Умный дом (управление с Android-смартфона)

Что такое Arduino?

Ардуино (Arduino) — специальный инструмент, позволяющий проектировать электронные устройства, имеющие более тесное взаимодействие с физической средой в сравнении с теми же ПК, фактически не выходящими за пределы виртуальной реальности.

В основе платформы лежит открытый код, а само устройство построено на печатной плате с «вшитым» в ней программным обеспечением.

Другими словами, Ардуино — небольшое устройство, обеспечивающее управление различными датчиками, системами освещения, принятия и передачи данных.

В состав Arduino входит микроконтроллер, представляющий собой собранный на одной схеме микропроцессор. Его особенность — способность выполнять простые задачи. В зависимости от модели устройство Ардуино может комплектоваться микроконтроллерами различных типов.

Существует несколько моделей плат, самые распространённые из них – UNO, Mega 2560 R3.

Не менее важная особенность печатной платы заключается в наличии 22 выводов, которые расположены по периметру изделия. Они бывают аналоговыми и цифровыми.

Особенность последних заключается в управлении с помощью только двух параметров — логической единицы или нуля. Что касается аналогового вывода, между 1 и 0 имеется много мелких участков.

Сегодня Arduino используется при создании электронных систем, способных принимать информацию с различных датчиков (цифровых и аналоговых).

Устройства на Ардуино могут работать в комплексе с ПО на компьютере или самостоятельно.

Что касается плат, их можно собрать своими руками или же приобрести готовое изделие. Программирование Arduino производится на языке Wiring.

ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ: Умный дом Xiaomi Smart Home, обзор, комплектация, подключение и настройка своими руками, сценарии.

Умный дом (управление с Android-смартфона)

В данной статье речь пойдет о создании системы «Умный дом» на контроллере Arduino UNO с управлением через Android смартфон и Bluetooth модуль HC-05.

Задача — создать Arduino скетч и программу для Android, которые бы соответствовали необходимым требованиям.

Из аппаратной части необходимо:

• Arduino UNO
• Bluetooth модуль HC-05
• Модуль 2-х канального реле 5В 10А
• Датчик влажности и температуры DHT-22

Затем я занялся созданием скетча для Arduino SMARTHOUSE.ino. В интернете был найден готовый пример но он не подходил по функционалу и я взялся дописывать его. Моя задача, чтобы скетч принимал команду для включения определённого реле и в это же время передавал показания датчика влажности и температуры. Имея минимальные знания программирования у меня всё получилось и программа была написана.

Оставалось самое сложное создать приложения для Android, для этого я использовал программу AppInventor 2.

Общий вид программы:

Особенностями программы являются: возможность автоматически подключаться к выбранному ранее bluetooth-устройству, голосовое распознавание текста, отображение температуры и влажности в реальном времени. Перед началом использования голосовых команд нужно с клавиатуры смартфона вписать саму команду в разноцветные поля и нажать кнопку сохранить (кнопка сохранить также запоминает подключённое устройство).

Далее следовала сборка сборка всех компонентов в единую систему.

Подключение HC-05:

Подключение DHT-22:

Нагрузка подключается к выводам 8, 9, 10. Если вдруг что не понятно с подключением, то вы можете посмотреть все пины по самом скетче. После соединения всех компонентов нужно установить и запустить мою программу SMARTHOUSE.apk

После установки включаем Bluetooth на смартфоне и подключаемся к модулю HC-05, и включаем нашу программу.

После запуска жмем кнопку поиск и видим окно с списком доступных устройств, выбрать нужно HC-05.

Когда выбор сделан нужно нажать кнопку ПОДКЛЮЧИТЬ и СОХРАНИТЬ, в зелёном окне появится адрес bluetooth устройства.

И вот теперь при нажатии на красные выключатели, мы можем подавать сигнал на нужный нам pin (длинное нажатие на кнопку выключателя посылает команду для отключения нагрузки). Под кнопками «enable all» и «switch off all» появятся показания температуры и влажности с датчика DHT-22.

Источник https://arduino-ua.com/art55-ymnii-dom-1-ypravlenie-s-android-smartfona

Чем управляет Arduino?

Благодаря большому количеству выводов на печатной плате, к Ардуино удается подключить множество различных устройств, а именно:

Кроме того, к Ардуино подключается набор датчиков в зависимости от задач, поставленных перед системой. Как правило, устанавливаются датчики освещенности, дыма и состава воздуха, магнитного поля, влажности, температуры и прочие.

Благодаря этой особенности, Arduino становится универсальным устройством — «мозговым с возможностью конфигурации с учетом поставленных задач.

Принцип работы системы

Устройство Arduino работает следующим образом. Информация, собранная с различных датчиков в доме, направляется по беспроводной сети на планшет или ПК. Далее с помощью специального софта производится обработка данных и выполнение определенной команды.

Главную функцию выполняет центральный датчик, который можно приобрести или собрать самостоятельно. Разъемы на платах являются стандартными, что значительно упрощает выбор комплектующих.

Питание

Питание Arduino производится через USB разъем или от внешнего питающего устройства. Источник напряжения определяется в автоматическом режиме.

Если выбран вариант с внешним питанием не через USB, можно подключать АКБ или блок питания (преобразователь напряжения). В последнем случае подключение производится с помощью 2,1-миллиметровго разъема с «+» на главном контакте.

Провода от АКБ подключаются к различным выводам питающего разъема — Vin и Gnd.

Для нормальной работы платформа нуждается в напряжении от 6 до 20 Вольт. Если параметр падает ниже 7 вольт, на выводе 5V может оказаться меньшее напряжение и появляется риск сбоя.

Если подавать 12 В, возможен перегрев регулятора напряжения и повреждения платы. По этой причине оптимальным уровнем является питание с помощью 7 — 12 В.

В отличие от прошлых типов плат, Arduino Mega 2560 работает без применения USB-микроконтроллера типа FTDI. Для обеспечения обмена информацией по USB применяется запрограммированный под конвертер USB-to-serial конвертер.

ПОПУЛЯРНО У ЧИТАТЕЛЕЙ: Что такое умный дом CLAP.

На Ардуино предусмотрены следующие питающие выводы:

• 5V — используется для подачи напряжения на микроконтроллер, а также другие элементы печатной платы. Источник питания является регулируемым. Напряжение подается через USB-разъем или от вывода VIN, а также от иного источника питания 5 Вольт с возможностью регулирования.
• VIN — применяется для подачи напряжения с внешнего источника. Вывод необходим, когда нет возможности подать напряжение через USB-разъем или другой внешний источник. При подаче напряжения на 2,1-миллиметровй разъем применяется этот вход.
• 3V3 — вывод, напряжение на котором является следствием работы самой микросхемы FTDI. Предельный уровень потребляемого тока для этого элемента составляет 50 мА.
• GND — заземляющие выводы.

Принципиальную схему платы в pdf формате можно посмотреть ЗДЕСЬ.

Связь

Возможности Arduino позволяют подключить группу устройств, обеспечивающих стабильную связь с ПК, а также другими элементами системы — микроконтроллерами или такими же платами Ардуино.

Модель ATmega 2560 отличается наличием 4 портов, через которые можно передавать данные для TTL и UART. Специальная микросхема ATmega 8U2 на плате передает интерфейс (один из них) через USB-разъем. В свою очередь, программы на ПК получают виртуальный COM.

Здесь имеются нюансы, которые зависят от типа операционной системы:

• Если на ПК установлен Linux, распознавание происходит в автоматическом режиме.
• Если стоит Windows, потребуется дополнительный файл .inf.

С помощью утилиты мониторинга обеспечивается отправление и получение информации в текстовом формате после подключения к системе.

Мигание светодиодов TX и RX свидетельствует о передаче данных. Для последовательной отправки информации применяется специальная библиотека Software Serial.

К особенностям ATmega 2560 стоит отнести наличие интерфейсов SPI и I2C. Кроме того, в состав Ардуино входит библиотека Wire.

Принцип работы системы Arduino

Получение и передача данных контроллером производится через порты. Всего на стандартной плате насчитывается свыше десятка различных портов, число которых можно увеличить присоединив ещё один такой же контроллер. Все порты Arduino делятся на два типа, для присоединения различных приборов:

• Аналоговые.
• Цифровые.

  
  Схема подключения Arduino

Инициировать работу аналоговых портов следует, использовав в загружаемой программе pin-Mode-функцию:

1. Выбираем номер нужного пина.
2. Выставляем режим «Приём данных» (OUTPUT) или «Передача данных» (INPUT).

Широтноимпульсные цифровые модуляторы (ШИМ) имеют более интеллектуальный интерфейс, позволяющий им как принимать, так и передавать нужные данные. На плате ШИМ-порты обозначаются тильдой (~) или аббревиатурой PWM. При подключении к плате-контроллеру внешних датчиков и приборов следует учитывать и технические показатели портов. Они способны выдавать:

• 5 вольт напряжения.
• 0,02 ампера силы тока.

Если использовать в качестве питающего элемента для платы батарейки или АКБ напряжением свыше 12 вольт, возможен её перегрев и выход из строя. При снижении питающего напряжения до 6-7 вольт наоборот, на выходе порта может оказаться меньше 5В, что, в свою очередь, вызовет сбои в работе. Собранные в единый комплекс устройства, детекторы и датчики передают информацию на процессор Arduino, а оттуда, через подключенный модуль GPS или GSM, отправляется на компьютер или иное управляющее устройство с установленным софтом, принимающее решение о выдаче определённой команды. Это может быть включение-отключение бытового прибора, либо передача данных на мобильное устройство владельца дома.

Разработка проекта

На современном рынке представлено множество устройств Arduino, имеющих различную комплектацию. Но универсального решения «на все случаи жизни» не существует. В зависимости от поставленной задачи каждый комплект подбирается в индивидуальном порядке. Чтобы избежать ошибок, требуется разработка проекта.

Какие проекты можно создавать на Arduino?

Ардуино позволяет создавать множество уникальных проектов. Вот лишь некоторые из них:

• Сборка кубика Рубика (система справляется за 0,887 с);
• Контроль влажности в подвальном помещении;
• Создание уникальных картин;
• Отправка сообщений;
• Балансирующий робот на двух колесах;
• Анализатор спектра звука;
• Лампа оригами с емкостным сенсором;
• Рука-робот, управляемая с помощью Ардуино;
• Написание букв в воздухе;
• Управление фотовспышкой и многое другое.

Подбираем комплектацию под проект на примере Arduino Mega 2560 R3

Для создания полноценной системы «Умный дом» и выполнения ею возложенных функций важно правильно подойти к комплектации и выбору оборудования.

Что входит в комплект поставки?

Если ваша цель — «Умный дом» на базе Arduino, требуется подготовить следующее оборудование — саму плату Mega 2560 R3, модуль Ethernet (ENC28J60), датчик движения, а также другие датчики и контроллеры.

Кроме того, стоит подготовить кабель вида «витая пара», резистор, реле, переключатель и кабель для модуля Ethernet.

Необходимы и дополнительные инструменты — отвертки, паяльники и прочее.

Учтите, что покупать наборы для монтажа системы стоит в сертифицированных пунктах. Это объясняется тем, что при реализации проекта применяется электричество, а использование подделки может привести к снижению уровня безопасности.

Все программы для адаптации можно найти в сети на официальном сайте Arduino https://arduino.ru. При выборе датчиков стоит ориентироваться на задачи, которая должен решать «Умный дом».

Как правило, требуются датчики движения, температуры, открытия дверей и освещенности. Роль датчика открытия дверей может выполнять обычный геркон.

Прошивается плата с помощью специального софта, предназначенного для различных операционных систем, в том числе и кабеля USB. При этом в программаторах нет необходимости.

Что касается ПО, которое применяется в Ардуино, оно написано на языке Си. На число байт имеются определенные ограничения, но текущей памяти достаточно для реализации поставленной задачи.

Составление проекта на Arduino

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

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

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

Используемые сокращения:

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

Необходимые компоненты для изготовления системы «умного дома»

Для системы «умного дома» Arduino потребуется следующее:

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

Стоимость всех компонентов составляет примерно 90 долларов.

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

Начало работы

Как только необходимое оборудование подготовлено, а проект разработан, можно приступать к выполнению поставленной задачи.

Этапы

При организации системы «Умный дом» на базе Ардуино, стоит действовать по следующему алгоритму:

• Инсталляция программного кода;
• Конфигурация приложения под применяемое устройство;
• Переадресация портов (для роутера);
• Проведение тестов;
• Внесение правок и так далее.

В Сети имеется весь необходимый софт на применяемое оборудование — его достаточно скачать с официального сайта и установить (ссылку смотрите выше).

Приложение позволяет увидеть информацию о датчиках. Если это требуется, настройки IP-адрес могут быть изменены.

Последовательность действий при подключении к компьютеру

Чтобы начать работать с Ардуино в Windows, сделайте следующие шаги:

• Подготовьте необходимое оборудование — USB-кабель и Arduino.
• Скачайте программу на странице arduino.cc/en/Main/Software.

• Подсоедините плату с помощью USB-кабеля. Проследите, чтобы загорелся светодиод PWR.
• Поставьте необходимый набор драйверов для работы с Ардуино. На этом этапе стоит запустить установку драйвера и дождаться завершения процесса.

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

• Запустите среду разработки Ардуино, для чего дважды кликните на значок с приложением.
• Откройте готовый пример (File — Examples — 1.Basics — Blink).

• Выберите плату. Для этого перейдите в секцию Tools, а дальше в Board Menu.

• Установите последовательный порт (его можно найти путем отключения и подключения кабеля).
• Скачайте скетч в Ардуино. Кликните на «Upload» и дождитесь мигания светодиодов TX и RX на плате. В завершение система показывает, что загрузка прошла успешно. Через несколько секунд после завершения работы должен загореться светодиод 13 L (он будет мигать оранжевым). Если это так, система готова к выполнению задач.

Работа с роутером

Для полноценной работы «Умного дома» важно правильно обращаться с роутером. Здесь требуется выполнить следующие действия — открыть конфигурацию, указать адрес Arduino IP, к примеру, 192.168.10.101 и открыть 80-й порт.

После требуется присвоить адресу доменное имя и перейти к процессу тестирования проекта. Учтите, что для такой системы запрещено применение открытого IP-адреса, ведь в этом случае высок риск взлома через Сеть.

Какие решения предлагает Arduino

Датчики и устройства, совместимые с Ардуино, выпускают многие производители, поэтому ассортимент комплектующих для системы Умный дом на Arduino внушительный:

• Сенсоры для отслеживания температуры, освещенности в разное время суток, влажности, осадков и атмосферного давления.
• Сенсоры реагирования на движение.
• Аварийные датчики.
• Другие устройства и пульты.

В набор Arduino Start (у большинства производителей – StarterKit) включена часть индикаторов и датчиков.

Для исполнения команд, направляемых системой Умный дом на базе Arduino, требуются:

• реле и переключатели;
• вентили;
• электромоторы;
• 3-ходовые клапаны с сервоприводом;
• диммеры.

Расширение возможности на Ардуино

Одной из возможностей умного дома является визуализация состояния автоматики и проходящих в системе процессов. Для этого рекомендуется применять отдельный сервер, обеспечивающий обработку состояний (может применяться программа Node.js).

Упомянутая программная технология применяется для решения интернет-задач, поэтому для визуализации «Умного дома» используется язык Java Script (именно с его помощью создается обработчик и сервер). Результаты можно увидеть на экране компьютера или ПК.

Для реализации задуманного подойдет ноутбук, обычный ПК или Raspberry Pi. Применение такой системы позволяет увеличить ее возможности. Так, если на плате Ардуино имеется небольшой объем памяти, на сервере такие ограничения отсутствуют. Программа пишется таким образом, чтобы обеспечить полное управление платформой.

При желании можно задать алгоритм, который будет фиксировать факт нахождения человека в доме, и собирать эту информацию. Если владелец ежедневно возвращается где-то к 17.30, за час может быть включен бойлер или отопительные устройства. По приходу домой человек попадает в теплое здание с горячей водой.

Программа может запомнить время, когда владелец ложится отдыхать и отключать нагрев воды. Таких нюансов, которые при необходимости вносятся в программу, множество. Именно наличие внешнего ПК дает большие возможности контроллеру на Ардуино.

Визуализация «умного дома» и расширение возможностей на Ардуино

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

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

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

Микрокомпьютер одноплатный Raspberry Pi

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

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

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

Общение с Arduino

Чтобы узнать, какие действия осуществлять, процессор должен получить соответствующую команду. Общение производится с помощью специального языка, который адаптирован под работу с Ардуино и достаточно прост. При желании в нем легко работаться даже при отсутствии навыков программирования.

Оформление и отправка сообщения контроллеру называется программированием. Чтобы упростить процесс, разработана среда Arduino IDE, в состав которой входит множество программ. Их изучение позволяет получить массу полезной информации о работе с Ардуино.

Как можно управлять?

Как отмечалось, сервер Node.js позволяет связать между собой оборудование в доме. Одним из способов управления процессами являются облачные сервисы в Сети. При этом включить отопление или бойлер можно за один-два часа до приезда.

Еще один способ — управление с помощью сообщений (MMS или SMS). Этот вариант актуален в случае, когда нет связи с Интернетом. Одним из преимуществ системы является возможность получения информации о форс-мажорной ситуации (например, протечке). Здесь помогает плата Edison от компании Intel.