Как сделать умный дом своими руками на arduino и яндекс.алиса

Как это сделать?

Следует понять, что «умный» дом – это просто набор контролеров с подключенными датчиками, которые считывают информацию и на ее основе выполняют какие-то конкретные команды. Например, контролер обогрева. При фиксировании его датчиком падения температуры ниже определенного уровня, он включит подачу тепла в комнату. На таком принципе работают автоматические кондиционеры. А в «умном» доме такие контролеры с датчиками стоят везде, что и позволяет охватить контролем максимальное количество задач. Естественно, чтобы сделать свой «умный» дом, вы сначала разработаете у себя в голове небольшой проект, учтя в нем, какие именно сферы своего быта вы хотели бы усовершенствовать и что вам для этого нужно.

Итак, чтобы сделать свой дом более самостоятельным, вам потребуются контролеры, которыми вы смогли воспользоваться. Дело в том, что их мало купить – нужно еще их запрограммировать, подключить внешние источники информации и настроить на нужную работу. Здесь возникает проблема недостатка знаний в конкретной области, потому что многие подобные устройства достаточно сложны в эксплуатации и работать с ними может не так уж и много людей. Но при появлении спроса (кому бы не хотелось своими руками собрать работающее электронное устройство?) появляется и соответствующее предложение. Одна компания является на данный момент практически самым популярным поставщиком удобных в использовании и простых для понимания электронных устройств. Это компания Arduino (ардуино).

Прежде чем начать рассмотрение этой системы, нужно принять во внимание то, что универсального проекта «умного» дома для этой системы нет. Каждый пользователь делает свой особенный проект, который по-своему и реализует, используя свои уникальные технические решения. Это одно из достоинств системы, которую мы рассмотрим ниже

Это одно из достоинств системы, которую мы рассмотрим ниже.

Аппаратные компоненты

  • Основная система:
    — Intel NUC Kit DE3815TYKHE.
    — Arduino 101.
    — USB-кабель A-B для подключения платы Arduino 101 к NUC.
  • Компоненты из Grove Starter Kit Plus IoT Edition.
    — Base Shield V2 (базовая плата расширения).
    — Gear Stepper Motor with Driver (шаговый двигатель с платой управления).
    — Button Module (модуль кнопки).
    — Touch Sensor Module (модуль датчика прикосновения).
    — Light Sensor Module (модуль датчика освещённости).
    — Rotary Sensor Module (модуль датчика угла поворота).
    — Red LED (красный светодиод).
    — LCD with RGB Backlight Module (ЖК-дисплей с цветной подсветкой).
    — Buzzer Module (зуммер).

Прототип системы для умного дома

Проект под систему для разных зон квартиры

Прежде чем приступить к сборке электронной системы следует составить план проекта умного дома на Arduino. Для примера возьмём небольшой дом, и попробуем составить схему работы «умного комплекса». Итак, нам необходимо в разных зонах обеспечить интеллектуальное функционирование разных приборов.

  • Вход на придомовую территорию следует обеспечить автоматическим включением освещения в тёмное время, при подходе хозяев к дому, также при выходе из дома, при открывании двери. Потребуются: датчик движения и датчик открытия двери.
  • Прихожая квартиры — при движении  вдоль прохожей должно автоматически включаться освещение. Потребуются: датчик движения.
  • Санузел. Автоматическое включение электрической водонагревательной установки при приходе домой хозяев. Вытяжка и освещение в санузле включается при открытии двери. Потребуются: датчик движен
    ия и открытия двери.
  • Кухня. Освещение включается при входе жильца в помещение.
  • При включении варочной плиты должна одновременно запускаться вытяжка. Потребуются реле для установки на питающую проводку электроплиты и датчик присутствия.
  • Жилые комнаты. Автоматическое включение света, регулировка температуры электроконвекторами в зимнее время и кондиционерами летом. Потребуются детектор присутствия, датчик температуры и освещённости.

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.

Настройка IBM Bluemix

Создание Bluemix-приложения

Пользовательский интерфейс BlueMix

  1. Войдите в консоль Bluemix.
  2. После входа вы увидите панель управления (DASHBOARD).
  3. Щёлкните CREATE APP.
  4. Выберите тип приложения WEB.
  5. Выберите SDK for Node.js и нажмите на кнопку CONTINUE.
  6. Дайте приложению имя и щёлкните по кнопке FINISH.
  7. После того, как приложение будет создано в облаке IBM, щёлкните по кнопке ADD A SERVICE OR API.
  8. В разделе Data & Analytics выберите MongoLab.
  9. Щёлкните по BI для того, чтобы подтвердить создание сервиса.
  10. После того, как сервис будет создан, появится всплывающее окно с предложением перезагрузить приложение. Щёлкните кнопку RESTAGE.
  11. Дождитесь окончания перезагрузки приложения. Когда этот процесс завершится, будет показано соответствующее сообщение.

Какие решения предлагает Arduino

Базовый набор Arduino Start

Как видно из данной постановки задач нам, кроме платы Arduino, понадобятся: датчики движения, датчики открывания двери, датчики температуры и освещённости. Для включения электрических приборов нам могут понадобиться реле. В качестве датчика фиксации открытия двери может быть применён обычный геркон. Все датчики можно купить для платы Arduino.

Так как количество датчиков достаточно большое для такого маленького дома, то для платформы Arduino существуют платы расширения. Всё, что необходимо, это правильно подключить датчики к прибору и написать программу, которая будет являться «сердцем» «умного» дома.

Умный дом на ArduinoУмный дом на Arduino

Программа, которая прошивается в Arduino, пишется на языке Си. Безусловно, есть ограничения на количество байт этой программы. Для реализации поставленной задачи объёма памяти вполне хватит.

Платы дополнения (шилды)

Для расширения вспомогательного функционала используются дополнительные платы – шилды. Ниже приведен список самых интересных:

  • LCD Shield определяет метеорологические показатели в помещениях: влажность, скорость ветра, температуру.
  • Motor Shield обеспечивает управление скоростью и оборотами моторов. Есть модели с поддержкой нескольких приводов.
  • Data Logging Shield предназначена для записи и хранения информации до 32 Gb.
  • Relay Shield самая востребованная в системах Smart Homе, рассчитана на обслуживание приборов мощностью 1 КВт.
  • Ethernet Shield от Ардуино обеспечивает независимость Умного дома от ПК, настраивает интернет-связь.
  • Wi-fi Shield нужен для передачи шифрованных данных между Arduino и устройствами.
  • Energy Shield позволяет разнообразить источники питания для подключения проекта.
  • GPRS Shield используется для связи Умного дома с телефоном владельца.

Что необходимо для сборки?

Если появилось желание собрать проект самостоятельно, то необходимо собрать некоторые устройства и взять приборы. Какие?

  • Датчики и контроллеры.
  • Интернет-модуль.
  • Витую пару (кабель).
  • Переключатель.
  • Резистор.
  • Провод для интернет-модуля.
  • Реле.

Из принадлежностей понадобятся паяльник, отвертки и так далее.

Наборы от компании Arduino нужно приобретать в проверенных магазинах. Почему? Все необходимые приборы нужны для работы с электричеством, именно поэтому подделки использовать опасно. Все необходимые утилиты можно скачать из Интернета. Поэтому довольно просто создать «Умный дом» своими руками на базе Arduino.

Датчики нужно выбирать, отталкиваясь от своих предпочтений: включение или отключение света, контроль температуры и так далее.

Контроллер балкона

Индикация состояния контроллера балкона аналогична индикации контроллеров санузлов. Если контроллер работает, то его индикаторы светятся разными цветами и показывают текущие данные. Если контроллер выключен или недоступен, то все индикаторы становятся тёмными.

  • 25,3° — текущая температура зимнего сада
  • 21% — текущая влажность на улице
  • 25,2° — текущая температура на улице
  • GAR — состояние реле зимнего сада

На балконе оборудован декоративный мини-сад с различными растениями и система поддерживает заданную температуру в нём. В работе алгоритма по поддержанию температуры учитываются такие параметры, как текущая температура на улице, время суток и заданное в интерфейсе системы значения целевой температуры для зоны зимнего сада.

Как работает такой умный дом?

Чтобы создать умный дом своими руками, потребуется навык Домовёнок Кузя. Через него можно не только контролировать умный дом, но и интегрировать виртуальные устройства напрямую в Яндекс.Алису. Это значит, что вам не придётся постоянно открывать навык, чтобы просто выключить лампочку. С микроконтроллером навык будет связываться через веб-хуки.

Для веб-хуков отлично подходит платформа Blynk — панель управления устройствами на Arduino и Raspberry Pi. Там вы сможете без труда создать графический интерфейс, через который можно будет управлять устройством по Wi-Fi (а ещё по Ethernet, USB, GSM и Bluetooth).

Выполнение проекта

Материалы и комплектующие

Если вы планируете самостоятельно выполнить такую систему с использованием Arduino, то вам потребуется следующие комплектующие:

  1. Микропроцессорная плата Arduino .
  2. Температурные датчики.
  3. Модуль Ethernet
  4. Датчик света и дождя.
  5. Микрофон.
  6. Язычковые переключатели.
  7. Датчики движения.
  8. Резисторы сопротивления.
  9. Реле.
  10. Кабель Ethernet.
  11. Витая пара.

Приблизительная стоимость всех этих компонентов составляет около 100 долларов. При этом можно будет выполнить многофункциональный комплекс, который отвечает за освещение в доме, работу системы обогрева и выполняет ряд других функций.

Компания Arduino предлагает своим пользователям многочисленные схемы подключения исполнительных устройств и сенсоров к управляющей плате. Вам лишь необходимо будет определиться с нужным функционалом такого комплекса, выбрать соответствующую схему и выполнить подключение всех сенсорных и исполнительных устройств в точном соответствии с имеющейся на руках документацией.

защита от протечек воды в квартире. Антипотоп на Arduino своими руками.защита от протечек воды в квартире. Антипотоп на Arduino своими руками.

Всё, что потребуется сделать, — это скачать распространяемое бесплатно программное обеспечение Arduino, установить его на ваш мобильный гаджет или компьютер, после чего по проводной или беспроводной технологии соединиться с микропроцессором, внести нужные вам настройки и проверить работоспособность созданной вашими руками платформы.

Аппаратная и программная часть

Для того, чтобы собрать умный дом своими руками, мы будет использовать Wi-Fi модуль ESP8266. Процесс разработки на нём почти не отличается от традиционной разработки на Arduino.

Для начала нужно скачать приложение Blynk из GooglePlay или AppStore и зарегистрироваться в нём. После этого нужно создать новый проект и выбрать соответствующий микроконтроллер. Перед вами появится пустая панель, на которой можно размещать элементы управления. Это могут быть кнопки, иконки, слайдеры, индикаторы, выпадающие списки и многое другое.

После создания проекта на вашу почту придёт токен доступа. Его нужно будет указать в скетче и веб-хуках.

К элементам управления можно подвязать физический пин микроконтроллера или же виртуальный порт. При взаимодействии с каким-либо элементом, его новое значение будет сразу отправляться на микроконтроллер.

Примечание Виртуальные порты в Blynk можно представить как переменные, которые синхронизируются между устройством и сервером.

Для этого скетча в панели управления Blynk нужно добавить элемент «Button». В его настройках OUTPUT выставить V0, а режим работы переключить в Switch.

Теперь к указанному порту можно подключать реле. Если всё правильно, то при нажатии на кнопку в панели управления реле будет открываться и закрываться.

Голосовое управление светом не мешает управлению им аппаратно. К микроконтроллеру можно подключить физическую кнопку или выключатель, которые тоже будут включать и выключать свет. Если это необходимо, то изменять состояние виртуального порта можно методом . Тогда изменения будут отображаться и на панели управления.

Примечание При работе с механическими кнопками и выключателями не забывайте про дребезг контактов.

Всё работает? Тогда можете переходить к следующему этапу.

Разновидности и характеристики

Блоками можно управлять по отдельности или с одного устройства

Для создания умного дома своими руками можно выбрать схему, на которую хватит денег или мастерства.

Разновидности подключения бытовых приборов и техники:

  • По отдельности. Подразумевается объединение в блоки групп устройств по их специфике. Например, общее управление может осуществляться отоплением, освещением, кондиционированием, вентиляцией, увлажнением и осушением, охранными, видео и аудио системами. На все блоки имеются свои пульты, их количество не ограничено.
  • Все в одном. Здесь все имеющиеся в доме конструкции и устройства выводятся на общий пульт управления, который представляет собой некое подобие сервера для одного строения. В большинстве случаев это мощный системный блок с дисплеем. Чтобы руководить устройствами было удобнее, с сервером синхронизируется несколько портативных устройств. Это могут быть планшеты, ноутбуки или смартфоны соответствующей мощности.

Простые проекты Ардуино

Давайте начнем наш обзор с традиционно самых простых, но очень важных проектов, включающих в себя минимальное количество элементов: светодиоды, резисторы и, конечно же, плату ардуино. Все примеры рассчитаны на использование Arduino Uno, но с минимальными изменениями будут работать на любой плате: от Nano и Mega до Pro, Leonardo и даже LilyPad.

Проект с мигающим светодиодом – маячок

Все без исключения учебники и пособия для начинающих по ардуино стартуют с примера мигания светодиодом. Этому есть две причины: такие проекты требуют минимального программирования и их можно запустить даже без сборки электронной схемы – уж что-что, а светодиод есть на любой плате ардуино. Поэтому и мы не станем исключением – давайте начнем с маячка.

Нам понадобится:

  • Плата Ардуино Uno, Nano или Mega со встроенным светодиодом, подключенным к 13 пину.
  • И все.

Что должно получиться в итоге:

Светодиод мигает – включается и выключается через равные промежутки времени (по умолчанию – 1 сек). Скорость включения и выключения можно настраивать.

Схема проекта

Схема проекта довольно проста:  нам нужен только контроллер ардуино со встроенным светодиодом, подсоединенным к пину 13. Именно этим светодиодом мы и будем мигать. Подойдут любые популярные платы: Uno, Nano, Mega и другие.

Подсоединяем Arduino к компьютеру, убеждаемся, что плата ожила и замигала загрузочными огоньками. Во многих платах «мигающий» скетч уже записан в микроконтроллер, поэтому светодиод может начать мигать сразу после включения.

С помощью такого простого проекта маячка вы можете быстро проверить работоспособность платы: подключите ее к компьютеру, залейте скетч и по миганию светодиода сразу станет понятно – работает плата или нет.

Программирование в проекте Ардуино

Если в вашей плате нет загруженного скетча маячка – не беда. Можно легко загрузить уже готовый пример, доступный в среде программирования Ардуино.

Открываем программу Arduino IDE, убеждаемся, что выбран нужный порт.

Проверка порта Ардуино – выбираем порт с максимальным номером

Затем открываем уже готовый скетч Blink – он находится в списке встроенных примеров. Откройте меню Файл, найдите подпункт с примерами, затем Basics и выберите файл Blink.

Открываем пример Blink в Ардуино IDE

В открытом окне отобразится исходный код программы (скетча), который вам нужно будет загрузить в контроллер. Для этого просто нажимаем на кнопку со стрелочкой.

Кнопки компиляции и загрузки скетча
Информация в Arduino IDE – Загрузка завершена

Ждем немного (внизу можно отследить процесс загрузки) – и все. Плата опять подмигнет несколькими светодиодами, а затем один из светодиодов начнет свой размеренный цикл включений и выключений. Можно вас поздравить с первым загруженным проектом!

Проект маячка со светодиодом и макетной платой

В этом проекте мы создадим мигающий светодиод – подключим его с помощью проводов, резистора и макетной платы к ардуино. Сам скетч и логика работы останутся таким же – светодиод включается и выключается.

Графическое изображение схемы подключения доступно на следующем рисунке:

Другие идеи проектов со светодиодами:

  • Мигалка (мигаем двумя свтодиодами разных цветов)
  • Светофор
  • Светомузыка
  • Сонный маячок
  • Маячок – сигнализация
  • Азбука Морзе

Подробное описание схемы подключения и логики работы программы можно найти в отдельной статье, посвященной проектам со светодиодами.

ТОП 5 необычных проектов

Реализация проектов невозможна без умных устройств. Они могут выполнять не только свои классические задачи, но и делать дополнительную работу.

Домофон Belle

Домофон Belle

Умный домофон может записывать видео в формате HD 24 часа в сутки. Он ведет ночную съемку, может фиксировать посетителей и сообщать хозяевам о приходе гостей.  Даже если дома никого нет, домофон передаст сообщение и покажет трансляцию происходящего в доме.

Важной отличительной особенностью прибора является возможность посетителя совершить звонок владельцам дома. Если они не смогут ответить, с посетителем пообщается встроенный голосовой помощник

Гаджет может записать видеообращение, также он запоминает частых гостей.

Зеркало Mirror

От обычных зеркал Mirror отличается встроенным в него фитнес тренером. Стоит включить прибор, и помещение становится спортивным виртуальным залом. На дисплее зеркала появляется картинка виртуального тренера, который вместе с человеком выполняет тренировку, показывает правильность выполнения упражнений и дает советы. В выключенном состоянии устройство является обычным зеркалом.

В зеркале записано более 50 видов различных спортивных упражнений. Есть программы бокса, йоги, растяжки, фитнеса. С учетом индивидуальных особенностей человека и его предпочтений подбирается оптимальная программа тренировок.

Дополнительно зеркало может следить за состоянием здоровья. Для этого гаджет синхронизируется с фитнес браслетом или другим устройством, считывает информацию и выдает полученные данные на экране.

Интеллектуальный будильник Xiao AI Smart Alarm Clock

Интеллектуальный будильник

Будильник от Xiaomi является полноценным гаджетом для сна и домашних дел. В нем установлен голосовой ассистент, но он различает только китайский язык. Помощник может оповещать о важных событиях, сообщать прогноз погоды, управлять другими бытовыми приборами. Работает прибор через приложение Mijia.

Отличительной чертой интеллектуального будильника является возможность убаюкивать человека на ночь. В памяти устройства записаны различные успокаивающие звуки, способствующие быстрому засыпанию. Чтобы разбудить хозяина, по умолчанию установлен режим нарастания громкости, чтобы пробуждение происходило плавно. Время подъема и смена режима производятся в приложении.

Перерабатывающее устройство Zera Food Recycler

Zera Food Recycler

Прибор для утилизации бытовых отходов делает жизнь не только комфортнее, но и безопаснее для окружающей среды. Устройство представляет собой визуально привлекательный белый контейнер размерами меньше, чем посудомоечная машина.

Принцип работы следующие – пищевые отходы укладываются в утилизатор через отверстие, которое потом закрывается крышкой. Мусор попадает в смешивающую камеру, где он перемешивается и измельчается. После этого отходы отправляются в камеру переработки, где они обрабатываются специальным составом. Эта смесь способствует быстрому разложению отходов. В итоге получается экологически чистое готовое удобрение, которое можно использовать в огороде. Полный рабочий цикл агрегат проходит за сутки.

Работает через приложение, в котором пользователь может запускать прибор, получать уведомление об окончании цикла, уточнять статус переработки.

Подобные устройства помогают разгрузить полигоны, сэкономить на транспортировке мусора и значительно улучшить экологическую ситуацию конкретного места.

Метеостанция Netatmo

Метеостанция Netatmo

Это гаджет имеет целый спектр различных задач. Он может определять качество воздуха, замерять его состав, в режиме реального времени выдавать метеорологическую сводку о состоянии окружающей среды в доме и за его пределами. В станцию встроены барометр, термометр, гигрометр. Прибор также умеет определять уровень шума.

Подключение беспроводное. В основном режиме метеостанция не взаимодействует со смартфоном или компьютером, она напрямую подключается к интернету и предает показания на сервер фирмы. Приложения получают информацию с этого сервера и выводят их на экран владельца. Есть возможность посмотреть, что показывают другие устройства рядом с пользователем.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий