Inteligentny dom na bazie kontrolerów Arduino: projektowanie i organizacja zarządzanej przestrzeni

Rozwój środków automatyzacji doprowadził do powstania kompleksowych systemów poprawiających jakość życia człowieka. Wielu znanych producentów elektroniki i środowisk programistycznych oferuje gotowe typowe rozwiązania dla różnych obiektów.

Samodzielne projekty i złożenie “inteligentnego domu” na Arduino pod swoje potrzeby może nawet niedoświadczony użytkownik. Najważniejsze – zrozumieć podstawy i nie bać się eksperymentować.

W tym artykule omówimy zasadę tworzenia i podstawowe funkcje zautomatyzowanego domu opartego na urządzeniach Arduino. Omówimy również stosowane rodzaje płyt i główne moduły systemu.

Tworzenie systemów na platformie Arduino

Arduino – platforma do tworzenia urządzeń elektronicznych z automatycznym, półautomatycznym lub ręcznym sterowaniem. Jest zbudowana na zasadzie zestawu konstrukcyjnego z jasno określonymi zasadami interakcji między elementami. System jest otwarty, co pozwala zewnętrznym producentom uczestniczyć w jego rozwoju.

Klasyczny “inteligentny dom” składa się z zautomatyzowanych bloków, które wykonują następujące funkcje:

• zbierają potrzebne informacje za pomocą czujników;
• analizują dane i podejmują decyzje za pomocą programowalnego mikroprocesora;
• realizują podjęte decyzje, wydając polecenia różnym urządzeniom.

Platforma Arduino jest dobra właśnie dlatego, że nie ogranicza się do konkretnego producenta, a pozwala konsumentowi samemu dobrać odpowiednie dla siebie komponenty. Ich wybór jest ogromny, więc można zrealizować praktycznie każdy pomysł.

Zalecamy zapoznanie się z najlepszymi inteligentnymi urządzeniami do domu.

Do nauki pracy z Arduino można na stronie producenta kupić zestaw startowy (Starter Kit). Znajomość technicznego języka angielskiego jest obowiązkowa, ponieważ dokumentacja nie jest przetłumaczona na język rosyjski.

Oprócz różnorodności podłączanych urządzeń, zmienność dodaje środowisko programistyczne zrealizowane w języku C++. Użytkownik może nie tylko skorzystać z gotowych bibliotek, ale także sam zaprogramować reakcję komponentów systemu na występujące zdarzenia.

Podstawowe elementy płyt

Głównym elementem “inteligentnego domu” jest jedna lub kilka centralnych (głównych) płyt. Odpowiadają one za interakcję wszystkich elementów. Dopiero po określeniu zadań, które należy rozwiązać, można przystąpić do wyboru głównego węzła systemu.

Płyta główna łączy w sobie następujące elementy:

• Mikrokontroler (procesor). Jego głównym zadaniem jest dostarczanie i mierzenie napięcia w portach w zakresie 0-5 lub 0-3.3 V, przechowywanie danych i wykonywanie obliczeń.
• Programator (nie wszystkie płyty go posiadają). Za pomocą tego urządzenia do pamięci mikrokontrolera zapisywany jest program, według którego będzie działać “inteligentny dom”. Do komputera, tabletu, smartfona lub innego urządzenia podłącza się go za pomocą interfejsu USB.
• Stabilizator napięcia. Urządzenie na 5 woltów jest niezbędne do zasilania całego systemu.

Pod marką Arduino produkowanych jest kilka modeli płyt. Różnią się one między sobą formą (rozmiarem), liczbą portów i pojemnością pamięci. To właśnie według tych wskaźników należy wybrać odpowiednie urządzenie.

Płyty Arduino i shieldy do nich lepiej nabywać u producenta, ponieważ są one wyższej jakości niż kompatybilne urządzenia produkowane w Chinach.

Istnieją dwa rodzaje portów:

• cyfrowe, które oznaczone są na płycie literami “d”;
• analogowe, które oznaczone są literą “a”.

Dzięki nim mikrokontroler komunikuje się z podłączonymi urządzeniami. Każdy port może pracować zarówno na odbiór sygnału, jak i na jego wysyłanie. Porty cyfrowe oznaczone “pwm” przeznaczone są do wejścia i wyjścia sygnału typu PWM (modulacja szerokości impulsu).

Dlatego przed zakupem płyty należy chociaż w przybliżeniu ocenić poziom jej obciążenia różnymi urządzeniami. Pozwoli to określić potrzebną liczbę portów wszystkich typów.

Należy przy tym rozumieć, że system “inteligentny dom” niekoniecznie musi być powiązany z jednostką sterującą opartą na jednej płycie głównej. Funkcje takie jak na przykład włączanie oświetlenia terenu wokół domu w zależności od pory dnia czy utrzymywanie zapasu wody w zbiorniku są od siebie niezależne.

Z punktu widzenia zapewnienia niezawodności działania systemu elektronicznego lepiej rozdzielić niezwiązane ze sobą zadania na różne bloki, co koncepcja Arduino pozwala łatwo zrealizować. Jeśli natomiast w jednym miejscu połączy się wiele urządzeń, możliwe jest przegrzewanie mikroprocesora, konflikt bibliotek programowych oraz trudności w znajdowaniu i usuwaniu usterek programowych i sprzętowych.

Podłączanie wielu różnorodnych urządzeń do jednej płytki stosuje się zazwyczaj w robotyce, gdzie ważna jest kompaktowość. Dla “inteligentnego domu” lepiej jest używać oddzielnej podstawy do każdego zadania.

Każdy mikroprocesor jest wyposażony w trzy rodzaje pamięci:

• Flash Memory. Pamięć główna, w której przechowywany jest kod programu sterującego systemem. Niewielką jej część (3-12 %) zajmuje wbudowany program ładujący (bootloader).
• SRAM. Pamięć operacyjna, w której przechowywane są tymczasowe dane niezbędne podczas działania programu. Charakteryzuje się wysoką szybkością działania.
• EEPROM. Wolniejsza pamięć, w której również można przechowywać dane.

Główna różnica między rodzajami pamięci do przechowywania danych polega na tym, że po wyłączeniu zasilania informacje zapisane w SRAM są tracone, a w EEPROM pozostają. Jednak typ nieulotny ma również wadę – ograniczoną liczbę cykli zapisu. Należy o tym pamiętać podczas tworzenia własnych aplikacji.

W przeciwieństwie do zastosowań Arduino w robotyce, dla większości zadań “inteligentnego domu” nie potrzeba dużo pamięci ani dla programów, ani do przechowywania informacji.

Rodzaje płyt do budowy inteligentnego domu

Przyjrzyjmy się głównym rodzajom płytek, które najczęściej są używane przy budowie systemu inteligentnego domu.

Rodzaj #1 — Arduino Uno i jego pochodne

Najczęściej w systemach “inteligentny dom” stosuje się płytki Arduino Uno i Arduino Nano. Posiadają one wystarczającą funkcjonalność do rozwiązywania typowych zadań.

Możliwość zasilania pełnowymiarowych płytek napięciem 7-12 V daje wiele zalet. Przede wszystkim jest to możliwość długotrwałej autonomicznej pracy na standardowych bateriach lub akumulatorach.

Podstawowe parametry Arduino Uno Rev3:

• procesor: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• liczba portów cyfrowych: 14;
• z nich z funkcją PWM: 6;
• liczba portów analogowych: 6;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Niedawno pojawiła się modyfikacja – Uno Wi-Fi, która zawiera zintegrowany moduł ESP8266, umożliwiający wymianę informacji z innymi urządzeniami zgodnie ze standardem 802.11 b/g/n.

Różnica między Arduino Nano a jego większym odpowiednikiem polega na braku własnego gniazda zasilania 12 V. Zrobiono to, aby uzyskać mniejszy rozmiar urządzenia, co pozwala łatwo ukryć je w małej przestrzeni. Ponadto w tym celu standardowe złącze USB zostało zastąpione układem z kablem mini-USB. Arduino Nano ma o 2 porty analogowe więcej w porównaniu do Uno.

Istnieje jeszcze jedna modyfikacja płytki Uno – Arduino Mini. Jest jeszcze mniejsza niż Nano, a praca z nią jest znacznie trudniejsza. Po pierwsze, brak portu USB stwarza problem z programowaniem, ponieważ do tego trzeba użyć konwertera USB-Serial. Po drugie, ta płytka jest bardziej wymagająca co do zasilania – należy zapewnić zakres napięcia wejściowego 7-9 V.

Z wyżej wymienionych powodów, płyta Arduino Mini jest rzadko używana do pracy “inteligentnego domu”. Zazwyczaj jest stosowana albo w robotyce, albo przy realizacji już gotowych projektów.

Rodzaj #2 — Arduino Leonardo i Micro

Płyta Arduino Leonardo jest podobna do Uno, ale nieco mocniejsza. Ciekawą cechą tego modelu jest również to, że po podłączeniu do komputera jest rozpoznawana jako klawiatura, mysz lub joystick. Dlatego często używa się jej do tworzenia oryginalnych urządzeń do gier i symulatorów.

Tabela rozmiarów i wymiarów modeli Uno, Leonardo oraz ich miniaturowych odpowiedników. Twórcy nie zachowali logiki w nazwach – “nano” powinno być najmniejsze.

Podstawowe parametry Arduino Leonardo są następujące:

• procesor: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• liczba portów cyfrowych: 20;
• z nich z funkcją PWM: 7;
• liczba portów analogowych: 12;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Jak widać z powyższej listy parametrów, Leonardo ma więcej portów, co pozwala obciążyć ten model większą liczbą czujników.

Ponadto dla Leonardo istnieje całkowicie identyczny pod względem parametrów miniaturowy odpowiednik o nazwie Micro. Brakuje mu zasilania 12 V, a zamiast pełnowartościowego wejścia USB znajduje się układ do kabla mini-USB.

Modyfikacja Leonardo o nazwie Esplora – to model wyłącznie do gier i nie nadaje się do potrzeb “inteligentnego domu”.

Rodzaj #3 — Arduino 101, Arduino Zero i Arduino MKR1000

Czasami do działania systemów “inteligentnego domu” opartych na Arduino potrzebna jest większa moc obliczeniowa, której 8-bitowe mikrokontrolery nie są w stanie zapewnić. Zadania takie jak rozpoznawanie głosu lub obrazu wymagają szybkiego procesora i znacznej ilości pamięci operacyjnej jak na tego typu urządzenia.

Do rozwiązywania takich specyficznych zadań stosuje się wydajne płyty działające zgodnie z koncepcją Arduino. Liczba portów u nich jest w przybliżeniu taka sama jak w płytach Uno czy Leonardo.

Arduino 101 ma te same wymiary co Uno lub Leonardo, ale waży prawie dwa razy więcej. Powodem jest obecność dwóch wejść USB i dodatkowych układów.

Jedna z najprostszych w użyciu, ale wydajnych płyt – Arduino 101 ma następujące cechy:

• procesor: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
• pamięć flash: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: brak.

Dodatkowo płyta jest wyposażona w funkcjonalność BLE (Bluetooth Low Energy) z możliwością łatwego podłączania gotowych rozwiązań, takich jak czujnik tętna, uzyskiwanie informacji o pogodzie za oknem, wysyłanie wiadomości tekstowych itp. W urządzeniu zintegrowano również żyroskop i akcelerometr, ale są one używane głównie w robotyce.

Jeszcze jedna podobna płyta – Arduino Zero ma następujące parametry:

• procesor: SAM-D21 (32-bit, 48 MHz);
• pamięć flash: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: brak.

Charakterystyczną cechą tego modelu jest obecność wbudowanego debuggera (EDBG). Dzięki niemu znacznie łatwiej jest znajdować błędy podczas programowania płytki.

Podczas pisania rozbudowanego kodu, nawet u wysoko wykwalifikowanego programisty pojawiają się błędy. Do ich wyszukiwania używa się debuggera (debugger).

Arduino MKR1000 – to kolejny model odpowiedni do zaawansowanych obliczeń. Posiada mikroprocesor i pamięć podobne do Zero. Główna różnica to obecność zintegrowanego układu Wi-Fi z protokołem 802.11 b/g/n oraz układu kryptograficznego obsługującego algorytm SHA-256 do ochrony przesyłanych danych.

Rodzaj #4 — modele z rodziny Mega

Czasami konieczne jest użycie dużej liczby czujników i zarządzanie znaczną ilością urządzeń. Na przykład jest to potrzebne do automatycznego działania systemów klimatyzacji rozproszonej, które utrzymują określoną temperaturę w poszczególnych strefach.

Dla każdego lokalnego obszaru należy monitorować odczyty z dwóch czujników temperatury (drugi jest używany jako kontrolny) i zgodnie z algorytmem regulować położenie przepustnicy, która określa ilość dopływającego ciepłego powietrza.

Jeśli takich stref w domku jest więcej niż 10, to do zarządzania całym systemem potrzeba ponad 30 portów. Oczywiście można użyć kilku płytek typu Uno pod wspólnym sterowaniem jednej z nich, jednak to stwarza dodatkowe komplikacje związane z komutacją. W tym przypadku warto użyć modeli z rodziny Mega.

Rozmiar płytek z rodziny Mega (101.5 x 53.4 cm) jest większy niż w przypadku wcześniej omówionych modeli. Jest to techniczna konieczność – inaczej nie pomieściłoby się takiej liczby portów.

Płytka Arduino Mega zbudowana jest na bazie dość prostego 8-bitowego 16-megahercowego mikroprocesora aTMega1280.

Posiada dużą ilość pamięci:

• pamięć flash: 128 KB;
• SRAM: 8 KB;
• EEPROM: 4 KB.

Ale jej główną zaletą jest obecność wielu portów:

• liczba portów cyfrowych: 54;
• z nich z funkcją PWM: 15;
• liczba portów analogowych: 16.

Ta płytka ma dwa nowoczesne warianty:

• Mega 2560 oparta jest na mikroprocesorze aTMega2560, charakteryzującym się większą ilością pamięci flash – 256 KB;
• Mega ADK oprócz mikroprocesora aTMega2560 jest wyposażona w interfejs USB z możliwością podłączenia do urządzeń opartych na systemie operacyjnym Android.

Model Arduino Mega ADK ma jedną cechę. Podczas podłączania telefonu do wejścia USB może wystąpić następująca sytuacja: jeśli telefon będzie potrzebował ładowania, zacznie “ciągnąć” je z płytki. Dlatego jest dodatkowy wymóg dotyczący źródła zasilania – musi ono zapewnić natężenie prądu 1,5 ampera. W przypadku zasilania z baterii należy uwzględnić ten warunek.

Można stworzyć autonomiczne zasilanie dla Arduino za pomocą podłączonych akumulatorów lub baterii. Łącząc połączenie szeregowe i równoległe, można uzyskać potrzebne napięcie oraz długi czas pracy.

Due – kolejny model od Arduino, łączący moc mikroprocesora i dużą liczbę portów.

Jej charakterystyki są następujące:

• procesor: Atmel SAM3X8E (32-bitowy, 84 MHz);
• liczba portów cyfrowych: 54;
• z nich z funkcją PWM: 12;
• liczba portów analogowych: 14;
• pamięć flash: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: brak.

Piny analogowe tej płyty mogą działać zarówno w typowej dla Arduino rozdzielczości 10-bitowej, co zostało zrobione dla kompatybilności z poprzednimi modelami, jak i w 12-bitowej, która pozwala uzyskać bardziej precyzyjny sygnał.

Cechy interakcji modułów przez porty

Wszystkie moduły, które będą podłączone do płyty, mają co najmniej trzy wyjścia. Dwa z nich to przewody zasilające, tj. „masa” oraz napięcie 5 lub 3,3 V. Trzeci przewód jest logiczny. Za jego pomocą następuje przesył danych do portu. Do podłączania modułów używa się specjalnych przewodów pogrupowanych po 3 sztuki, które czasami nazywane są jumperami.

Ponieważ w modelach Arduino zazwyczaj jest tylko 1 port z napięciem i 1-2 porty z „masą”, aby podłączyć kilka urządzeń, trzeba będzie albo polutować przewody, albo użyć płytek prototypowych (breadboard).

Do płytki prototypowej można podłączyć nie tylko zasilanie i porty płyty Arduino, ale także inne elementy, takie jak na przykład rezystory, rejestry itd.

Lutowanie jest bardziej niezawodne i stosowane w urządzeniach narażonych na fizyczne oddziaływania, np. płyty sterujące robotami i dronami. W przypadku inteligentnego domu lepiej użyć płytek prototypowych, ponieważ jest to prostsze zarówno przy instalacji, jak i przy usuwaniu modułu.

W niektórych modelach (np. Arduino Zero i MKR1000) napięcie robocze wynosi 3,3 V, dlatego jeśli do portów zostanie podane wyższe napięcie, możliwe jest uszkodzenie płyty. Wszelkie informacje dotyczące zasilania są dostępne w dokumentacji technicznej urządzenia.

Płyty rozszerzeń (shields)

W celu zwiększenia możliwości płyt głównych używa się shieldów (Shields) – rozszerzających funkcjonalność dodatkowych urządzeń. Są one wykonane pod konkretny form factor, co odróżnia je od modułów podłączanych do portów. Shieldy są droższe od modułów, jednak praca z nimi jest prostsza. Są również wyposażone w gotowe biblioteki z kodem, co przyspiesza opracowywanie własnych programów sterujących dla „inteligentnego domu”.

Shieldy Proto i Sensor

Te dwa standardowe shieldy nie wprowadzają żadnych szczególnych funkcji. Są używane do bardziej kompaktowego i wygodnego podłączenia dużej liczby modułów.

Proto Shield stanowi praktycznie kompletną kopię oryginału pod względem portów, a na środku modułu można przykleić płytkę stykową. Ułatwia to montaż konstrukcji. Takie dodatki istnieją dla wszystkich pełnowymiarowych płyt Arduino.

Proto Shield umieszcza się na płycie głównej. To nieznacznie zwiększa wysokość konstrukcji, ale oszczędza dużo miejsca w płaszczyźnie.

Ale jeśli urządzeń jest bardzo dużo (ponad 10), lepiej użyć droższych płyt przełączających Sensor Shield.

Nie mają one płytki stykowej, ale do wszystkich wyprowadzeń portów indywidualnie doprowadzone są zasilanie i masa. Pozwala to uniknąć pomyłek z przewodami i zworkami.

Powierzchnia płyty głównej i płyty czujnika jest taka sama, ale na shieldzie brakuje chipów, kondensatorów i innych elementów. Dzięki temu zwalnia się dużo miejsca na pełne podłączenia.

Na tej płycie znajdują się również złącza do łatwego podłączenia kilku modułów: Bluetooth, karty SD, RS232 (COM-port), radia i ultradźwięków.

Podłączenie funkcji pomocniczych

Shieldy ze zintegrowaną funkcjonalnością są przeznaczone do rozwiązywania złożonych, ale typowych zadań. W przypadku konieczności realizacji oryginalnych pomysłów lepiej jednak dobrać odpowiedni moduł.

Motor Shield. Przeznaczony jest do sterowania prędkością i obrotem silników małej mocy. Oryginalny model wyposażony jest w jeden układ L298 i może pracować jednocześnie z dwoma silnikami prądu stałego lub jednym serwomechanizmem. Istnieje również kompatybilny element od zewnętrznego producenta, który ma dwa układy L293D z możliwością sterowania dwukrotnie większą liczbą napędów.

Relay Shield. Często używany moduł w systemach “inteligentny dom”. Płyta z czterema przekaźnikami elektromechanicznymi, z których każdy dopuszcza przepływ prądu o natężeniu do 5A. To wystarcza do automatycznego włączania i wyłączania urządzeń kilowatowych lub linii oświetleniowych przeznaczonych na prąd zmienny 220 V.

LCD Shield. Pozwala wyświetlać informacje na wbudowanym ekranie, który można ulepszyć do urządzenia TFT. To rozszerzenie jest często używane do tworzenia stacji pogodowych z odczytami temperatury w różnych pomieszczeniach mieszkalnych, przybudówkach, garażu, a także temperatury, wilgotności i prędkości wiatru na zewnątrz.

W LCD Shield wbudowane są przyciski, które umożliwiają zaprogramowanie przewijania informacji i wyboru działań w celu wysyłania komend do mikroprocesora.

Data Logging Shield. Głównym zadaniem modułu jest zapisywanie danych z czujników na pełnowymiarową kartę SD o pojemności do 32 GB z obsługą systemu plików FAT32. Do zapisu na kartę micro-SD należy zakupić adapter. Tarczę tę można wykorzystać jako magazyn informacji, na przykład podczas zapisu danych z rejestratora wideo. Producent: amerykańska firma Adafruit Industries.

SD-card Shield. Prostszą i tańszą wersją poprzedniego modułu. Takie rozszerzenia produkuje wielu producentów.

EtherNet Shield. Oficjalny moduł do łączenia Arduino z Internetem bez udziału komputera. Posiada gniazdo na kartę micro-SD, co pozwala na zapisywanie i wysyłanie danych przez globalną sieć.

Wi-Fi Shield. Umożliwia bezprzewodową wymianę informacji z obsługą trybu szyfrowania. Służy do łączenia z Internetem i urządzeniami, którymi można sterować przez Wi-Fi.

GPRS Shield. Moduł ten jest zazwyczaj używany do łączenia “inteligentnego domu” z właścicielem za pomocą telefonu komórkowego poprzez wiadomości SMS.

Moduły “inteligentnego domu”

Podłączanie modułów od zewnętrznych producentów oraz możliwość pracy z nimi przy użyciu wbudowanego języka programowania – to główna zaleta otwartego systemu Arduino w porównaniu z “markowymi” rozwiązaniami dla “inteligentnego domu”. Najważniejsze, aby moduły posiadały opis odbieranych lub przesyłanych sygnałów.

Sposoby pozyskiwania informacji

Wprowadzanie informacji może być realizowane przez porty cyfrowe lub analogowe. Zależy to od rodzaju przycisku lub czujnika, który odbiera informację i przekazuje ją do płytki.

Dla programu komputerowego sygnał cyfrowy odpowiada okresom z “0” i “1”, natomiast sygnał analogowy określa zakres wartości zgodnie ze swoją rozdzielczością.

Sygnał do mikroprocesora może zostać wysłany przez człowieka, który w tym celu korzysta z dwóch sposobów:

• Naciśnięcie przycisku (klawisza). Przewód logiczny w tym przypadku prowadzi do portu cyfrowego, który otrzymuje wartość “0” w przypadku zwolnionego przycisku i “1” w przypadku jego naciśnięcia.
• Obracanie pokrętła potencjometru obrotowego (rezystora) lub przesunięcie dźwigni suwakowego. W tym przypadku przewód logiczny prowadzi do portu analogowego. Napięcie przechodzi przez przetwornik analogowo-cyfrowy, po czym dane trafiają do mikroprocesora.

Przyciski służą do inicjowania jakiegoś zdarzenia, na przykład włączania i wyłączania światła, ogrzewania lub wentylacji. Pokrętła obrotowe stosuje się do zmiany intensywności – zwiększania lub zmniejszania jasności światła, głośności dźwięku lub prędkości obrotów łopatek wentylatora.

Potencjometr to najprostsze urządzenie, dlatego jest bardzo tanie. Jego główne cechy to rezystancja elektryczna i kąt obrotu.

Do automatycznego określania parametrów otoczenia lub pochodzenia jakiegoś zdarzenia stosuje się czujniki.

Do działania “inteligentnego domu” najbardziej pożądane są następujące ich rodzaje:

• Czujnik dźwięku. Cyfrowe warianty tego urządzenia są używane do aktywacji jakiegoś zdarzenia za pomocą klaśnięcia lub podania głosu. Modele analogowe pozwalają rozpoznawać i przetwarzać dźwięk.
• Czujnik światła. Urządzenia te mogą pracować zarówno w zakresie widzialnym, jak i podczerwieni. Te ostatnie mogą być stosowane jako system ostrzegania o pożarze.
• Czujnik temperatury. Do domu i na zewnątrz stosuje się różne modele, ponieważ zewnętrzne są lepiej chronione przed wilgocią. Istnieją również urządzenia zdalne na przewodzie.
• Czujnik wilgotności powietrza. Do pomieszczenia nadaje się model DHT11, a na zewnątrz – droższy DHT22. Oba urządzenia mogą również podawać odczyt temperatury. Podłącza się je do portu cyfrowego.
• Czujnik ciśnienia powietrza. Do współpracy z płytkami Arduino dobrze sprawdziły się analogowe barometry firmy Bosh: bmp180, bmp280. Mierzą one również temperaturę. Model bme280 można nazwać stacją meteorologiczną, ponieważ dodatkowo podaje wartość wilgotności.
• Czujniki ruchu i obecności. Stosuje się je w celach ochronnych lub do automatycznego włączania światła.
• Czujnik deszczu. Reaguje na kontakt wody z jego powierzchnią. Może być również używany do uruchamiania alarmu o wyciekach w instalacji wodociągowej lub grzewczej.
• Czujnik prądu. Stosuje się je do wykrywania niepracujących urządzeń elektrycznych (przepalonych lamp) lub do analizy napięcia, aby zapobiec przeciążeniu.
• Czujnik wycieku gazu. Stosowany do wykrywania i reagowania na podwyższone stężenie propanu.
• Czujnik dwutlenku węgla. Używa się go do określania stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach mieszkalnych i specjalnych, takich jak piwnice winne, gdzie zachodzi fermentacja.

Istnieje jeszcze wiele różnych czujników do specyficznych zadań, na przykład do pomiaru wagi, prędkości przepływu wody, odległości, wilgotności gleby itp.

Niektóre czujniki, takie jak anemometr przeznaczony do pomiaru prędkości i kierunku wiatru, są skomplikowanymi urządzeniami elektromechanicznymi.

Wiele czujników i sensorów można wykonać samodzielnie, używając prostszych komponentów. Będzie to tańsze. Jednak w przeciwieństwie do stosowania urządzeń seryjnych, trzeba będzie poświęcić czas na kalibrację.

Sterowanie urządzeniami i systemami

Oprócz gromadzenia i analizy informacji “inteligentny dom” powinien reagować na pojawiające się zdarzenia. Obecność zaawansowanej elektroniki w nowoczesnych urządzeniach gospodarstwa domowego umożliwia bezpośrednie sterowanie nimi za pomocą Wi-Fi, GPRS lub Ethernet. Zazwyczaj w systemach Arduino komunikacja między mikroprocesorem a zaawansowanymi urządzeniami realizowana jest przez Wi-Fi.

Aby za pomocą Arduino włączyć klimatyzator przy wysokiej temperaturze w domu, zablokować telewizor i internet w nocy w pokoju dziecięcym lub uruchomić bojler grzewczy przed przyjściem właścicieli, należy wykonać trzy czynności:

1. Zainstalować moduł Wi-Fi na płycie głównej.
2. Znaleźć wolne kanały częstotliwości, aby uniknąć konfliktu systemów.
3. Zrozumieć polecenia urządzeń i zaprogramować działania (albo skorzystać z gotowych bibliotek).

Oprócz “komunikacji” z skomputeryzowanymi urządzeniami, często pojawiają się zadania związane z wykonywaniem pewnych mechanicznych działań. Na przykład, do płyty można podłączyć serwonapęd lub mały reduktor, który będzie z niej zasilany.

Serwonapęd składa się z silniczka i kilku reduktorów. Dlatego, pomimo małego prądu (5 V), może rozwinąć przyzwoitą moc, która wystarczy na przykład do otwarcia okna.

W razie potrzeby podłączenia urządzeń o dużej mocy, zasilanych z zewnętrznego źródła, stosuje się dwa warianty:

1. Włączenie w obwód przekaźnika.
2. Podłączenie klucza mocy i triaka.

Włączane w obwód elektryczny elektromagnetyczny lub półprzewodnikowy zamyka i otwiera jeden z przewodów na polecenie z mikroprocesora. Ich podstawową cechą jest maksymalny dopuszczalny prąd (np. 40 A), który może przepływać przez to urządzenie.

Jeśli chodzi o podłączenie klucza mocy (mosfeta) dla prądu stałego i triaka dla prądu zmiennego, to mają one mniejszą wartość dopuszczalnego prądu (5-15 A), ale mogą płynnie zwiększać obciążenie. Właśnie w tym celu na płytach przewidziano porty PWM. Tę właściwość wykorzystuje się przy regulacji jasności oświetlenia, prędkości obrotowej wentylatorów itp.

Za pomocą przekaźników i kluczy mocy można w pełni zautomatyzować wszystkie obwody elektryczne domu i uruchomić generator przy braku prądu. Dlatego na bazie Arduino można realnie zrealizować autonomiczne zasilanie mieszkania lub budynku, obejmujące wszystkie szczególnie ważne funkcje – ogrzewanie, wodociąg, kanalizację, wentylację i system ochrony.

Chce Pan/Pani, aby dom stał się inteligentniejszy, ale programowanie jest dla Pana/Pani obce? W takim razie polecamy przyjrzeć się gotowym rozwiązaniom od Xiaomi i Apple, które można łatwo zainstalować i skonfigurować nawet dla początkującego. A wydawanie poleceń i kontrolowanie ich wykonania można nawet z własnego smartfona.

Więcej o inteligentnym domu od Xiaomi i Apple w kolejnych artykułach:

• Inteligentny dom Xiaomi: specyfika projektowania, przegląd głównych węzłów i elementów roboczych
• Inteligentny dom Apple: niuanse organizacji systemów zarządzania domem od “jabłkowej” firmy

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Przykład samodzielnie zmontowanego szkieletu podstawowego dla “inteligentnego domu”:

Otwartość platformy Arduino pozwala na używanie komponentów różnych producentów. Umożliwia to łatwe skonstruowanie “inteligentnego domu” zgodnie z wymaganiami użytkownika. Dlatego, jeśli posiada się choćby podstawową wiedzę z zakresu programowania i podłączania urządzeń elektronicznych, warto zwrócić uwagę na ten system.

Jeśli posiada Pan/Pani praktyczne doświadczenie z platformą Arduino i chce Pan/Pani podzielić się nim z początkującymi w tej dziedzinie? Może pragnie Pan/Pani uzupełnić powyższy materiał przydatnymi poradami lub uwagami? Proszę napisać swoje komentarze pod tą publikacją.

Jeśli powstały u Pana/Pani pytania dotyczące projektowania systemu zautomatyzowanego domu opartego na Arduino, proszę je zadawać naszym ekspertom i innym odwiedzającym stronę w bloku poniżej.