Умный дом на базе системы Ардуино – сложно ли сделать своими руками

Комплексные системы управления инженерными коммуникациями жилища, известные под названием «Умный дом» набирают всё большую популярность. Широкому внедрению этих систем препятствует достаточно высокая стоимость комплектующих элементов и монтажных работ. Умный дом на базе Arduinoпредставляет собой решение вполне доступное для всех, кто хоть немного разбирается в электронике.

Что такое Arduino

Ардуино – это бренд, под которым выпускаются аппаратные и программные средства для самостоятельного построения систем автоматики и телеуправления.

По сути это модульный конструктор, обладающий широкими возможностями. Аппаратные средства Ардуино представляют собой большой ассортимент печатных плат, на которых организованы различные датчики, исполнительные устройства и платы расширения. Ядром системы являются платы с программируемыми микроконтроллерами разного уровня сложности от Arduino Pro Mini до Arduino Mega. Платы расширения позволяют использовать большое количество внешних устройств.

На небольшой печатной плате установлен микроконтроллер, немного дискретных элементов, кварц и различные виды разъёмов, в том числе и вертикальные штыри, с помощью которых собираются конструкции-этажерки с добавлением плат расширения. В качестве микроконтроллеров используются чипы семейства Atmega. Тип контроллера определяет функциональные возможности платы, зависящие от количества входов и выходов.

Так широко распространённый модуль Arduino Uno с микроконтроллером Atmega 328 имеет следующие характеристики:

  • Цифровые входы/выходы – 14
  • Из них 6 – ШИМ
  • Аналоговые входы – 6
  • Память – 32 Кб
  • Питание – 7-12 В
  • Цена – 950 рублей

Цифровые контакты можно запрограммировать на выполнение конкретной функции. Это может быть вход или выход. Эти входы/выходы могут работать с устройствами, для функционирования которых достаточно двух уровней. Это логическая единица или уровень близкий к напряжению питания и логический низкий уровень соответствующий нулю. На цифровые входы можно подключать двухуровневые датчики. К ним относится  пара магнит-геркон. Этот датчик реагирует на открывание дверей и окон. По такому принципу работают многие датчики охранной и пожарной сигнализации.

Цифровые выходы могут управлять работой электромагнитных реле, которые в свою очередь включают и выключают сетевые розетки, к которым подключены различные бытовые приборы. Умный дом на базе Arduino обойдётся значительно дешевле, чем готовый промышленный комплект.

Аналоговые входы через аналогово-цифровые преобразователи передают на контроллер информацию о состоянии датчиков температуры, освещённости и некоторых других приборов. Сравнивая показания датчиков с командами, хранящимися в памяти, центральный блок системы  может управлять устройствами, где требуется плавное изменение мощности. Шесть выходов, связанных с широтно-импульсным модулятором позволяют плавно управлять мощностью нагрузки. Например, регулировать яркость светильника, регулировать температуру обогревателя или управлять частотой вращения электродвигателя.

Самой мощной и многофункциональной платой этой линейки является Arduino Mega. На печатной плате смонтирован контроллер AT mega 2560, дискретные элементы, порт USBконнектор для подключения питания. Плата имеет 54 универсальных контакта, которые можно запрограммировать на выполнение функций входа/выхода. 14 из них могут управлять аналоговыми устройствами при помощи широтно-импульсной модуляции. 16 аналоговых входов предназначены для подключения любых аналоговых приборов.

Плата контроллера Arduino Mega стоит в пределах 1 500 рублей. Программировать его проще всего с помощью персонального компьютера через USB-порт.

Периферийные модули для Ардуино

Плата контроллера является ядром системы, но подключать к ней какие либо устройства нельзя. Выходы имеют небольшую нагрузочную способность и ограниченный ток. Для организации системы управления бытовой техникой потребуются внешние силовые модули, устройства связи и другие устройства. Это не является проблемой, поскольку для контроллеров Arduino разработано большое количество периферийных модулей.

Вот только некоторые из них:

  • Газоанализатор – MQ-2
  • Датчик освещённости – 2CH-Light-2
  • Датчик температуры внешний – DS18B20-PL
  • Датчик температуры и влажности комнатный – DHT-11
  • Драйверы электродвигателя – L298N, L9110
  • Релейные модули – 1ch5V, 4ch5V
  • Модуль дистанционного управления IC2262/2272

Датчик, определяющий утечку газа в помещении, реагирует на пропан и бутан, которые являются составляющими бытового газа. Модуль имеет регулировку чувствительности и аналоговый/цифровой выходы. Датчик освещённости может являться частью автоматизированной системы управления светом. Он состоит из двух независимых каналов с индивидуальной регулировкой чувствительности. Уличный термодатчик предназначен для работы при температуре от – 55 до +125 градусов. Комнатный датчик температуры и влажности предназначен для работы в системе климат-контроль Умного дома. Диапазон изменения температуры от 0 до +550С и влажности от 20 до 90%.

Поскольку питающее напряжение модулей Ардуино  лежит в диапазоне от 7 до 12 вольт, то для организации охранной или пожарной сигнализации можно использовать любые стандартные датчики, которые имеют такие же рабочие уровни.

Драйверы электродвигателей позволяют управлять однофазными, двухфазными, четырёхфазными и шаговыми двигателями. С помощью таких устройств можно открывать и закрывать жалюзи или шторы. Подключенные к драйверам сервоприводы позволяют регулировать поток теплоносителя в радиаторах отопления. Незаменимыми в системе «Умный дом» являются релейные ключи. Управляемые потенциалом логической единицы +5 вольт, реле допускают коммутацию нагрузок в цепях переменного тока до 10 ампер при напряжении до 250 вольт.

С их помощью можно включать и выключать электрические розетки, электронасосы и другие системы.

Модуль дистанционного управления состоит из пульта и приёмного устройства. Пульт оборудован четырьмя кнопками и обеспечивает передачу команд на приёмный блок на расстоянии до 100 метров. Все периферийные модули имеют одинаковое питающее напряжение и совместимы с любыми микроконтроллерами Arduino.

Организация системы «Умный дом»

Без определённых навыков, знания принципиальных схем и основ электроники за систему «Умный дом» в полном объёме лучше не браться.

Программирование микроконтроллеров линейки Ардуино осуществляется на языке С/С++.

Для начала можно написать простейшие программы, которые могут включать и выключать светодиод или управлять работой микроэлектродвигателя. Примеров таких программ очень много. В них используются простые операторы вида: если, пока, то и другие. Они позволяют писать программы даже школьникам.  Когда первые программы будут правильно выполняться можно попробовать собрать более сложные устройства, где будут задействованы ШИМ выходы для плавного управления светом.

Для того чтобы сделать «Умный дом» на Ардуино своими руками необходимо составить технический проект, где будет указано количество датчиков и исполнительных устройств для каждого помещения. Можно начать с одной комнаты, где будут реализованы несколько простых функций. Некоторые из них будут выполняться по сигналам от внешних датчиков, а некоторые по сигналам таймера. Когда утром человек встаёт на работу контроллер Ардуино, по сигналу таймера включит электрический чайник или кофеварку. Если на улице темно, что зафиксирует наружный датчик, в комнате плавно загорится светильник. Комфортную температуру в помещении так же можно задать как для сна, так и для просыпания.

Для небольшого числа функций подойдёт микроконтроллер Arduino Uno и набор периферийных модулей.

Для управления бытовыми приборами потребуются релейные ключи, которые будут включать и выключать электрические розетки. Для управления светом потребуется детектор движения. Если умная система монтируется на кухне необходимо предусмотреть автоматическое включение вытяжки, датчик утечки бытового газа и датчик протечки воды. Как элемент пожарной сигнализации в помещении должен быть установлен дымовой датчик.

Заключение

Контроллер Ардуино позволит выполнить проект умный дом и уложиться в сравнительно небольшую сумму. Если подсчитать все расходы на оборудование трёхкомнатной квартиры, то сумма вряд ли превысит 30-40 тысяч рублей. Если сократить число функций, бюджет окажется ещё более скромным.