Έξυπνο σπίτι βασισμένο σε ελεγκτές Arduino: σχεδιασμός και οργάνωση ελεγχόμενου χώρου

Η ανάπτυξη εργαλείων αυτοματισμού οδήγησε στη δημιουργία πολύπλοκων συστημάτων που βελτιώνουν την ποιότητα της ανθρώπινης ζωής.Πολλοί γνωστοί κατασκευαστές ηλεκτρονικών ειδών και περιβαλλόντων λογισμικού προσφέρουν έτοιμες τυπικές λύσεις για διάφορα αντικείμενα.

Ακόμη και ένας άπειρος χρήστης μπορεί να αναπτύξει ανεξάρτητα έργα και να συναρμολογήσει ένα «έξυπνο σπίτι» χρησιμοποιώντας το Arduino για να ταιριάζει στις ανάγκες του. Το κύριο πράγμα είναι να κατανοήσετε τα βασικά και να μην φοβάστε να πειραματιστείτε.

Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε την αρχή της δημιουργίας και τις κύριες λειτουργίες ενός αυτοματοποιημένου σπιτιού που βασίζεται σε συσκευές Arduino. Θα εξετάσουμε επίσης τους τύπους των σανίδων που χρησιμοποιούνται και τις κύριες μονάδες του συστήματος.

Δημιουργία συστημάτων στην πλατφόρμα Arduino

Το Arduino είναι μια πλατφόρμα για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών με αυτόματο, ημιαυτόματο ή χειροκίνητο έλεγχο. Είναι κατασκευασμένο σύμφωνα με την αρχή ενός σχεδιαστή με σαφώς καθορισμένους κανόνες αλληλεπίδρασης μεταξύ των στοιχείων. Το σύστημα είναι ανοιχτό, το οποίο επιτρέπει σε τρίτους κατασκευαστές να συμμετέχουν στην ανάπτυξή του.

Κλασικό «έξυπνο σπίτι» αποτελείται από αυτοματοποιημένα μπλοκ που εκτελούν τις ακόλουθες λειτουργίες:

• συλλέγει τις απαραίτητες πληροφορίες μέσω αισθητήρων.
• αναλύει δεδομένα και λαμβάνει αποφάσεις χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιζόμενο μικροεπεξεργαστή.
• εφαρμόζει τις αποφάσεις που λαμβάνονται με την έκδοση εντολών σε διάφορες συσκευές.

Η πλατφόρμα Arduino είναι καλή ακριβώς επειδή δεν είναι κλειδωμένη σε συγκεκριμένο κατασκευαστή, αλλά επιτρέπει στον καταναλωτή να επιλέξει τα εξαρτήματα που του ταιριάζουν. Η επιλογή τους είναι τεράστια, έτσι μπορείτε να πραγματοποιήσετε σχεδόν κάθε ιδέα.

Σας προτείνουμε να ελέγξετε τα καλύτερα έξυπνες συσκευές για το σπίτι.

Για να μάθετε πώς να εργάζεστε με το Arduino, μπορείτε να αγοράσετε ένα κιτ εκκίνησης στον ιστότοπο του κατασκευαστή. Απαραίτητη η γνώση τεχνικών αγγλικών, καθώς η τεκμηρίωση δεν είναι ρωσική

Εκτός από την ποικιλία των συνδεδεμένων συσκευών, το περιβάλλον προγραμματισμού που εφαρμόζεται στη C++ προσθέτει ποικιλία. Ο χρήστης μπορεί όχι μόνο να χρησιμοποιήσει τις δημιουργημένες βιβλιοθήκες, αλλά και να προγραμματίσει την αντίδραση των στοιχείων του συστήματος σε αναδυόμενα γεγονότα.

Κύρια στοιχεία πλακέτας

Το κύριο στοιχείο ενός «έξυπνου σπιτιού» είναι ένας ή περισσότεροι κεντρικοί (μητρικοί) πίνακες. Είναι υπεύθυνοι για την αλληλεπίδραση όλων των στοιχείων. Μόνο αφού εντοπίσετε τις εργασίες που πρέπει να επιλυθούν, μπορείτε να αρχίσετε να επιλέγετε τον κύριο κόμβο του συστήματος.

Η μητρική πλακέτα συνδυάζει τα ακόλουθα στοιχεία:

• Μικροελεγκτής (επεξεργαστής). Ο κύριος σκοπός του είναι η έξοδος και η μέτρηση τάσης στις θύρες στην περιοχή 0-5 ή 0-3,3 V, η αποθήκευση δεδομένων και η εκτέλεση υπολογισμών.
• Προγραμματιστής (δεν το έχουν όλοι οι πίνακες). Χρησιμοποιώντας αυτή τη συσκευή, γράφεται ένα πρόγραμμα στη μνήμη του μικροελεγκτή σύμφωνα με το οποίο θα λειτουργήσει το «έξυπνο σπίτι». Συνδέεται σε υπολογιστή, tablet, smartphone ή άλλη συσκευή μέσω διασύνδεσης USB.
• Ρυθμιστής τάσης. Απαιτείται μια συσκευή 5 volt για την τροφοδοσία ολόκληρου του συστήματος.

Πολλά μοντέλα σανίδων παράγονται με την επωνυμία Arduino.Διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον παράγοντα μορφής (μέγεθος), τον αριθμό των θυρών και τη χωρητικότητα μνήμης. Με βάση αυτούς τους δείκτες πρέπει να επιλέξετε μια κατάλληλη συσκευή.

Είναι καλύτερο να αγοράσετε πλακέτες και ασπίδες Arduino για αυτές από τον κατασκευαστή, καθώς είναι καλύτερης ποιότητας από τις συμβατές συσκευές που παράγονται στην Κίνα

Υπάρχουν δύο τύποι θυρών:

• ψηφιακό, τα οποία σημειώνονται στον πίνακα με γράμματα "ρε";
• αναλογικό, τα οποία σημειώνονται με το γράμμα "ένα".

Χάρη σε αυτά, ο μικροελεγκτής επικοινωνεί με συνδεδεμένες συσκευές. Οποιαδήποτε θύρα μπορεί να λειτουργήσει τόσο για τη λήψη ενός σήματος όσο και για την αποστολή του. Οι ψηφιακές θύρες με την ένδειξη «pwm» προορίζονται για είσοδο και έξοδο σήματος PWM (διαμόρφωση πλάτους παλμού).

Επομένως, πριν αγοράσετε μια πλακέτα, είναι απαραίτητο να εκτιμήσετε τουλάχιστον κατά προσέγγιση το επίπεδο του φορτίου της σε διάφορες συσκευές. Αυτό θα σας επιτρέψει να προσδιορίσετε τον απαιτούμενο αριθμό θυρών όλων των τύπων.

Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι το σύστημα έξυπνου σπιτιού δεν χρειάζεται απαραίτητα να συνδέεται με μια μονάδα ελέγχου που βασίζεται σε μία μόνο μητρική πλακέτα. Λειτουργίες όπως, για παράδειγμα, η ενεργοποίηση του τεχνητού φωτισμού στην περιοχή ανάλογα με την ώρα της ημέρας και η διατήρηση ενός αποθέματος νερού στη δεξαμενή αποθήκευσης είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους.

Από τη σκοπιά της διασφάλισης της αξιοπιστίας του ηλεκτρονικού συστήματος, είναι καλύτερο να διαχωρίζονται άσχετες εργασίες σε διαφορετικά μπλοκ, κάτι που η ιδέα του Arduino καθιστά εύκολη την εφαρμογή. Εάν συνδυάσετε πολλές συσκευές σε ένα μέρος, τότε ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να υπερθερμανθεί, να υπάρχει σύγκρουση βιβλιοθηκών λογισμικού και δυσκολίες στην εύρεση και την εξάλειψη σφαλμάτων λογισμικού και υλικού.

Η σύνδεση πολλών διαφορετικών τύπων συσκευών σε μία πλακέτα χρησιμοποιείται συνήθως στη ρομποτική, όπου η συμπαγής είναι σημαντική. Για ένα «έξυπνο σπίτι» είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε τη δική του βάση για κάθε εργασία

Κάθε μικροεπεξεργαστής είναι εξοπλισμένος με τρεις τύπους μνήμης:

• Flash Memory. Κύρια μνήμη όπου αποθηκεύεται ο κώδικας προγράμματος διαχείρισης συστήματος. Ένα μικρό μέρος του (3-12%) καταλαμβάνεται από ένα ενσωματωμένο πρόγραμμα bootloader.
• SRAM. RAM, όπου αποθηκεύονται προσωρινά δεδομένα που είναι απαραίτητα για την εκτέλεση του προγράμματος. Διαθέτει υψηλή ταχύτητα λειτουργίας.
• EEPROM Πιο αργή μνήμη όπου μπορούν επίσης να αποθηκευτούν δεδομένα.

Η κύρια διαφορά μεταξύ των τύπων μνήμης για αποθήκευση δεδομένων είναι ότι όταν απενεργοποιείται η τροφοδοσία, οι πληροφορίες που καταγράφονται στη SRAM χάνονται, αλλά παραμένουν στο EEPROM. Αλλά ο μη πτητικός τύπος έχει επίσης ένα μειονέκτημα - περιορισμένο αριθμό κύκλων εγγραφής. Αυτό είναι κάτι που πρέπει να έχετε κατά νου όταν δημιουργείτε τις δικές σας εφαρμογές.

Σε αντίθεση με τη χρήση του Arduino στη ρομποτική, οι περισσότερες έξυπνες οικιακές εργασίες δεν απαιτούν πολλή μνήμη ούτε για προγράμματα ούτε για αποθήκευση πληροφοριών.

Τύποι σανίδων για τη συναρμολόγηση ενός έξυπνου σπιτιού

Ας δούμε τους κύριους τύπους σανίδων που χρησιμοποιούνται συχνότερα κατά τη συναρμολόγηση έξυπνων οικιακών συστημάτων.

Προβολή #1 - Arduino Uno και τα παράγωγά του

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες πλακέτες σε έξυπνα οικιακά συστήματα είναι οι Arduino Uno και Arduino Nano. Έχουν επαρκή λειτουργικότητα για την επίλυση τυπικών προβλημάτων.

Η ύπαρξη πλακών πλήρους μήκους που τροφοδοτούνται από 7-12 Volt παρέχει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτα απ 'όλα, αυτή είναι η δυνατότητα μακροχρόνιας αυτόνομης λειτουργίας από τυπικές μπαταρίες ή επαναφορτιζόμενες μπαταρίες

Κύριες παράμετροι του Arduino Uno Rev3:

• Επεξεργαστής: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• αριθμός ψηφιακών θυρών: 14;
• εκ των οποίων με λειτουργία PWM: 6;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 6;
• μνήμη flash: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Πριν από λίγο καιρό, κυκλοφόρησε μια τροποποίηση - το Uno Wi-Fi, το οποίο περιέχει μια ενσωματωμένη μονάδα ESP8266 που σας επιτρέπει να ανταλλάσσετε πληροφορίες με άλλες συσκευές χρησιμοποιώντας το πρότυπο 802.11 b/g/n.

Η διαφορά μεταξύ του Arduino Nano και του μεγαλύτερου αντίστοιχου είναι ότι δεν έχει τη δική του πρίζα 12 V. Αυτό γίνεται για να επιτευχθεί μικρότερο μέγεθος συσκευής, το οποίο του επιτρέπει να κρύβεται εύκολα σε μικρό χώρο. Επίσης για αυτούς τους σκοπούς, η τυπική σύνδεση USB αντικαθίσταται από ένα τσιπ με καλώδιο mini-USB. Το Arduino Nano έχει 2 περισσότερες αναλογικές θύρες σε σύγκριση με το Uno.

Υπάρχει μια άλλη τροποποίηση της πλακέτας Uno - Arduino Mini. Είναι ακόμη μικρότερο από το Nano και πολύ πιο δύσκολο να το δουλέψεις. Πρώτον, η έλλειψη θύρας USB δημιουργεί πρόβλημα με το υλικολογισμικό, αφού για αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν μετατροπέα USB-Serial. Δεύτερον, αυτή η πλακέτα είναι πιο επιλεκτική όσον αφορά την παροχή ρεύματος - είναι απαραίτητο να παρέχεται ένα εύρος τάσης εισόδου 7-9 V.

Για τους λόγους που περιγράφονται παραπάνω, η πλακέτα Arduino Mini σπάνια χρησιμοποιείται για λειτουργία έξυπνου σπιτιού. Συνήθως χρησιμοποιείται είτε στη ρομποτική είτε στην υλοποίηση έτοιμων έργων.

Προβολή #2 - Arduino Leonardo και Micro

Η πλακέτα Arduino Leonardo είναι παρόμοια με την Uno, αλλά λίγο πιο ισχυρή. Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό αυτού του μοντέλου είναι ότι αναγνωρίζεται ως πληκτρολόγιο, ποντίκι ή joystick όταν συνδέεται σε υπολογιστή. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία πρωτότυπων συσκευών παιχνιδιών και προσομοιωτών.

Πίνακας μεγεθών και διαστάσεων των Uno, Leonardo και των μικροσκοπικών αναλόγων τους. Οι προγραμματιστές δεν ακολούθησαν τη λογική στα ονόματα - το "nano" θα πρέπει να είναι το μικρότερο

Οι κύριες παράμετροι του Arduino Leonardo είναι οι εξής:

• Επεξεργαστής: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• αριθμός ψηφιακών θυρών: 20;
• εκ των οποίων με λειτουργία PWM: 7;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 12;
• μνήμη flash: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Όπως φαίνεται από τη λίστα των παραμέτρων, το Leonardo έχει περισσότερες θύρες, γεγονός που επιτρέπει σε αυτό το μοντέλο να φορτωθεί με μεγαλύτερο αριθμό αισθητήρων.

Επίσης για τον Leonardo υπάρχει ένα μικροσκοπικό ανάλογο με απολύτως πανομοιότυπα χαρακτηριστικά που ονομάζεται Micro. Δεν έχει τροφοδοτικό 12V και αντί για πλήρη είσοδο USB υπάρχει τσιπ για καλώδιο mini-USB.

Η τροποποίηση Leonardo που ονομάζεται Esplora είναι ένα αμιγώς gaming μοντέλο και δεν είναι κατάλληλη για τις ανάγκες ενός «έξυπνου σπιτιού».

Προβολή #3 - Arduino 101, Arduino Zero και Arduino MKR1000

Μερικές φορές η λειτουργία έξυπνων οικιακών συστημάτων που υλοποιούνται με βάση το Arduino απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ισχύ, την οποία οι μικροελεγκτές 8-bit δεν είναι σε θέση να παρέχουν. Εργασίες όπως η αναγνώριση φωνής ή εικόνας απαιτούν γρήγορο επεξεργαστή και σημαντική ποσότητα μνήμης RAM για τέτοιες συσκευές.

Για την επίλυση τέτοιων συγκεκριμένων προβλημάτων, χρησιμοποιούνται ισχυρές πλακέτες που λειτουργούν σύμφωνα με την ιδέα του Arduino. Ο αριθμός των θυρών που έχουν είναι περίπου ίδιος με αυτόν των πλακών Uno ή Leonardo.

Το Arduino 101 έχει τις ίδιες διαστάσεις με το Uno ή το Leonardo, αλλά ζυγίζει σχεδόν διπλάσιο. Ο λόγος για αυτό είναι η παρουσία δύο εισόδων USB και πρόσθετων τσιπ

Μία από τις πιο εύχρηστες αλλά ισχυρές πλακέτες, το Arduino 101 έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• Επεξεργαστής: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
• μνήμη flash: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: Όχι.

Επιπλέον, η πλακέτα είναι εξοπλισμένη με λειτουργία BLE (Bluetooth Low Energy) με δυνατότητα εύκολης σύνδεσης έτοιμων λύσεων, όπως αισθητήρα καρδιακών παλμών, λήψη πληροφοριών για τον καιρό έξω από το παράθυρο, αποστολή μηνυμάτων κειμένου κ.λπ. Ένα γυροσκόπιο και ένα επιταχυνσιόμετρο είναι επίσης ενσωματωμένα στη συσκευή, αλλά χρησιμοποιούνται κυρίως στη ρομποτική.

Μια άλλη παρόμοια πλακέτα, το Arduino Zero, έχει τους ακόλουθους δείκτες:

• Επεξεργαστής: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• μνήμη flash: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: Όχι.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτού του μοντέλου είναι η παρουσία ενός ενσωματωμένου εντοπισμού σφαλμάτων (EDBG). Με τη βοήθειά του είναι πολύ πιο εύκολο να βρείτε σφάλματα κατά τον προγραμματισμό της πλακέτας.

Όταν γράφετε ογκώδη κώδικα, ακόμη και ένας προγραμματιστής με υψηλή εξειδίκευση αντιμετωπίζει σφάλματα. Για να τα βρείτε, χρησιμοποιήστε ένα πρόγραμμα εντοπισμού σφαλμάτων

Το Arduino MKR1000 είναι ένα άλλο μοντέλο κατάλληλο για υπολογιστές υψηλής ισχύος. Διαθέτει μικροεπεξεργαστή και μνήμη παρόμοια με το Zero. Η κύρια διαφορά του είναι η παρουσία ενός ενσωματωμένου τσιπ Wi-Fi με το πρωτόκολλο 802.11 b/g/n και ενός crypto chip με υποστήριξη του αλγόριθμου SHA-256 για την προστασία των μεταδιδόμενων δεδομένων.

Προβολή #4 - Mega οικογενειακά μοντέλα

Μερικές φορές είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε μεγάλο αριθμό αισθητήρων και να ελέγξετε σημαντικό αριθμό συσκευών. Για παράδειγμα, αυτό είναι απαραίτητο για την αυτόματη λειτουργία κατανεμημένων συστημάτων κλιματισμού, τα οποία διατηρούν μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για μεμονωμένες ζώνες.

Για κάθε τοπική περιοχή, είναι απαραίτητο να παρακολουθείτε τις ενδείξεις δύο αισθητήρων θερμοκρασίας (ο δεύτερος χρησιμοποιείται ως έλεγχος) και, σύμφωνα με τον αλγόριθμο, να ρυθμίσετε τη θέση του αποσβεστήρα, ο οποίος καθορίζει τον όγκο του θερμού αέρα που εισέρχεται.

Εάν υπάρχουν περισσότερες από 10 τέτοιες ζώνες σε ένα εξοχικό σπίτι, τότε χρειάζονται περισσότερες από 30 θύρες για τον έλεγχο ολόκληρου του συστήματος. Φυσικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πολλές πλακέτες Uno-type υπό τον κοινό έλεγχο μιας από αυτές, αλλά αυτό δημιουργεί πρόσθετες δυσκολίες εναλλαγής. Σε αυτή την περίπτωση, συνιστάται η χρήση μοντέλων της οικογένειας Mega.

Το μέγεθος των σανίδων της οικογένειας Mega (101,5 x 53,4 cm) είναι μεγαλύτερο από αυτό των μοντέλων που εξετάστηκαν προηγουμένως. Αυτή είναι μια τεχνική αναγκαιότητα - διαφορετικά δεν μπορεί να τοποθετηθεί τέτοιος αριθμός θυρών

Η πλακέτα Arduino Mega βασίζεται σε έναν αρκετά απλό μικροεπεξεργαστή 8-bit 16 MHz aTMega1280.

Έχει μεγάλη ποσότητα μνήμης:

• μνήμη flash: 128 KB;
• SRAM: 8 KB;
• EEPROM: 4 KB.

Αλλά το κύριο πλεονέκτημά του είναι η παρουσία πολλών λιμένων:

• αριθμός ψηφιακών θυρών: 54;
• εκ των οποίων με λειτουργία PWM: 15;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 16.

Αυτός ο πίνακας έχει δύο σύγχρονες ποικιλίες:

• Το Mega 2560 βασίζεται στον μικροεπεξεργαστή aTMega2560, που χαρακτηρίζεται από μεγάλη ποσότητα μνήμης flash - 256 KB.
• Το Mega ADK, εκτός από τον μικροεπεξεργαστή aTmega2560, είναι εξοπλισμένο με διεπαφή USB με δυνατότητα σύνδεσης σε συσκευές που βασίζονται στο λειτουργικό σύστημα Android.

Το μοντέλο Arduino Mega ADK έχει ένα χαρακτηριστικό. Όταν συνδέετε ένα τηλέφωνο σε μια είσοδο USB, είναι δυνατή η ακόλουθη κατάσταση: εάν το τηλέφωνο χρειάζεται φόρτιση, θα αρχίσει να το "τραβάει" από την πλακέτα. Επομένως, υπάρχει μια πρόσθετη απαίτηση για την πηγή ηλεκτρικής ενέργειας - πρέπει να παρέχει ρεύμα 1,5 αμπέρ. Κατά την τροφοδοσία μέσω μπαταριών, αυτή η προϋπόθεση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη.

Μπορείτε να κάνετε αυτόνομη παροχή ρεύματος για το Arduino χρησιμοποιώντας συνδεδεμένες μπαταρίες ή συσσωρευτές.Συνδυάζοντας σειριακές και παράλληλες συνδέσεις μπορείτε να επιτύχετε την επιθυμητή τάση και μεγάλο χρόνο λειτουργίας

Το Due είναι ένα άλλο μοντέλο της Arduino που συνδυάζει την ισχύ ενός μικροεπεξεργαστή με μεγάλο αριθμό θυρών.

Τα χαρακτηριστικά του είναι τα εξής:

• Επεξεργαστής: Atmel SAM3X8E (32 bit, 84 MHz);
• αριθμός ψηφιακών θυρών: 54;
• εκ των οποίων με λειτουργία PWM: 12;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 14;
• μνήμη flash: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: Όχι.

Οι αναλογικές επαφές αυτής της πλακέτας μπορούν να λειτουργήσουν τόσο στη συνηθισμένη ανάλυση 10 bit για το Arduino, η οποία είναι κατασκευασμένη για συμβατότητα με προηγούμενα μοντέλα, όσο και σε 12 bit, η οποία σας επιτρέπει να λαμβάνετε πιο ακριβές σήμα.

Χαρακτηριστικά αλληλεπίδρασης μονάδων μέσω θυρών

Όλες οι μονάδες που θα συνδεθούν στην πλακέτα έχουν τουλάχιστον τρεις εξόδους. Δύο από αυτά είναι καλώδια ρεύματος, δηλ. "γείωση", καθώς και τάση 5 ή 3,3 V. Το τρίτο καλώδιο είναι λογικό. Μεταδίδει δεδομένα στη θύρα. Για τη σύνδεση των μονάδων, χρησιμοποιούνται ειδικά καλώδια ομαδοποιημένα σε ομάδες των 3, τα οποία μερικές φορές ονομάζονται jumpers.

Δεδομένου ότι τα μοντέλα Arduino έχουν συνήθως μόνο 1 θύρα τάσης και 1-2 θύρες γείωσης, για να συνδέσετε πολλές συσκευές θα χρειαστεί είτε να κολλήσετε καλώδια είτε να χρησιμοποιήσετε πλάκες ψωμιού.

Μπορείτε να συνδέσετε όχι μόνο την τροφοδοσία και τις θύρες της πλακέτας Arduino στην πλακέτα, αλλά και άλλα στοιχεία, όπως αντίσταση, καταχωρητές κ.λπ.

Η συγκόλληση είναι πιο αξιόπιστη και χρησιμοποιείται σε συσκευές που υπόκεινται σε φυσικές κρούσεις, όπως πίνακες ελέγχου για ρομπότ και τετρακόπτερα. Για ένα έξυπνο σπίτι, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε πλακέτες ανάπτυξης, καθώς είναι ευκολότερο τόσο κατά την εγκατάσταση όσο και κατά την αφαίρεση της μονάδας.

Ορισμένα μοντέλα (για παράδειγμα, το Arduino Zero και το MKR1000) έχουν τάση λειτουργίας 3,3 V, επομένως εάν εφαρμοστεί υψηλότερη τιμή στις θύρες, η πλακέτα μπορεί να καταστραφεί. Όλες οι πληροφορίες σχετικά με την παροχή ρεύματος είναι διαθέσιμες στην τεχνική τεκμηρίωση της συσκευής.

Πίνακες πρόσθετων (ασπίδες)

Για να αυξηθούν οι δυνατότητες των μητρικών, χρησιμοποιούνται Shields - πρόσθετες συσκευές που επεκτείνουν τη λειτουργικότητα. Κατασκευάζονται για έναν συγκεκριμένο παράγοντα μορφής, ο οποίος τα διακρίνει από μονάδες που συνδέονται με θύρες. Οι ασπίδες είναι πιο ακριβές από τις μονάδες, αλλά η εργασία με αυτές είναι ευκολότερη. Είναι επίσης εξοπλισμένα με έτοιμες βιβλιοθήκες με κώδικα, που επιταχύνει την ανάπτυξη των δικών σας προγραμμάτων ελέγχου για ένα έξυπνο σπίτι.

Ασπίδες Proto και Sensor

Αυτές οι δύο τυπικές ασπίδες δεν προσθέτουν καμία ειδική λειτουργικότητα. Χρησιμοποιούνται για πιο συμπαγή και βολική σύνδεση μεγάλου αριθμού μονάδων.

Το Proto Shield είναι ένα σχεδόν πλήρες αντίγραφο του πρωτοτύπου όσον αφορά τις θύρες και μπορείτε να κολλήσετε μια πλακέτα ανάπτυξης στη μέση της μονάδας. Αυτό διευκολύνει τη συναρμολόγηση της δομής. Τέτοια πρόσθετα υπάρχουν για όλες τις πλήρεις πλακέτες Arduino.

Το Proto Shield τοποθετείται πάνω από τη μητρική πλακέτα. Αυτό αυξάνει ελαφρώς το ύψος της δομής, αλλά εξοικονομεί πολύ χώρο στο επίπεδο

Αλλά εάν υπάρχουν πολλές συσκευές (περισσότερες από 10), τότε είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε πιο ακριβούς πίνακες μεταγωγής Sensor Shield.

Δεν διαθέτουν bradboard, αλλά όλες οι ακίδες θυρών παρέχονται ξεχωριστά με ρεύμα και γείωση. Αυτό σας επιτρέπει να αποφύγετε να μπλέξετε σε καλώδια και βραχυκυκλωτήρες.

Η επιφάνεια της μητρικής πλακέτας και των πλακών αισθητήρων είναι η ίδια, αλλά δεν υπάρχουν τσιπ, πυκνωτές και άλλα στοιχεία στην ασπίδα. Αυτό ελευθερώνει πολύ χώρο για πλήρεις συνδέσεις.

Αυτή η πλακέτα διαθέτει επίσης υποδοχές για εύκολη σύνδεση πολλών μονάδων: Bluetoots, κάρτες SD, RS232 (θύρα COM), ραδιόφωνο και υπερήχους.

Σύνδεση βοηθητικής λειτουργικότητας

Οι ασπίδες με ενσωματωμένη λειτουργικότητα έχουν σχεδιαστεί για να επιλύουν πολύπλοκα αλλά τυπικά προβλήματα. Εάν πρέπει να εφαρμόσετε πρωτότυπες ιδέες, είναι καλύτερο να επιλέξετε μια κατάλληλη ενότητα.

Ασπίδα κινητήρα. Έχει σχεδιαστεί για να ελέγχει την ταχύτητα και την περιστροφή των κινητήρων χαμηλής ισχύος. Το αρχικό μοντέλο είναι εξοπλισμένο με ένα τσιπ L298 και μπορεί να κινήσει ταυτόχρονα δύο κινητήρες DC ή έναν σερβομηχανισμό. Υπάρχει επίσης ένα συμβατό εξάρτημα τρίτου κατασκευαστή που διαθέτει δύο τσιπ L293D με δυνατότητα ελέγχου διπλάσιων μονάδων δίσκου.

Ασπίδα ρελέ. Μια μονάδα που χρησιμοποιείται συχνά σε έξυπνα οικιακά συστήματα. Μια πλακέτα με τέσσερα ηλεκτρομηχανικά ρελέ, καθένα από τα οποία επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος με δύναμη έως και 5Α. Αυτό αρκεί για να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε αυτόματα συσκευές κιλοβάτ ή γραμμές φωτισμού που έχουν σχεδιαστεί για εναλλασσόμενο ρεύμα 220 V.

Ασπίδα LCD. Σας επιτρέπει να εμφανίζετε πληροφορίες σε μια ενσωματωμένη οθόνη, η οποία μπορεί να αναβαθμιστεί σε συσκευή TFT. Αυτή η επέκταση χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία μετεωρολογικών σταθμών με ενδείξεις θερμοκρασίας σε διάφορους χώρους διαβίωσης, εξωτερικά κτίρια, γκαράζ, καθώς και θερμοκρασία, υγρασία και ταχύτητα ανέμου έξω.

Το LCD Shield διαθέτει ενσωματωμένα κουμπιά που σας επιτρέπουν να προγραμματίζετε την κύλιση πληροφοριών και να επιλέγετε ενέργειες για την αποστολή εντολών στον μικροεπεξεργαστή

Ασπίδα καταγραφής δεδομένων. Το κύριο καθήκον της μονάδας είναι η εγγραφή δεδομένων από αισθητήρες σε μια κάρτα SD πλήρους μορφής έως 32 Gb με υποστήριξη για το σύστημα αρχείων FAT32. Για εγγραφή σε κάρτα micro SD πρέπει να αγοράσετε έναν προσαρμογέα.Αυτή η ασπίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αποθήκευση πληροφοριών, για παράδειγμα, κατά την εγγραφή δεδομένων από ένα DVR. Κατασκευάζεται από την αμερικανική εταιρεία Adafruit Industries.

Ασπίδα κάρτας SD. Μια απλούστερη και φθηνότερη έκδοση της προηγούμενης ενότητας. Πολλοί κατασκευαστές παράγουν τέτοιες επεκτάσεις.

Ασπίδα Ethernet. Επίσημη ενότητα για τη σύνδεση του Arduino στο Διαδίκτυο χωρίς υπολογιστή. Υπάρχει μια υποδοχή για κάρτα micro SD, η οποία σας επιτρέπει να καταγράφετε και να στέλνετε δεδομένα μέσω του World Wide Web.

Ασπίδα Wi-Fi. Επιτρέπει την ασύρματη ανταλλαγή πληροφοριών με υποστήριξη για λειτουργία κρυπτογράφησης. Χρησιμεύει για σύνδεση στο Διαδίκτυο και συσκευές που μπορούν να ελεγχθούν μέσω Wi-Fi.

GPRS Shield. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται συνήθως για την επικοινωνία μεταξύ ενός έξυπνου σπιτιού και του ιδιοκτήτη του μέσω κινητού τηλεφώνου μέσω μηνυμάτων SMS.

Έξυπνες μονάδες σπιτιού

Η σύνδεση μονάδων από τρίτους κατασκευαστές και η δυνατότητα εργασίας μαζί τους χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη γλώσσα προγραμματισμού είναι το κύριο πλεονέκτημα του ανοιχτού συστήματος Arduino σε σύγκριση με τις «επώνυμες» λύσεις έξυπνου σπιτιού. Το κύριο πράγμα είναι ότι οι μονάδες έχουν μια περιγραφή των λαμβανόμενων ή μεταδιδόμενων σημάτων.

Τρόποι απόκτησης πληροφοριών

Η εισαγωγή πληροφοριών μπορεί να γίνει μέσω ψηφιακών ή αναλογικών θυρών. Εξαρτάται από τον τύπο του κουμπιού ή του αισθητήρα που λαμβάνει τις πληροφορίες και τις μεταδίδει στον πίνακα.

Για ένα πρόγραμμα υπολογιστή, ένα ψηφιακό σήμα αντιστοιχεί σε περιόδους με «0» και «1» και ένα αναλογικό σήμα καθορίζει το εύρος τιμών​σύμφωνα με τη διάστασή του

Ένα σήμα στον μικροεπεξεργαστή μπορεί να σταλεί από ένα άτομο που χρησιμοποιεί δύο μεθόδους για αυτό:

• Πατώντας ένα κουμπί (πλήκτρο). Το λογικό καλώδιο σε αυτή την περίπτωση πηγαίνει στην ψηφιακή θύρα, η οποία λαμβάνει την τιμή "0" εάν αφήσετε το κουμπί και "1" εάν πατηθεί.
• Περιστροφή του περιστροφικού καπακιού ποτενσιόμετρου (αντίστασης). ή μετατόπιση του μοχλού κινητήρα. Σε αυτήν την περίπτωση, το λογικό καλώδιο πηγαίνει στην αναλογική θύρα. Η τάση διέρχεται μέσω ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό, μετά τον οποίο τα δεδομένα πηγαίνουν στον μικροεπεξεργαστή.

Τα κουμπιά χρησιμοποιούνται για την έναρξη μιας εκδήλωσης, για παράδειγμα, ενεργοποίηση και απενεργοποίηση φώτων, θέρμανσης ή αερισμού. Τα περιστροφικά κουμπιά χρησιμοποιούνται για την αλλαγή της έντασης - αύξηση ή μείωση της φωτεινότητας του φωτός, της έντασης του ήχου ή της ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων του ανεμιστήρα.

Το ποτενσιόμετρο είναι μια απλή συσκευή, επομένως είναι πολύ φθηνό. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι η ηλεκτρική αντίσταση και η γωνία περιστροφής

Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουν αυτόματα τις περιβαλλοντικές παραμέτρους ή την προέλευση ενός συμβάντος.

Οι παρακάτω τύποι είναι οι πιο απαιτητικοί για λειτουργία έξυπνου σπιτιού:

• Αισθητήρας ήχου. Οι ψηφιακές εκδόσεις αυτής της συσκευής χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση ενός συμβάντος χρησιμοποιώντας παλαμάκια ή φωνή. Τα αναλογικά μοντέλα σάς επιτρέπουν να αναγνωρίζετε και να επεξεργάζεστε τον ήχο.
• Αισθητήρας φωτός. Αυτές οι συσκευές μπορούν να λειτουργήσουν τόσο σε ορατό όσο και σε υπέρυθρο εύρος. Το τελευταίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα προειδοποίησης πυρκαγιάς.
• Αισθητήρας θερμοκρασίας. Διαφορετικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους, αφού τα εξωτερικά προστατεύονται καλύτερα από την υγρασία. Υπάρχουν επίσης απομακρυσμένες συσκευές στο καλώδιο.
• Αισθητήρας υγρασίας αέρα. Το μοντέλο DHT11 είναι κατάλληλο για εσωτερικούς χώρους και το πιο ακριβό DHT22 για εξωτερικούς χώρους. Και οι δύο συσκευές μπορούν επίσης να παρέχουν μετρήσεις θερμοκρασίας. Σύνδεση σε ψηφιακή θύρα.
• Αισθητήρας πίεσης αέρα. Τα αναλογικά βαρόμετρα της Bosh έχουν αποδείξει ότι λειτουργούν καλά με τις πλακέτες Arduino: bmp180, bmp280. Μετρούν επίσης τη θερμοκρασία.Το μοντέλο bme280 μπορεί να ονομαστεί μετεωρολογικός σταθμός, καθώς παρέχει επίσης μια πρόσθετη τιμή υγρασίας.
• Αισθητήρες κίνησης και παρουσίας. Χρησιμοποιούνται για λόγους ασφαλείας ή για να ανάβουν αυτόματα τα φώτα.
• Αισθητήρας βροχής. Αντιδρά στο νερό που εισέρχεται στην επιφάνειά του. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση συναγερμού για διαρροές στα υδραυλικά ή στο κύκλωμα θέρμανσης.
• Αισθητήρας ρεύματος. Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ηλεκτρικών συσκευών που δεν λειτουργούν (καμένες λάμπες) ή για την ανάλυση τάσης για την αποφυγή υπερφόρτωσης.
• Αισθητήρας διαρροής αερίου. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και την απόκριση σε αυξημένες συγκεντρώσεις προπανίου.
• Αισθητήρας διοξειδίου του άνθρακα. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα στα σαλόνια και σε ειδικούς χώρους, όπως οι κάβες, όπου γίνεται ζύμωση.

Υπάρχουν πολλοί περισσότεροι διαφορετικοί αισθητήρες για συγκεκριμένες εργασίες, για παράδειγμα, για τη μέτρηση του βάρους, της ταχύτητας ροής του νερού, της απόστασης, της υγρασίας του εδάφους κ.λπ.

Ορισμένοι αισθητήρες, όπως το ανεμόμετρο, που μετρά την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου, είναι πολύπλοκα ηλεκτρομηχανικά όργανα

Πολλοί αισθητήρες και αισθητήρες μπορούν να κατασκευαστούν ανεξάρτητα χρησιμοποιώντας απλούστερα εξαρτήματα. Θα κοστίσει λιγότερο. Αλλά, σε αντίθεση με τη χρήση σειριακών συσκευών, θα πρέπει να αφιερώσετε χρόνο στη βαθμονόμηση.

Έλεγχος συσκευών και συστημάτων

Εκτός από τη συλλογή και την ανάλυση πληροφοριών, ένα «έξυπνο σπίτι» πρέπει να ανταποκρίνεται σε αναδυόμενα γεγονότα. Η παρουσία προηγμένων ηλεκτρονικών συσκευών σε σύγχρονες οικιακές συσκευές σάς επιτρέπει να έχετε απευθείας πρόσβαση σε αυτές χρησιμοποιώντας Wi-Fi, GPRS ή EtherNet. Συνήθως, τα συστήματα Arduino πραγματοποιούν εναλλαγή μεταξύ μικροεπεξεργαστή και συσκευών υψηλής τεχνολογίας μέσω Wi-Fi.

Για να χρησιμοποιήσετε το Arduino για να ενεργοποιήσετε το κλιματιστικό όταν η θερμοκρασία στο σπίτι είναι υψηλή, να αποκλείσετε την τηλεόραση και το Διαδίκτυο τη νύχτα στο παιδικό δωμάτιο ή να ξεκινήσετε τον λέβητα θέρμανσης όταν φτάσουν οι ιδιοκτήτες, πρέπει να εκτελέσετε τρία βήματα:

1. Εγκαταστήστε τη μονάδα Wi-Fi στη μητρική πλακέτα.
2. Βρείτε μη κατειλημμένα κανάλια συχνότητας για να αποφύγετε τη σύγκρουση συστήματος.
3. Κατανοήστε τις εντολές της συσκευής και τις ενέργειες του προγράμματος (ή χρησιμοποιήστε έτοιμες βιβλιοθήκες).

Εκτός από την «επικοινωνία» με ηλεκτρονικές συσκευές, συχνά προκύπτουν εργασίες που περιλαμβάνουν την εκτέλεση κάποιων μηχανικών ενεργειών. Για παράδειγμα, μπορείτε να συνδέσετε μια μονάδα σερβομηχανισμού ή ένα μικρό κιβώτιο ταχυτήτων στην πλακέτα, η οποία θα τροφοδοτείται από αυτήν.

Ο σερβομηχανισμός αποτελείται από έναν κινητήρα και πολλά κιβώτια ταχυτήτων. Επομένως, παρά το χαμηλό ρεύμα (5 V), μπορεί να αναπτύξει αξιοπρεπή ισχύ, η οποία είναι αρκετή, για παράδειγμα, για να ανοίξει ένα παράθυρο

Εάν είναι απαραίτητο να συνδέσετε ισχυρές συσκευές που λειτουργούν από εξωτερική πηγή ρεύματος, χρησιμοποιούνται δύο επιλογές:

1. Ένταξη στο κύκλωμα ρελέ.
2. Σύνδεση διακόπτη τροφοδοσίας και triac.

Περιλαμβάνεται σε ηλεκτρικό κύκλωμα ηλεκτρομαγνητικός ή ρελέ στερεάς κατάστασης κλείνει και ανοίγει ένα από τα καλώδια σύμφωνα με μια εντολή που προέρχεται από τον μικροεπεξεργαστή. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα (για παράδειγμα, 40 A) που μπορεί να περάσει από αυτήν τη συσκευή.

Όσο για τη σύνδεση ενός διακόπτη ισχύος (mosfet) για συνεχές ρεύμα και ενός triac για εναλλασσόμενο ρεύμα, έχουν χαμηλότερο επιτρεπόμενο ρεύμα (5-15 A), αλλά μπορούν να αυξήσουν ομαλά το φορτίο. Για το σκοπό αυτό παρέχονται θύρες PWM στις πλακέτες. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται κατά τη ρύθμιση της φωτεινότητας του φωτισμού, της ταχύτητας του ανεμιστήρα κ.λπ.

Χρησιμοποιώντας ρελέ και διακόπτες ισχύος, μπορείτε να αυτοματοποιήσετε πλήρως όλα τα ηλεκτρικά κυκλώματα στο σπίτι και να ξεκινήσετε τη γεννήτρια απουσία ρεύματος. Επομένως, με βάση το Arduino, είναι δυνατή η υλοποίηση αυτόνομης παροχής διαμερίσματος ή κτιρίου, συμπεριλαμβανομένων όλων των ιδιαίτερα σημαντικών λειτουργιών - θέρμανση, σύστημα ύδρευσης, αποχέτευσης, εξαερισμού και ασφάλειας.

Θέλετε το σπίτι σας να γίνει πιο έξυπνο, αλλά με προγραμματισμό για «εσένα»; Σε αυτήν την περίπτωση, συνιστούμε να δείτε έτοιμες λύσεις από την Xiaomi και την Apple, οι οποίες είναι εύκολο να εγκατασταθούν και να ρυθμιστούν ακόμη και για αρχάριους. Και μπορείτε να ορίσετε εντολές και να ελέγξετε την εφαρμογή τους ακόμα και από το smartphone σας.

Διαβάστε περισσότερα για το έξυπνο σπίτι από τη Xiaomi και την Apple στα ακόλουθα άρθρα:

• Έξυπνο σπίτι Xiaomi: σχεδιαστικά χαρακτηριστικά, επισκόπηση των κύριων εξαρτημάτων και στοιχείων εργασίας
• Έξυπνο σπίτι Apple: λεπτές αποχρώσεις οργάνωσης συστημάτων οικιακού ελέγχου από την εταιρεία Apple

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Ένα παράδειγμα αυτοσυναρμολογούμενου τεμαχίου κατεργασίας εισαγωγικού επιπέδου για ένα «έξυπνο σπίτι»:

Το άνοιγμα της πλατφόρμας Arduino επιτρέπει τη χρήση εξαρτημάτων από διάφορους κατασκευαστές. Αυτό διευκολύνει τον σχεδιασμό ενός «έξυπνου σπιτιού» που να ταιριάζει στις ανάγκες του χρήστη. Επομένως, εάν έχετε τουλάχιστον ελάχιστες γνώσεις στον τομέα του προγραμματισμού και της σύνδεσης ηλεκτρονικών συσκευών, αυτό το σύστημα αξίζει να προσέξετε.

Είστε εξοικειωμένοι με την πλατφόρμα Arduino στην πράξη και θέλετε να μοιραστείτε την εμπειρία σας με νεοφερμένους σε αυτό το θέμα; Ίσως θα θέλατε να συμπληρώσετε το παραπάνω υλικό με χρήσιμες συστάσεις ή σχόλια; Γράψτε τα σχόλιά σας κάτω από αυτή τη δημοσίευση.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις σχετικά με το σχεδιασμό ενός αυτοματοποιημένου οικιακού συστήματος βασισμένου στο Arduino, ρωτήστε τις στους ειδικούς μας και άλλους επισκέπτες του ιστότοπου στο παρακάτω μπλοκ.