Pametni dom na osnovi krmilnikov Arduino: načrtovanje in organizacija nadzorovanega prostora

Razvoj avtomatizacijskih sredstev je privedel do ustvarjanja celovitih sistemov, ki izboljšujejo kakovost človeškega življenja. Številni znani proizvajalci elektronike in programskih okolij ponujajo pripravljene tipične rešitve za različne objekte.

Samostojne projekte in sestaviti “pametni dom” z Arduino po svojih potrebah lahko tudi neizkušen uporabnik. Glavno je razumeti osnove in se ne bati eksperimentirati.

V tem članku bomo pregledali načelo ustvarjanja in glavne funkcije avtomatiziranega doma na osnovi naprav Arduino. Prav tako bomo pregledali uporabljene vrste plošč in glavne module sistema.

Ustvarjanje sistemov na platformi Arduino

Arduino – platforma za razvoj elektronskih naprav z avtomatskim, polavtomatskim ali ročnim upravljanjem. Zgrajena je po principu konstruktorja s točno določenimi pravili medsebojnega delovanja elementov. Sistem je odprt, kar omogoča zunanjim proizvajalcem, da sodelujejo pri njegovem razvoju.

Klasičen “pametni dom” je sestavljen iz avtomatiziranih blokov, ki opravljajo naslednje funkcije:

• zbirajo potrebne informacije prek senzorjev;
• analizirajo podatke in sprejemajo odločitve s pomočjo programabilnega mikrokrmilnika;
• uresničujejo sprejete odločitve tako, da dajejo ukaze različnim napravam.

Platforma Arduino je dobra prav zato, ker ni vezana na določenega proizvajalca, ampak omogoča uporabniku, da sam izbere ustrezne komponente. Njihova izbira je ogromna, zato je mogoče uresničiti skoraj vse zamisli.

Priporočamo, da si ogledate najboljše pametne naprave za dom.

Za učenje dela z Arduino lahko na spletni strani proizvajalca kupite začetni komplet (Starter Kit). Poznavanje tehnične angleščine je obvezno, saj dokumentacija ni v ruščini.

Poleg raznolikosti priključljivih naprav pestrost dodaja programsko okolje, implementirano v jeziku C++. Uporabnik lahko ne le uporablja ustvarjene knjižnice, ampak tudi sam programira odziv komponent sistema na dogodke.

Osnovni elementi plošč

Glavni element “pametnega doma” je ena ali več centralnih (matičnih) plošč. Te skrbijo za medsebojno delovanje vseh elementov. Šele ko določite naloge, ki jih je treba rešiti, lahko začnete z izbiro glavnega vozlišča sistema.

Matična plošča združuje naslednje elemente:

• Mikrokrmilnik (procesor). Njegov glavni namen je oddajati in meriti napetost na portih v območju 0–5 ali 0–3,3 V, shranjevati podatke in izvajati izračune.
• Programator (ni prisoten pri vseh ploščah). S pomočjo te naprave se v pomnilnik mikrokrmilnika zapiše program, po katerem bo deloval “pametni dom”. Na računalnik, tablico, pametni telefon ali drugo napravo ga priključite prek USB-vmesnika.
• Napetostni stabilizator. Potrebna je naprava za 5 voltov, ki je potrebna za napajanje celotnega sistema.

Pod blagovno znamko Arduino izdelujejo več modelov plošč. Med seboj se razlikujejo po obliki (velikosti), številu portov in pomnilniški zmogljivosti. Prav po teh kazalnikih morate izbrati ustrezno napravo.

Plošče Arduino in ščiti zanje je bolje kupiti pri proizvajalcu, saj so kakovostnejše od združljivih naprav, ki jih izdelujejo na Kitajskem

Obstajata dve vrsti portov:

• digitalni, ki so na plošči označeni s črkami “d”;
• analogni, ki so označeni s črko “a”.

Zahvaljujoč njim mikrokrmilnik vzpostavlja povezavo s priključenimi napravami. Vsak port lahko deluje tako za sprejem signala kot za njegovo oddajo. Digitalni porti z oznako “pwm” so namenjeni vhodu in izhodu signala tipa PWM (pulzno-širinska modulacija).

Zato je pred nakupom plošče treba vsaj približno oceniti stopnjo njene obremenjenosti z različnimi napravami. To bo omogočilo določitev potrebnega števila vseh vrst portov.

Pri tem je treba razumeti, da sistema “pametni dom” ni nujno treba povezati v krmilno enoto na podlagi ene same matične plošče. Funkcije, kot so na primer vklop umetne razsvetljave okolice hiše glede na čas dneva in vzdrževanje zaloge vode v zbiralniku, so med seboj neodvisne.

Z vidika zagotavljanja zanesljivosti delovanja elektronskega sistema je bolje neroditevne naloge razporediti po različnih blokih, kar koncept Arduino omogoča enostavno izvesti. Če pa na enem mestu združite veliko naprav, lahko pride do pregrevanja mikroprocesorja, konflikta programskih knjižnic in težav pri iskanju in odpravljanju programskih in strojnih napak.

Priključitev več različnih naprav na eno ploščo se običajno uporablja v robotiki, kjer je pomembna kompaktnost. Za “pametni dom” je bolje za vsako nalogo uporabiti svojo osnovo.

Vsak mikroprocesor je opremljen s tremi vrstami pomnilnika:

• Flash Memory. Glavni pomnilnik, kjer se hrani koda programa za upravljanje sistema. Majhen del (3–12 %) zavzema vdelani zagonski program (bootloader).
• SRAM. Delovni pomnilnik, kjer se hranijo začasni podatki, potrebni med delovanjem programa. Odlikuje ga visoka hitrost delovanja.
• EEPROM. Počasnejši pomnilnik, kjer je prav tako mogoče shranjevati podatke.

Glavna razlika med vrstami pomnilnika za shranjevanje podatkov je v tem, da ob izklopu električne energije podatki, zapisani v SRAM, izginejo, medtem ko v EEPROM ostanejo. Vendar ima nehlapni tip tudi pomanjkljivost – omejeno število zapisovalnih ciklov. To je treba upoštevati pri ustvarjanju lastnih aplikacij.

V nasprotju z uporabo Arduina v robotiki za večino nalog “pametnega doma” ni potrebno veliko pomnilnika niti za programe niti za shranjevanje informacij.

Vrste plošč za sestavljanje pametnega doma

Oglejmo si glavne vrste plošč, ki jih najpogosteje uporabljajo pri sestavljanju sistema pametnega doma.

Vrsta #1 — Arduino Uno in njegove izpeljanke

Najpogosteje v sistemih “pametni dom” uporabljajo plošče Arduino Uno in Arduino Nano. Ti imata dovolj funkcionalnosti za reševanje tipičnih nalog.

Prisotnost napajanja polnoformatskih plošč z napetostjo 7–12 voltov ponuja številne prednosti. Predvsem je to možnost dolgotrajnega samostojnega delovanja s standardnimi baterijami ali akumulatorji.

Glavni parametri Arduino Uno Rev3:

• procesor: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• število digitalnih vrat: 14;
• od tega s funkcijo PWM: 6;
• število analognih vrat: 6;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Pred kratkim je izšla modifikacija – Uno Wi-Fi, ki vsebuje integriran modul ESP8266, ki omogoča izmenjavo informacij z drugimi napravami po standardu 802.11 b/g/n.

Razlika med Arduino Nano in njegovim večjim analogom je v odsotnosti lastnega napajalnega vtiča za 12 V. To je storjeno zaradi manjše velikosti naprave, kar omogoča enostavno skrivanje v majhnem prostoru. Prav tako je v ta namen standardna USB-priključitev zamenjana s čipom z mini-USB kablom. Arduino Nano ima v primerjavi z Uno dva analogna vrata več.

Obstaja še ena modifikacija plošče Uno – Arduino Mini. Ta je še manjša kot Nano in z njo je delo veliko težje. Prvič, odsotnost USB-vrat ustvarja težavo s programiranjem, saj je za to treba uporabiti USB-Serial Converter. Drugič, ta plošča je bolj zahtevna glede napajanja – treba je zagotoviti območje vhodne napetosti 7–9 V.

Zaradi zgoraj opisanih razlogov ploščo Arduino Mini redko uporabljajo za delovanje “pametnega doma”. Običajno jo uporabljajo bodisi v robotiki bodisi pri izvajanju že pripravljenih projektov.

Vrsta #2 — Arduino Leonardo in Micro

Plošča Arduino Leonardo je podobna plošči Uno, vendar nekoliko zmogljivejša. Zanimiva značilnost tega modela je tudi, da se ob priključitvi na računalnik prepozna kot tipkovnica, miška ali igralna palica. Zato jo pogosto uporabljajo za ustvarjanje izvirnih igralnih naprav in simulatorjev.

Tabela velikosti in dimenzij modelov Uno, Leonardo in njihovih miniaturiziranih različic. Razvijalci niso upoštevali logike pri poimenovanju – “nano” bi morala biti najmanjša.

Glavni parametri plošče Arduino Leonardo so naslednji:

• procesor: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• število digitalnih vrat: 20;
• od tega s funkcijo PWM: 7;
• število analognih vrat: 12;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Kot je razvidno iz navedenega seznama parametrov, ima Leonardo več vrat, kar omogoča, da ta model obremenimo z večjim številom senzorjev.

Prav tako za Leonardo obstaja popolnoma identičen miniaturiziran analog z imenom Micro. Pri njem ni napajanja iz 12 V, namesto polnega USB-vhoda pa ima čip za mini-USB kabel.

Različica Leonardo z imenom Esplora je čisto igralni model in ni primerna za potrebe “pametnega doma”.

Vrsta #3 — Arduino 101, Arduino Zero in Arduino MKR1000

Včasih je za delovanje sistemov “pametnega doma”, ki temeljijo na Arduinu, potrebna velika računalniška moč, ki je 8-bitni mikrokontrolerji ne morejo zagotoviti. Naloge, kot so prepoznavanje glasu ali slik, zahtevajo hiter procesor in velik obseg delovnega pomnilnika za takšne naprave.

Za reševanje takšnih specifičnih nalog uporabljajo zmogljive plošče, ki delujejo v skladu s konceptom Arduino. Število vrat je pri njih približno enako kot pri ploščah Uno ali Leonardo.

Arduino 101 ima enake dimenzije kot Uno ali Leonardo, vendar tehta skoraj dvakrat več. Razlog za to je prisotnost dveh USB-vhodov in dodatnih čipov.

Ena izmed najpreprostejših za uporabo, a zmogljivih plošč – Arduino 101 ima naslednje značilnosti:

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

Dodatno je plošča opremljena z BLE-funkcionalnostjo (Bluetooth Low Energy) z možnostjo preprostega priklopa že pripravljenih rešitev, kot so senzor srčnega utripa, pridobivanje informacij o vremenu zunaj, pošiljanje besedilnih sporočil itd. V napravo sta vgrajena tudi žiroskop in merilnik pospeška, vendar ju uporabljajo predvsem v robotiki.

Še ena podobna plošča – Arduino Zero ima naslednje podatke:

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

Posebnost tega modela je vgrajeni razhroščevalnik (EDBG). Z njim je veliko lažje iskati napake pri programiranju plošče.

Pri pisanju obsežne kode se tudi pri visoko usposobljenem programerju pojavijo napake. Za njihovo iskanje se uporablja razhroščevalnik (debugger).

Arduino MKR1000 – še en model, primeren za zahtevne izračune. Ima mikroprocesor in pomnilnik, podobno kot Zero. Njegova glavna razlika je vgrajeni Wi-Fi vezje s protokolom 802.11 b/g/n in kriptografsko vezje s podporo algoritmu SHA-256 za zaščito prenesenih podatkov.

Vrsta #4 — modeli družine Mega

Včasih je treba uporabiti veliko število senzorjev in upravljati večje število naprav. Na primer, to je potrebno za avtomatsko delovanje sistemov distribuirane klimatizacije, ki vzdržujejo določeno temperaturo za posamezna območja.

Za vsako lokalno območje je treba spremljati odčitke dveh temperaturnih senzorjev (drugi se uporablja kot kontrolni) in v skladu z algoritmom izvajati nastavitev položaja lopute, ki določa količino dotoka toplega zraka.

Če je takšnih con v koči več kot 10, je za upravljanje celotnega sistema potrebnih več kot 30 vrat. Seveda lahko uporabimo več plošč tipa Uno pod skupnim upravljanjem ene od njih, vendar to povzroča dodatne zaplete pri povezovanju. V tem primeru je smiselno uporabiti modele družine Mega.

Velikost plošč družine Mega (101.5 x 53.4 cm) je večja kot pri prej obravnavanih modelih. To je tehnična nuja – sicer ne bi bilo mogoče namestiti toliko vrat.

Plošča Arduino Mega temelji na dokaj preprostem 8-bitnem 16-megaherčnem mikroprocesorju aTMega1280.

Ima velik pomnilnik:

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

Toda njena glavna prednost je veliko število vrat:

• število digitalnih vrat: 54;
• od tega s funkcijo PWM: 15;
• število analognih vrat: 16.

Ta plošča ima dve sodobni različici:

• Mega 2560 temelji na mikroprocesorju aTMega2560, ki ga odlikuje velika količina flash pomnilnika – 256 KB;
• Mega ADK je poleg mikroprocesorja aTMega2560 opremljena z USB-vmesnikom z možnostjo povezave z napravami na operacijskem sistemu Android.

Model Arduino Mega ADK ima eno posebnost. Pri priključitvi telefona na USB-vhod lahko pride do naslednje situacije: če telefon potrebuje polnjenje, ga bo začel “črpati” iz plošče. Zato obstaja dodatna zahteva za vir električne energije – zagotoviti mora tok 1,5 ampera. Pri napajanju z baterijami je treba to upoštevati.

Avtonomno napajanje za Arduino lahko dosežete s pomočjo priključenih akumulatorjev ali baterij. S kombiniranjem zaporedne in vzporedne vezave lahko dosežete želeno napetost in dolg čas delovanja.

Due – še en model podjetja Arduino, ki združuje moč mikroprocesorja in veliko število vrat.

Njene značilnosti so naslednje:

• procesor: Atmel SAM3X8E (32-bitni, 84 MHz);
• število digitalnih vrat: 54;
• od tega s funkcijo PWM: 12;
• število analognih vrat: 14;
• flash pomnilnik: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: ne.

Analogni kontakti te plošče lahko delujejo tako v običajni 10-bitni ločljivosti za Arduino, kar je narejeno za združljivost s prejšnjimi modeli, kot tudi v 12-bitni, ki omogoča natančnejši signal.

Značilnosti medsebojnega delovanja modulov prek vrat

Vsi moduli, ki bodo priključeni na ploščo, imajo vsaj tri izhode. Dva od njih sta napajalna kabla, tj. “ozemljitev” ter napetost 5 ali 3,3 V. Tretji kabel je logični. Po njem poteka prenos podatkov na vrata. Za priključitev modulov uporabljajo posebne kable, združene v skupine po tri, ki jih včasih imenujejo jumperji.

Ker imajo modeli Arduino običajno le 1 vrata z napetostjo in 1-2 vrata z “ozemljitvijo”, boste morali za priključitev več naprav bodisi spajkati kable bodisi uporabiti prototipne plošče (breadboard).

Na prototipno ploščo lahko priključite ne le napajanje in vrata plošče Arduino, ampak tudi druge elemente, kot so na primer uporniki, registri itd.

Spajkanje je bolj zanesljivo in se uporablja v napravah, ki so izpostavljene fizičnim vplivom, na primer krmilne plošče robotov in kvadrokopterjev. Za pametni dom je bolje uporabiti prototipne plošče, saj je to preprosteje tako pri namestitvi kot pri odstranitvi modula.

Pri nekaterih modelih (npr. Arduino Zero in MKR1000) je delovna napetost 3,3 V, zato lahko ob dovajanju višje vrednosti na vrata pride do poškodbe plošče. Vse informacije o napajanju so na voljo v tehnični dokumentaciji naprave.

Dodatne plošče (ščiti)

Za povečanje zmogljivosti matičnih plošč se uporabljajo shieldi (Shields) – dodatne naprave, ki razširjajo funkcionalnost. Izdelani so za določen faktor oblike, kar jih loči od modulov, ki se priključujejo na vrata. Shieldi so dražji od modulov, vendar je delo z njimi preprostejše. Prav tako so opremljeni z že pripravljenimi knjižnicami s kodo, kar pospeši razvoj lastnih krmilnih programov za “pametni dom”.

Ščita Proto in Sensor

Ta dva standardna shielda ne prinašata posebnih funkcij. Uporabljata se za bolj kompaktno in priročno priključitev velikega števila modulov.

Proto Shield je skoraj popolna kopija originala glede vrat, na sredino modula pa lahko prilepite prototipno ploščo. To olajša sestavljanje. Takšni dodatki obstajajo za vse polnoformatne plošče Arduino.

Proto Shield se namesti na matično ploščo. To nekoliko poveča višino konstrukcije, a prihrani veliko prostora v ravnini.

A če je naprav zelo veliko (več kot 10), je bolje uporabiti dražje komunikacijske plošče Sensor Shield.

Pri njih ni predvidenega breadboarda, vendar je na vse priključke vrat posamično pripeljano napajanje in ozemljitev. To omogoča, da se ne zmedete v žicah in mostičkih.

Površina matične in senzorske plošče je enaka, vendar na ščitu ni čipov, kondenzatorjev in drugih elementov. Zato se sprosti veliko prostora za polnopravne povezave.

Tudi na tej plošči so konektorji za preprosto priključitev več modulov: Bluetooth, SD-kartice, RS232 (COM-port), radia in ultrazvoka.

Priključitev pomožne funkcionalnosti

Ščiti z integriranim funkcionalom so namenjeni reševanju zahtevnih, a tipičnih nalog. Kadar je treba uresničiti izvirne zamisli, je vseeno bolje izbrati ustrezen modul.

Motor Shield. Namenjen je krmiljenju hitrosti in vrtenja nizkomočnih motorjev. Originalni model je opremljen z enim čipom L298 in lahko deluje sočasno z dvema enosmernima motorjema ali z enim servo pogonom. Obstaja tudi združljiv del tretjega proizvajalca, ki ima dva čipa L293D z možnostjo krmiljenja dvakrat večjega števila pogonov.

Relay Shield. Pogosto uporabljen modul v sistemih “pametni dom”. Plošča s štirimi elektromehanskimi releji, od katerih vsak dopušča prehod toka z jakostjo do 5 A. To zadostuje za samodejno vklop in izklop kilovatnih naprav ali svetlobnih linij, predvidenih za izmenični tok 220 V.

LCD Shield. Omogoča prikaz informacij na vgrajenem zaslonu, ki ga lahko nadgradite v TFT-napravo. To razširitev pogosto uporabljajo za izdelavo meteoroloških postaj s prikazi temperature v različnih bivalnih prostorih, prizidkih, garaži, ter temperature, vlažnosti in hitrosti vetra na prostem.

V LCD Shield so vgrajeni gumbi, ki omogočajo programiranje listanja informacij in izbire dejanj za pošiljanje ukazov mikroprocesorju.

Data Logging Shield. Glavna naloga modula je zapisovanje podatkov s senzorjev na SD-kartico polne velikosti z zmogljivostjo do 32 Gb s podporo datotečnega sistema FAT32. Za zapisovanje na mikro-SD kartico je treba kupiti adapter. Ta ščit je mogoče uporabiti kot shrambo informacij, na primer pri zapisovanju podatkov iz videorekorderja. Proizvaja ameriško podjetje Adafruit Industries.

SD-card Shield. Enostavnejša in cenejša različica prejšnjega modula. Takšne razširitve izdelujejo številni proizvajalci.

EtherNet Shield. Uradni modul za povezavo Arduino z internetom brez računalnika. Ima režo za mikro-SD kartico, kar omogoča zapisovanje in pošiljanje podatkov prek svetovnega omrežja.

Wi-Fi Shield. Omogoča brezžično izmenjavo informacij s podporo načina šifriranja. Služi za povezavo z internetom in napravami, ki jih je mogoče upravljati prek Wi-Fi.

GPRS Shield. Ta modul se praviloma uporablja za povezovanje “pametnega doma” z lastnikom prek mobilnega telefona prek SMS sporočil.

Moduli “pametnega doma”

Priključitev modulov proizvajalcev tretjih oseb in možnost dela z njimi z uporabo vgrajenega programskega jezika – glavna prednost odprtega sistema Arduino v primerjavi z “lastniškimi” rešitvami za “pametni dom”. Pomembno je, da imajo moduli opis prejetih ali poslanih signalov.

Načini pridobivanja informacij

Vnos informacij je lahko izveden prek digitalnih ali analognih vrat. To je odvisno od vrste gumba ali senzorja, ki prejme informacijo in jo posreduje na ploščo.

Za računalniški program digitalni signal ustreza obdobjem z “0” in “1”, analogni pa določa razpon vrednosti v skladu s svojo dimenzijo.

Signal mikroprocesorju lahko pošlje človek, ki pri tem uporablja dva načina:

• Pritisk gumba (tipke). Logična žica v tem primeru vodi do digitalnih vrat, ki prejmejo vrednost “0” v primeru spuščenega gumba in “1” v primeru njegovega pritiska.
• Obračanje pokrovčka vrtljivega potenciometra (upora) ali premik drsne ročice. V tem primeru logična žica vodi do analognega porta. Napetost gre skozi analogno-digitalni pretvornik, nato pa podatki prispejo do mikroprocesorja.

Gumbi se uporabljajo za zagon dogodka, na primer vklop in izklop luči, ogrevanja ali prezračevanja. Obračalni gumbi se uporabljajo za spreminjanje intenzivnosti – povečanje ali zmanjšanje svetlosti luči, glasnosti zvoka ali hitrosti vrtenja lopatic ventilatorja.

Potenciometer je zelo preprosta naprava, zato je zelo poceni. Njegovi glavni značilnosti sta električna upornost in kot zasuka.

Za samodejno določanje parametrov okolja ali izvora nekega dogodka se uporabljajo senzorji.

Za delovanje “pametnega doma” so najbolj iskane naslednje njihove vrste:

• Senzor zvoka. Digitalne različice te naprave uporabljajo za aktivacijo nekega dogodka s pomočjo ploska ali glasovnega ukaza. Analogne različice omogočajo prepoznavanje in obdelavo zvoka.
• Senzor svetlobe. Te naprave lahko delujejo tako v vidnem kot v infrardečem območju. Slednje se lahko uporabijo kot sistem za obveščanje o požaru.
• Senzor temperature. Za dom in zunanjost uporabljajo različne modele, saj so zunanji bolje zaščiteni pred vlago. Obstajajo tudi zunanje naprave s kablom.
• Senzor vlažnosti zraka. Za notranji prostor je primeren model DHT11, za zunanjost pa dražji DHT22. Obe napravi lahko prikažeta tudi temperaturo. Priključita se na digitalna vrata.
• Senzor zračnega tlaka. Za skupno delo s ploščami Arduino so se dobro izkazali analogni barometri podjetja Bosh: bmp180, bmp280. Prav tako merijo temperaturo. Model bme280 lahko imenujemo meteorološka postaja, saj dodatno podaja še vrednost vlažnosti.
• Senzorji gibanja in prisotnosti. Uporabljajo se za varnostne namene ali za samodejni vklop svetlobe.
• Senzor dežja. Reagira na vdor vode na njegovo površino. Uporablja se lahko tudi za sproženje alarma ob puščanju vodovodnega ali ogrevalnega sistema.
• Senzor toka. Uporabljajo se za odkrivanje ne delujočih električnih naprav (prepreglih svetilk) ali za analizo napetosti, da bi preprečili preobremenitev.
• Senzor uhajanja plina. Uporablja se za odkrivanje in odzivanje na povišano koncentracijo propana.
• Senzor ogljikovega dioksida. Uporablja se za določanje koncentracije ogljikovega dioksida v bivalnih prostorih in v posebnih prostorih, kot so vinski kleti, kjer poteka fermentacija.

Obstaja še veliko različnih senzorjev za posebne naloge, na primer za merjenje teže, hitrosti pretoka vode, razdalje, vlažnosti tal itd.

Nekateri senzorji, kot je anemometer, namenjen merjenju hitrosti in smeri vetra, so zapletene elektromehanske naprave

Številne senzorje in tipala je mogoče izdelati samostojno z uporabo preprostejših komponent. To bo ceneje. Toda za razliko od uporabe serijskih naprav bo treba porabiti čas za umerjanje.

Upravljanje z napravami in sistemi

Poleg zbiranja in analiziranja informacij naj bi “pametni dom” reagiral na nastajajoče dogodke. Prisotnost napredne elektronike na sodobnih gospodinjskih napravah omogoča neposredno komunikacijo z njimi prek Wi-Fi, GPRS ali EtherNet. Običajno za sisteme Arduino izvajajo povezovanje mikrokrmilnika in visokotehnoloških naprav prek Wi-Fi.

Da bi z Arduino vklopili klimatsko napravo pri visoki temperaturi v hiši, blokirali televizor in internet ponoči v otroški sobi ali zagnali ogrevalni bojler pred prihodom lastnikov, je potrebno izvesti tri korake:

1. Namestiti modul Wi-Fi na matično ploščo.
2. Poiskati nezasedene frekvenčne kanale, da bi se izognili konfliktu sistemov.
3. Razumeti ukaze naprav in programirati dejanja (ali uporabiti že pripravljene knjižnice).

Poleg “komunikacije” s kompjuteriziranimi napravami se pogosto pojavijo naloge, povezane z izvajanjem mehanskih dejanj. Na primer, na ploščo lahko priključimo servo pogon ali majhen reduktor, ki bo napajan iz nje.

Servo pogon je sestavljen iz motorčka in več reduktorjev. Zato lahko kljub majhnemu toku (5 V) razvije precejšnjo moč, ki bo zadostovala na primer za odpiranje okenske reže.

V primeru potrebe po priključitvi močnih naprav, ki delujejo na zunanji vir napajanja, se uporabljata dve možnosti:

1. Vključitev releja v vezje.
2. Priključitev močnostnega stikala in triaka.

V električno vezje vključeno elektromagnetno ali tiristorsko rele sklene in prekine enega od vodnikov po ukazu, ki prihaja iz mikroprocesorja. Njihova glavna značilnost je največji dovoljeni tok (npr. 40 A), ki lahko teče skozi to napravo.

Kar zadeva priključitev močnostnega stikala (MOSFET) za enosmerni tok in triaka za izmenični tok, imata ti nižjo vrednost dovoljenega toka (5-15 A), vendar lahko postopoma povečujeta obremenitev. Prav za to so na ploščah predvideni PWM-priključki. To lastnost uporabljamo pri uravnavanju svetlosti osvetlitve, hitrosti vrtenja ventilatorjev itd.

S pomočjo relejev in močnostnih stikal je mogoče popolnoma avtomatizirati vse električne tokokroge hiše ter zagnati generator v primeru izpada elektrike. Zato je na osnovi Arduino resnično mogoče izvesti avtonomno oskrbo stanovanja ali stavbe, vključno z vsemi posebej pomembnimi funkcijami – ogrevanje, oskrba z vodo, odvajanje odpadne vode, prezračevanje in varnostni sistem.

Želite, da vaš dom postane pametnejši, vendar s programiranjem niste “doma”? V tem primeru priporočamo, da si ogledate že pripravljene rešitve podjetij Xiaomi in Apple, ki jih lahko brez težav namesti in nastavi tudi začetnik. Ukaze pa lahko dajete in njihovo izvajanje nadzirate kar prek svojega pametnega telefona.

Več o pametnem domu podjetij Xiaomi in Apple v naslednjih člankih:

• Pametni dom Xiaomi: značilnosti načrtovanja, pregled glavnih enot in delovnih elementov
• Pametna hiša Apple: podrobnosti organizacije sistemov upravljanja hiše podjetja “jabolčnega”

Zaključki in koristen video na to temo

Primer samostojno sestavljene predloge začetne ravni za “pametni dom”:

Odprtost platforme Arduino omogoča uporabo komponent različnih proizvajalcev. To omogoča preprosto sestaviti “pametni dom” po zahtevah uporabnika. Zato, če imate vsaj osnovno znanje na področju programiranja in priklopa elektronskih naprav, je vredno upoštevati ta sistem.

Ste v praksi seznanjeni s platformo Arduino in želite deliti svoje izkušnje z začetniki na tem področju? Morda želite dopolniti zgoraj navedeno gradivo z uporabnimi priporočili ali pripombami? Napišite svoje komentarje pod to objavo.

Če imate vprašanja o načrtovanju sistema avtomatiziranega doma na osnovi Arduina, jih postavite našim strokovnjakom in drugim obiskovalcem spletnega mesta v spodnjem bloku.