Viedā māja uz Arduino kontrolieru bāzes: projektēšana un pārvaldītas telpas organizēšana

Automatizācijas līdzekļu attīstība ir novedusi pie kompleksu sistēmu izveides, kas uzlabo cilvēka dzīves kvalitāti. Daudzi zināmi elektronikas un programmatūras vides ražotāji piedāvā gatavus tipveida risinājumus dažādiem objektiem.

Izstrādāt patstāvīgus projektus un izveidot atbilstoši savām vajadzībām “viedo māju” uz Arduino varēs pat nepieredzējis lietotājs. Galvenais – saprast pamatus un nebaidīties eksperimentēt.

Šajā rakstā aplūkosim Arduino ierīcēs balstītas automatizētas mājas izveides principu un galvenās funkcijas. Tāpat aplūkosim izmantotos plāšu veidus un sistēmas pamatmoduļus.

Sistēmu izveide Arduino platformā

Arduino ir platforma elektronisku ierīču izstrādei ar automātisku, pusautomātisku vai manuālu vadību. Tā ir veidota pēc konstruktora principa ar skaidri definētiem mijiedarbības noteikumiem starp elementiem. Sistēma ir atvērta, kas ļauj trešo pušu ražotājiem piedalīties tās attīstībā.

Klasisks “viedais nams” sastāv no automatizētiem blokiem, kas veic šādas funkcijas:

• savāc nepieciešamo informāciju caur sensoriem;
• analizē datus un pieņem lēmumus, izmantojot programmējamu mikropocesoru;
• īsteno pieņemtos lēmumus, dodot komandas dažādām ierīcēm.

Arduino platforma ir laba tieši tāpēc, ka tā nav piesaistīta konkrētam ražotājam, bet ļauj patērētājam pašam izvēlēties sev piemērotākos komponentus. To izvēle ir milzīga, tāpēc iespējams īstenot praktiski jebkuras ieceres.

Iesakām iepazīties ar labākajām viedajām ierīcēm mājai.

Lai apgūtu darbu ar Arduino, ražotāja vietnē var iegādāties iesācēju komplektu (Starter Kit). Tehniskās angļu valodas zināšanas ir obligātas, jo dokumentācija nav tulkota krievu valodā.

Papildus pievienojamo ierīču daudzveidībai, mainīgumu piešķir programmēšanas vide, kas realizēta C++ valodā. Lietotājs var ne tikai izmantot izveidotās bibliotēkas, bet arī pats ieprogrammēt sistēmas komponentu reakciju uz notikumiem.

Plāšu pamatelementi

Galvenais “viedās mājas” elements ir viena vai vairākas centrālās (mātes) plates. Tās ir atbildīgas par visu elementu mijiedarbību. Tikai pēc uzdevumu, kas jārisina, noteikšanas var sākt izvēlēties sistēmas galveno mezglu.

Mātes plate apvieno sevī šādus elementus:

• Mikrokontrolleris (processors). Tā galvenais mērķis ir izvadīt un mērīt spriegumu portos diapazonā no 0 līdz 5 vai 0 līdz 3,3 V, atcerēties datus un veikt aprēķinus.
• Programmētājs (nav visām platēm). Ar šīs ierīces palīdzību mikrokontrollera atmiņā tiek ierakstīta programma, saskaņā ar kuru darbosies “viedā māja”. To pieslēdz datoram, planšetdatoram, viedtālrunim vai citai ierīcei, izmantojot USB interfeisu.
• Sprieguma stabilizators. Nepieciešama ierīce uz 5 voltiem, kas nepieciešama visas sistēmas barošanai.

Arduino zīmola ietvaros tiek ražoti vairāki plate modeļi. Tie atšķiras viens no otra ar formas faktoru (izmēru), portu skaitu un atmiņas apjomu. Tieši pēc šiem rādītājiem ir jāizvēlas piemērota ierīce.

Arduino plates un tām atbilstošos shieldus labāk iegādāties pie ražotāja, jo tās ir kvalitatīvākas nekā saderīgās ierīces, kuras ražo Ķīnā.

Pastāv divu veidu porti:

• digitālie, kas uz plates apzīmēti ar burtiem “d”;
• analogie, kas apzīmēti ar burtu “a”.

Pateicoties tiem, mikrokontrolleris sazinās ar pievienotajām ierīcēm. Jebkurš ports var darboties gan signāla saņemšanai, gan tā nosūtīšanai. Digitālie porti ar apzīmējumu “pwm” ir paredzēti PWM (platuma impulsa modulācijas) signāla ievadei un izvadei.

Tāpēc pirms plates iegādes ir vismaz aptuveni jānovērtē tās noslogojuma līmenis ar dažādām ierīcēm. Tas ļaus noteikt nepieciešamo visu veidu portu skaitu.

Vienlaikus jāsaprot, ka “viedās mājas” sistēmai nav obligāti jābūt piesaistītai vienai mātes platei balstītai vadības blokam. Tādas funkcijas kā, piemēram, mākslīgā apgaismojuma ieslēgšana pagalma teritorijā atkarībā no diennakts laika un ūdens rezervju uzturēšana uzkrāšanas tvertnē ir savstarpēji neatkarīgas.

No elektroniskās sistēmas darba uzticamības nodrošināšanas viedokļa labāk ir izdalīt nesaistītus uzdevumus dažādos blokos, ko Arduino koncepcija ļauj viegli īstenot. Ja vienā vietā apvieno daudz ierīču, var rasties mikrokontrollera pārkaršana, programmatūras bibliotēku konflikti un grūtības programmatūras un aparatūras kļūdu meklēšanā un novēršanā.

Daudzveidīgu ierīču pieslēgšana vienai platei parasti tiek izmantota robotikā, kur svarīga ir kompaktums. “Gudrajai mājai” labāk katram uzdevumam izmantot savu pamatu.

Katrs mikroprocesors ir aprīkots ar trim atmiņas veidiem:

• Flash atmiņa. Galvenā atmiņa, kurā tiek glabāts sistēmas vadības programmas kods. Nelielu tās daļu (3-12 %) aizņem iebūvētā ielādes programma (bootloader).
• SRAM. Operatīvā atmiņa, kurā glabājas pagaidu dati, kas nepieciešami programmas darbības laikā. To raksturo augsts darbības ātrums.
• EEPROM. Lēnāka atmiņa, kurā arī var glabāt datus.

Galvenā atšķirība starp datu glabāšanas atmiņas veidiem ir tā, ka, izslēdzot elektroenerģiju, informācija, kas ierakstīta SRAM, tiek zaudēta, bet EEPROM tā paliek. Tomēr enerģētiski neatkarīgajam tipam ir trūkums – ierobežots ierakstīšanas ciklu skaits. Tas ir jāatceras, veidojot savas lietojumprogrammas.

Atšķirībā no Arduino izmantošanas robotikā, lielākajai daļai “gudrās mājas” uzdevumu nav nepieciešams daudz atmiņas ne programmām, ne informācijas glabāšanai.

Plāšu veidi viedās mājas salikšanai

Apskatīsim galvenos plātņu veidus, kas visbiežāk tiek izmantoti gudrās mājas sistēmas montāžā.

Veids #1 — Arduino Uno un tā atvasinājumi

Visbiežāk sistēmās “gudrā māja” tiek izmantotas plates Arduino Uno un Arduino Nano. Tām ir pietiekama funkcionalitāte tipisku uzdevumu risināšanai.

Pilnaformāta plātņu barošana no 7-12 voltu sprieguma sniedz daudzas priekšrocības. Pirmkārt, tā ir iespēja ilgstoši autonomi darboties no standarta baterijām vai akumulatoriem.

Arduino Uno Rev3 galvenie parametri:

• procesors: ATMega328P (8 biti, 16 MHz);
• digitālo portu skaits: 14;
• no tiem ar PWM funkciju: 6;
• analogo portu skaits: 6;
• flash atmiņa: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Pavisam nesen iznāca modifikācija – Uno Wi-Fi, kas satur integrētu ESP8266 moduli, ļaujot apmainīties ar informāciju ar citām ierīcēm saskaņā ar 802.11 b/g/n standartu.

Arduino Nano atšķirība no sava lielākā analogā ir tā, ka tam nav sava 12 V barošanas ligzdas. Tas darīts, lai panāktu mazāku ierīces izmēru, kas ļauj to viegli paslēpt nelielā telpā. Tāpat šim nolūkam standarta USB savienojums ir aizstāts ar mikroshēmu ar mini-USB kabeli. Arduino Nano salīdzinājumā ar Uno ir par 2 analogajiem portiem vairāk.

Ir vēl viena Uno plātes modifikācija – Arduino Mini. Tā ir vēl mazāka par Nano, un ar to strādāt ir daudz grūtāk. Pirmkārt, USB porta neesamība rada problēmu ar programmaparatūras ielādi, jo šim nolūkam būs jāizmanto USB-Serial pārveidotājs. Otrkārt, šī plate ir prasīgāka attiecībā uz barošanu – jānodrošina ieejas sprieguma diapazons 7-9 V.

Iepriekš aprakstīto iemeslu dēļ Arduino Mini plati reti izmanto “viedās mājas” darbam. Parasti to izmanto vai nu robotikā, vai jau gatavu projektu īstenošanā.

Veids #2 — Arduino Leonardo un Micro

Arduino Leonardo plate ir līdzīga Uno, bet nedaudz jaudīgāka. Interesanta šī modeļa īpašība ir tā, ka, pievienojot to datoram, tā tiek atpazīta kā tastatūra, pele vai džoistiks. Tāpēc to bieži izmanto oriģinālu spēļu ierīču un simulatoru izveidei.

Uno, Leonardo un to miniatūru analogu modeļu izmēru un gabarītu tabula. Izstrādātāji nav ievērojuši loģiku nosaukumos – “nano” vajadzētu būt mazākajam

Arduino Leonardo pamatparametri ir šādi:

• procesors: ATMega32u4 (8 biti, 16 MHz);
• digitālo portu skaits: 20;
• no tiem ar PWM funkciju: 7;
• analogo portu skaits: 12;
• flash atmiņa: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Kā redzams no dotā parametru saraksta, Leonardo ir vairāk portu, kas ļauj šo modeli noslogot ar lielāku sensoru skaitu.

Tāpat Leonardo ir absolūti identisks pēc īpašībām miniatūrs analogs ar nosaukumu Micro. Tam nav 12 V barošanas, un pilnvērtīga USB ieejas vietā ir mini-USB kabeļa chip.

Leonardo modifikācija ar nosaukumu Esplora – tīri spēļu modelis un nav piemērots “viedās mājas” vajadzībām.

Veids #3 — Arduino 101, Arduino Zero un Arduino MKR1000

Dažreiz Arduino bāzes “viedās mājas” sistēmu darbam ir nepieciešama lielāka skaitļošanas jauda, ko 8 bitu mikrokontrolleri nespēj nodrošināt. Tādi uzdevumi kā balss vai attēlu atpazīšana prasa ātru procesoru un ievērojamu operatīvās atmiņas apjomu šādām ierīcēm.

Šādu specifisku uzdevumu risināšanai izmanto jaudīgas plates, kas darbojas saskaņā ar Arduino koncepciju. To portu skaits ir aptuveni tāds pats kā Uno vai Leonardo platēm.

Arduino 101 ir tādi paši gabarīti kā Uno vai Leonardo, bet sver gandrīz divreiz vairāk. Iemesls tam ir divu USB ieeju un papildu chipu klātbūtne.

Viena no visvieglāk lietojamām, bet jaudīgām platēm – Arduino 101 ir šādas īpašības:

• procesors: Intel Curie (32 biti, 32 MHz);
• flash atmiņa: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: nav.

Papildus plate ir aprīkota ar BLE funkcionalitāti (Bluetooth Low Energy) ar iespēju vienkārši pievienot gatavus risinājumus, piemēram, sirdsdarbības sensoru, informācijas iegūšanu par laiku ārā, īsziņu sūtīšanu u.c. Tāpat ierīcē ir integrēti žiroskops un akselerometrs, bet tos galvenokārt izmanto robotikā.

Vēl viena līdzīga plate – Arduino Zero ir šādi rādītāji:

• procesors: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• zibatmiņa: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: nav.

Šī modeļa atšķirīgā iezīme ir iebūvēta atkļūdotāja (EDBG) klātbūtne. Ar tā palīdzību ir daudz vienkāršāk veikt kļūdu meklēšanu plates programmēšanā.

Rakstot apjomīgu kodu, pat ļoti kvalificētam programmētājam rodas kļūdas. To meklēšanai izmanto atkļūdotāju (debugger).

Arduino MKR1000 – vēl viens modelis, kas ir piemērots jaudīgiem aprēķiniem. Tam ir mikroprocesors un atmiņa, kas līdzīgi Zero. Tā galvenā atšķirība – integrēta Wi-Fi mikroshēma ar protokolu 802.11 b/g/n un kripto mikroshēma ar SHA-256 algoritma atbalstu, lai aizsargātu pārraidītos datus.

Veids #4 — Mega saimes modeļi

Dažreiz ir nepieciešams izmantot lielu skaitu sensoru un pārvaldīt ievērojamu skaitu ierīču. Piemēram, tas ir nepieciešams, lai nodrošinātu automātisku sadalītās klimatizācijas sistēmu darbību, kas uztur noteiktu temperatūru atsevišķās zonās.

Katrai lokālajai zonai ir jāseko divu temperatūras sensoru rādījumiem (otrs tiek izmantots kā kontrolējošais sensors) un saskaņā ar algoritmu veikt aizbīdņa stāvokļa regulēšanu, kas nosaka siltā gaisa ieplūdes apjomu.

Ja šādu zonu kotedžā ir vairāk nekā 10, tad, lai pārvaldītu visu sistēmu, ir nepieciešami vairāk nekā 30 porti. Protams, var izmantot vairākas Uno tipa plates, kuras vada viena no tām, tomēr tas rada papildu komutācijas grūtības. Šajā gadījumā ir ieteicams izmantot Mega saimes modeļus.

Mega saimes plātu izmērs (101.5 x 53.4 cm) ir lielāks nekā iepriekš apskatītajiem modeļiem. Tā ir tehniska nepieciešamība – pretējā gadījumā tik daudz portu nevarētu izvietot.

Arduino Mega plate ir veidota uz diezgan vienkārša 8 bitu 16 megahercu mikroprocesora aTMega1280 bāzes.

Tai ir liels atmiņas apjoms:

• zibatmiņa: 128 KB;
• SRAM: 8 KB;
• EEPROM: 4 KB.

Bet tās galvenā priekšrocība – daudzu portu klātbūtne:

• digitālo portu skaits: 54;
• no tiem ar PWM funkciju: 15;
• analogo portu skaits: 16.

Šai platei ir divas modernas šķirnes:

• Mega 2560 ir balstīta uz mikroprocesora aTMega2560, kas atšķiras ar lielāku zibatmiņas apjomu – 256 KB;
• Mega ADK papildus mikroprocesoram aTMega2560 ir aprīkota ar USB interfeisu, kas ļauj savienot ar ierīcēm, kuru pamatā ir Android operētājsistēma.

Arduino Mega ADK modelim ir viena īpatnība. Pieslēdzot tālruni USB ieejai, var rasties šāda situācija: ja tālrunim būs nepieciešama uzlāde, tas sāks to “vilkt” no plates. Tāpēc ir papildu prasība elektroenerģijas avotam – tam jānodrošina strāvas stiprums 1,5 ampēri. Veicot barošanu ar baterijām, šis nosacījums ir jāņem vērā.

Autonomu Arduino barošanu var panākt, izmantojot pievienotus akumulatorus vai baterijas. Kombinējot virknes un paralēlo savienojumu, var sasniegt nepieciešamo spriegumu un ilgu darbības laiku.

Due – vēl viens Arduino modelis, kas apvieno mikroprocesora jaudu un lielu portu skaitu.

Tās raksturlielumi ir šādi:

• procesors: Atmel SAM3X8E (32 biti, 84 MHz);
• digitālo portu skaits: 54;
• no tiem ar PWM funkciju: 12;
• analogo portu skaits: 14;
• zibatmiņa: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: nav.

Šīs plates analogie kontakti var darboties gan Arduino ierastajā 10 bitu izšķirtspējā, kas izveidota saderībai ar iepriekšējiem modeļiem, gan arī 12 bitu izšķirtspējā, kas ļauj iegūt precīzāku signālu.

Moduļu mijiedarbības īpatnības caur portiem

Visi moduļi, kas tiks pievienoti platei, ir vismaz ar trim izejām. Divi no tiem ir barošanas vadi, t.i., “zeme”, kā arī 5 vai 3,3 V spriegums. Trešais vads ir loģiskais. Pa to notiek datu pārraide uz portu. Moduļu pievienošanai izmanto īpašus, pa 3 gabaliem sagrupētus vadus, kurus dažreiz sauc par džemperiem.

Tā kā Arduino modeļos parasti ir tikai 1 ports ar spriegumu un 1-2 porti ar “zemi”, tad, lai pievienotu vairākas ierīces, būs vai nu jālodē vadi, vai jāizmanto maketēšanas plates (breadboard).

Pie maketēšanas plates var pievienot ne tikai Arduino plates barošanu un portus, bet arī citus elementus, piemēram, rezistorus, reģistrus utt.

Lodēšana ir uzticamāka un tiek izmantota ierīcēs, kas tiek pakļautas fiziskai iedarbībai, piemēram, robotu un kvadrokopteru vadības plates. Viedajai mājai labāk izmantot maketēšanas plates, jo tas ir vienkāršāk gan moduļa uzstādīšanā, gan noņemšanā.

Dažiem modeļiem (piemēram, Arduino Zero un MKR1000) darba spriegums ir 3,3 V, tāpēc, ja portiem tiek pievadīts lielāks spriegums, iespējams plates bojājums. Visa informācija par barošanu ir pieejama ierīces tehniskajā dokumentācijā.

Papildinājumu plates (shieldi)

Mātesplašu iespēju palielināšanai izmanto šildus (Shields) – papildu ierīces, kas paplašina funkcionalitāti. Tie tiek izgatavoti konkrētam formas faktoram, kas tos atšķir no moduļiem, kurus pieslēdz portiem. Šildi ir dārgāki par moduļiem, bet darbs ar tiem ir vienkāršāks. Tāpat tie ir aprīkoti ar gatavām koda bibliotēkām, kas paātrina pašu vadības programmu izstrādi “viedajai mājai”.

Proto un Sensor shieldi

Šie divi standarta šildi nepievieno nekādas īpašas funkcijas. Tos izmanto, lai kompaktāk un ērtāk pievienotu lielu skaitu moduļu.

Proto Shield ir praktiski pilnīga oriģināla kopija portu ziņā, un moduļa vidū var pielīmēt maketēšanas plati. Tas atvieglo konstrukcijas salikšanu. Šādi papildinājumi pastāv visām pilnaformāta Arduino platēm.

Proto Shield tiek novietots virs mātesplates. Tas nedaudz palielina konstrukcijas augstumu, bet ietaupa daudz vietas plaknē.

Bet ja ierīču ir ļoti daudz (vairāk nekā 10), tad labāk izmantot dārgākas komutācijas plates Sensor Shield.

Uz tām nav paredzēta maketēšanas plate, tomēr visiem portu izvadiem individuāli ir pievadīta barošana un zeme. Tas ļauj neapjukt vados un džemperos.

Mātesplates un sensoru plates virsmas laukums ir vienāds, tomēr uz shielda nav čipu, kondensatoru un citu elementu. Tāpēc atbrīvojas daudz vietas pilnvērtīgiem savienojumiem.

Tāpat uz šīs plates ir spailes vienkāršai vairāku moduļu pievienošanai: Bluetooth, SD kartes, RS232 (COM ports), radio un ultraskaņas.

Palīgfunkcionalitātes pievienošana

Shieldi ar tajos integrētu funkcionalitāti ir paredzēti sarežģītu, bet tipveida uzdevumu risināšanai. Ja nepieciešams realizēt oriģinālas idejas, labāk tomēr izvēlēties piemērotu moduli.

Motor Shield. Tas ir paredzēts mazjaudas motoru ātruma un griešanās kontrolei. Oriģinālais modelis ir aprīkots ar vienu L298 čipu un var darboties vienlaikus ar diviem līdzstrāvas motoriem vai vienu servopiedziņu. Ir arī saderīga detaļa no trešās puses ražotāja, kurai ir divi L293D čipi ar iespēju vadīt divreiz lielāku piedziņu skaitu.

Relay Shield. Bieži izmantots modulis “viedās mājas” sistēmās. Plate ar četriem elektromehāniskiem relejiem, katrs no tiem pieļauj strāvas caurplūdi līdz 5A. Ar to pietiek automātiskai kilovatierīču vai apgaismojuma līniju ieslēgšanai un izslēgšanai, kas paredzētas 220 V maiņstrāvai.

LCD Shield. Ļauj izvadīt informāciju uz iebūvēto ekrānu, kuru var uzlabot līdz TFT ierīcei. Šo paplašinājumu bieži izmanto meteostaciju izveidei ar temperatūras rādījumiem dažādās dzīvojamās telpās, piebūvēs, garāžā, kā arī temperatūras, mitruma un vēja ātruma uz ielas.

LCD Shield ir iebūvētas pogas, kas ļauj ieprogrammēt informācijas lapošanu un darbību izvēli, lai nosūtītu komandas mikroprocesoram.

Data Logging Shield. Moduļa galvenais uzdevums ir ierakstīt datus no sensoriem uz pilna formāta SD karti ar tilpumu līdz 32 Gb, atbalstot FAT32 failu sistēmu. Lai ierakstītu uz micro-SD karti, jāiegādājas adapteris. Šo shield var izmantot kā informācijas glabātuvi, piemēram, ierakstot datus no videoreģistratora. Amerikas firmas Adafruit Industries ražojums.

SD-card Shield. Vienkāršāka un lētāka iepriekšējā moduļa versija. Šādus paplašinājumus ražo daudzi ražotāji.

EtherNet Shield. Oficiālais modulis Arduino savienošanai ar internetu bez datora līdzdalības. Ir slots micro-SD kartei, kas ļauj ierakstīt un nosūtīt datus, izmantojot globālo tīklu.

Wi-Fi Shield. Ļauj veikt bezvadu informācijas apmaiņu ar šifrēšanas režīma atbalstu. Kalpo savienošanai ar internetu un ierīcēm, kuras var vadīt caur Wi-Fi.

GPRS Shield. Šo moduli parasti izmanto, lai savienotu “viedo māju” ar īpašnieku caur mobilo tālruni, izmantojot SMS ziņojumus.

“Viedās mājas” moduļi

Moduļu pievienošana no trešo pušu ražotājiem un iespēja ar tiem strādāt, izmantojot iebūvēto programmēšanas valodu, ir galvenā atvērtās Arduino sistēmas priekšrocība salīdzinājumā ar “firmas” risinājumiem “viedajai mājai”. Galvenais, lai moduļiem būtu saņemto vai pārraidīto signālu apraksts.

Informācijas iegūšanas veidi

Informācijas ievade var tikt veikta caur digitālajiem vai analogajiem portiem. Tas ir atkarīgs no pogas vai sensora veida, kas saņem informāciju un pārraida to uz plati.

Datorprogrammai digitālais signāls atbilst periodiem ar “0” un “1”, bet analogais signāls nosaka vērtību diapazonu atbilstoši tā izšķirtspējai.

Signālu uz mikroprocesoru var nosūtīt cilvēks, izmantojot divus veidus:

• Pogas (taustiņa) nospiešana. Šajā gadījumā loģiskais vads iet uz digitālo portu, kas saņem vērtību “0”, ja poga ir atlaista, un “1”, ja tā ir nospiesta.
• Pagriežamā potenciometra (rezistora) vāciņa griešana vai slīdņa sviras pārvietošana. Šajā gadījumā loģiskais vads iet uz analogo portu. Spriegums iet caur analogo-digitālo pārveidotāju, pēc kā dati nonāk pie mikroprocesora.

Pogas izmanto, lai sāktu kādu notikumu, piemēram, ieslēgtu vai izslēgtu gaismu, apkuri vai ventilāciju. Pagriežamos rokturus izmanto intensitātes maiņai – gaismas spilgtuma, skaļuma vai ventilatora lāpstiņu griešanās ātruma palielināšanai vai samazināšanai.

Potenciometrs ir vienkāršākā ierīce, tāpēc tas ir ļoti lēts. Tā galvenie raksturlielumi ir elektriskā pretestība un griešanās leņķis.

Lai automātiski noteiktu vides parametrus vai notikuma izcelsmi, tiek izmantoti sensori.

Lai darbinātu “viedo māju”, visvairāk pieprasītas ir šādas to šķirnes:

• Skaņas sensors. Šīs ierīces digitālos variantus izmanto, lai aktivizētu kādu notikumu ar aplaudēšanu vai balss komandu. Analogie modeļi ļauj atpazīt un apstrādāt skaņu.
• Gaismas sensors. Šīs ierīces var darboties gan redzamā, gan infrasarkanā diapazonā. Pēdējos var izmantot kā ugunsgrēka brīdinājuma sistēmu.
• Temperatūras sensors. Mājai un āra apstākļiem izmanto dažādus modeļus, jo āra sensori ir labāk aizsargāti pret mitruma iedarbību. Ir arī attālinātas ierīces uz vada.
• Gaisa mitruma sensors. Telpām der modelis DHT11, bet āra apstākļiem – dārgāks DHT22. Abas ierīces var arī sniegt temperatūras rādījumu. Tās pieslēdz digitālajam portam.
• Gaisa spiediena sensors. Sadarbībā ar Arduino platēm labi sevi pierādījuši Bosh firmas analogie barometri: bmp180, bmp280. Tie mēra arī temperatūru. Modeli bme280 var saukt par meteostaciju, jo tas papildus sniedz arī mitruma vērtību.
• Kustības un klātbūtnes sensori. Tos izmanto apsardzes nolūkos vai automātiskai gaismas ieslēgšanai.
• Lietus sensors. Tas reaģē uz ūdens nokļūšanu uz tā virsmas. To var izmantot arī, lai iedarbinātu trauksmi par ūdensvada vai apkures kontūra noplūdēm.
• Strāvas sensors. Tos izmanto, lai atklātu nestrādājošas elektroierīces (izdegušas spuldzes) vai analizētu spriegumu, lai novērstu pārslodzi.
• Gāzes noplūdes sensors. To izmanto, lai atklātu un reaģētu uz paaugstinātu propāna koncentrāciju.
• Oglekļa dioksīda sensors. To izmanto, lai noteiktu oglekļskābes koncentrāciju dzīvojamās istabās un īpašās telpās, piemēram, vīna pagrabos, kur notiek fermentācija.

Pastāv vēl daudz dažādu sensoru specifiskiem uzdevumiem, piemēram, svara, ūdens plūsmas ātruma, attāluma, augsnes mitruma u.tml. mērīšanai.

Daži sensori, piemēram, anemometrs, kas paredzēts vēja ātruma un virziena mērīšanai, ir sarežģītas elektromehāniskas ierīces

Daudzus sensorus var izgatavot pašrocīgi, izmantojot vienkāršākas sastāvdaļas. Tas izmaksās lētāk. Tomēr, atšķirībā no sērijveida ierīču lietošanas, būs jāvelta laiks kalibrēšanai.

Ierīču un sistēmu vadība

Papildus informācijas vākšanai un analīzei “viedajai mājai” ir jāreaģē uz notikumiem. Mūsdienu sadzīves ierīcēs esošā progresīvā elektronika ļauj tām piekļūt tieši, izmantojot Wi-Fi, GPRS vai EtherNet. Parasti Arduino sistēmām mikroprocesora un augsto tehnoloģiju ierīču savienošana tiek realizēta, izmantojot Wi-Fi.

Lai ar Arduino palīdzību ieslēgtu gaisa kondicionieri, kad mājā ir augsta temperatūra, bloķētu televizoru un internetu naktī bērnu istabā vai ieslēgtu apkures boileri pirms saimnieku ierašanās, ir jāveic trīs darbības:

1. Uzstādīt Wi-Fi moduli uz mātesplates.
2. Atrast neaizņemtus frekvenču kanālus, lai izvairītos no sistēmu konflikta.
3. Izprast ierīču komandas un ieprogrammēt darbības (vai izmantot gatavas bibliotēkas).

Papildus “saziņai” ar datorizētām ierīcēm bieži rodas uzdevumi, kas saistīti ar kādu mehānisku darbību veikšanu. Piemēram, pie plates var pievienot servo piedziņu vai nelielu reduktoru, kas tiks barots no tās.

Servo piedziņa sastāv no motoriņa un vairākiem reduktoriem. Tāpēc, neskatoties uz mazu strāvu (5 V), tā var attīstīt ievērojamu jaudu, kas pietiks, piemēram, lai atvērtu loga šķērsi.

Ja nepieciešams pieslēgt jaudīgas ierīces, kas darbojas no ārēja barošanas avota, izmanto divus variantus:

1. Relē iekļaušana ķēdē.
2. Jaudas slēdža un simistora pieslēgšana.

Elektriskajā ķēdē iekļaujamais elektromagnētiskais vai cietvielu relejs aizver un atver vienu no vadiem pēc komandas, kas nāk no mikroprocesora. To galvenā īpašība ir maksimāli pieļaujamā strāvas stiprums (piemēram, 40 A), kas var iziet caur šo ierīci.

Attiecībā uz jaudas slēdža (mosfeta) pieslēgšanu līdzstrāvai un simistora pieslēgšanu maiņstrāvai, tiem ir mazāka pieļaujamā strāvas stipruma vērtība (5-15 A), taču tie var vienmērīgi palielināt slodzi. Tieši šim nolūkam platēs ir paredzēti PWM porti. Šo īpašību izmanto apgaismojuma spilgtuma, ventilatoru rotācijas ātruma u.c. regulēšanā.

Ar relēm un jaudas slēdžiem var pilnībā automatizēt visas mājas elektriskās ķēdes un palaist ģeneratoru, ja nav strāvas. Tāpēc uz Arduino bāzes ir reāli īstenot dzīvokļa vai ēkas autonomu nodrošināšanu, iekļaujot visas īpaši svarīgās funkcijas – apkuri, ūdensapgādi, ūdens novadīšanu, ventilāciju un apsardzes sistēmu.

Vai vēlaties, lai jūsu māja kļūtu gudrāka, bet ar programmēšanu esat uz “jūs”? Tādā gadījumā iesakām apskatīt gatavus risinājumus no Xiaomi un Apple, kurus ir viegli uzstādīt un konfigurēt pat iesācējam. Komandas dot un to izpildi kontrolēt var pat no sava viedtālruņa.

Vairāk par viedo māju no Xiaomi un Apple nākamajos rakstos:

• Xiaomi viedā māja: projektēšanas īpatnības, galveno mezglu un darba elementu apskats
• Apple viedā māja: mājas vadības sistēmu organizācijas smalkumi no “ābolu” uzņēmuma

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Patsamontētas iesācēja līmeņa sagataves piemērs “viedajai mājai”:

Atvērtība Arduino platformai ļauj izmantot dažādu ražotāju komponentus. Tas ļauj viegli izveidot “viedo māju” atbilstoši lietotāja vajadzībām. Tāpēc, ja ir kaut nelielas zināšanas programmēšanas un elektronisko ierīču pieslēgšanas jomā, uz šo sistēmu ir vērts pievērst uzmanību.

Vai jūs praktiski pazīstat Arduino platformu un vēlaties dalīties savā pieredzē ar iesācējiem šajā jomā? Varbūt vēlaties papildināt iepriekš minēto materiālu ar noderīgiem ieteikumiem vai piezīmēm? Rakstiet savus komentārus zem šīs publikācijas.

Ja jums ir radušies jautājumi par automatizētās mājas sistēmas projektēšanu uz Arduino bāzes, uzdodiet tos mūsu ekspertiem un citiem vietnes apmeklētājiem zemāk esošajā blokā.