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

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

Ακόμα και ένας άπειρος χρήστης θα είναι σε θέση να αναπτύξει ανεξάρτητα έργα και να συγκεντρώσει ένα «έξυπνο σπίτι» στο Arduino για να ταιριάζει στις ανάγκες του. Το κύριο πράγμα είναι να κατανοήσουμε τα βασικά και να μην φοβάστε να πειραματιστείτε.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε την αρχή της δημιουργίας και τις βασικές λειτουργίες ενός αυτοματοποιημένου σπιτιού που βασίζεται σε συσκευές Arduino. Επίσης, λάβετε υπόψη τους τύπους των πλακών 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. Κατασκευάζεται σύμφωνα με την αρχή ενός κατασκευαστή με σαφώς καθορισμένους κανόνες για την αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχείων. Το σύστημα είναι ανοιχτό, το οποίο επιτρέπει σε τρίτους κατασκευαστές να συμμετέχουν στην ανάπτυξή του.

Κλασικό "έξυπνο σπίτιΑποτελείται από αυτοματοποιημένες μονάδες που εκτελούν τις ακόλουθες λειτουργίες:

• Συλλέξτε 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 πλησιάζει σε συγκεκριμένο κατασκευαστή, αλλά επιτρέπει στον καταναλωτή να επιλέξει τα εξαρτήματα που του ταιριάζουν. Η επιλογή τους είναι τεράστια, οπότε μπορείτε να εφαρμόσετε σχεδόν όλες τις ιδέες.

Σας προτείνουμε να εξοικειωθείτε με τα καλύτερα έξυπνες συσκευές για το σπίτι.

Για να μάθετε πώς να συνεργάζεστε με το Arduino, μπορείτε να αγοράσετε το Starter Kit στον ιστότοπο του κατασκευαστή. Απαιτείται γνώση των τεχνικών Αγγλικών, καθώς η τεκμηρίωση δεν είναι Ρωσική

Εκτός από την ποικιλία των συνδεδεμένων συσκευών, το περιβάλλον προγραμματισμού που εφαρμόζεται στο C ++ προσθέτει μεταβλητότητα.Ο χρήστης δεν μπορεί μόνο να εκμεταλλευτεί τις δημιουργημένες βιβλιοθήκες, αλλά και να προγραμματίσει την απόκριση των στοιχείων του συστήματος σε αναδυόμενα συμβάντα.

Κύρια στοιχεία του πίνακα

Το κύριο στοιχείο ενός έξυπνου σπιτιού είναι ένας ή περισσότεροι κεντρικοί πίνακες (μητρική πλακέτα). Είναι υπεύθυνοι για την αλληλεπίδραση όλων των στοιχείων. Μόνο αφού προσδιορίσαμε τις εργασίες που θα πρέπει να επιλυθούν, μπορούμε να προχωρήσουμε στην επιλογή του κύριου κόμβου συστήματος.

Η μητρική πλακέτα συνδυάζει τα ακόλουθα στοιχεία:

• Μικροελεγκτής (επεξεργαστής). Ο κύριος σκοπός του είναι να εκδώσει και να μετρήσει την τάση σε θύρες από 0-5 ή 0-3.3 V, να αποθηκεύσει δεδομένα και να εκτελέσει υπολογισμούς.
• Προγραμματιστής (δεν το έχουν όλοι οι πίνακες). Χρησιμοποιώντας αυτήν τη συσκευή, ένα πρόγραμμα γράφεται στη μνήμη του μικροελεγκτή, σύμφωνα με το οποίο θα λειτουργεί το «έξυπνο σπίτι». Συνδέεται σε υπολογιστή, tablet, smartphone ή άλλη συσκευή χρησιμοποιώντας διεπαφή USB.
• Σταθεροποιητής τάσης. Απαιτείται συσκευή 5 volt, που απαιτείται για την τροφοδοσία ολόκληρου του συστήματος.

Με την επωνυμία Arduino, διατίθενται αρκετά μοντέλα μητρικής πλακέτας. Διαφέρουν μεταξύ τους σε συντελεστή μορφής (μέγεθος), αριθμό θυρών και μέγεθος μνήμης. Για αυτούς τους δείκτες πρέπει να επιλέξετε τη σωστή συσκευή.

Οι σανίδες και οι ασπίδες Arduino αγοράζονται καλύτερα από τον κατασκευαστή, καθώς είναι καλύτερες από συμβατές συσκευές που κυκλοφορούν στην Κίνα

Υπάρχουν δύο τύποι λιμένων:

• ψηφιακήπου σημειώνονται στον πίνακα με γράμματα «Δ»;
• αναλογικόσημειώθηκε με ένα γράμμα «Α».

Χάρη σε αυτούς, ο μικροελεγκτής επικοινωνεί με συνδεδεμένες συσκευές. Οποιαδήποτε θύρα μπορεί να λειτουργήσει τόσο στη λήψη σήματος όσο και στην έξοδο. Οι ψηφιακές θύρες με την ένδειξη "pwm" προορίζονται για είσοδο και έξοδο σήματος τύπου PWM (διαμόρφωση πλάτους παλμού).

Επομένως, προτού αγοράσετε μια πλακέτα, πρέπει τουλάχιστον να αξιολογήσετε το επίπεδο του φορτίου σε διάφορες συσκευές. Αυτό θα καθορίσει τον επιθυμητό αριθμό θυρών όλων των τύπων.

Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι το σύστημα «έξυπνου σπιτιού» δεν πρέπει να συνδέεται σε μια μονάδα ελέγχου που βασίζεται σε μία μητρική πλακέτα. Τέτοιες λειτουργίες όπως, για παράδειγμα, η ενεργοποίηση τεχνητού φωτισμού της περιοχής ανάλογα με την ώρα της ημέρας και η διατήρηση του αποθέματος νερού στη δεξαμενή αποθήκευσης είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους.

Από τη σκοπιά της διασφάλισης της αξιοπιστίας του ηλεκτρονικού συστήματος, είναι καλύτερο να διαχωρίζεις τις άσχετες εργασίες σε διαφορετικά μπλοκ, τα οποία το Arduino concept καθιστά εύκολο να εφαρμοστεί. Εάν συνδυάσετε πολλές συσκευές σε ένα μέρος, είναι πιθανό ο μικροεπεξεργαστής να υπερθερμανθεί, οι βιβλιοθήκες λογισμικού συγκρούονται και δυσκολίες στην εύρεση και επίλυση δυσλειτουργιών λογισμικού και υλικού.

Η σύνδεση πολλών διαφορετικών τύπων συσκευών σε έναν πίνακα 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:

• Μνήμη Flash Η κύρια μνήμη όπου αποθηκεύεται ο κωδικός προγράμματος διαχείρισης συστήματος. Ένα μικρό μέρος του (3-12%) καταλαμβάνεται από το ενσύρματο bootloader.
• SRAM RAM, η οποία αποθηκεύει προσωρινά δεδομένα απαραίτητα για το πρόγραμμα. Διαφέρει στην υψηλή ταχύτητα εργασίας.
• EEPROM. Αργότερη μνήμη, όπου μπορούν επίσης να αποθηκευτούν δεδομένα.

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

Σε αντίθεση με τη χρήση του Arduino στη ρομποτική, για τις περισσότερες εργασίες του «έξυπνου σπιτιού» δεν χρειάζεστε πολλή μνήμη ούτε για προγράμματα ούτε για αποθήκευση πληροφοριών.

Τύποι σανίδων για την κατασκευή ενός έξυπνου σπιτιού

Εξετάστε τους κύριους τύπους σανίδων που χρησιμοποιούνται συχνότερα κατά τη συναρμολόγηση ενός έξυπνου οικιακού συστήματος.

Προβολή # 1 - Arduino Uno και τα παράγωγά της

Τα πιο συνηθισμένα έξυπνα οικιακά συστήματα χρησιμοποιούν τις πλακέτες Arduino Uno και Arduino Nano. Έχουν επαρκή λειτουργικότητα για την επίλυση τυπικών προβλημάτων.

Η διαθεσιμότητα ισχύος για πίνακες πλήρους μορφής από τάση 7-12 βολτ παρέχει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτα απ 'όλα, είναι η δυνατότητα μακροχρόνιας αυτόνομης λειτουργίας από τυπικές μπαταρίες ή συσσωρευτές

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, προέκυψε μια τροποποίηση - Uno Wi-Fi, το οποίο περιέχει μια ενσωματωμένη μονάδα ESP8266, η οποία σας επιτρέπει να ανταλλάσσετε πληροφορίες με άλλες συσκευές σύμφωνα με το πρότυπο 802.11 b / g / n.

Η διαφορά μεταξύ του Arduino Nano και του μεγαλύτερου ομολόγου του είναι η έλλειψη της δικής του πρίζας από 12 V. Αυτό γίνεται για να επιτευχθεί μια μικρότερη συσκευή, η οποία καθιστά εύκολο να κρυφτεί σε μικρό χώρο. Επίσης, για τους σκοπούς αυτούς, η τυπική σύνδεση USB αντικαθίσταται από ένα τσιπ με ένα καλώδιο mini-USB. Το Arduino Nano έχει 2 ακόμη αναλογικές θύρες σε σύγκριση με το Uno.

Υπάρχει μια άλλη τροποποίηση του πίνακα Uno - Arduino Mini. Είναι ακόμη μικρότερο από το Nano και είναι πολύ πιο δύσκολο να δουλέψετε μαζί του. Πρώτον, η έλλειψη θύρας USB δημιουργεί πρόβλημα με το υλικολογισμικό, καθώς για αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε USB-Serial Converter. Δεύτερον, αυτός ο πίνακας είναι πιο επιλεκτικός όσον αφορά την ισχύ - είναι απαραίτητο να παρέχεται εύρος τάσης εισόδου 7-9 V.

Για τους λόγους που περιγράφονται παραπάνω, το Arduino Mini board σπάνια χρησιμοποιείται για τη λειτουργία ενός «έξυπνου σπιτιού». Συνήθως χρησιμοποιείται είτε στη ρομποτική, είτε στην υλοποίηση έτοιμων έργων.

Προβολή # 2 - Arduino Leonardo and Micro

Ο πίνακας Arduino Leonardo είναι παρόμοιος με τον Uno, αλλά λίγο πιο ισχυρός. Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό αυτού του μοντέλου είναι ο ορισμός του όταν συνδέεται με υπολογιστή ως πληκτρολόγιο, ποντίκι ή χειριστήριο. Επομένως, χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία πρωτότυπων συσκευών παιχνιδιών και προσομοιώσεων.

Ένας πίνακας μεγεθών και διαστάσεων των μοντέλων Uno, Leonardo και των μικρογραφικών αναλόγων τους. Οι προγραμματιστές δεν ακολούθησαν τη λογική στα ονόματα - το "nano" 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 μπορείτε να δείτε από τη λίστα των παραμέτρων, το Leonardo έχει περισσότερες θύρες, κάτι που επιτρέπει τη φόρτωση αυτού του μοντέλου με μεγάλο αριθμό αισθητήρων.

Επίσης για το Leonardo υπάρχει ένα εντελώς πανομοιότυπο ανάλογο, που ονομάζεται Micro. Δεν έχει ισχύ από 12 V και αντί για μια πλήρη είσοδο USB, υπάρχει ένα τσιπ για ένα καλώδιο mini-USB.

Η τροποποίηση του Leonardo που ονομάζεται Esplora είναι ένα καθαρά μοντέλο παιχνιδιού και δεν ταιριάζει στις ανάγκες ενός «έξυπνου σπιτιού».

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

Μερικές φορές για τη λειτουργία συστημάτων «έξυπνου σπιτιού» που εφαρμόζονται με βάση το Arduino, απαιτείται μεγάλη υπολογιστική ισχύ, την οποία οι μικροελεγκτές 8-bit δεν μπορούν να παρέχουν. Εργασίες όπως η αναγνώριση φωνής ή εικόνας απαιτούν γρήγορο επεξεργαστή και σημαντική ποσότητα μνήμης RAM για τέτοιες συσκευές.

Για την επίλυση αυτών των συγκεκριμένων προβλημάτων, χρησιμοποιούνται ισχυρές πλακέτες που λειτουργούν σύμφωνα με την έννοια του Arduino. Ο αριθμός των λιμένων που έχουν είναι περίπου ο ίδιος με αυτόν των 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.

Ένας από τους ευκολότερους στη χρήση, αλλά ισχυρούς πίνακες - 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 λειτουργίες BLE (Bluetooth Low Energy) με τη δυνατότητα εύκολης σύνδεσης έτοιμων λύσεων, όπως ένας αισθητήρας καρδιακού παλμού, η λήψη πληροφοριών καιρού έξω από το παράθυρο, η αποστολή μηνυμάτων κειμένου κ.λπ. Ένα γυροσκόπιο και ένα επιταχυνσιόμετρο ενσωματώνονται επίσης στη συσκευή, αλλά χρησιμοποιούνται κυρίως στη ρομποτική.

Ένας άλλος παρόμοιος πίνακας - το Arduino Zero έχει τους ακόλουθους δείκτες:

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

Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτού του μοντέλου είναι η παρουσία ενός ενσωματωμένου προγράμματος εντοπισμού σφαλμάτων (EDBG). Χρησιμοποιώντας το είναι πολύ πιο εύκολο να αναζητήσετε σφάλματα κατά τον προγραμματισμό του πίνακα.

Κατά τη σύνταξη ογκώδους κώδικα, ακόμη και προγραμματιστές υψηλής ποιότητας έχουν σφάλματα. Για να τα βρείτε χρησιμοποιήστε ένα πρόγραμμα εντοπισμού σφαλμάτων (debugger)

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

Προβολή # 4 - Mega οικογενειακά μοντέλα

Μερικές φορές είναι απαραίτητο να χρησιμοποιείται μεγάλος αριθμός αισθητήρων και να ελέγχεται ένας σημαντικός αριθμός συσκευών. Για παράδειγμα, αυτό είναι απαραίτητο για την αυτόματη λειτουργία κατανεμημένων συστημάτων κλιματισμού που διατηρούν μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για μεμονωμένες ζώνες.

Για κάθε τοπική περιοχή, είναι απαραίτητο να παρακολουθείτε τις μετρήσεις δύο αισθητήρων θερμοκρασίας (ο δεύτερος χρησιμοποιείται ως χειριστήριο) και, σύμφωνα με τον αλγόριθμο, να προσαρμόσετε τη θέση του αποσβεστήρα, η οποία καθορίζει την ποσότητα ζεστού αέρα.

Εάν υπάρχουν περισσότερες από 10 τέτοιες ζώνες στο εξοχικό σπίτι, τότε χρειάζονται περισσότερες από 30 θύρες για τον έλεγχο ολόκληρου του συστήματος. Φυσικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πολλές πλακέτες Uno υπό τον γενικό έλεγχο ενός από αυτούς, αλλά αυτό δημιουργεί πρόσθετες δυσκολίες αλλαγής. Σε αυτήν την περίπτωση, συνιστάται η χρήση μοντέλων της οικογένειας Mega.

Το μέγεθος των οικογενειακών σανίδων Mega (101,5 x 53,4 cm) είναι μεγαλύτερο από το μέγεθος των μοντέλων που αναθεωρήθηκαν προηγουμένως. Αυτό είναι τεχνική αναγκαιότητα - αλλιώς δεν μπορείτε να τοποθετήσετε τόσες πολλές θύρες

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

Έχει μεγάλη μνήμη:

• 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, με μεγάλη μνήμη flash - 256 KB.
• Εκτός από τον μικροεπεξεργαστή aTMega2560, το Mega ADK είναι εξοπλισμένο με διεπαφή USB με δυνατότητα σύνδεσης σε συσκευές που βασίζονται στο λειτουργικό σύστημα Android.

Το μοντέλο Arduino Mega ADK έχει ένα χαρακτηριστικό. Κατά τη σύνδεση του τηλεφώνου στην είσοδο USB, είναι δυνατή η ακόλουθη κατάσταση: εάν το τηλέφωνο χρειάζεται φόρτιση, θα αρχίσει να το "τραβά" έξω από την πλακέτα. Επομένως, υπάρχει μια πρόσθετη απαίτηση για μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας - πρέπει να παρέχει ρεύμα 1,5 αμπέρ. Κατά την παροχή μπαταριών, αυτή η κατάσταση πρέπει να ληφθεί υπόψη.

Μπορείτε να κάνετε αυτόνομη ισχύ για το Arduino με τη βοήθεια συνδεδεμένων μπαταριών ή μπαταριών. Συνδυάζοντας σειριακή και παράλληλη σύνδεση, μπορείτε να επιτύχετε την επιθυμητή τάση και μεγάλο χρόνο λειτουργίας

Το Due είναι ένα άλλο μοντέλο Arduino που συνδυάζει τη δύναμη ενός μικροεπεξεργαστή και ένα μεγάλο αριθμό θυρών.

Τα χαρακτηριστικά του έχουν ως 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 συνήθη ανάλυση 10-bit για το Arduino, η οποία γίνεται για συμβατότητα με προηγούμενα μοντέλα, όσο και σε ανάλυση 12-bit, η οποία σας επιτρέπει να λάβετε ένα πιο ακριβές σήμα.

Χαρακτηριστικά της αλληλεπίδρασης των ενοτήτων μέσω θυρών

Όλες οι μονάδες που θα συνδεθούν στην πλακέτα έχουν τουλάχιστον τρεις εξόδους. Δύο από αυτά είναι καλώδια τροφοδοσίας, δηλαδή «Γείωση», καθώς και τάση 5 ή 3,3 V. Το τρίτο καλώδιο είναι λογικό. Μεταδίδει δεδομένα στη θύρα. Για να συνδέσετε τις ενότητες, χρησιμοποιήστε ειδικά καλώδια ομαδοποιημένα σε 3 κομμάτια, τα οποία μερικές φορές ονομάζονται άλτες.

Δεδομένου ότι τα μοντέλα Arduino έχουν συνήθως μόνο 1 θύρα με τάση και 1-2 θύρες με γείωση, για να συνδέσετε αρκετές συσκευές, θα πρέπει είτε να κολλήσετε τα καλώδια είτε να χρησιμοποιήσετε πλακέτες breadboard.

Μπορείτε να συνδέσετε όχι μόνο την τροφοδοσία και τις θύρες της πλακέτας Arduino με το breadboard, αλλά και άλλα στοιχεία, όπως, για παράδειγμα, αντίσταση, καταχωρητές κ.λπ.

Η συγκόλληση είναι πιο αξιόπιστη και χρησιμοποιείται σε συσκευές που υπόκεινται σε φυσική κρούση, για παράδειγμα, πίνακες ελέγχου για ρομπότ και τετρακόπτες. Για ένα έξυπνο σπίτι, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε breadboards, καθώς είναι ευκολότερο τόσο κατά την εγκατάσταση όσο και κατά την αφαίρεση μιας μονάδας.

Για ορισμένα μοντέλα (για παράδειγμα, Arduino Zero και MKR1000), η τάση λειτουργίας είναι 3,3 V, οπότε εάν εφαρμοστεί υψηλότερη τιμή στις θύρες, τότε η πλακέτα ενδέχεται να υποστεί ζημιά. Όλες οι πληροφορίες ισχύος διατίθενται στην τεχνική τεκμηρίωση της συσκευής.

Κάρτες προσθήκης (ασπίδες)

Για να αυξήσετε τις δυνατότητες των μητρικών πλακιδίων χρησιμοποιήστε ασπίδες (Shields) - επεκτείνοντας τη λειτουργικότητα πρόσθετων συσκευών. Κατασκευάζονται για έναν συγκεκριμένο παράγοντα μορφής, ο οποίος τους διακρίνει από τις ενότητες που συνδέονται με θύρες. Οι ασπίδες είναι ακριβότερες από τις ενότητες, αλλά η εργασία μαζί τους είναι ευκολότερη. Είναι επίσης εξοπλισμένα με έτοιμες βιβλιοθήκες με κώδικα, η οποία επιταχύνει την ανάπτυξη των δικών τους προγραμμάτων ελέγχου για το «έξυπνο σπίτι».

Shields Proto και Sensor

Αυτές οι δύο τυπικές ασπίδες δεν φέρουν ειδικά χαρακτηριστικά. Χρησιμοποιούνται για πιο συμπαγή και βολική σύνδεση μεγάλου αριθμού μονάδων.

Το Proto Shield είναι ένα σχεδόν πλήρες αντίγραφο του πρωτότυπου όσον αφορά τις θύρες και στο μέσο της μονάδας μπορείτε να κολλήσετε ένα breadboard. Αυτό διευκολύνει τη συναρμολόγηση. Τέτοια πρόσθετα υπάρχουν για όλους τους πίνακες Arduino πλήρους μήκους.

Το Proto Shield τοποθετείται στην κορυφή της μητρικής πλακέτας. Αυτό αυξάνει ελαφρώς το ύψος της δομής, αλλά εξοικονομεί πολύ χώρο στο επίπεδο

Αλλά αν υπάρχουν πολλές συσκευές (περισσότερες από 10), τότε είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε πιο ακριβές πλακέτες Sensor Shield.

Δεν διαθέτουν bradboard, ωστόσο, όλα τα συμπεράσματα των λιμένων παρέχονται μεμονωμένα με ισχύ και γείωση. Αυτό σας επιτρέπει να μην μπερδεύεστε με καλώδια και άλτες.

Το εμβαδόν της μητρικής πλακέτας και των πλακέτων αισθητήρων είναι το ίδιο, αλλά το τσιπ δεν έχει τσιπ, πυκνωτές ή άλλα στοιχεία. Επομένως, ελευθερώνεται πολύς χώρος για πλήρεις συνδέσεις

Επίσης σε αυτήν την πλακέτα υπάρχουν τακάκια για εύκολη σύνδεση πολλών ενοτήτων: Bluetoots, κάρτες SD, RS232 (θύρα COM), ραδιόφωνο και υπέρηχος.

Σύνδεση βοηθητικής λειτουργικότητας

Ασπίδες με ενσωματωμένη λειτουργικότητα σχεδιασμένη για την επίλυση πολύπλοκων, αλλά τυπικών εργασιών. Εάν πρέπει να εφαρμόσετε πρωτότυπες ιδέες, είναι καλύτερα να επιλέξετε τη σωστή ενότητα.

Ασπίδα κινητήρα. Έχει σχεδιαστεί για να ελέγχει την ταχύτητα και την περιστροφή των κινητήρων χαμηλής ισχύος. Το πρωτότυπο μοντέλο είναι εξοπλισμένο με ένα τσιπ L298 και μπορεί να λειτουργήσει ταυτόχρονα με δύο κινητήρες DC ή με ένα σερβοκινητήρα. Υπάρχει ένα συμβατό μέρος από τρίτο κατασκευαστή, ο οποίος διαθέτει δύο μάρκες L293D με δυνατότητα ελέγχου διπλάσιων δίσκων.

Ρελέ ασπίδα. Μια συχνά χρησιμοποιούμενη μονάδα με έξυπνα οικιακά συστήματα. Πλακέτα με τέσσερα ηλεκτρομηχανικά ρελέ, το καθένα από τα οποία επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος με δύναμη έως 5Α. Αυτό αρκεί για αυτόματη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συσκευών kilowatt ή γραμμών φωτισμού, σχεδιασμένων για εναλλασσόμενο ρεύμα 220 V.

LCD ασπίδα. Σας επιτρέπει να εμφανίζετε πληροφορίες στην ενσωματωμένη οθόνη, οι οποίες μπορούν να αναβαθμιστούν σε συσκευή TFT. Αυτή η επέκταση χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία μετεωρολογικών σταθμών με μετρήσεις θερμοκρασίας σε διάφορες οικιστικές εγκαταστάσεις, εξωτερικά κτίρια, γκαράζ, καθώς και θερμοκρασία, υγρασία και ταχύτητα ανέμου στο δρόμο.

Τα κουμπιά είναι ενσωματωμένα στην ασπίδα LCD που σας επιτρέπει να προγραμματίσετε τη σελιδοποίηση πληροφοριών και την επιλογή ενεργειών για την έκδοση εντολών στον μικροεπεξεργαστή

Ασπίδα καταγραφής δεδομένων. Το κύριο καθήκον της μονάδας είναι να καταγράφει δεδομένα από αισθητήρες σε 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 αποθετήριο πληροφοριών, για παράδειγμα, κατά την εγγραφή δεδομένων από ένα DVR. Παραγωγή της αμερικανικής εταιρείας Adafruit Industries.

Ασπίδα κάρτας SD. Μια απλούστερη και φθηνότερη έκδοση της προηγούμενης ενότητας. Τέτοιες επεκτάσεις κυκλοφορούν από πολλούς κατασκευαστές.

EtherNet Shield. Η επίσημη ενότητα για τη σύνδεση του Arduino στο Διαδίκτυο χωρίς υπολογιστή. Υπάρχει μια υποδοχή κάρτας micro SD, η οποία σας επιτρέπει να καταγράφετε και να στέλνετε δεδομένα μέσω ενός παγκόσμιου δικτύου.

Ασπίδα Wi-Fi. Σας επιτρέπει να ανταλλάξετε ασύρματα πληροφορίες με υποστήριξη για κρυπτογράφηση. Εξυπηρετεί για σύνδεση στο Διαδίκτυο και συσκευές που μπορούν να ελεγχθούν μέσω Wi-Fi.

Ασπίδα GPRS. Αυτή η ενότητα, κατά κανόνα, χρησιμοποιείται για την επικοινωνία «έξυπνου σπιτιού» με τον ιδιοκτήτη μέσω κινητού τηλεφώνου μέσω μηνυμάτων SMS.

Έξυπνες οικιακές ενότητες

Η σύνδεση μονάδων τρίτων μερών και η δυνατότητα συνεργασίας με αυτές χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη γλώσσα προγραμματισμού είναι το κύριο πλεονέκτημα του ανοιχτού συστήματος Arduino σε σύγκριση με τις «ιδιόκτητες» λύσεις για το «έξυπνο σπίτι». Το κύριο πράγμα είναι ότι οι μονάδες έχουν περιγραφή των λαμβανόμενων ή μεταδιδόμενων σημάτων.

Τρόποι λήψης πληροφοριών

Οι πληροφορίες μπορούν να εισαχθούν 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 από "0" και "1", ενώ το αναλογικό σήμα καθορίζει το εύρος τιμών σύμφωνα με τη διάστασή του

Το σήμα προς τον μικροεπεξεργαστή μπορεί να σταλεί από ένα άτομο που χρησιμοποιεί δύο μεθόδους για αυτό:

• Πατώντας ένα κουμπί (πλήκτρα). Το λογικό καλώδιο σε αυτήν την περίπτωση πηγαίνει στην ψηφιακή θύρα, η οποία λαμβάνει την τιμή "0" στην περίπτωση του κουμπιού που απελευθερώνεται και "1" σε περίπτωση που το πατήσετε.
• Περιστροφή του καλύμματος του περιστροφικού ποτενσιόμετρου (αντίσταση) ή ρυθμιστικό μοχλού αλλαγής ταχυτήτων. Σε αυτήν την περίπτωση, το λογικό καλώδιο πηγαίνει στην αναλογική θύρα. Η τάση περνά μέσω ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό, μετά τον οποίο τα δεδομένα μεταβαίνουν στον μικροεπεξεργαστή.

Τα κουμπιά χρησιμοποιούνται για την έναρξη ενός συμβάντος, για παράδειγμα, ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των φώτων, θέρμανση ή εξαερισμός. Τα περιστροφικά κουμπιά χρησιμοποιούνται για να αλλάξουν την ένταση - αύξηση ή μείωση της φωτεινότητας του φωτός, της έντασης ήχου ή της ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων του ανεμιστήρα.

Το ποτενσιόμετρο είναι η απλούστερη συσκευή, οπότε είναι πολύ φθηνό. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι η ηλεκτρική αντίσταση και η γωνία περιστροφής

Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τον αυτόματο προσδιορισμό των περιβαλλοντικών παραμέτρων ή της προέλευσης ενός συμβάντος.

Οι ακόλουθες ποικιλίες έχουν τη μεγαλύτερη ζήτηση για τη λειτουργία ενός «έξυπνου σπιτιού»:

• Αισθητήρας ήχου. Οι ψηφιακές εκδόσεις αυτής της συσκευής χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση ενός συμβάντος χρησιμοποιώντας μια ποπ ή φωνή. Τα αναλογικά μοντέλα σάς επιτρέπουν να αναγνωρίζετε και να επεξεργάζεστε ήχο.
• Αισθητήρας φωτός. Αυτές οι συσκευές μπορούν να λειτουργούν τόσο στην ορατή όσο και στην υπέρυθρη περιοχή. Το τελευταίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα προειδοποίησης πυρκαγιάς.
• Αισθητήρας θερμοκρασίας. Για το σπίτι και το δρόμο χρησιμοποιούν διαφορετικά μοντέλα, καθώς τα εξωτερικά προστατεύονται καλύτερα από την υγρασία. Υπάρχουν επίσης απομακρυσμένες συσκευές στο καλώδιο.
• Αισθητήρας υγρασίας. Το μοντέλο DHT11 είναι κατάλληλο για εσωτερική χρήση και το πιο ακριβό DHT22 για εξωτερική χρήση. Και οι δύο συσκευές μπορούν επίσης να δώσουν ένδειξη θερμοκρασίας. Συνδεθείτε σε μια ψηφιακή θύρα.
• Αισθητήρας πίεσης αέρα. Για να εργαστούν με πίνακες Arduino, τα αναλογικά βαρόμετρα Bosh έχουν αποδειχθεί: bmp180, bmp280. Μετρούν επίσης τη θερμοκρασία. Το μοντέλο bme280 μπορεί να ονομαστεί μετεωρολογικός σταθμός, καθώς δίνει επιπλέον μια τιμή υγρασίας.
• Αισθητήρες κίνησης και παρουσίας. Χρησιμοποιούνται για λόγους ασφαλείας ή για να ανάβουν αυτόματα το φως.
• Αισθητήρας βροχής. Αντιδρά στο νερό που εισέρχεται στην επιφάνειά του. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ενός συναγερμού για διαρροές στο κύκλωμα νερού ή θέρμανσης.
• Τρέχων αισθητήρας. Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση σπασμένων ηλεκτρικών συσκευών (καμένων λαμπτήρων) ή για την ανάλυση της 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 του διοξειδίου του άνθρακα στα σαλόνια και σε ειδικά δωμάτια, όπως κελάρια κρασιού όπου πραγματοποιείται ζύμωση.

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

Ορισμένοι αισθητήρες, όπως ένα ανεμόμετρο που έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου, είναι πολύπλοκα ηλεκτρομηχανικά όργανα

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

Διαχείριση οργάνων και συστημάτων

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

Για να χρησιμοποιήσετε το Arduino για να ενεργοποιήσετε το κλιματιστικό σε υψηλή θερμοκρασία στο σπίτι, να αποκλείσετε την τηλεόραση και το Διαδίκτυο τη νύχτα στο παιδικό δωμάτιο ή να ξεκινήσετε το λέβητα θέρμανσης κατά την άφιξη των ιδιοκτητών, πρέπει να εκτελεστούν τρία βήματα:

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

Εκτός από την «επικοινωνία» με ηλεκτρονικές συσκευές, συχνά προκύπτουν εργασίες που σχετίζονται με την εκτέλεση οποιωνδήποτε μηχανικών ενεργειών. Για παράδειγμα, μπορείτε να συνδέσετε ένα servo drive ή ένα μικρό κιβώτιο ταχυτήτων στην πλακέτα, η οποία θα τροφοδοτείται από αυτήν.

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

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

1. Συμπερίληψη σε κύκλωμα ρελέ.
2. Σύνδεση του κλειδιού τροφοδοσίας και του triac.

Ηλεκτρικό κύκλωμα ηλεκτρομαγνητική ή ρελέ στερεάς κατάστασης κλείνει και ανοίγει ένα από τα καλώδια κατόπιν εντολής από τον μικροεπεξεργαστή. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα (για παράδειγμα, 40 A), το οποίο μπορεί να περάσει από αυτήν τη συσκευή.

Όσον αφορά τη σύνδεση ενός διακόπτη ισχύος (mosfet) για συνεχές ρεύμα και ένα triac για εναλλασσόμενο ρεύμα, έχουν χαμηλότερη τιμή επιτρεπόμενης έντασης ρεύματος (5-15 A), αλλά μπορούν να αυξήσουν ομαλά το φορτίο. Γι 'αυτό το λόγο οι θύρες PWM παρέχονται στις πλακέτες. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της φωτεινότητας του φωτισμού, της ταχύτητας του ανεμιστήρα κ.λπ.

Χρησιμοποιώντας ρελέ και διακόπτες τροφοδοσίας, μπορείτε να αυτοματοποιήσετε πλήρως όλα τα ηλεκτρικά κυκλώματα του σπιτιού και να ξεκινήσετε τη γεννήτρια απουσία ρεύματος. Επομένως, βάσει του Arduino, είναι ρεαλιστικά δυνατό να παρέχουμε ανεξάρτητα ένα διαμέρισμα ή ένα κτίριο, συμπεριλαμβανομένων όλων των ιδιαίτερα σημαντικών λειτουργιών θέρμανση, παροχή νερού, αποστράγγιση, εξαερισμός και σύστημα ασφαλείας.

Θέλετε το σπίτι σας να είναι πιο έξυπνο, αλλά με προγραμματισμό για "εσείς"; Σε αυτήν την περίπτωση, σας συνιστούμε να δείτε έτοιμες λύσεις από τη Xiaomi και την Apple, οι οποίες είναι εύκολο να εγκατασταθούν και να διαμορφωθούν ακόμη και για αρχάριους. Και μπορείτε ακόμη και να εκδώσετε εντολές και να ελέγξετε την εκτέλεση τους ακόμη και από το smartphone σας.

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

• Έξυπνο σπίτι Xiaomi: χαρακτηριστικά σχεδίασης, μια επισκόπηση των κύριων στοιχείων και των στοιχείων εργασίας
• Apple smart home: οι περιπλοκές οργάνωσης συστημάτων οικιακού ελέγχου από την εταιρεία apple

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο σχετικά με το θέμα

Ένα παράδειγμα αυτο-συναρμολογημένου κενού επιπέδου για ένα «έξυπνο σπίτι»:

Το άνοιγμα της πλατφόρμας Arduino επιτρέπει τη χρήση εξαρτημάτων από διάφορους κατασκευαστές. Αυτό καθιστά εύκολο το σχεδιασμό ενός «έξυπνου σπιτιού» για αιτήματα χρηστών. Επομένως, εάν υπάρχει τουλάχιστον ασήμαντη γνώση στον τομέα του προγραμματισμού και της σύνδεσης ηλεκτρονικών συσκευών, αξίζει να δοθεί προσοχή σε αυτό το σύστημα.

Γνωρίζετε στην πράξη την πλατφόρμα Arduino και θέλετε να μοιραστείτε την εμπειρία σας με τους νεοεισερχόμενους σε αυτήν την επιχείρηση; Ίσως θέλετε να συμπληρώσετε το παραπάνω υλικό με χρήσιμες προτάσεις ή σχόλια; Γράψτε τα σχόλιά σας σε αυτήν την ανάρτηση.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις σχετικά με το σχεδιασμό ενός αυτοματοποιημένου συστήματος σπιτιών που βασίζεται στο Arduino, ρωτήστε τους ειδικούς μας και άλλους επισκέπτες του ιστότοπου στο παρακάτω μπλοκ.