Как сделать умный дом на Arduino своими руками

Как сделать умный дом на Arduino своими руками

Система «Умный дом» на Arduino пользуется большим спросом у людей, стремящихся создать максимальный комфорт дома или в офисе.

Ее особенность — в способности управлять различными системами без участия владельца, а суть заключается в объединении электронных устройств в одну сеть для экономии электроэнергии, управления освещением и электроприборами, оповещения о проникновении в дом посторонних лиц и решении других задач.

Одним из главных элементов системы умный дом в рассматриваемом варианте является Arduino. Что это такое? Как он работает? Какие функции выполняет? Все подробно мы рассмотрим в этой статье.

Что такое «умный дом»

У этого термина есть более понятный аналог — «домашняя автоматизация». Суть подобных решений состоит в том, чтобы обеспечить автоматическое выполнение различных процессов, происходящих в жилище, офисе или на специализированных объектах. Простейший пример — автоматическое включение освещения в тот момент, когда кто-то из жильцов входит в комнату.

Система «умный дом» от Arduino представляет собой комплект оборудования для управления работой различных устройств с помощью мобильного телефона на базе ОС Android

В любой системе «умный дом» можно выделить следующие составляющие:

  1. Сенсорная часть. Это набор устройств, основная часть которых представлена всевозможными датчиками, позволяющими системе регистрировать события различного характера. Примерами могут служить датчики температуры и движения. Прочие устройства сенсорной части служат для передачи системе команд пользователя. Это выносные кнопки и пульты дистанционного управления с приёмниками.

    Одним из наиболее часто импользуемых элементов «умного дома» является датчик движения

  2. Исполнительная часть. Это устройства, которыми система может управлять, реагируя таким образом на то или иное событие в соответствии с заданным пользователем сценарием. Прежде всего, это реле, посредством которых контроллер «умного дома» может подавать питание на любой электрический прибор, то есть включать и выключать его. Например, по хлопку в ладони (система «услышит» его при помощи микрофона) можно настроить включение реле, подающего питание на вентилятор. Обратите внимание: в этом примере вентилятор может быть любым. Но можно применить и прибор, специально выпущенный для работы в составе той или иной системы. Например, компания Arduino выпускает для своих систем электромоторчики, при помощи которых можно, допустим, закрывать или открывать форточку, а компания Xiaomi (китайский производитель подобных систем) — устройства управления воздухоочистителем. Такой прибор полностью контролируется системой, то есть она может не только включить его, но и изменить настройки.

    Электромоторчик является исполнительным устройством, которое включается по сигналу контроллера системы и приводит в движение подключённый к нему механизм

  3. Процессор. Может также называться контроллером. Это «мозг» системы, который координирует и согласовывает работу всех её составляющих.

    Плата процессора (или контроллера) управляет исполнительными устройствами на основе встроенной программы и данных, полученных от сенсоров

  4. Программное обеспечение. Это набор инструкций, которыми руководствуется процессор. В системах некоторых производителей, в том числе и от Arduino, пользователь может написать программу самостоятельно, в других — используются готовые решения, в которых пользователю доступны лишь типовые сценарии.

Современные системы «умный дом» делятся на несколько разновидностей:

  1. Оснащённые собственным контроллером.
  2. Использующие в этом качестве процессор пользовательского компьютера (планшета, смартфона).
  3. Обрабатывающие информацию при помощи удалённого сервера, принадлежащего компании-разработчику (облачный сервис).

Система может не только активировать тот или иной прибор, но и проинформировать пользователя о происшедшем событии путём отправки сообщения на телефон или каким-то иным способом. Таким образом, на неё можно возложить функции сигнализации, в том числе и противопожарной.

Сценарии могут быть гораздо более сложными, чем мы описали в примерах. Например, можно научить систему включать бойлер и переводить снабжение горячей водой на него при отключении централизованной подачи, если при этом обнаруживается присутствие кого-то из жильцов в доме (помогают инфракрасные, ультразвуковые датчики, а также датчики движения).

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.

Основные элементы плат

Главным элементом «умного дома” является одна или несколько центральных (материнских) плат. Они отвечают за взаимодействие всех элементов. Только определив задачи, которые необходимо будет решить, можно приступать к выбору основного узла системы.

Материнская плата объединяет в себе следующие элементы:

  • Микроконтроллер (процессор). Основное его предназначение – выдавать и измерять напряжение в портах в диапазоне 0-5 или 0-3.3 В, запоминать данные и производить вычисления.
  • Программатор (есть не у всех плат). С помощью этого устройства в память микроконтроллера записывают программу, согласно которой будет работать «умный дом”. К компьютеру, планшету, смартфону или другому устройству его подключают при помощи USB-интерфейса.
  • Стабилизатор напряжения. Необходимо устройство на 5 вольт, требуется для питания всей системы.

Под маркой Arduino выпускают несколько моделей плат. Они отличаются друг от друга форм-фактором (размером), количеством портов и объемом памяти. Именно по этим показателям нужно выбирать подходящее устройство.

Платы Arduino и шилды под них лучше приобретать у производителя, так как они качественнее совместимых устройств, которые выпускают в Китае

Существуют два вида портов:

  • цифровые, которые помечены на плате буквами «d”;
  • аналоговые, которые помечены буквой «a”.

Благодаря им микроконтроллер осуществляет связь с подключенными устройствами. Любой порт может работать как на получение сигнала, так и на его отдачу. Цифровые порты с пометкой «pwm” предназначены для ввода и вывода сигнала типа ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Поэтому прежде чем приобретать плату, необходимо хотя бы приблизительно оценить уровень ее загруженности различными устройствами. Это позволит определить нужное количество портов всех типов.

При этом надо понимать, что система «умный дом” необязательно должна быть завязана в блок управления на основе одной материнской платы. Такие функции как, например, включение искусственного освещения придомовой территории в зависимости от времени суток и поддержание резерва воды в накопительном баке являются независимыми друг от друга.

С позиции обеспечения надежности работы электронной системы лучше разнести несвязанные между собой задачи по различным блокам, что концепция Arduino позволяет легко осуществить. Если же в одном месте объединить много устройств, то возможно перегревание микропроцессора, конфликт программных библиотек и сложности при поиске и устранении программных и аппаратных неисправностей.

Подсоединение множества разнотипных устройств к одной плате обычно применяют в робототехнике, где важна компактность. Для «умного дома” лучше для каждой задачи использовать свою основу

Каждый микропроцессор оснащен тремя видами памяти:

  • Flash Memory. Основная память, где хранится код программы управления системой. Незначительную ее часть (3-12 %) занимает вшитая программа загрузки (bootloader).
  • SRAM. Оперативная память, где хранятся временные данные, необходимые при работе программы. Отличается высокой скоростью работы.
  • EEPROM. Более медленная память, где также можно хранить данные.

Основное отличие видов памяти для хранения данных заключается в том, что при выключении электроэнергии информация, которая записана в SRAM, теряется, а в EEPROM остается. Но у энергонезависимого типа есть и недостаток – ограниченное число циклов записи. Это нужно помнить при создании собственных приложений.

В отличие от применения Arduino в робототехнике, для большинства задач «умного дома” не нужно много памяти ни для программ, ни для хранения информации.

Особенности взаимодействия модулей через порты

Все модули, которые будут подключены к плате, имеют как минимум три выхода. Два из них – провода питания, т.е. «земля”, а также напряжение 5 или 3.3 В. Третий провод является логическим. По нему идет передача данных к порту. Для подключения модулей используют специальные сгруппированные по 3 штуки провода, которые иногда называют джамперами.

Так как на моделях Arduino обычно всего 1 порт с напряжением и 1-2 порта с «землей”, то для того, чтобы подключить несколько устройств нужно будет либо спаивать провода, либо использовать макетные платы (breadboard).

К макетной плате можно подключать не только питание и порты платы Arduino, но и другие элементы, такие как, например, сопротивление, регистры и т.д.

Пайка более надежна и применяется в устройствах, которые подвержены физическому воздействию, например, платы управления роботами и квадрокоптерами. Для умного дома лучше использовать макетные платы, так как это проще и при установке, и при удалении модуля.

У некоторых моделей (например, Arduino Zero и MKR1000) рабочее напряжение составляет 3.3 В, поэтому если на порты подать большее значения, то возможно повреждение платы. Вся информация по питанию доступна в технической документации к устройству.

Платы дополнения (шилды)

Для увеличения возможностей материнских плат используют шилды (Shields) – расширяющие функционал дополнительные устройства. Они изготавливаются под конкретный форм-фактор, что отличает их от модулей, которые подключают к портам. Шилды стоят дороже модулей, однако работа с ними проще. Также они снабжены готовыми библиотеками с кодом, что убыстряет разработку собственных программ управления для «умного дома”.

Шилды Proto и Sensor

Эти два стандартных шилда не привносят каких-либо особых функций. Их используют для более компактного и удобного подключения большого числа модулей.

Proto Shield представляет собой практически полную копию оригинала в плане портов, а посередине модуля можно приклеить макетную плату. Это облегчает сборку конструкции. Такие дополнения существуют для всех полноформатных плат Arduino.

Proto Shield ставят поверх материнской платы. Это незначительно увеличивает высоту конструкции, но экономит много места в плоскости

Но если устройств очень много (более 10), то лучше использовать более дорогие коммутационные платы Sensor Shield.

У них не предусмотрен брэдборд, однако ко всем выводам портов индивидуально подведено питание и земля. Это позволяет не путаться в проводах и перемычках.

Площадь поверхности материнской и сенсор-плат одинакова, однако на шилде отсутствуют чипы, конденсаторы и другие элементы. Поэтому освобождается много места для полноценных подключений

Также на этой плате есть колодки для простого подключения нескольких модулей: Bluetoots, SD-карты, RS232 (COM-port), радио и ультразвука.

Подключение вспомогательного функционала

Шилды с интегрированным в них функционалом рассчитаны на решение сложных, но типовых задач. При необходимости реализации оригинальных задумок лучше все же подобрать подходящий модуль.

Motor Shield. Он предназначен для управления скоростью и вращением маломощных двигателей. Оригинальная модель оснащена одним чипом L298 и может работать одновременно с двумя моторами постоянного тока или с одним сервоприводом. Есть и совместимая деталь от стороннего производителя, у которой два чипа L293D с возможностью управления вдвое большим количеством приводов.

Relay Shield. Часто используемый модуль с системах «умный дом”. Плата с четырьмя электромеханическими реле, каждое из которых допускает прохождение тока с силой до 5А. Этого достаточно для автоматического включения и отключения киловатных приборов или линий освещения, рассчитанных на переменный ток 220 В.

LCD Shield. Позволяет выводить информацию на встроенный экран, который можно проапгрейдить до TFT-устройства. Это расширение часто применяют для создания метеостанций с показаниями температуры в различных жилых помещениях, пристройках, гараже, а также температуры, влажности и скорости ветра на улице.

В LCD Shield встроены кнопки, позволяющие запрограммировать листание информации и выбор действий для подачи команд на микропроцессор

Data Logging Shield. Основная задача модуля – записывать данные с датчиков на полноформатную SD-карту объемом до 32 Gb с поддержкой файловой системы FAT32. Для записи на микро-SD карту нужно приобрести адаптер. Этот шилд можно использовать как хранилище информации, например, при записи данных с видеорегистратора. Производство американской фирмы Adafruit Industries.

SD-card Shield. Более простая и дешевая версия предыдущего модуля. Такие расширения выпускают многие производители.

EtherNet Shield. Официальный модуль для связи Arduino с Интернетом без участия компьютера. Есть слот для микро-SD карты, что позволяет записывать и отправлять данные через всемирную сеть.

Wi-Fi Shield. Позволяет осуществлять беспроводной обмен информацией с поддержкой режима шифрования. Служит для связи с интернетом и устройствами, которыми можно управлять через Wi-Fi.

GPRS Shield. Этот модуль, как правило, используют для связи «умного дома” с владельцем по мобильному телефону через SMS сообщения.

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 центром» системы «Умный дом» 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.

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.

Составление проекта для умного дома

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо сделать автоматику для дома с одной комнатой.

Такое здание состоит из пяти основных зон — прихожей, крыльца, кухни, санузла, а также комнаты для проживания.

При составлении проекта стоит учесть следующее:

  • КРЫЛЬЦО. Включение света производится в двух случая — приближение хозяина к дому в темное время суток и открытие дверей (когда человек выходит из здания).
  • САНУЗЕЛ. В бойлере предусмотрен выключатель питания, который при достижении определенной температуры выключается. Управление бойлером производится в зависимости от наличия соответствующей автоматики. При входе в помещение должна срабатывать вытяжка, и загорается свет.
  • ПРИХОЖАЯ. Здесь требуется включение света при наступлении темноты (автоматическое), а также система обнаружения движения. Ночью включается лампочка небольшой мощности, что исключает дискомфорт для других жильцов дома.
  • КОМНАТА. Включение света производится вручную, но при необходимости и наличии датчика движения эта манипуляция может происходить автоматически.
  • КУХНЯ. Включение и отключение света на кухне осуществляется в ручном режиме. Допускается автоматическое отключение в случае продолжительного отсутствия перемещений по комнате. Если человек начинает готовить пищу, активируется вытяжка.

Отопительные устройства выполняют задачу поддержания необходимой температуры в помещении. Если в доме отсутствуют люди, нижний предел температуры падает до определенного уровня.

После появления людей в здании этот параметр поднимается до прежнего значения. Рекуперация воздуха осуществляется в случае, когда система обнаружила присутствие владельца. Продолжительность процесса — не более 10 минут в час.

Стоит обратить внимание, что если в доме планируется установка умных розеток, то для управления ими лучше использовать приложения на мобильных устройствах, WIFI или через SMS сообщения.

Визуальное программирование для Arduino можно осуществлять с помощью специального приложения FLProg, которое можно скачать с официального сайта http://flprog.ru/.

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 http://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.

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.

Сборка «умного дома»: пошаговая инструкция

Вот в какой последовательности необходимо действовать.

Подключение исполнительных и сенсорных устройств

Подключаем все компоненты согласно схеме.

Сборка системы в основном сводится к подключению исполнительных устройств к соответствующим контактам процессорной платы

Разработка программного кода

Пользователь пишет всю программу целиком в оболочке Arduino IDE, для чего последняя оснащена текстовым редактором, менеджером проектов, компилятором, препроцессором и средствами для заливки программного кода в микропроцессор платы Arduino. Разработаны версии IDE для операционных систем Mac OS X, Windows и Linux. Язык программирования — С++ с некоторыми упрощениями. Пользовательские программы для Arduino принято называть скетчами (sketch) или набросками, программа IDE сохраняет их в файлы с расширением «.ino».

Функцию main(), которая в С++ является обязательной, оболочка IDE создаёт автоматически, прописывая в ней ряд стандартных действий. Пользователь должен написать функции setup() (выполняется единоразово во время старта) и loop() (выполняется в бесконечном цикле). Обе эти функции для Arduino являются обязательными.

Заголовочные файлы стандартных библиотек вставлять в программу не нужно — IDE делает это автоматически. К пользовательским библиотекам это не относится — они должны быть указаны.

Добавление библиотек в «Менеджер проекта» IDE осуществляется несколько необычным способом. В виде исходных текстов, написанных на С++, они добавляются в особую папку в рабочем каталоге оболочки IDE. После этого названия этих библиотек появятся в соответствующем меню IDE. Те, что отметит пользователь, будут внесены в список компиляции.

В IDE предусмотрен минимум настроек, а возможность настройки компилятора отсутствует вовсе. Таким образом, начинающий программист застрахован от ошибок.

Вот пример самой простой программы, заставляющей каждые 2 секунды мигать подключённый к 13-му выводу платы светодиод:

void setup () { pinMode (13, OUTPUT); // Назначение 13 вывода Arduino выходом}

void loop () { digitalWrite (13, HIGH); // Включение 13 вывода, параметр вызова функции digitalWrite HIGH — признак высокого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1000 мс — 1 секунду

digitalWrite (13, LOW); // Выключение 13 вывода, параметр вызова LOW — признак низкого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1 секунду}

Однако в настоящий момент перед пользователем далеко не всегда встаёт необходимость лично писать программу: в сети выложено множество готовых библиотек и скетчей (загляните сюда: http://arduino.ru/Reference). Имеется готовая программа и для системы, рассматриваемой в этом примере. Её нужно загрузить, распаковать и импортировать в IDE. Текст программы снабжён комментариями, поясняющими принцип её работы.

Все программы на Arduino работают по одному принципу: пользователь посылает запрос процессору, а тот загружает необходимый код на экран компьютера или смартфона

Когда пользователь нажимает в браузере или установленном на смартфоне приложении кнопку «Refresh» (Обновление), микроконтроллер Arduino осуществляет отсылку данных этому клиенту. С каждой из страниц, обозначенных как «/tempin», «/tempout», «/rain», «/window», «/alarm», поступает программный код, который и отображается на экране.

Установка клиентского приложения на смартфон (для ОС Android)

Для получения данных от системы «умный дом» в сети можно скачать готовое приложение.

Вот что необходимо сделать владельцу гаджета:

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

    Необходимо включить разрешение на установку программ не из PlayMarket, которое находится в разделе «Безопасность» настроек смартфона

  5. Когда установка будет завершена, активируйте приложение.
  6. Выполните его настройку.

С помощью этого приложения можно не только получать информацию от системы «умный дом», но и управлять ею — включать и отключать сигнализацию. Если она включена, то при срабатывании датчика движения приложению будет отправлено уведомление. Опрос системы Arduino на предмет срабатывания датчика движения приложение выполняет с периодичностью раз в минуту.

Активировав иконку «Настройки», можно отредактировать свой IP-адрес.

Настройка браузера на работу с «умным домом»

В адресной строке браузера следует ввести XXX.XXX.XXX.XXX/all, где «XXX.XXX.XXX.XXX» — ваш IP-адрес. После этого появится возможность получать данные от системы и осуществлять управление ею.

Представленный здесь программный код позволяет через браузер включать и выключать свет, тогда как в приложении для Android-смартфона такая функция не реализована.

Работа с роутером

Далее на маршрутизаторе необходимо открыть порт:

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

    Необходимо прописать маршрут перехода на процессор Arduino по порту 80

Настройка учётной записи на noip.com

Этот этап не является обязательным, но он необходим, если вы хотите присвоить адресу доменное имя. Для этого надо зарегистрироваться на сайте https://www.noip.com/, перейти в раздел «Add host» и ввести IP-адрес системы.

После регистрации на сайте noip.com доступ к системе можно получать не только по IP-адресу, но и по полному доменному имени

Создание проекта завершено, можно проверять работоспособность системы.

Видео: умный дом на «Ардуино»

Особенности работы некоторых аппаратных средств Arduino

Ввиду того что Arduino-совместимые компоненты выпускаются множеством сторонних компаний, качество продукции которых сама компания Arduino никак не контролирует, пользователь с большой вероятностью может приобрести компонент, работающий не совсем корректно.

Похожая ситуация сложилась в сфере разработки персональных компьютеров. В своё время компания IBM сделала архитектуру своих компьютеров открытой, вследствие чего IBM-совместимые компьютеры и отдельные компоненты стали выпускать многие компании. В итоге «персоналки» этого типа широко распространились по всему миру, однако, качество комплектующих и степень их совместимости во многих случаях оказывались не на самом высоком уровне. Противоположной тактики придерживалась компания Apple. Она ограничила круг разработчиков, имеющих доступ к архитектуре, и такую же политику провела в сфере разработки ПО. В итоге компьютеры Apple оказались менее распространёнными и более дорогими, но зато по качеству они на порядок превосходят IBM-совместимые устройства, работающие под Windows.

В отношении некоторых комплектующих для систем Arduino пользователи заметили следующее:

  1. Датчик температуры DHT11, поставляемый с базовым набором (StarterKit), даёт значительную погрешность в 2–3 градуса. В помещении рекомендуют применять температурный датчик DHT22, дающий более точные показания, а для установки на улицу — DHT21, способный работать при отрицательных температурах и имеющий защиту от механических повреждений.
  2. На некоторых микропроцессорных платах Arduino при замыкании подключённых к ним реле выходит из строя COM-порт. Из-за этого на микроконтроллер не удаётся загрузить скетч: как только начинается заливка, процессор перезагружается. Реле при этом щёлкает, COM-порт отключается и процесс загрузки скетча прекращается.
  3. Датчик закрытия окна/двери иногда преподносит сюрпризы в виде ложных срабатываний. С учётом этого скетч пишут так, чтобы система производила необходимое действие только по получении нескольких сигналов подряд.
  4. Для настройки управления процессами при помощи хлопков некоторые пользователи по неопытности вместо микрофона заказывают детектор звука с ручной настройкой порога. Для подобных целей этот компонент не подходит, так как имеет слишком малый радиус действия: хлопать приходится не далее 10 см от детектора. Кроме того, этот датчик передаёт сигналы импульсами малой продолжительности, так что при наличии большого скетча, на обработку которого уходит сравнительно много времени, микроконтроллер просто не успевает их зафиксировать.
  5. Для устройства противопожарной сигнализации следует использовать датчик дыма, а не датчик огня. Последний регистрирует пламя не далее 30 см от себя.
  6. На случай сбоя в работе микроконтроллера или ошибки в коде лучше применять нормально замкнутые реле с последовательно подключёнными ручными выключателями.

Чтобы избежать покупки низкокачественных комплектующих, бывалые пользователи рекомендуют предварительно изучать отзывы о них, опубликованные в Сети. Недорогие датчики можно покупать в нескольких вариантах, чтобы лично проверить, какой из них работает лучше.

Возможно, система «умный дом» от компании Arduino является не самой качественной, но зато широчайший выбор компонентов и их доступная стоимость точно сделали её одной из самых популярных. Воспользовавшись нашими советами, вы быстро научитесь создавать проекты Arduino, автоматизируя различные домашние процессы.

  • Надежда Хоменко

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.

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.

В итоге, что мы получим?

Сегодня Arduino востребовано среди людей, которые ничего не знают о программировании.

Причиной этому является простой интерфейс, а также ряд преимуществ — простой язык программирования, возможность создания своего алгоритма, благодаря открытому исходному коду, а также легкость переноса программ с помощью USB-кабеля. Необходимый для Ардуино софт имеется в Интернете, поэтому тут проблем нет.

Как видно, Ардуино — не просто плата, позволяющая подключить различные устройства. Это мощная база, которую можно использовать для создания «Умного дома». При этом нет нужды тратить большие деньги за дорогостоящие устройства, стоимость которых в 5-10 раз больше.

Это и есть основные преимущества системы.

К особенностям платы стоит отнести возможность подключения к компьютеру и получения визуализации процессов на дисплее планшета или ПК.

Управление автоматикой возможно через Интернет или посредством сообщений. Так что Ардуино отлично подходит для создания устройств повышенной сложности.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *