Išmanieji namai su Arduino valdikliais: valdomos erdvės projektavimas ir organizavimas

Automatizavimo priemonių plėtra paskatino kurti kompleksines sistemas, gerinančias žmogaus gyvenimo kokybę. Daugelis žinomų elektronikos ir programinės įrangos gamintojų siūlo paruoštus tipinius sprendimus įvairiems objektams.

Sukurti savarankiškus projektus ir surinkti pagal savo poreikius “išmanų namą” su Arduino gali net nepatyręs vartotojas. Svarbiausia – suprasti pagrindus ir nebijoti eksperimentuoti.

Šiame straipsnyje apžvelgsime automatizuoto namo, pagrįsto Arduino įrenginiais, kūrimo principą ir pagrindines funkcijas. Taip pat apžvelgsime naudojamas plokščių rūšis ir pagrindinius sistemos modulius.

Sistemų kūrimas Arduino platformoje

Arduino – platforma kurti elektroninius įrenginius su automatiniu, pusiau automatiniu ar rankiniu valdymu. Ji sukurta konstruktoriaus principu su aiškiai apibrėžtomis elementų sąveikos taisyklėmis. Sistema yra atvira, todėl trečiosios šalys gamintojai gali dalyvauti jos vystyme.

Klasikinis “išmanus namas” susideda iš automatizuotų blokų, kurie atlieka šias funkcijas:

• renka reikiamą informaciją per jutiklius;
• analizuoja duomenis ir priima sprendimus naudojant programuojamą mikroprocesorių;
• įgyvendina priimtus sprendimus, duodami komandas įvairiems įrenginiams.

Arduino platforma yra gera būtent tuo, kad nėra susieta su konkrečiu gamintoju, o leidžia vartotojui pačiam pasirinkti tinkamus komponentus. Jų pasirinkimas yra didžiulis, todėl galima realizuoti beveik bet kokias idėjas.

Rekomenduojame susipažinti su geriausiais išmaniaisiais namų įrenginiais.

Norint išmokti dirbti su Arduino, gamintojo svetainėje galima įsigyti pradinį rinkinį (Starter Kit). Techninės anglų kalbos žinojimas yra privalomas, nes dokumentacija nėra išversta į rusų kalbą.

Be prijungiamų įrenginių įvairovės, variatyvumo prideda programavimo aplinka, realizuota C++ kalba. Vartotojas gali ne tik naudotis sukurtomis bibliotekomis, bet ir pats užprogramuoti sistemos komponentų reakciją į kylančius įvykius.

Pagrindiniai plokščių elementai

Pagrindinis “išmaniojo namo” elementas yra viena ar kelios centrinės (motininės) plokštės. Jos atsako už visų elementų sąveiką. Tik nustačius uždavinius, kuriuos reikės spręsti, galima pradėti rinktis pagrindinį sistemos mazgą.

Motininė plokštė apima šiuos elementus:

• Mikrovaldiklis (procesorius). Pagrindinė jo paskirtis – išduoti ir matuoti įtampą prievaduose 0-5 arba 0-3,3 V diapazone, įsiminti duomenis ir atlikti skaičiavimus.
• Programatorius (yra ne visose plokštėse). Šiuo įrenginiu į mikrovaldiklio atmintį įrašoma programa, pagal kurią veiks “išmanusis namas”. Prie kompiuterio, planšetės, išmaniojo telefono ar kito įrenginio jis prijungiamas naudojant USB sąsają.
• Įtampos stabilizatorius. Reikalingas 5 voltų įrenginys, būtinas visos sistemos maitinimui.

Po Arduino prekės ženklu išleidžiama keletas plokščių modelių. Jie skiriasi vienas nuo kito formos faktoriu (dydžiu), prievadų skaičiumi ir atminties talpa. Pagal šiuos rodiklius reikia rinktis tinkamą įrenginį.

Arduino plokštes ir jų skydus geriau įsigyti tiesiai iš gamintojo, nes jie yra kokybiškesni nei suderinami įrenginiai, gaminami Kinijoje

Egzistuoja dviejų rūšių prievadai:

• skaitmeniniai, pažymėti plokštėje raidėmis “d”;
• analoginiai, pažymėti raide “a”.

Jų dėka mikrovaldiklis palaiko ryšį su prijungtais įrenginiais. Bet kuris prievadas gali veikti tiek signalo gavimo, tiek jo perdavimo režimu. Skaitmeniniai prievadai su žyma “pwm” yra skirti PWM tipo signalo įvesti ir išvesti (impulsų pločio moduliacija).

Todėl prieš įsigyjant plokštę, būtina bent apytiksliai įvertinti jos apkrovimo lygį įvairiais įrenginiais. Tai leis nustatyti reikiamą visų tipų prievadų skaičių.

Be to, reikia suprasti, kad “išmaniojo namo” sistema nebūtinai turi būti susieta su vienos motininės plokštės pagrindu veikiančiu valdymo bloku. Tokios funkcijos kaip, pavyzdžiui, dirbtinio apšvietimo įjungimas prie namo esančioje teritorijoje priklausomai nuo paros meto ir vandens rezervo palaikymas akumuliaciniame rezervuare yra tarpusavyje nepriklausomos.

Elektroninės sistemos patikimumo užtikrinimo požiūriu geriau nesusijusias užduotis išskirstyti po skirtingus blokus, o Arduino koncepcija tai leidžia lengvai padaryti. Tačiau jei vienoje vietoje sujungsite daug įrenginių, gali perkaisti mikroprocesorius, kilti programinių bibliotekų konfliktų ir sunkumų ieškant bei šalinant programines ir aparatinės įrangos problemas.

Daugelio skirtingų tipų įrenginių prijungimas prie vienos plokštės paprastai taikomas robotikoje, kur svarbus kompaktiškumas. “Išmaniesiems namams” geriau kiekvienai užduočiai naudoti savo pagrindą.

Kiekvienas mikroprocesorius aprūpintas trimis atminties rūšimis:

• Flash Memory. Pagrindinė atmintis, kurioje saugomas sistemos valdymo programos kodas. Nedidelę jos dalį (3–12 %) užima įdiegta įkrovos programa (bootloader).
• SRAM. Operatyvioji atmintis, kurioje saugomi laikini duomenys, reikalingi programos veikimui. Pasižymi dideliu darbo greičiu.
• EEPROM. Lėtesnė atmintis, kurioje taip pat galima saugoti duomenis.

Pagrindinis atminties rūšių skirtumas yra tas, kad išjungus elektros energiją, informacija, įrašyta į SRAM, prarandama, o EEPROM lieka. Tačiau nuo energijos nepriklausomas tipas turi ir trūkumą – ribotą įrašymo ciklų skaičių. Tai reikia atsiminti kuriant savo programas.

Skirtingai nei naudojant Arduino robotikoje, daugeliui “išmaniųjų namų” užduočių nereikia daug atminties nei programoms, nei informacijos saugojimui.

Plokščių rūšys išmaniam namui surinkti

Panagrinėkime pagrindinius plokščių tipus, kurie dažniausiai naudojami surenkant išmaniojo namo sistemą.

Rūšis #1 — Arduino Uno ir jo išvestinės

Dažniausiai “išmaniojo namo” sistemose naudojamos Arduino Uno ir Arduino Nano plokštės. Jos turi pakankamai funkcionalumo tipinėms užduotims spręsti.

Visiškų plokščių maitinimas nuo 7–12 voltų įtampos suteikia daug privalumų. Visų pirma, tai galimybė ilgai veikti autonomiškai nuo standartinių baterijų ar akumuliatorių.

Pagrindiniai Arduino Uno Rev3 parametrai:

• procesorius: ATMega328P (8 bitai, 16 MHz);
• skaitmeninių prievadų skaičius: 14;
• iš jų su PWM funkcija: 6;
• analoginių prievadų skaičius: 6;
• flash atmintinė: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Neseniai išleista modifikacija – Uno Wi-Fi, turinti integruotą ESP8266 modulį, leidžiantį keistis informacija su kitais įrenginiais pagal 802.11 b/g/n standartą.

Arduino Nano skirtumas nuo savo didesnio analogo yra tai, kad jis neturi savo 12 V maitinimo lizdo. Taip padaryta norint pasiekti mažesnį įrenginio dydį, todėl jį lengva paslėpti mažoje erdvėje. Be to, tam standartinis USB ryšys pakeistas lustu su mini-USB kabeliu. Arduino Nano turi dviem analoginiais prievadais daugiau nei Uno.

Yra dar viena Uno plokštės modifikacija – Arduino Mini. Ji dar mažesnė nei Nano, ir su ja dirbti daug sunkiau. Pirma, USB prievado nebuvimas sukelia problemų dėl programavimo, nes tam teks naudoti USB-Serial Converter. Antra, ši plokštė yra išrankesnė maitinimo atžvilgiu – būtina užtikrinti 7–9 V įėjimo įtampos diapazoną.

Dėl pirmiau aprašytų priežasčių Arduino Mini plokštė retai naudojama “protingų namų” darbui. Paprastai ji taikoma arba robotikoje, arba įgyvendinant jau paruoštus projektus.

Rūšis #2 — Arduino Leonardo ir Micro

Arduino Leonardo plokštė yra panaši į Uno, tačiau šiek tiek galingesnė. Įdomi šio modelio ypatybė yra ta, kad prijungus prie kompiuterio jis identifikuojamas kaip klaviatūra, pelė arba vairasvirtė. Todėl ji dažnai naudojama kuriant originalius žaidimų įrenginius ir simuliatorius.

Uno, Leonardo modelių ir jų miniatiūrinių analogų dydžių ir matmenų lentelė. Kūrėjai nesilaikė logikos pavadinimuose – “nano” turėtų būti mažiausia

Pagrindiniai Arduino Leonardo parametrai yra šie:

• procesorius: ATMega32u4 (8 bitų, 16 MHz);
• skaitmeninių prievadų skaičius: 20;
• iš jų su PWM funkcija: 7;
• analoginių prievadų skaičius: 12;
• flash atmintinė: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Kaip matyti iš pateikto parametrų sąrašo, Leonardo turi daugiau prievadų, o tai leidžia šį modelį apkrauti didesniu sensorių skaičiumi.

Taip pat Leonardo yra pagal charakteristikas absoliučiai identiškas miniatiūrinis analogas pavadinimu Micro. Jam trūksta 12 V maitinimo, o vietoj pilnaverčio USB įėjimo yra mini-USB kabelio lizdas.

Leonardo modifikacija pavadinimu Esplora – grynai žaidimų modelis ir “protingų namų” poreikiams netinka.

Rūšis #3 — Arduino 101, Arduino Zero ir Arduino MKR1000

Kartais “protingų namų” sistemoms, įgyvendintoms Arduino pagrindu, reikalingas didelis skaičiavimo pajėgumas, kurio 8 bitų mikrovaldikliai negali užtikrinti. Tokios užduotys kaip balso ar vaizdo atpažinimas reikalauja greito procesoriaus ir didelės tokiems įrenginiams reikšmingos operatyviosios atminties kiekio.

Tokioms specifinėms užduotims spręsti naudojamos galingos plokštės, veikiančios pagal Arduino koncepciją. Prievadų skaičius jose yra maždaug toks pat, kaip ir Uno ar Leonardo plokštėse.

Arduino 101 turi tokius pačius matmenis kaip Uno arba Leonardo, tačiau sveria beveik dvigubai daugiau. To priežastis – dviejų USB įėjimų ir papildomų mikroschemų buvimas

Viena iš paprasčiausių naudoti, tačiau galingų plokščių – Arduino 101 turi šias charakteristikas:

• procesorius: Intel Curie (32 bitų, 32 MHz);
• flash atmintis: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: nėra.

Papildomai plokštė turi BLE funkcijas (Bluetooth Low Energy) su galimybe lengvai prijungti paruoštus sprendimus, tokius kaip širdies plakimo jutiklis, orų informacijos gavimas lauke, tekstinių pranešimų siuntimas ir kt. Taip pat įrenginyje integruotas giroskopas ir akselerometras, tačiau jie dažniausiai naudojami robotikoje.

Dar viena panaši plokštė – Arduino Zero turi šiuos rodiklius:

• procesorius: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• flash atmintis: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: nėra.

Išskirtinis šio modelio bruožas yra įtaisytas derintuvas (EDBG). Su jo pagalba programuojant plokštę kur kas paprasčiau surasti klaidas.

Rašant didelės apimties kodą, net ir aukštos kvalifikacijos programuotojui pasitaiko klaidų. Joms surasti naudojamas derintuvas (debugger).

Arduino MKR1000 – dar vienas modelis, tinkamas galingiems skaičiavimams. Jis turi mikroprocesorių ir atmintį, analogiškus Zero. Pagrindinis jo skirtumas – integruotas Wi-Fi lustas su 802.11 b/g/n protokolu ir kriptografinis lustas, palaikantis SHA-256 algoritmą perduodamų duomenų apsaugai.

Rūšis #4 — Mega šeimos modeliai

Kartais reikia naudoti daug jutiklių ir valdyti nemažą skaičių įrenginių. Pavyzdžiui, to reikia automatiniam paskirstyto kondicionavimo sistemų veikimui, kurios palaiko tam tikrą temperatūrą atskirose zonose.

Kiekvienoje lokalioje zonoje reikia stebėti dviejų temperatūros jutiklių rodmenis (antrasis naudojamas kaip kontrolinis) ir pagal algoritmą reguliuoti sklendės padėtį, lemiančią šilto oro tiekimo kiekį.

Jei tokių zonų namelyje yra daugiau nei 10, tai visai sistemai valdyti reikia daugiau nei 30 prievadų. Žinoma, galima naudoti kelias Uno tipo plokštes, valdomas vienos iš jų, tačiau tai sukuria papildomų komutavimo sunkumų. Tokiu atveju tikslinga naudoti Mega šeimos modelius.

Mega šeimos plokščių dydis (101.5 x 53.4 cm) yra didesnis nei anksčiau aptartų modelių. Tai techninė būtinybė – kitaip tokio kiekio prievadų nepatalpintumėte.

Arduino Mega plokštė pastatyta ant gana paprasto 8 bitų, 16 MHz dažnio mikroprocesoriaus aTMega1280.

Ji pasižymi dideliu atminties kiekiu:

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

Tačiau pagrindinis jos privalumas – daugybė prievadų:

• skaitmeninių prievadų kiekis: 54;
• iš jų su PWM funkcija: 15;
• analoginių prievadų kiekis: 16.

Ši plokštė turi dvi šiuolaikines atmainas:

• Mega 2560 yra sukurta naudojant aTMega2560 mikroprocesorių, kuris išsiskiria didesne flash atmintimi – 256 KB;
• Mega ADK, be aTMega2560 mikroprocesoriaus, turi USB sąsają, leidžiančią prijungti prie Android operacinės sistemos įrenginių.

Arduino Mega ADK modelis turi vieną ypatybę. Prijungus telefoną prie USB įvesties, galima tokia situacija: jei telefonui reikės įkrovimo, jis pradės jį “traukti” iš plokštės. Todėl yra papildomas reikalavimas elektros energijos šaltiniui – jis turi užtikrinti 1,5 ampero srovės stiprumą. Maitinant baterijomis, šią sąlygą reikia atsižvelgti.

Autonominį Arduino maitinimą galima sukurti naudojant prijungtus akumuliatorius arba baterijas. Derinant nuoseklųjį ir lygiagretųjį sujungimą, galima pasiekti reikiamą įtampą ir ilgą veikimo laiką.

Due – dar vienas Arduino modelis, jungiantis mikroprocesoriaus galią ir daugybę prievadų.

Jos charakteristikos yra šios:

• procesorius: Atmel SAM3X8E (32 bitų, 84 MHz);
• skaitmeninių prievadų kiekis: 54;
• iš jų su PWM funkcija: 12;
• analoginių prievadų skaičius: 14;
• flash atmintis: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: nėra.

Šios plokštės analoginiai kontaktai gali veikti tiek įprasta Arduino 10 bitų skyra, kuri sukurta dėl suderinamumo su ankstesniais modeliais, tiek 12 bitų skyra, leidžiančia gauti tikslesnį signalą.

Modulių sąveikos per prievadus ypatumai

Visi moduliai, kurie bus prijungti prie plokštės, turi mažiausiai tris išėjimus. Du iš jų – maitinimo laidai, t. y. “žemė”, taip pat 5 arba 3,3 V įtampa. Trečiasis laidas yra loginis. Juo perduodami duomenys į prievadą. Moduliams prijungti naudojami specialūs, po tris sugrupuoti laidai, kurie kartais vadinami džemperiais.

Kadangi Arduino modeliuose paprastai yra tik 1 prievadas su įtampa ir 1-2 prievadai su “žeme”, norint prijungti kelis įrenginius reikės arba lituoti laidus, arba naudoti maketines plokštes (breadboard).

Prie maketinės plokštės galima prijungti ne tik Arduino plokštės maitinimą ir prievadus, bet ir kitus elementus, pvz., rezistorius, registrus ir kt.

Litavimas yra patikimesnis ir taikomas įrenginiuose, kurie patiria fizinį poveikį, pavyzdžiui, robotų ir kvadrokopterių valdymo plokštėse. Išmaniajam namui geriau naudoti maketines plokštes, nes tai paprasčiau tiek montuojant, tiek pašalinant modulį.

Kai kurių modelių (pvz., Arduino Zero ir MKR1000) darbinė įtampa yra 3,3 V, todėl jei į prievadus paduodama didesnė vertė, galima sugadinti plokštę. Visa informacija apie maitinimą pateikiama įrenginio techninėje dokumentacijoje.

Papildomos plokštės (shield'ai)

Siekiant padidinti pagrindinių plokščių galimybes, naudojami šildai (Shields) – funkcionalumą plečiantys papildomi įrenginiai. Jie gaminami pagal konkretų formos faktorių, kuo skiriasi nuo modulių, kurie jungiami prie prievadų. Šildai yra brangesni už modulius, tačiau dirbti su jais paprasčiau. Be to, jie turi paruoštas kodo bibliotekas, o tai pagreitina savų valdymo programų kūrimą “išmaniajam namui”.

Proto ir Sensor shield'ai

Šie du standartiniai šildai nesuteikia jokių ypatingų funkcijų. Jie naudojami kompaktiškesniam ir patogesniam daugelio modulių prijungimui.

Proto Shield yra beveik pilna originalo kopija pagal prievadus, o modulio viduryje galima priklijuoti maketinę plokštę. Tai palengvina konstrukcijos surinkimą. Tokie priedai egzistuoja visoms pilno formato Arduino plokštėms.

Proto Shield dedamas ant motininės plokštės. Tai nežymiai padidina konstrukcijos aukštį, bet sutaupo daug vietos plokštumoje.

Bet jei įrenginių yra labai daug (daugiau nei 10), geriau naudoti brangesnes jungiamąsias plokštes Sensor Shield.

Jose nėra numatytas bradbordas, tačiau prie visų prievadų išvadų atskirai prijungtas maitinimas ir žemė. Tai leidžia nesusipainioti laiduose ir trumpikliuose.

Motininės ir sensorių plokščių paviršiaus plotas yra vienodas, tačiau ant šildo nėra lustų, kondensatorių ir kitų elementų. Todėl atsilaisvina daug vietos pilnaverčiams prijungimams.

Taip pat šioje plokštėje yra lizdai paprastam kelių modulių prijungimui: Bluetoots, SD kortelės, RS232 (COM prievado), radijo ir ultragarso.

Pagalbinių funkcijų prijungimas

Šildai su integruotu funkcionalumu yra skirti sudėtingoms, bet tipinėms užduotims spręsti. Esant poreikiui įgyvendinti originalias idėjas, vis dėlto geriau pasirinkti tinkamą modulį.

Motor Shield. Jis skirtas mažos galios variklių greičio ir sukimosi valdymui. Originalus modelis turi vieną L298 lustą ir gali vienu metu dirbti su dviem nuolatinės srovės varikliais arba vienu servo pavara. Taip pat yra suderinama dalis iš trečiosios šalies gamintojo, kuri turi du L293D lustus su galimybe valdyti dvigubai daugiau pavarų.

Relay Shield. Dažnai naudojamas modulis “protingo namo” sistemose. Plokštė su keturiais elektromechaniniais rele, kurių kiekviena leidžia praleisti iki 5A stiprumo srovę. To pakanka automatiškai įjungti ir išjungti kilovatų prietaisus arba apšvietimo linijas, skirtas kintamajai 220 V srovei.

LCD Shield. Leidžia rodyti informaciją įmontuotame ekrane, kurį galima atnaujinti iki TFT įrenginio. Šis plėtinys dažnai naudojamas kuriant meteorologines stotis su temperatūros rodmenimis įvairiose gyvenamosiose patalpose, priestatuose, garaže, taip pat temperatūros, drėgmės ir vėjo greičio rodmenimis lauke.

LCD Shield turi įmontuotus mygtukus, leidžiančius užprogramuoti informacijos perjungimą ir veiksmų pasirinkimą komandoms perduoti į mikroprocesorių.

Data Logging Shield. Pagrindinė modulio užduotis – įrašyti duomenis iš jutiklių į pilno formato SD kortelę, talpinančią iki 32 Gb su FAT32 failų sistemos palaikymu. Norint įrašyti į mikro-SD kortelę, reikia įsigyti adapterį. Šį shield'ą galima naudoti kaip informacijos saugyklą, pavyzdžiui, įrašant duomenis iš vaizdo registratoriaus. Pagaminta amerikiečių firmos Adafruit Industries.

SD-card Shield. Paprastesnė ir pigesnė ankstesnio modulio versija. Tokius praplėtimus gamina daugelis gamintojų.

EtherNet Shield. Oficialus modulis Arduino ryšiui su internetu nenaudojant kompiuterio. Yra mikro-SD kortelės lizdas, leidžiantis įrašyti ir siųsti duomenis per pasaulinį tinklą.

Wi-Fi Shield. Leidžia vykdyti belaidžius informacijos mainus su šifravimo režimo palaikymu. Naudojamas ryšiui su internetu ir įrenginiais, kuriuos galima valdyti per Wi-Fi.

GPRS Shield. Šis modulis paprastai naudojamas “protingo namo” ryšiui su savininku mobiliuoju telefonu per SMS žinutes.

Moduliai “išmanaus namo”

Trečiųjų šalių gamintojų modulių prijungimas ir galimybė su jais dirbti naudojant įmontuotą programavimo kalbą – pagrindinis atviros Arduino sistemos privalumas, palyginti su “firminiais” sprendimais, skirtais “protingam namui”. Svarbiausia, kad moduliai turėtų gaunamų arba perduodamų signalų aprašymus.

Informacijos gavimo būdai

Informacijos įvedimas gali būti atliktas per skaitmeninius arba analoginius prievadus. Tai priklauso nuo mygtuko arba jutiklio tipo, kuris gauna informaciją ir perduoda ją į plokštę.

Kompiuterinei programai skaitmeninis signalas atitinka laikotarpius su “0” ir “1”, o analoginis nustato verčių diapazoną pagal savo matmenį.

Signalą į mikroprocesorių gali siųsti žmogus, kuris tam naudoja du būdus:

• Mygtuko (klavišo) paspaudimas. Loginis laidas šiuo atveju eina į skaitmeninį prievadą, kuris gauna reikšmę “0”, kai mygtukas atleistas, ir “1”, kai jis paspaustas.
• Sukamojo potenciometro (rezistoriaus) gaubtelio sukimas arba slankiojo svirties stūmimas. Šiuo atveju loginis laidas eina į analoginį prievadą. Įtampa praeina per analoginį-skaitmeninį keitiklį, po to duomenys patenka į mikroprocesorių.

Mygtukai naudojami kokiam nors įvykiui pradėti, pavyzdžiui, šviesos, šildymo ar vėdinimo įjungimui ir išjungimui. Sukamosios rankenėlės naudojamos intensyvumui keisti – šviesos ryškumo, garso garsumo ar ventiliatoriaus menčių sukimosi greičio didinimui ar mažinimui.

Potenciometras yra paprasčiausias įtaisas, todėl kainuoja labai pigiai. Pagrindinės jo charakteristikos – elektrinė varža ir pasukimo kampas.

Automatiniam aplinkos parametrų ar įvykio kilmės nustatymui naudojami davikliai.

Išmaniojo namo veikimui labiausiai paklausios šios jų rūšys:

• Garso daviklis. Skaitmeniniai šio įtaiso variantai naudojami įvykiui aktyvuoti plojimu arba balsu. Analoginiai modeliai leidžia atpažinti ir apdoroti garsą.
• Šviesos daviklis. Šie prietaisai gali veikti tiek matomame, tiek infraraudonajame diapazone. Pastarieji gali būti naudojami kaip gaisro perspėjimo sistema.
• Temperatūros daviklis. Namui ir lauke naudojami skirtingi modeliai, nes lauko yra geriau apsaugoti nuo drėgmės poveikio. Taip pat yra nuotoliniai įrenginiai su laidu.
• Oro drėgmės daviklis. Patalpai tinka modelis DHT11, o lauke – brangesnis DHT22. Abu prietaisai taip pat gali rodyti temperatūrą. Jungiami prie skaitmeninio prievado.
• Oro slėgio daviklis. Darbui su Arduino plokštėmis gerai pasiteisino analoginiai Bosh firmos barometrai: bmp180, bmp280. Jie taip pat matuoja temperatūrą. Modelį bme280 galima vadinti meteorologine stotele, nes jis papildomai pateikia ir drėgmės vertę.
• Judėjimo ir buvimo davikliai. Jie naudojami apsaugos tikslais arba automatiškai įjungti šviesą.
• Lietaus daviklis. Reaguoja į vandens patekimą ant jo paviršiaus. Jis taip pat gali būti naudojamas signalizacijai apie vandentiekio ar šildymo kontūro nuotėkius.
• Srovės daviklis. Jie naudojami neveikiantiems elektros prietaisams (perdegusioms lempoms) aptikti arba įtampai analizuoti, kad būtų išvengta perkrovos.
• Dujų nuotėkio daviklis. Naudojamas aptikti ir reaguoti į padidėjusią propano koncentraciją.
• Anglies dioksido daviklis. Jis naudojamas anglies rūgšties koncentracijai nustatyti gyvenamuosiuose kambariuose ir specialiose patalpose, pavyzdžiui, vyno rūsiuose, kur vyksta fermentacija.

Egzistuoja dar daug įvairių daviklių specifinėms užduotims, pavyzdžiui, svoriui, vandens tėkmės greičiui, atstumui, dirvožemio drėgmei ir t.t. matuoti.

Kai kurie davikliai, tokie kaip anemometras, skirtas vėjo greičiui ir krypčiai matuoti, yra sudėtingi elektromechaniniai prietaisai.

Daugelį sensorių ir daviklių galima pasigaminti savarankiškai, naudojant paprastesnius komponentus. Tai kainuos pigiau. Tačiau, skirtingai nei naudojant serijinius įrenginius, teks sugaišti laiko kalibravimui.

Prietaisų ir sistemų valdymas

Be informacijos rinkimo ir analizės “protingas namas” turi reaguoti į kylančius įvykius. Pažangios elektronikos buvimas šiuolaikiniuose buitiniuose prietaisuose leidžia tiesiogiai su jais bendrauti naudojant Wi-Fi, GPRS arba EtherNet. Paprastai Arduino sistemoms mikroprocesoriaus ir aukštųjų technologijų įrenginių sujungimas įgyvendinamas per Wi-Fi.

Norint naudojant Arduino įjungti kondicionierių, kai namuose aukšta temperatūra, blokuoti televizorių ir internetą naktį vaikų kambaryje arba paleisti šildymo boilerį prieš šeimininkų atvykimą, reikia atlikti tris veiksmus:

1. Įdiegti Wi-Fi modulį į pagrindinę plokštę.
2. Rasti neužimtus dažnio kanalus, kad būtų išvengta sistemų konflikto.
3. Išsiaiškinti prietaisų komandas ir užprogramuoti veiksmus (arba pasinaudoti paruoštomis bibliotekomis).

Be “bendravimo” su kompiuterizuotais prietaisais dažnai iškyla užduočių, susijusių su mechaninių veiksmų atlikimu. Pavyzdžiui, prie plokštės galima prijungti servo pavarą arba nedidelį reduktorių, kuris bus maitinamas iš jos.

Servo pavara susideda iš varikliuko ir kelių reduktorių. Todėl, nepaisant mažos srovės (5 V), ji gali išvysti nemažą galią, kurios užteks, pavyzdžiui, lango varčiai atidaryti.

Esant poreikiui prijungti galingus įrenginius, veikiančius iš išorinio maitinimo šaltinio, naudojami du variantai:

1. Relės įtraukimas į grandinę.
2. Galios rakto ir simistoriaus prijungimas.

Į elektros grandinę įjungiama elektromagnetinė arba kietojo kūno relė uždaro ir atidaro vieną iš laidų pagal iš mikroprocesoriaus gaunamą komandą. Pagrindinė jų charakteristika – didžiausia leistina srovė (pavyzdžiui, 40 A), kuri gali tekėti per šį prietaisą.

Kalbant apie galios rakto (mosfeto) nuolatinei srovei ir simistoriaus kintamajai srovei prijungimą, jie pasižymi mažesne leistina srove (5-15 A), bet gali sklandžiai didinti apkrovą. Būtent tam plokštėse yra numatyti PWM prievadai. Ši savybė naudojama reguliuojant apšvietimo ryškumą, ventiliatorių sukimosi greitį ir pan.

Naudojant reles ir galios raktus galima visiškai automatizuoti visas namo elektros grandines ir paleisti generatorių, kai nėra elektros. Todėl Arduino pagrindu realu įgyvendinti autonominį buto ar pastato aprūpinimą, įskaitant visas ypač svarbias funkcijas – šildymą, vandens tiekimą, vandens šalinimą, vėdinimą ir apsaugos sistemą.

Ar norite, kad jūsų namai taptų protingesni, bet programavimas jums “svetimas”? Tokiu atveju rekomenduojame pažvelgti į paruoštus Xiaomi ir Apple sprendimus, kuriuos nesunku įdiegti ir sukonfigūruoti net pradedančiajam. O komandas duoti ir stebėti jų vykdymą galima net iš savo išmaniojo telefono.

Daugiau apie „protingą namą“ iš Xiaomi ir Apple kitose publikacijose:

• Išmanusis namas Xiaomi: projektavimo ypatumai, pagrindinių mazgų ir darbo elementų apžvalga
• Apple išmanusis namas: namo valdymo sistemų organizavimo subtilybės iš „obuolinės“ kompanijos

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Pavyzdys savarankiškai surinkto pradinio lygio ruošinio “išmaniam namui”:

Arduino platformos atvirumas leidžia naudoti įvairių gamintojų komponentus. Tai leidžia lengvai sukonstruoti “išmanų namą” pagal vartotojo poreikius. Todėl, jei turite bent minimalių programavimo ir elektroninių prietaisų prijungimo žinių, verta atkreipti dėmesį į šią sistemą.

Ar Jūs praktiškai esate susipažinę su Arduino platforma ir norite pasidalinti savo patirtimi su šios srities pradedančiaisiais? Galbūt Jūs norite papildyti aukščiau pateiktą medžiagą naudingomis rekomendacijomis ar pastabomis? Rašykite savo komentarus po šia publikacija.

Jei Jums kilo klausimų dėl automatizuoto namo sistemos projektavimo Arduino pagrindu, užduokite juos mūsų ekspertams ir kitiems svetainės lankytojams žemiau esančiame bloke.