Inteligentný dom na báze riadiacich jednotiek Arduino: projektovanie a organizácia riadeného priestoru

Rozvoj automatizačných prostriedkov viedol k vytvoreniu komplexných systémov, ktoré zlepšujú kvalitu života človeka. Mnohí známi výrobcovia elektroniky a softvérových prostredí ponúkajú hotové typové riešenia pre rôzne objekty.

Vypracovať samostatné projekty a zostaviť podľa svojich potrieb “inteligentný dom” na Arduine dokáže aj neskúsený používateľ. Hlavné je pochopiť základy a nebáť sa experimentovať.

V tomto článku sa pozrieme na princíp vytvorenia a hlavné funkcie automatizovaného domu na báze zariadení Arduino. Tiež sa pozrieme na používané typy dosiek a hlavné moduly systému.

Vytváranie systémov na platforme Arduino

Arduino – platforma na vývoj elektronických zariadení s automatickým, poloautomatickým alebo ručným riadením. Je vyrobená podľa princípu stavebnice s jasne definovanými pravidlami interakcie medzi prvkami. Systém je otvorený, čo umožňuje tretím výrobcom podieľať sa na jeho vývoji.

Klasický “inteligentný dom” pozostáva z automatizovaných blokov, ktoré vykonávajú nasledujúce funkcie:

• získavajú potrebné informácie cez senzory;
• analyzujú údaje a prijímajú rozhodnutia pomocou programovateľného mikroprocesora;
• realizujú prijaté rozhodnutia vydávaním príkazov rôznym zariadeniam.

Platforma Arduino je dobrá práve tým, že sa neuzatvára na určitom výrobcovi, ale umožňuje spotrebiteľovi samému vybrať vhodné komponenty. Ich výber je obrovský, takže je možné realizovať prakticky akékoľvek nápady.

Odporúčame oboznámiť sa s najlepšími inteligentnými zariadeniami pre domácnosť.

Na učenie sa práce s Arduino je možné na stránke výrobcu zakúpiť štartovaciu súpravu (Starter Kit). Znalosť technickej angličtiny je povinná, pretože dokumentácia nie je rusifikovaná.

Okrem rôznorodosti pripojiteľných zariadení pridáva variabilitu programovacie prostredie implementované v jazyku C++. Používateľ môže nielen využiť vytvorené knižnice, ale aj sám naprogramovať reakciu komponentov systému na vznikajúce udalosti.

Základné prvky dosiek

Hlavným prvkom “inteligentného domu” je jedna alebo viac centrálnych (materských) dosiek. Zodpovedajú za vzájomné prepojenie všetkých prvkov. Až po určení úloh, ktoré bude potrebné vyriešiť, je možné pristúpiť k výberu hlavného uzla systému.

Materská doska v sebe spája tieto prvky:

• Mikrokontrolér (procesor). Jeho hlavným účelom je vydávať a merať napätie v portoch v rozsahu 0-5 alebo 0-3.3 V, ukladať dáta a vykonávať výpočty.
• Programátor (nie je súčasťou všetkých dosiek). Pomocou tohto zariadenia sa do pamäte mikrokontroléra zapíše program, podľa ktorého bude fungovať “inteligentný dom”. K počítaču, tabletu, smartfónu alebo inému zariadeniu sa pripája pomocou USB rozhrania.
• Stabilizátor napätia. Je potrebné zariadenie na 5 voltov, ktoré je potrebné na napájanie celého systému.

Pod značkou Arduino sa vyrába niekoľko modelov dosiek. Líšia sa od seba formátom (veľkosťou), počtom portov a veľkosťou pamäte. Práve podľa týchto ukazovateľov je potrebné vybrať vhodné zariadenie.

Dosky Arduino a shieldy pre ne je lepšie kupovať u výrobcu, pretože sú kvalitnejšie ako kompatibilné zariadenia, ktoré sa vyrábajú v Číne.

Existujú dva druhy portov:

• digitálne, ktoré sú na doske označené písmenami “d”;
• analógové, ktoré sú označené písmenom “a”.

Vďaka nim mikrokontrolér uskutočňuje komunikáciu s pripojenými zariadeniami. Každý port môže pracovať na príjme signálu aj na jeho vysielaní. Digitálne porty s označením “pwm” sú určené na vstup a výstup signálu typu PWM (pulzno-šírková modulácia).

Preto pred zakúpením dosky je potrebné aspoň približne odhadnúť úroveň jej zaťaženia rôznymi zariadeniami. To umožní určiť potrebný počet portov všetkých typov.

Zároveň je potrebné chápať, že systém “inteligentný dom” nemusí byť nevyhnutne viazaný na riadiacu jednotku založenú na jednej materskej doske. Také funkcie, ako napríklad zapínanie umelého osvetlenia priľahlej oblasti v závislosti od dennej doby a udržiavanie rezervy vody v akumulačnej nádrži, sú navzájom nezávislé.

Z hľadiska zabezpečenia spoľahlivosti elektronického systému je lepšie rozdeliť navzájom nesúvisiace úlohy do rôznych blokov, čo koncepcia Arduino umožňuje ľahko uskutočniť. Ak sa na jednom mieste spojí veľa zariadení, je možné prehrievanie mikroprocesora, konflikt programových knižníc a ťažkosti pri hľadaní a odstraňovaní softvérových a hardvérových porúch.

Pripojenie mnohých rôznorodých zariadení na jednu dosku sa zvyčajne používa v robotike, kde je dôležitá kompaktnosť. Pre “inteligentný dom” je lepšie použiť pre každú úlohu vlastný základ.

Každý mikroprocesor je vybavený tromi druhmi pamäte:

• Flash Memory. Hlavná pamäť, kde sa ukladá kód programu riadenia systému. Malú časť (3-12 %) zaberá vložený zavádzací program (bootloader).
• SRAM. Operačná pamäť, kde sa ukladajú dočasné údaje potrebné počas behu programu. Vyznačuje sa vysokou rýchlosťou.
• EEPROM. Pomalšia pamäť, kde je tiež možné ukladať údaje.

Hlavný rozdiel medzi druhmi pamäte na ukladanie údajov spočíva v tom, že pri vypnutí napájania sa informácie zaznamenané v SRAM stratia, zatiaľ čo v EEPROM zostávajú. Ale energeticky nezávislý typ má aj nevýhodu – obmedzený počet zápisových cyklov. To je potrebné pamätať pri vytváraní vlastných aplikácií.

Na rozdiel od použitia Arduino v robotike, pre väčšinu úloh “inteligentného domu” nie je potrebná veľká pamäť ani pre programy, ani pre ukladanie informácií.

Typy dosiek na zostavenie inteligentného domu

Pozrime sa na hlavné typy dosiek, ktoré sa najčastejšie používajú pri zostavovaní systému inteligentného domu.

Typ #1 — Arduino Uno a jeho deriváty

Najčastejšie sa v systémoch “inteligentný dom” používajú dosky Arduino Uno a Arduino Nano. Majú dostatočnú funkcionalitu na riešenie typických úloh.

Prítomnosť napájania plnohodnotných dosiek z napätia 7–12 voltov poskytuje množstvo výhod. V prvom rade je to možnosť dlhodobej autonómnej prevádzky zo štandardných batérií alebo akumulátorov.

Základné parametre Arduino Uno Rev3:

• procesor: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• počet digitálnych portov: 14;
• z nich s funkciou PWM: 6;
• počet analógových portov: 6;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Nedávno vyšla modifikácia – Uno Wi-Fi, ktorá obsahuje integrovaný modul ESP8266 umožňujúci výmenu informácií s inými zariadeniami podľa štandardu 802.11 b/g/n.

Rozdiel medzi Arduino Nano a jeho väčším náprotivkom spočíva v absencii vlastnej napájacej zásuvky pre 12 V. Je to urobené pre dosiahnutie menšej veľkosti zariadenia, čo umožňuje ľahko ho ukryť v malom priestore. Taktiež je na tento účel štandardné USB pripojenie nahradené čipom s mini-USB káblom. Arduino Nano má oproti Uno o 2 analógové porty viac.

Existuje ešte jedna modifikácia dosky Uno – Arduino Mini. Je ešte menšia ako Nano a pracovať s ňou je oveľa náročnejšie. Po prvé, absencia USB portu spôsobuje problém s nahrávaním firmvéru, pretože na to bude potrebné použiť USB-Serial Converter. Po druhé, táto doska je citlivejšia na napájanie – je potrebné zabezpečiť rozsah vstupného napätia 7–9 V.

Z vyššie uvedených dôvodov sa doska Arduino Mini používa len zriedka pre “inteligentnú domácnosť”. Zvyčajne sa používa buď v robotike, alebo pri realizácii už hotových projektov.

Typ #2 — Arduino Leonardo a Micro

Doska Arduino Leonardo je podobná Uno, ale o niečo výkonnejšia. Zaujímavosťou tohto modelu je, že sa pri pripojení k počítači identifikuje ako klávesnica, myš alebo joystick. Preto sa často používa na vytváranie originálnych herných zariadení a simulátorov.

Tabuľka rozmerov modelov Uno, Leonardo a ich miniatúrnych analógov. Vývojári nedodržali logiku v názvoch – “nano” by mala byť najmenšia.

Základné parametre Arduino Leonardo sú nasledovné:

• procesor: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• počet digitálnych portov: 20;
• z nich s funkciou PWM: 7;
• počet analógových portov: 12;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Ako je zrejmé z uvedeného zoznamu parametrov, Leonardo má viac portov, čo umožňuje zaťažiť tento model väčším počtom snímačov.

Pre Leonardo tiež existuje úplne identický miniatúrny analóg pod názvom Micro. Chýba mu napájanie z 12 V a namiesto plnohodnotného USB vstupu má čip pre mini-USB kábel.

Modifikácia Leonardo s názvom Esplora – čisto herný model a pre potreby “inteligentnej domácnosti” nie je vhodný.

Typ #3 — Arduino 101, Arduino Zero a Arduino MKR1000

Niekedy je pre prácu systémov “inteligentnej domácnosti” realizovaných na báze Arduino potrebná väčšia výpočtová sila, ktorú 8-bitové mikrokontroléry nie sú schopné poskytnúť. Úlohy ako rozpoznávanie hlasu alebo obrazu vyžadujú rýchly procesor a značné množstvo operačnej pamäte pre takéto zariadenia.

Na riešenie takýchto špecifických úloh sa používajú výkonné dosky, ktoré fungujú podľa koncepcie Arduino. Počet portov majú približne rovnaký ako dosky Uno alebo Leonardo.

Arduino 101 má rovnaké rozmery ako Uno alebo Leonardo, ale váži takmer dvakrát toľko. Dôvodom je prítomnosť dvoch USB vstupov a prídavných čipov.

Jedna z najjednoduchších na používanie, ale výkonných dosiek – Arduino 101 má nasledovné charakteristiky:

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

Doska je navyše vybavená funkciou BLE (Bluetooth Low Energy) s možnosťou jednoduchého pripojenia hotových riešení, ako je snímač srdcového tepu, získavanie informácií o počasí za oknom, odosielanie textových správ atď. Do zariadenia sú tiež integrované gyroskop a akcelerometer, ale používajú sa najmä v robotike.

Ďalšia podobná doska – Arduino Zero má nasledovné ukazovatele:

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

Charakteristickou črtou tohto modelu je prítomnosť vstavaného debuggera (EDBG). S jeho pomocou je oveľa jednoduchšie vyhľadávať chyby pri programovaní dosky.

Pri písaní rozsiahleho kódu sa aj u vysoko kvalifikovaného programátora vyskytnú chyby. Na ich vyhľadávanie sa používa debugger.

Arduino MKR1000 – ďalší model vhodný pre výkonné výpočty. Má mikroprocesor a pamäť podobné ako Zero. Jeho hlavným rozdielom je prítomnosť integrovaného Wi-Fi čipu s protokolom 802.11 b/g/n a krypto čipu s podporou algoritmu SHA-256 na ochranu prenášaných údajov.

Typ #4 — modely rodiny Mega

Niekedy je potrebné použiť veľké množstvo senzorov a riadiť značný počet zariadení. Napríklad je to potrebné pre automatické fungovanie systémov distribuovanej klimatizácie, ktoré udržiavajú určitú teplotu pre jednotlivé zóny.

Pre každú lokálnu oblasť je potrebné sledovať údaje z dvoch teplotných senzorov (druhý sa používa ako kontrolný) a v súlade s algoritmom vykonávať reguláciu polohy klapky, ktorá určuje objem prívodu teplého vzduchu.

Ak je takýchto zón v chate viac ako 10, potom je na riadenie celého systému potrebných viac ako 30 portov. Samozrejme, je možné použiť viacero dosiek typu Uno pod spoločným riadením jednej z nich, to však vytvára dodatočné komplikácie s prepájaním. V tomto prípade je vhodné použiť modely rodiny Mega.

Veľkosť dosiek rodiny Mega (101.5 x 53.4 cm) je väčšia ako u predtým uvedených modelov. Je to technická nevyhnutnosť – inak by sa také množstvo portov nedalo umiestniť.

Doska Arduino Mega je postavená na báze pomerne jednoduchého 8-bitového 16-megahertzového mikroprocesora aTMega1280.

Má veľkú kapacitu pamäte:

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

Ale jej hlavnou výhodou je prítomnosť mnohých portov:

• počet digitálnych portov: 54;
• z nich s funkciou PWM: 15;
• počet analógových portov: 16.

Táto doska má dve moderné varianty:

• Mega 2560 je založená na mikroprocesore aTMega2560, ktorý sa vyznačuje väčšou kapacitou flash pamäte – 256 KB;
• Mega ADK je okrem mikroprocesora aTMega2560 vybavená USB rozhraním s možnosťou pripojenia k zariadeniam založeným na operačnom systéme Android.

Model Arduino Mega ADK má jednu zvláštnosť. Pri pripojení telefónu k USB vstupu môže nastať nasledujúca situácia: ak bude telefón potrebovať nabíjanie, začne ho “ťahať” z dosky. Preto existuje dodatočná požiadavka na zdroj elektrickej energie – musí poskytovať prúd 1,5 ampéra. Pri napájaní z batérií je potrebné túto podmienku zohľadniť.

Autonómne napájanie pre Arduino je možné dosiahnuť pomocou pripojených akumulátorov alebo batérií. Kombináciou sériového a paralelného zapojenia je možné dosiahnuť potrebné napätie a dlhú dobu prevádzky.

Due – ďalší model od Arduino, ktorý spája výkon mikroprocesora a veľké množstvo portov.

Jeho vlastnosti sú nasledovné:

• procesor: Atmel SAM3X8E (32 bit, 84 MHz);
• počet digitálnych portov: 54;
• z nich s funkciou PWM: 12;
• počet analógových portov: 14;
• flash pamäť: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: nie.

Analógové piny tejto dosky môžu pracovať v bežnom 10-bitovom rozlíšení pre Arduino, čo je urobené kvôli kompatibilite s predchádzajúcimi modelmi, aj v 12-bitovom, ktorý umožňuje získať presnejší signál.

Vlastnosti interakcie modulov cez porty

Všetky moduly, ktoré budú pripojené k doske, majú aspoň tri vývody. Dva z nich sú napájacie vodiče, t. j. “zem”, a tiež napätie 5 alebo 3,3 V. Tretí vodič je logický. Prostredníctvom neho prebieha prenos údajov do portu. Na pripojenie modulov sa používajú špeciálne vodiče zoskupené po troch, ktoré sa niekedy nazývajú jumpre.

Keďže modely Arduino majú zvyčajne len 1 port s napätím a 1-2 porty so “zemou”, na pripojenie viacerých zariadení bude potrebné buď spájkovať vodiče, alebo použiť nepájivé kontaktné polia (breadboard).

K nepájivému kontaktnému poľu je možné pripojiť nielen napájanie a porty dosky Arduino, ale aj ďalšie prvky, ako napríklad rezistory, registre atď.

Spájkovanie je spoľahlivejšie a používa sa v zariadeniach, ktoré sú vystavené fyzickému namáhaniu, napríklad riadiace dosky robotov a kvadrokoptér. Pre inteligentný dom je lepšie použiť nepájivé kontaktné polia, pretože je to jednoduchšie pri inštalácii aj pri odstraňovaní modulu.

U niektorých modelov (napríklad Arduino Zero a MKR1000) je prevádzkové napätie 3,3 V, preto ak na porty privediete vyššiu hodnotu, môže dôjsť k poškodeniu dosky. Všetky informácie o napájaní sú k dispozícii v technickej dokumentácii k zariadeniu.

Rozširujúce dosky (shields)

Na zvýšenie možností základných dosiek sa používajú shieldy – rozširujúce funkcie prídavných zariadení. Vyrábajú sa pre konkrétny form factor, čo ich odlišuje od modulov, ktoré sa pripájajú k portom. Shieldy sú drahšie ako moduly, ale práca s nimi je jednoduchšia. Sú tiež vybavené hotovými knižnicami s kódom, čo urýchľuje vývoj vlastných riadiacich programov pre “inteligentný dom”.

Shields Proto a Sensor

Tieto dva štandardné shieldy neprinášajú žiadne špeciálne funkcie. Používajú sa na kompaktnejšie a pohodlnejšie pripojenie veľkého počtu modulov.

Proto Shield je prakticky kompletnou kópiou originálu z hľadiska portov a v strede modulu je možné prilepiť nepájivú kontaktnú doštičku. To uľahčuje montáž konštrukcie. Takéto doplnky existujú pre všetky plnohodnotné dosky Arduino.

Proto Shield sa umiestňuje na materskú dosku. To mierne zvyšuje výšku konštrukcie, ale šetrí veľa miesta v rovine.

Ale ak je zariadení veľmi veľa (viac ako 10), je lepšie použiť drahšie prepínacie dosky Sensor Shield.

Nemajú zabudovaný breadboard, ale ku všetkým vývodom portov je individuálne privedené napájanie a zem. To umožňuje vyhnúť sa zmätku v kábloch a prepojkách.

Plocha povrchu materskej a senzorovej dosky je rovnaká, ale na shielde chýbajú čipy, kondenzátory a ďalšie prvky. Preto sa uvoľňuje veľa miesta na plnohodnotné pripojenia.

Na tejto doske sú tiež konektory na jednoduché pripojenie niekoľkých modulov: Bluetooth, SD karty, RS232 (COM-port), rádia a ultrazvuku.

Pripojenie pomocnej funkcionality

Shieldy s integrovanou funkcionalitou sú určené na riešenie zložitých, ale typických úloh. V prípade potreby realizácie originálnych nápadov je lepšie vybrať vhodný modul.

Motor Shield. Je určený na riadenie rýchlosti a otáčania nízkovýkonných motorov. Originálny model je vybavený jedným čipom L298 a môže pracovať súčasne s dvoma jednosmernými motormi alebo s jedným servopohonom. Existuje aj kompatibilný diel od externého výrobcu, ktorý má dva čipy L293D s možnosťou riadenia dvojnásobného počtu pohonov.

Relay Shield. Často používaný modul v systémoch “inteligentný dom”. Doska so štyrmi elektromechanickými relé, z ktorých každé umožňuje prechod prúdu do 5A. To je dostatočné na automatické zapínanie a vypínanie kilowattových zariadení alebo osvetľovacích vedení určených na striedavý prúd 220 V.

LCD Shield. Umožňuje zobrazovať informácie na vstavanom displeji, ktorý je možné upgradovať na TFT zariadenie. Toto rozšírenie sa často používa na vytváranie meteorologických staníc s údajmi o teplote v rôznych obytných miestnostiach, prístavbách, garáži, ako aj teplote, vlhkosti a rýchlosti vetra vonku.

V LCD Shield sú zabudované tlačidlá, ktoré umožňujú naprogramovať listovanie informáciami a výber akcií na odosielanie príkazov do mikroprocesora.

Data Logging Shield. Hlavnou úlohou modulu je zapisovať údaje zo senzorov na plnohodnotnú SD kartu s kapacitou až 32 GB s podporou súborového systému FAT32. Na zápis na micro-SD kartu je potrebné zakúpiť adaptér. Tento shield možno použiť ako úložisko informácií, napríklad pri nahrávaní údajov z videorekordéra. Výroba americkej firmy Adafruit Industries.

SD-card Shield. Jednoduchšia a lacnejšia verzia predchádzajúceho modulu. Takéto rozšírenia vyrába mnoho výrobcov.

EtherNet Shield. Oficiálny modul na pripojenie Arduino k internetu bez použitia počítača. Má slot pre micro-SD kartu, čo umožňuje zapisovať a odosielať údaje cez celosvetovú sieť.

Wi-Fi Shield. Umožňuje bezdrôtovú výmenu informácií s podporou šifrovacieho režimu. Slúži na pripojenie k internetu a zariadeniam, ktoré je možné ovládať cez Wi-Fi.

GPRS Shield. Tento modul sa zvyčajne používa na komunikáciu “inteligentného domu” s majiteľom cez mobilný telefón prostredníctvom SMS správ.

Moduly “inteligentného domu”

Pripojenie modulov od tretích výrobcov a možnosť práce s nimi pomocou vstavaného programovacieho jazyka – to je hlavná výhoda otvoreného systému Arduino oproti “firemným” riešeniam pre “inteligentný dom”. Dôležité je, aby moduly mali popis prijímaných alebo odosielaných signálov.

Spôsoby získavania informácií

Zadávanie informácií je možné vykonať cez digitálne alebo analógové porty. Závisí to od typu tlačidla alebo senzora, ktorý získava informácie a prenáša ich na dosku.

Pre počítačový program digitálny signál zodpovedá periódám s “0” a “1”, zatiaľ čo analógový signál určuje rozsah hodnôt v súlade so svojou dimenziou.

Signál k mikroprocesoru môže byť odoslaný človekom, ktorý na to používa dva spôsoby:

• Stlačenie tlačidla (klávesu). Logický vodič v tomto prípade vedie k digitálnemu portu, ktorý dostáva hodnotu “0” v prípade uvoľneného tlačidla a “1” v prípade jeho stlačenia.
• Otáčanie uzáveru otočného potenciometra (rezistora) alebo posun páčky posuvného. V tomto prípade logický vodič vedie k analógovému portu. Napätie prechádza cez analógovo-digitálny prevodník, potom údaje prichádzajú k mikroprocesoru.

Tlačidlá sa používajú na spustenie nejakej udalosti, napríklad zapnutie a vypnutie svetla, kúrenia alebo ventilácie. Otočné gombíky sa používajú na zmenu intenzity – zvýšenie alebo zníženie jasu svetla, hlasitosti zvuku alebo rýchlosti otáčania lopatiek ventilátora.

Potenciometer je veľmi jednoduché zariadenie, preto stojí veľmi málo. Jeho hlavné charakteristiky sú elektrický odpor a uhol natočenia.

Na automatické určovanie parametrov prostredia alebo pôvodu nejakej udalosti sa používajú senzory.

Pre fungovanie “inteligentného domu” sú najviac žiadané ich nasledujúce druhy:

• Zvukový senzor. Digitálne verzie tohto zariadenia sa používajú na aktiváciu nejakej udalosti pomocou tlesknutia alebo hlasu. Analógové modely umožňujú rozpoznávať a spracovávať zvuk.
• Svetelný senzor. Tieto prístroje môžu pracovať vo viditeľnom aj infračervenom spektre. Posledné uvedené sa dajú použiť ako systém varovania pred požiarom.
• Teplotný senzor. Pre dom a vonkajšie prostredie sa používajú rôzne modely, pretože vonkajšie sú lepšie chránené pred vlhkosťou. Existujú aj externé zariadenia na kábli.
• Vlhkostný senzor. Pre interiér je vhodný model DHT11 a pre exteriér – drahší DHT22. Obe zariadenia tiež poskytujú údaj o teplote. Pripájajú sa k digitálnemu portu.
• Barometrický senzor. Pre spoluprácu s platňami Arduino sa osvedčili analógové barometre od spoločnosti Bosh: bmp180, bmp280. Tiež merajú teplotu. Model bme280 možno nazvať meteostanicou, pretože navyše poskytuje aj hodnotu vlhkosti.
• Pohybové a prítomnostné senzory. Používajú sa na bezpečnostné účely alebo na automatické zapínanie svetla.
• Dažďový senzor. Reaguje na dopad vody na jeho povrch. Môže byť tiež použitý na aktiváciu alarmu pri únikoch vodovodného alebo vykurovacieho okruhu.
• Prúdový senzor. Používajú sa na detekciu nefunkčných elektrospotrebičov (spálených žiaroviek) alebo na analýzu napätia, aby sa zabránilo preťaženiu.
• Plynový senzor. Používa sa na detekciu a reakciu na zvýšenú koncentráciu propánu.
• Sensor oxidu uhličitého. Používa sa na zisťovanie koncentrácie oxidu uhličitého v obytných miestnostiach a v špeciálnych priestoroch, ako sú vinne pivnice, kde prebieha kvasenie.

Existuje ešte veľa rôznych senzorov na špecifické úlohy, napríklad na meranie hmotnosti, rýchlosti prúdenia vody, vzdialenosti, vlhkosti pôdy atď.

Niektoré senzory, ako je anemometer určený na meranie rýchlosti a smeru vetra, sú zložité elektromechanické prístroje

Mnohé senzory a snímače si možno vyrobiť samostatne pomocou jednoduchších komponentov. To bude lacnejšie. Ale na rozdiel od používania sériových zariadení bude treba stráviť čas kalibráciou.

Riadenie prístrojov a systémov

Okrem zberu a analýzy informácií musí “inteligentný dom” reagovať na vznikajúce udalosti. Prítomnosť pokročilej elektroniky na moderných domácich spotrebičoch umožňuje priamo k nim pristupovať pomocou Wi-Fi, GPRS alebo EtherNet. Zvyčajne pre systémy Arduino realizujú prepínanie medzi mikroprocesorom a vysokotechnologickými zariadeniami prostredníctvom Wi-Fi.

Aby bolo možné pomocou Arduino zapnúť klimatizáciu pri vysokej teplote v dome, zablokovať televízor a internet v nočnom čase v detskej izbe alebo spustiť vykurovací bojler na príchod majiteľov, je potrebné vykonať tri činnosti:

1. Nainštalovať Wi-Fi modul na základnú dosku.
2. Nájsť neobsadené frekvenčné kanály, aby sa predišlo konfliktu systémov.
3. Porozumieť príkazom zariadení a naprogramovať úkony (alebo využiť hotové knižnice).

Okrem “komunikácie” s počítačovými zariadeniami často vznikajú úlohy spojené s vykonaním nejakých mechanických činností. Napríklad k doske je možné pripojiť servopohon alebo malý reduktor, ktorý bude z nej napájaný.

Servopohon sa skladá z motorka a niekoľkých reduktorov. Preto aj napriek malému prúdu (5 V) môže vyvinúť slušný výkon, ktorý bude stačiť napríklad na otvorenie vetráka.

V prípade potreby pripojenia výkonných zariadení napájaných z externého zdroja sa používajú dve možnosti:

1. Zapojenie relé do obvodu.
2. Pripojenie výkonového spínača a triaku.

Do elektrického obvodu zapájané elektromagnetické alebo polovodičové relé zatvára a otvára jeden z vodičov na príkaz prichádzajúci z mikroprocesora. Ich hlavnou charakteristikou je maximálne prípustná sila prúdu (napríklad 40 A), ktorá môže prechádzať týmto zariadením.

Pokiaľ ide o pripojenie výkonového spínača (mosfetu) pre jednosmerný prúd a triaku pre striedavý prúd, disponujú menšou hodnotou prípustnej sily prúdu (5-15 A), ale môžu plynule zvyšovať záťaž. Práve na to sú na doskách určené PWM porty. Túto vlastnosť využívajú pri regulácii jasu osvetlenia, rýchlosti otáčania ventilátorov atď.

Pomocou relé a výkonových spínačov je možné plne automatizovať všetky elektrické obvody domu a spúšťať generátor pri výpadku prúdu. Preto je na báze Arduino reálne uskutočniť autonómne zásobovanie bytu alebo budovy vrátane všetkých mimoriadne dôležitých funkcií – vykurovanie, zásobovanie vodou, odvádzanie odpadových vôd, vetranie a bezpečnostný systém.

Chcete, aby sa váš dom stal múdrejším, ale s programovaním ste na “Vy”? V takom prípade odporúčame pozrieť si hotové riešenia od Xiaomi a Apple, ktoré je možné jednoducho nainštalovať a nastaviť aj pre začiatočníka. A zadávať príkazy a kontrolovať ich plnenie môžete dokonca aj zo svojho smartfónu.

Viac informácií o inteligentnom dome od Xiaomi a Apple v nasledujúcich článkoch:

• Inteligentný dom Xiaomi: vlastnosti projektovania, prehľad hlavných uzlov a pracovných prvkov
• Inteligentný dom Apple: jemnosti organizácie systémov riadenia domu od “jablkovej” spoločnosti

Závery a užitočné video k téme

Príklad samostatne zostavenej prípravy začiatočnej úrovne pre “inteligentný dom”:

Otvorenosť platformy Arduino umožňuje používať komponenty rôznych výrobcov. To umožňuje jednoducho skonštruovať “inteligentný dom” podľa požiadaviek používateľa. Preto, ak máte aspoň základné znalosti v oblasti programovania a pripájania elektronických zariadení, stojí za to venovať pozornosť tomuto systému.

Vy ste sa v praxi oboznámili s platformou Arduino a chcete sa podeliť o svoje skúsenosti s nováčikmi v tejto oblasti? Možno chcete doplniť vyššie uvedený materiál užitočnými odporúčaniami alebo poznámkami? Napíšte svoje komentáre pod tento príspevok.

Ak máte otázky týkajúce sa projektovania systému automatizovaného domu na báze Arduina, pýtajte sa ich našim odborníkom a ďalším návštevníkom stránky v bloku nižšie.