроллера Ардуино вам даже не нужен паяльник. Все соединения выполняются стандартными проводами, которые продаются вместе с контроллером. Собрать устройство можно даже на макетной плате, после чего закрыть ее в защищенный корпус, чтобы не допустить ее затопление или механическое повреждение. Это упрощает и удешевляет процесс изготовления.

    Подключение компонентов к Ардуино

    После того, как все комплектующие для изготовления устройства готовы, и лежат под рукой, можно начинать сборку своими руками автоматизированного умного дома на платформе Arduino. Первое, что нужно сделать, это подключить внешние модули и устройства портам на контроллере Ардуино. Это выполняется по такой схеме:


    Как можно заметить, даже после сборки всей системы в единое целое, на контроллере остается достаточно много свободных контактов. В дальнейшем можно будет подключить к ним дополнительные устройства. Если вам вдруг не будет хватать места для подключения внешних датчиков, можно приобрести плату расширения для Ардуино вашей версии. Нужно будет установить плату на контроллер, и все датчики подключать через нее.

    Работа с программной частью проекта

    Следующий после сборки системы этап – перепрошивка контроллера. Она выполняется для того, чтобы научить Ардуино работать с внешними датчиками по необходимым вам алгоритмам. Прежде, чем начать перепрошивку, нужно скачать программу Arduino IDE на персональный компьютер, и подключить контроллер к нему через USB кабель. После того, как устройство будет определено компьютером, можно начинать работу по перепрошивке.

    Расписывать весь процесс написания прошивки не имеет смысла, так как сегодня в Интернете можно найти массу примеров готовых прошивок для автоматизации жилья. Достаточно скачать необходимые для работы внешних устройств библиотеки, скачать нужную прошивку и перенести ее на контроллер через программу Arduino IDE. Сразу после перепрошивки контроллера можно приступать к настройке самодельного умного дома.

    Настройка управления автоматизированным домом

    Заключительный этап – настройка управления умным жильем. Для этого нужно скачать в магазине приложений программу SmartHome и установить ее на своем мобильном устройстве. После этого надо зайти в настройки этой программы и отредактировать IP-адрес. Необходимо указать IP-адрес вашего роутера, к которому подключается контроллер Ардуино при помощи Ethernet кабеля. Далее выполняется настройка роутера по этой инструкции:

    откройте настройки маршрутизатора;

    впишите в настройках IP-адрес контроллера;

    откройте порт под номером 80.

    Сразу после этого у вас появится возможность получать сведения с датчиков умного дома, и видеть их на экране своего мобильного устройства. Если к системе подключены исполнительные устройства, можно ими управлять.

    Заключение

    Умный дом на базе контроллера Ардуино – это простое и современное решение, которое можно самостоятельно собрать и настроить за пару часов, не имея при этом никаких навыков программирования. Не упустите шанс воспользоваться возможностью недорого и достаточно быстро настроить автоматизацию домашних процессов.

    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.