Cos'è una "casa intelligente" basata su Arduino?

Di recente, sempre più tecnologie innovative penetrano in varie sfere della nostra vita. Il loro uso può migliorare in modo significativo il comfort e consente di risparmiare il tempo di una persona in vari compiti. Oggi toccheremo il tema delle cosiddette "case intelligenti" e ne parleremo delle caratteristiche, dei vantaggi, degli svantaggi e della tecnologia della creazione.

Se capisci il termine "casa intelligente", l'analogo più vicino, che sarà chiaro alla maggior parte delle persone, è la frase "domotica".Il significato di tali cose è garantire l'implementazione automatica dei vari processi che avvengono nella stanza. Tale meccanismo può essere utilizzato non solo negli edifici residenziali, ma anche negli uffici, nonché in varie strutture specializzate.

La prima caratteristica che dovrebbe essere menzionata sarà la possibilità di raccogliere un sistema come un designer. Rappresenta la presenza di un elemento centrale sulla piattaforma Arduino, rappresentato da un controller centrale, nel quale scorre tutta l'informazione proveniente dai vari sistemi installati nella casa. E per quanto possibile, è possibile aggiungere nuovi componenti al sistema - per controllare la luce in stanze diverse, informare il proprietario sul verificarsi di varie situazioni impreviste, monitorare le condizioni climatiche, monitorare i meccanismi di ingegneria.

Ma dovrebbe essere chiaro che non ci sono idee chiare, quali componenti e meccanismi dovrebbero essere in un tale sistema. Cioè, è un concetto, non un prodotto specifico. Se necessario, puoi mettere un solo sistema, e il resto no. Cioè, iniziamo con qualcosa di piccolo e, se necessario, aumentiamo la funzionalità della casa, acquisendo nuove opportunità nel campo della gestione degli alloggi. Una delle caratteristiche più significative è la capacità di controllare in modo intelligente l'illuminazione. L'uso di un tale sistema nella vita di tutti i giorni può seriamente risparmiare risorse, perché l'illuminazione è attivata solo quando una persona è in una stanza.

La prossima caratteristica è il controllo del clima interno. Il meccanismo descritto è ugualmente importante. Ad esempio, l'automazione del riscaldamento sarà estremamente importante non solo per risparmiare nella stagione fredda, ma anche per accendere il riscaldamento al momento giusto, perché non è sempre possibile renderlo attivo con una forte diminuzione della temperatura.Se si dispone di riscaldamento autonomo sulla base della caldaia, se ci sono sensori termici e un meccanismo di monitoraggio del flusso di gas in caso di emergenza, il proprietario verrà informato e sarà in grado di rispondere rapidamente in tempo reale.

Un altro vantaggio è l'equipaggiamento tecnico di vari sistemi. Con l'installazione dell'automazione, il proprietario della casa ottiene l'opportunità di eseguire varie azioni: abbassare i bui, accendere lo schermo TV o il lettore multimediale. Collegando questi e altri sistemi a un meccanismo comune, è possibile creare effettivamente le condizioni per l'attivazione di un dispositivo premendo un solo tasto.

La prossima caratteristica è il sistema di sicurezza. Il meccanismo della "casa intelligente" solleva a un nuovo livello la protezione contro le intrusioni nella casa degli ospiti indesiderati in assenza dei proprietari. La casa è semplicemente trasformata in oggetto quasi inespugnabile. Inoltre, il sistema può simulare l'effetto di essere in casa accendendo e spegnere la luce, e le telecamere di sorveglianza trasmettono al proprietario informazioni aggiornate sull'attività nella casa o nell'area circostante, il che risparmia sulla protezione.Il sistema ha un numero di altri mezzi che neutralizzeranno l'autore del reato, se necessario.

E l'ultima caratteristica di cui voglio parlare è il controllo semplice ed economico. Nonostante la sua enorme funzionalità, il sistema descritto può essere controllato anche da un bambino. Di solito viene utilizzato un piccolo telecomando con interruttori tradizionali e pannelli speciali. Inoltre, i meccanismi possono essere controllati da un PC o dispositivo mobile. E negli ultimi anni sono state introdotte soluzioni e il controllo vocale. Come potete vedere, un tale sistema ha molte caratteristiche che lo rendono un'ottima soluzione integrata per la casa o qualsiasi altro oggetto.

Oggi un gran numero di modifiche e set completi basati su Arduino, in cui è possibile implementare il sistema in questione. Un gran numero di aziende che producono tali meccanismi rendono i controllori già dotati di sistemi Wi-Fi e Bluetooth integrati, il che rende possibile il controllo del sistema all'interno dei locali tramite uno mobile. Esistono anche soluzioni in cui la gestione viene eseguita su un'interfaccia di tipo Ethernet, si tratta di un metodo cablato che utilizza cavi in ​​fibra ottica attraverso una rete domestica di tipo locale.Gli switch vengono comunemente aggiunti a tali soluzioni, oltre ai router Wi-Fi, che consentono la connessione wireless, a meno che non sia diversamente previsto dal controller stesso.

La connessione di interruttori manuali convenzionali può essere eseguita sul controller centrale con due metodi:

• usando il cablaggio elettrico;
• con la tecnologia wireless.

Come puoi vedere, ci sono un gran numero di componenti della "casa intelligente".

Di solito il sistema è costituito dai seguenti nodi, che possono essere rappresentati da vari tipi di dispositivi:

• un controller di sistema centrale, solitamente rappresentato da un nodo master, nonché modulatori di input output discreti;
• Dispositivi di espansione e comunicazione, che comprendono router, vari switch, nonché moduli GPS e GPRS;
• dispositivi responsabili della commutazione di circuiti elettrici - relè, dimmer e alimentatori;
• dispositivi di prestazione - vari tipi di valvole (acqua, gas);
• parti di gestione del sistema: pannelli tattili, tablet, personal digital assistant e console;
• varie parti di misura - dispositivi, sensori e sensori (stiamo parlando di sensori di luce, temperatura e movimento).

Quando si seleziona l'attrezzatura per un meccanismo basato su Arduino, è necessario prendere in considerazione il metodo di trasferimento delle informazioni che il particolare sistema utilizzerà. Ad esempio, è possibile fornire uno standard EIB \ KNX abbastanza comune. Qui di solito vengono utilizzati la rete elettrica, le reti di computer e anche i canali radio. Allo stesso tempo, esiste un X10 standard, in cui vengono utilizzate normali reti CA ordinarie con una tensione di 230 volt per trasmettere informazioni.

Parlando delle virtù di una casa intelligente basata su Arduino, I seguenti punti dovrebbero essere annotati.

• Grandi opportunità in termini di impostazione del lavoro dell'intero meccanismo. Cioè, l'utente può scrivere indipendentemente un programma che può eseguire algoritmi di vari livelli di complessità.
• Se lo si desidera, il sistema può funzionare autonomamente a causa della presenza del proprio controller.
• Scaricare un programma è facile perchéche il programmatore non è necessario per questo, ma tutto è fatto usando un'interfaccia USB, dal momento che il bootloader viene semplicemente installato nel microcontrollore.
• Componenti a basso prezzo del sistema. Ciò è dovuto al fatto che diversi produttori non hanno diritti esclusivi. Per questo motivo, l'architettura di Arduino è classificata come aperta.

• La presenza di codice open source, che consente all'utente di controllare direttamente il meccanismo di una casa intelligente.
• L'accessibilità è che l'utente sceglie i sensori e i meccanismi di cui ha bisogno.
• Versatilità e capacità di implementare le idee più interessanti. Non ci sono istruzioni o standard per quella che dovrebbe essere una casa intelligente basata su Arduino. Ciò significa che l'utente può rendere il sistema nel modo desiderato, poiché il proprietario non si limita a nulla in termini di installazione dei sensori in camera da letto o in cucina.
• La possibilità di caricatore di firmware autonomo.
• La presenza di un connettore pin per schede processore Arduino, che consente la programmazione all'interno del sistema.

Come ogni meccanismo, questo sistema ha alcuni inconvenienti.

• Nonostante l'apertura del sistema, per padroneggiarlo e utilizzarlo con successo, avrai bisogno di conoscenza da una serie di aree specifiche, tra cui programmazione, riparazione ed elettronica.
• La necessità di dedicare una notevole quantità di tempo per implementare e personalizzare il proprio progetto, dal momento che ogni progetto è intrinsecamente unico e può fare poco più di altri.
• Difficoltà nella configurazione diretta di Arduino dovuta al fatto che questo meccanismo funziona solo con un numero limitato di sistemi operativi.
• L'esistenza della probabilità di guasti del software, che può portare a problemi o inoperosità di una squadra. Per questo motivo, è necessario di tanto in tanto fare una diagnosi della salute dell'apparecchiatura.

• Radiazioni di vario tipo, che sono inevitabili con questo algoritmo di controllo.
• La necessità di allocare lo spazio per un armadietto speciale dove saranno posizionati ulteriori equipaggiamenti e fili.
• Se il controllo viene eseguito tramite Internet, i dati trasmessi tra i componenti del meccanismo possono essere intercettati dagli intrusi.Una soluzione parziale al problema sarà una connessione esclusivamente sicura. Ma per garantire che richiederà un sacco di soldi investiti nella modernizzazione delle attrezzature.

La creazione di qualsiasi sistema di casa intelligente basato su Arduino inizia con la creazione del progetto. Quando lo si sviluppa, è necessario comprendere esattamente quali funzioni e attività devono essere eseguite dal sistema.

Di solito un progetto basato sulla soluzione Arduino Uno comporta i seguenti compiti.

• Monitoraggio delle condizioni meteorologiche al di fuori della finestra e della temperatura ambiente e, di conseguenza, una risposta adeguata al loro cambiamento. Il dispositivo di solito diventa un elemento di un sistema unificato insieme a riscaldamento, dispositivi di ventilazione e altri dispositivi.
• Monitoraggio dello stato di finestre e porte: sono chiuse o aperte.
• Genera un suono quando il sensore di movimento è attivato, se la funzione di allarme è attiva.
• Controllo automatico degli elettrodomestici.
• Controllo del consumo di energia elettrica, grazie al collegamento automatico e all'arresto degli apparecchi di illuminazione.
• Sicurezza antincendioIl meccanismo fornisce al proprietario un segnale sulla presenza di fuoco o fumo nella stanza. Se viene sviluppato un sistema sofisticato, può persino chiamare i vigili del fuoco.

• L'atrio È necessario accendere automaticamente la luce quando fuori diventa buio, così come la creazione di un meccanismo di rilevamento del movimento. Di notte, la spia di alimentazione media viene solitamente attivata, il che non dovrebbe causare disagio ai membri della famiglia.
• Cucina. L'attivazione e la disattivazione dell'illuminazione in cucina viene solitamente eseguita manualmente. La disconnessione può essere automatica se nessuno cammina per la stanza da molto tempo. Se il sistema rileva che una persona inizia a cucinare, la cappa si accende automaticamente.
• Il portico L'attivazione di dispositivi di illuminazione può essere effettuata sia quando la porta viene aperta quando una persona lascia l'edificio, o quando il proprietario si avvicina alla casa se è già buio al di fuori.
• Camera. L'inclusione di dispositivi leggeri viene eseguita manualmente, anche se, se necessario, e la presenza di un sensore di movimento, l'attivazione può essere effettuata in modalità automatica.

• Bagno. Parlando di questa stanza, diciamo che qui di solito si tratta di gestire una caldaia. Ha esso stesso un interruttore di alimentazione quando il dispositivo si spegne quando raggiunge una certa temperatura dell'acqua. La gestione del riscaldatore verrà eseguita in base all'automazione disponibile. Inoltre, all'ingresso del bagno, è possibile accendere la luce e attivare lo scarico.

Dopo che tutti i punti sopra descritti sono diventati il ​​più chiari possibile, il compito tecnico è in fase di preparazione, in cui il cliente apporta le modifiche. Quando viene realizzata la versione finale, sarà la base per la formazione della documentazione di stima per i lavori di tipo di progetto.

Di solito il progetto consiste dei seguenti componenti:

• un documento esplicativo che descriva i vari sottosistemi;
• layout di dispositivi di controllo;
• piano schematico di corse di cavi;
• il progetto di collocare i dispositivi negli armadietti dell'automazione;
• opzioni di base per collegare apparecchi in tali armadi;
• piani di connessione;
• caricatore per cavi;
• varie specifiche.

Inoltre, nella fase di formazione del progetto, viene calcolato il prezzo della "casa intelligente".

Il prezzo dipenderà da tali fattori:

• numero di dispositivi;
• apparecchiature e sottosistemi selezionati.

Va detto che le fasi di creazione di un sistema di "casa intelligente" con il coinvolgimento di specialisti o con le proprie mani saranno le stesse. Tuttavia, nel secondo caso, la versione prefabbricata nel suo complesso costa molto meno di quanto non avvenga se gli specialisti sono già privi del mercato. Per questo motivo, i loro stipendi saranno appropriati, il che significa che se non vuoi spendere soldi extra, puoi farlo da solo. Quindi, iniziamo con i componenti di questo sistema, se hai deciso di crearlo da solo.

Se parliamo della configurazione del sistema, La tecnologia includerà il seguente insieme di componenti:

• sensore di movimento;
• sensore di temperatura e umidità;
• sensore di luce;
• una coppia di sensori di temperatura con marcatura DS18B20;
• Marchio modulo Ethernet ENC28J60;
• microfono;
• interruttore a lamella;
• relè;
• cavo a doppini intrecciati;
• Cavo Ethernet;
• un resistore avente una resistenza di 4,7 kg;
• scheda a microprocessore arduino.

Va detto che la casa intelligente dovrebbe essere equipaggiata esclusivamente con luci a LED, dal momento che le solite opzioni possono semplicemente non sopportare molta tensione. Quando il progetto è pronto e tutte le parti necessarie sono già state acquistate, è necessario iniziare a connettere sensori e controller. Questo dovrebbe essere fatto esclusivamente secondo lo schema creato in precedenza. I contatti devono essere completamente isolati.

In breve, passo dopo passo l'algoritmo di connessione sarà simile a questo:

• codice di installazione;
• configurare un'applicazione per PC o mobile;
• port forwarding;
• implementazione di test e sensori software;
• risoluzione dei problemi se sono stati rilevati durante il test.

Quindi iniziamo installando il codice.

Innanzitutto, l'utente dovrebbe scrivere il software nell'IDE di Arduino. Presenta:

• editor di testo;
• creatore del progetto;
• programma di compilazione;
• preprocessore;
• strumento per scaricare software nel mini-processore Arduino.

Va detto che ci sono versioni software per i principali sistemi operativi per computer - Windows, Linux, Mac OS X. Se parliamo del linguaggio di programmazione usato, allora stiamo parlando di C ++ con una serie di semplificazioni. I programmi scritti dagli utenti per Arduino vengono comunemente chiamati schizzi. Il sistema crea automaticamente una serie di funzioni e l'utente non ha bisogno di capire la loro scrittura, prescrivendo un elenco di azioni comuni. Inoltre, non è necessario aggiungere file del tipo di intestazione delle librerie ordinarie. Ma l'incorporamento personalizzato è necessario.

È possibile aggiungere librerie al gestore IDE del progetto utilizzando vari metodi. Sotto forma di codice sorgente, scritto in C ++, viene aggiunto ad una directory separata nella directory di lavoro della shell IDE. Ora i nomi delle librerie richieste vengono visualizzati in un menu IDE specifico. Quelli che contrassegnerai saranno inclusi nella lista di compilazione. L'IDE ha un numero limitato di impostazioni e non è possibile impostare le sottigliezze del compilatore. Questo è fatto in modo che una persona inconsapevole non commetta errori.

Se hai scaricato la libreria, deve essere decompressa e inserita semplicemente nell'IDE. Nel testo del programma ci sono commenti che spiegano il principio del suo lavoro. Va notato che tutte le applicazioni su Arduino funzionano sulla stessa tecnologia: l'utente invia una richiesta al processore e, a sua volta, scarica il codice necessario sullo schermo del dispositivo. Quando una persona preme il tasto Aggiorna, il microcontrollore invia informazioni. Con ciascuna delle pagine con una designazione specifica è un codice di programma che verrà visualizzato sullo schermo.

La prossima serie di azioni consiste nell'installare il client su un personal computer o uno smartphone. Puoi scaricarlo su Internet, su Google Play Market o da un'altra fonte. Per fare ciò, è necessario aprire il file sul telefono scaricato, quindi fare clic su di esso e nella finestra visualizzata fare clic sul pulsante "Installa". Allo stesso tempo, dovresti sapere che a questo scopo deve essere attivata l'opzione, che consente di installare il software non dal servizio Google Play. Per abilitare questa opzione, è necessario accedere alla sezione delle impostazioni e selezionare l'elemento "Sicurezza" lì.Questo è il modo per attivare l'opzione corrispondente. Una volta completata l'installazione, sarà possibile attivare l'applicazione e configurarla.

Utilizzando questo software, è possibile non solo ricevere informazioni dal sistema, ma anche gestirle, ad esempio attivare e disattivare l'allarme. Se l'opzione è attiva, quando il sensore di movimento è attivato, il programma riceverà le informazioni appropriate. Si noti che Arduino esegue il polling del programma per attivare il sensore di movimento a intervalli di 60 secondi.

La fase successiva della connessione è la configurazione del programma browser da utilizzare con la "casa intelligente". Nella riga dell'indirizzo, devi inserire una sequenza specifica, che sarà l'indirizzo IP del tuo computer. Dopo l'implementazione di questa azione, l'utente sarà in grado di ricevere informazioni dalla "casa intelligente" e dalla capacità di gestirlo.

Successivamente, è possibile procedere con il router. Dovrebbe aprire la porta.

Puoi farlo usando il seguente algoritmo:

• impostazioni aperte;
• registrare l'indirizzo del microcontrollore Arduino;
• Apri ottantesima porta.

Ora è necessario creare un account sul portale Noip. com.Sebbene questo passaggio sia facoltativo, è necessario se l'indirizzo deve avere un nome di dominio. È necessario passare attraverso il processo di registrazione sul portale www. NOIP. com, quindi vai alla categoria Aggiungi host e specifica il sistema IP. Dopo aver eseguito questa procedura, sarà possibile ottenere l'accesso non solo dall'IP, ma anche dal dominio. A questo punto la formazione del progetto è completata e puoi verificare il sistema per le sue prestazioni.

Dato che i componenti compatibili con Arduino sono prodotti da un gran numero di produttori, e Arduino stesso non può controllare i prodotti, l'utente deve affrontare la probabilità di acquisire un componente che funzionerà, per dirla in modo mite, in modo errato. In generale, questa situazione esiste già nel segmento della creazione di personal computer. Molto tempo fa, IBM ha reso disponibile l'architettura dei suoi personal computer, motivo per cui varie aziende hanno iniziato a produrre computer compatibili.

Allo stesso tempo, la qualità delle parti e il grado di compatibilità sono diminuiti. Al contrario, questa è la politica di Apple, che ha limitato significativamente il numero di sviluppatori che hanno avuto accesso alla sua architettura.

Gli utenti hanno notato le seguenti caratteristiche nel funzionamento di un numero di componenti Adruino.

• Su un certo numero di soluzioni di microprocessore Arduino, quando un relè è chiuso e collegato a loro, si interrompe una porta di tipo COM. Per questo motivo, il microcontrollore non può caricare lo schizzo. Quando si avvia questa procedura, l'apparecchiatura va al riavvio. La cosa più interessante è che il relè fa un clic, la porta COM è disattivata e lo schizzo non viene caricato.
• In caso di malfunzionamento del microcontrollore o il verificarsi di un errore di codice, è preferibile utilizzare relè ben chiusi a cui gli interruttori manuali sono collegati in serie.
• Il sensore di chiusura della porta può a volte agire in modo errato. Per questo motivo, lo schizzo viene creato in modo che il sistema esegua l'azione desiderata quando riceve un paio di segnali contemporaneamente.
• Per un dispositivo che è responsabile per l'allarme antincendio, è meglio utilizzare un rilevatore di fumo, piuttosto che un rilevatore di incendio.Quest'ultimo ha un difetto: rileva il fuoco a non più di trenta centimetri da se stesso.

• Il sensore di temperatura modello DHT11, che si presenta nel cosiddetto set standard, dà un grave errore a livello di due o tre gradi. Nella costruzione è meglio usare il modello DHT22, che è molto più preciso. E al di fuori della finestra è meglio usare DHT21. Può funzionare anche a temperature inferiori allo zero ed è resistente ai danni meccanici.
• Per configurare il controllo di processo usando le applause, un numero di utenti inconsapevolmente accetta un rilevatore di suoni invece di un microfono, dove è presente un'impostazione di soglia di tipo manuale. Per tali scopi, questo dispositivo non è adatto a causa del fatto che ha un raggio d'azione relativamente piccolo. Sì, e il sensore trasmette segnali con piccoli impulsi temporali. In presenza di uno schizzo di grandi dimensioni, la cui elaborazione richiede tempo, il microcontrollore semplicemente non acquisisce i segnali.

Va detto che per la visualizzazione dei processi nel sistema preso in considerazione, possono essere utilizzati display digitali o display a cristalli liquidi. Ma questa non è l'opzione migliore in questo caso. L'utilizzo di un server di elaborazione dello stato separato per la visualizzazione sarà più efficace. Può essere implementato su Node. js, che consente di implementare qualsiasi server. Naturalmente, stiamo parlando dell'elaborazione degli stati del consiglio di amministrazione di Adruino.

Questa tecnologia viene utilizzata per eseguire i compiti del cosiddetto Internet of Things, motivo per cui è adatto per visualizzare l'automazione del sistema. Hai solo bisogno di creare un server e un gestore in JavaScript, quindi sarà facile visualizzare il totale nel browser di qualsiasi dispositivo. Come base hardware, puoi utilizzare lo stesso microcomputer Raspberry Pi o PC. Ma le possibilità del meccanismo di automazione aumenteranno in modo significativo. Ad esempio, sul server la quantità di memoria è illimitata e il programma server può essere creato in modo tale da gestire tutto.

Con questo tipo di server puoi anche collegare le cose insieme. L'idea è di visualizzare i processi automatici a casa utilizzando i servizi cloud.Un'altra opzione è quella di ricevere informazioni e controllare il sistema tramite SMS.

Il fatto che una tale "casa intelligente" basata su Arduino, vedere il seguente video.