Έξυπνο σπίτι με βάση ελεγκτές Arduino: σχεδιασμός και οργάνωση ελεγχόμενου χώρου

Η ανάπτυξη των μέσων αυτοματισμού οδήγησε στη δημιουργία ολοκληρωμένων συστημάτων που βελτιώνουν την ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Πολλοί γνωστοί κατασκευαστές ηλεκτρονικών και λογισμικών περιβαλλόντων προσφέρουν έτοιμες τυπικές λύσεις για διάφορα αντικείμενα.

Ακόμα και ένας άπειρος χρήστης μπορεί να αναπτύξει ανεξάρτητα έργα και να συναρμολογήσει ένα “έξυπνο σπίτι” με Arduino σύμφωνα με τις ανάγκες του. Το σημαντικό είναι να κατανοήσει τα βασικά και να μην φοβάται να πειραματιστεί.

Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε την αρχή δημιουργίας και τις βασικές λειτουργίες ενός αυτοματοποιημένου σπιτιού βασισμένου σε συσκευές Arduino. Επίσης θα εξετάσουμε τους χρησιμοποιούμενους τύπους πλακετών και τις βασικές μονάδες του συστήματος.

Δημιουργία συστημάτων στην πλατφόρμα Arduino

Το Arduino είναι μια πλατφόρμα για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών με αυτόματο, ημιαυτόματο ή χειροκίνητο έλεγχο. Είναι κατασκευασμένο με βάση την αρχή ενός σετ κατασκευής με σαφώς καθορισμένους κανόνες αλληλεπίδρασης μεταξύ των στοιχείων. Το σύστημα είναι ανοιχτό, επιτρέποντας σε τρίτους κατασκευαστές να συμμετέχουν στην ανάπτυξή του.

Το κλασικό “έξυπνο σπίτι” αποτελείται από αυτοματοποιημένες μονάδες που εκτελούν τις ακόλουθες λειτουργίες:

• συλλέγουν τις απαραίτητες πληροφορίες μέσω αισθητήρων·
• αναλύουν τα δεδομένα και λαμβάνουν αποφάσεις με τη βοήθεια ενός προγραμματιζόμενου μικροεπεξεργαστή·
• υλοποιούν τις αποφάσεις, δίνοντας εντολές σε διάφορες συσκευές.

Η πλατφόρμα Arduino είναι καλή ακριβώς επειδή δεν περιορίζεται σε έναν συγκεκριμένο κατασκευαστή, αλλά επιτρέπει στον καταναλωτή να επιλέξει μόνος του τα κατάλληλα εξαρτήματα. Η ποικιλία τους είναι τεράστια, επομένως μπορείτε να πραγματοποιήσετε σχεδόν οποιαδήποτε ιδέα.

Σας προτείνουμε να εξοικειωθείτε με τις καλύτερες έξυπνες συσκευές για το σπίτι.

Για την εκμάθηση εργασίας με Arduino μπορείτε να αγοράσετε το βασικό σετ (Starter Kit) στον ιστότοπο του κατασκευαστή. Η γνώση τεχνικών αγγλικών είναι απαραίτητη, καθώς η τεκμηρίωση δεν είναι μεταφρασμένη στα ρωσικά.

Εκτός από την ποικιλία των συνδεδεμένων συσκευών, η μεταβλητότητα προστίθεται από το περιβάλλον προγραμματισμού, το οποίο είναι υλοποιημένο στη γλώσσα C++. Ο χρήστης μπορεί όχι μόνο να χρησιμοποιήσει τις δημιουργημένες βιβλιοθήκες, αλλά και ο ίδιος να προγραμματίσει την αντίδραση των στοιχείων του συστήματος σε γεγονότα που προκύπτουν.

Βασικά στοιχεία πλακετών

Το κύριο στοιχείο “έξυπνου σπιτιού” είναι μία ή περισσότερες κεντρικές (μητρικές) πλακέτες. Αυτές είναι υπεύθυνες για την αλληλεπίδραση όλων των στοιχείων. Μόνο αφού καθοριστούν οι εργασίες που πρέπει να επιλυθούν, μπορεί κανείς να προχωρήσει στην επιλογή του κύριου κόμβου του συστήματος.

Η μητρική πλακέτα ενσωματώνει τα ακόλουθα στοιχεία:

• Μικροελεγκτής (επεξεργαστής). Η κύρια λειτουργία του είναι να εξάγει και να μετρά τάση στις θύρες στην περιοχή 0-5 ή 0-3,3 V, να αποθηκεύει δεδομένα και να πραγματοποιεί υπολογισμούς.
• Προγραμματιστής (δεν υπάρχει σε όλες τις πλακέτες). Μέσω αυτής της συσκευής, στη μνήμη του μικροελεγκτή εγγράφεται το πρόγραμμα σύμφωνα με το οποίο θα λειτουργεί το “έξυπνο σπίτι”. Σε υπολογιστή, tablet, smartphone ή άλλη συσκευή συνδέεται μέσω διεπαφής USB.
• Σταθεροποιητής τάσης. Απαιτείται συσκευή 5 βολτ, χρειάζεται για την τροφοδοσία ολόκληρου του συστήματος.

Υπό τη μάρκα Arduino κυκλοφορούν αρκετά μοντέλα πλακετών. Διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον form factor (μέγεθος), τον αριθμό θυρών και την χωρητικότητα μνήμης. Βάσει αυτών των χαρακτηριστικών πρέπει να επιλέγεται η κατάλληλη συσκευή.

Οι πλακέτες Arduino και τα shields για αυτές είναι καλύτερο να αγοράζονται από τον κατασκευαστή, καθώς είναι ποιοτικότερες από τα συμβατά προϊόντα που κατασκευάζονται στην Κίνα.

Υπάρχουν δύο είδη θυρών:

• ψηφιακές, οι οποίες σημειώνονται στην πλακέτα με τα γράμματα “d”;
• αναλογικές, οι οποίες σημειώνονται με το γράμμα “a”.

Χάρη σε αυτές, ο μικροελεγκτής πραγματοποιεί επικοινωνία με τις συνδεδεμένες συσκευές. Οποιαδήποτε θύρα μπορεί να λειτουργεί τόσο για λήψη σήματος όσο και για αποστολή. Οι ψηφιακές θύρες με την ένδειξη “pwm” προορίζονται για είσοδο και έξοδο σήματος τύπου PWM (διαμόρφωση εύρους παλμού).

Επομένως, πριν από την αγορά μιας πλακέτας, είναι απαραίτητο να εκτιμηθεί τουλάχιστον κατά προσέγγιση το επίπεδο φόρτισής της από διάφορες συσκευές. Αυτό θα επιτρέψει τον προσδιορισμό του απαραίτητου αριθμού θυρών όλων των τύπων.

Ταυτόχρονα, πρέπει να γίνει κατανοητό ότι το σύστημα “έξυπνο σπίτι” δεν είναι απαραίτητο να είναι δεμένο σε μια μονάδα ελέγχου που βασίζεται σε μία μητρική πλακέτα. Λειτουργίες όπως, για παράδειγμα, η ενεργοποίηση του τεχνητού φωτισμού του περιβάλλοντος χώρου ανάλογα με την ώρα της ημέρας και η διατήρηση αποθέματος νερού σε δεξαμενή αποθήκευσης είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους.

Από την άποψη της διασφάλισης αξιοπιστίας λειτουργίας του ηλεκτρονικού συστήματος, είναι καλύτερο να διαχωριστούν οι άσχετες μεταξύ τους εργασίες σε διαφορετικές μονάδες, κάτι που η ιδέα του Arduino επιτρέπει εύκολα. Αν όμως συνδυαστούν πολλές συσκευές σε ένα σημείο, τότε είναι πιθανή η υπερθέρμανση του μικροεπεξεργαστή, σύγκρουση βιβλιοθηκών λογισμικού και δυσκολίες στον εντοπισμό και την επιδιόρθωση σφαλμάτων λογισμικού και υλικού.

Η σύνδεση πολλών ετερότυπων συσκευών σε μία πλακέτα χρησιμοποιείται συνήθως στη ρομποτική, όπου η συμπαγής σχεδίαση είναι σημαντική. Για το “έξυπνο σπίτι”, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείται ξεχωριστή βάση για κάθε εργασία.

Κάθε μικροεπεξεργαστής είναι εξοπλισμένος με τρία είδη μνήμης:

• Μνήμη Flash. Κύρια μνήμη, όπου αποθηκεύεται ο κώδικας του προγράμματος ελέγχου του συστήματος. Ένα μικρό τμήμα της (3-12 %) καταλαμβάνει το ενσωματωμένο πρόγραμμα φόρτωσης (bootloader).
• SRAM. Μνήμη τυχαίας προσπέλασης, όπου αποθηκεύονται προσωρινά δεδομένα που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του προγράμματος. Χαρακτηρίζεται από υψηλή ταχύτητα λειτουργίας.
• EEPROM. Πιο αργή μνήμη, όπου μπορούν επίσης να αποθηκεύονται δεδομένα.

Η βασική διαφορά μεταξύ των τύπων μνήμης για αποθήκευση δεδομένων είναι ότι όταν διακόπτεται η τροφοδοσία, οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη SRAM χάνονται, ενώ στη EEPROM παραμένουν. Ωστόσο, ο μη πτητικός τύπος έχει και ένα μειονέκτημα – περιορισμένο αριθμό κύκλων εγγραφής. Αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη δημιουργία δικών σας εφαρμογών.

Σε αντίθεση με τη χρήση του Arduino στη ρομποτική, για τις περισσότερες εργασίες του “έξυπνου σπιτιού” δεν χρειάζεται πολλή μνήμη ούτε για προγράμματα ούτε για αποθήκευση πληροφοριών.

Τύποι πλακετών για τη συναρμολόγηση ενός έξυπνου σπιτιού

Ας εξετάσουμε τους κύριους τύπους πλακετών που χρησιμοποιούνται συχνότερα κατά τη συναρμολόγηση ενός συστήματος έξυπνου σπιτιού.

Τύπος #1 — Arduino Uno και τα παράγωγά του

Πιο συχνά στα συστήματα “έξυπνο σπίτι” χρησιμοποιούνται οι πλακέτες Arduino Uno και Arduino Nano. Διαθέτουν επαρκή λειτουργικότητα για την επίλυση τυπικών εργασιών.

Η δυνατότητα τροφοδοσίας των πλακετών πλήρους μεγέθους από τάση 7-12 Volt προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτα απ' όλα, η δυνατότητα μακράς αυτόνομης λειτουργίας από τυπικές μπαταρίες ή συσσωρευτές.

Βασικές παράμετροι του Arduino Uno Rev3:

• επεξεργαστής: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• αριθμός ψηφιακών θυρών: 14;
• εξ αυτών με λειτουργία PWM: 6;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 6;
• μνήμη flash: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Πρόσφατα κυκλοφόρησε μια τροποποίηση – το Uno Wi-Fi, η οποία περιέχει ένα ενσωματωμένο module ESP8266, που επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών με άλλες συσκευές σύμφωνα με το πρότυπο 802.11 b/g/n.

Η διαφορά του Arduino Nano σε σχέση με το πιο ογκώδες αντίστοιχό του έγκειται στην απουσία δικής του υποδοχής τροφοδοσίας 12 V. Αυτό έγινε για να επιτευχθεί μικρότερο μέγεθος της συσκευής, το οποίο επιτρέπει να κρυφτεί εύκολα σε μικρό χώρο. Επίσης, για τον ίδιο σκοπό, η τυπική σύνδεση USB έχει αντικατασταθεί από ένα τσιπ με καλώδιο mini-USB. Το Arduino Nano σε σύγκριση με το Uno έχει 2 περισσότερες αναλογικές θύρες.

Υπάρχει ακόμη μία τροποποίηση της πλακέτας Uno – το Arduino Mini. Είναι ακόμη μικρότερο από το Nano, και η εργασία με αυτό είναι πολύ πιο δύσκολη. Πρώτον, η απουσία θύρας USB δημιουργεί πρόβλημα με τον προγραμματισμό (φόρτωση υλικολογισμικού), καθώς για αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας μετατροπέας USB-Serial. Δεύτερον, αυτή η πλακέτα είναι πιο απαιτητική ως προς την τροφοδοσία – πρέπει να εξασφαλιστεί ένα εύρος εισερχόμενης τάσης 7-9 V.

Για τους παραπάνω λόγους, η πλακέτα Arduino Mini χρησιμοποιείται σπάνια για εργασία “έξυπνου σπιτιού”. Συνήθως χρησιμοποιείται είτε στη ρομποτική είτε στην υλοποίηση ήδη έτοιμων έργων.

Τύπος #2 — Arduino Leonardo και Micro

Η πλακέτα Arduino Leonardo μοιάζει με την Uno, αλλά είναι λίγο πιο ισχυρή. Επίσης, ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό αυτού του μοντέλου είναι ότι κατά τη σύνδεση σε υπολογιστή αναγνωρίζεται ως πληκτρολόγιο, ποντίκι ή joystick. Γι' αυτό χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία πρωτότυπων συσκευών παιχνιδιών και προσομοιωτών.

Πίνακας μεγεθών και διαστάσεων των μοντέλων Uno, Leonardo και των μικροσκοπικών αναλόγων τους. Οι προγραμματιστές δεν τήρησαν λογική στα ονόματα – το “νανο” θα έπρεπε να είναι το μικρότερο

Οι κύριες παράμετροι του Arduino Leonardo είναι οι εξής:

• επεξεργαστής: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• αριθμός ψηφιακών θυρών: 20;
• από αυτές με λειτουργία PWM: 7;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 12;
• μνήμη flash: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Όπως φαίνεται από την παραπάνω λίστα παραμέτρων, το Leonardo έχει περισσότερες θύρες, γεγονός που επιτρέπει τον εξοπλισμό αυτού του μοντέλου με περισσότερους αισθητήρες.

Επίσης για το Leonardo υπάρχει ένα απόλυτα πανομοιότυπο σε χαρακτηριστικά μικροσκοπικό ανάλογο με την ονομασία Micro. Σε αυτό λείπει η τροφοδοσία 12 V και αντί για πλήρη είσοδο USB υπάρχει ένα τσιπ για καλώδιο mini-USB.

Η τροποποίηση του Leonardo με την ονομασία Esplora είναι ένα καθαρά μοντέλο παιχνιδιού και δεν είναι κατάλληλο για τις ανάγκες “έξυπνου σπιτιού”.

Τύπος #3 — Arduino 101, Arduino Zero και Arduino MKR1000

Μερικές φορές για τη λειτουργία συστημάτων “έξυπνου σπιτιού” που υλοποιούνται με βάση το Arduino, απαιτείται μεγάλη υπολογιστική ισχύς, την οποία οι 8-bit μικροελεγκτές δεν μπορούν να παρέχουν. Τέτοιες εργασίες όπως η αναγνώριση φωνής ή εικόνας απαιτούν γρήγορο επεξεργαστή και σημαντικό όγκο μνήμης RAM για τέτοιες συσκευές.

Για την επίλυση τέτοιων συγκεκριμένων εργασιών χρησιμοποιούνται ισχυρές πλακέτες που λειτουργούν σύμφωνα με την έννοια του Arduino. Ο αριθμός θυρών τους είναι περίπου ο ίδιος με εκείνον των πλακετών Uno ή Leonardo.

Το Arduino 101 έχει τις ίδιες διαστάσεις με το Uno ή το Leonardo, αλλά ζυγίζει σχεδόν διπλάσιο. Ο λόγος είναι η ύπαρξη δύο εισόδων USB και πρόσθετων τσιπ.

Μία από τις πιο εύκολες στη χρήση αλλά ισχυρές πλακέτες – το Arduino 101 έχει τα εξής χαρακτηριστικά:

• επεξεργαστής: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
• μνήμη flash: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: όχι.

Επιπλέον, η πλακέτα είναι εξοπλισμένη με λειτουργικότητα BLE (Bluetooth Low Energy) με δυνατότητα απλής σύνδεσης έτοιμων λύσεων, όπως αισθητήρα καρδιακών παλμών, λήψη πληροφοριών για τον καιρό έξω, αποστολή μηνυμάτων κειμένου κ.λπ. Επίσης, στη συσκευή είναι ενσωματωμένα γυροσκόπιο και επιταχυνσιόμετρο, αλλά χρησιμοποιούνται κυρίως στη ρομποτική.

Μια ακόμη παρόμοια πλακέτα – το Arduino Zero έχει τα εξής στοιχεία:

• επεξεργαστής: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• μνήμη flash: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: όχι.

Ένα χαρακτηριστικό αυτού του μοντέλου είναι η ενσωματωμένη δυνατότητα αποσφαλμάτωσης (EDBG). Με αυτήν, είναι πολύ πιο εύκολο να εντοπίζονται σφάλματα κατά τον προγραμματισμό της πλακέτας.

Κατά τη συγγραφή εκτενούς κώδικα, ακόμη και ένας πολύ ικανός προγραμματιστής μπορεί να κάνει λάθη. Για τον εντοπισμό τους χρησιμοποιείται η αποσφαλμάτωση (debugger).

Το Arduino MKR1000 είναι ένα ακόμη μοντέλο κατάλληλο για ισχυρούς υπολογισμούς. Διαθέτει μικροεπεξεργαστή και μνήμη παρόμοια με το Zero. Η κύρια διαφορά του είναι η ύπαρξη ενός ενσωματωμένου τσιπ Wi-Fi με πρωτόκολλο 802.11 b/g/n και ενός κρυπτο-τσιπ που υποστηρίζει τον αλγόριθμο SHA-256 για την προστασία των μεταδιδόμενων δεδομένων.

Τύπος #4 — μοντέλα της οικογένειας Mega

Μερικές φορές είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν πολλοί αισθητήρες και να ελεγχθεί ένας σημαντικός αριθμός συσκευών. Για παράδειγμα, αυτό απαιτείται για την αυτόματη λειτουργία συστημάτων κατανεμημένου κλιματισμού, τα οποία διατηρούν μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για μεμονωμένες ζώνες.

Για κάθε τοπική περιοχή, πρέπει να παρακολουθούνται οι ενδείξεις δύο αισθητήρων θερμοκρασίας (ο δεύτερος χρησιμοποιείται ως έλεγχος) και σύμφωνα με τον αλγόριθμο, να ρυθμίζεται η θέση του αποφράκτη που καθορίζει τον όγκο εισόδου θερμού αέρα.

Εάν υπάρχουν περισσότερες από 10 τέτοιες ζώνες σε ένα εξοχικό σπίτι, για τον έλεγχο ολόκληρου του συστήματος απαιτούνται περισσότερες από 30 θύρες. Φυσικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές πλακέτες τύπου Uno υπό την κοινή διαχείριση μιας από αυτές, αλλά αυτό δημιουργεί πρόσθετες δυσκολίες μεταγωγής. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι σκόπιμο να χρησιμοποιηθούν μοντέλα της οικογένειας Mega.

Το μέγεθος των πλακετών της οικογένειας Mega (101.5 x 53.4 cm) είναι μεγαλύτερο από αυτό των μοντέλων που εξετάστηκαν προηγουμένως. Αυτή είναι μια τεχνική αναγκαιότητα – διαφορετικά, ένας τέτοιος αριθμός θυρών δεν θα μπορούσε να φιλοξενηθεί.

Η πλακέτα Arduino Mega βασίζεται σε έναν αρκετά απλό 8-bit 16 MHz μικροεπεξεργαστή aTMega1280.

Διαθέτει μεγάλη ποσότητα μνήμης:

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

Αλλά το κύριο πλεονέκτημά της είναι η ύπαρξη πολλών θυρών:

• αριθμός ψηφιακών θυρών: 54;
• από αυτές με λειτουργία PWM: 15;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 16.

Αυτή η πλακέτα έχει δύο σύγχρονες παραλλαγές:

• Το Mega 2560 βασίζεται στον μικροεπεξεργαστή aTMega2560, ο οποίος διαθέτει μεγαλύτερη μνήμη flash – 256 KB;
• Το Mega ADK, εκτός από τον μικροεπεξεργαστή aTMega2560, διαθέτει διεπαφή USB με δυνατότητα σύνδεσης σε συσκευές που βασίζονται στο λειτουργικό σύστημα Android.

Το μοντέλο Arduino Mega ADK έχει ένα χαρακτηριστικό. Κατά τη σύνδεση ενός τηλεφώνου στην είσοδο USB, μπορεί να συμβεί το εξής: αν το τηλέφωνο χρειαστεί φόρτιση, θα αρχίσει να “τραβάει” ρεύμα από την πλακέτα. Επομένως, υπάρχει μια πρόσθετη απαίτηση για την πηγή τροφοδοσίας – πρέπει να παρέχει ρεύμα 1,5 αμπέρ. Όταν τροφοδοτείται από μπαταρίες, αυτή η συνθήκη πρέπει να λαμβάνεται υπόψη.

Μπορείτε να δημιουργήσετε αυτόνομη τροφοδοσία για το Arduino με τη βοήθεια συνδεδεμένων συσσωρευτών ή μπαταριών. Συνδυάζοντας τη σειριακή και την παράλληλη σύνδεση, μπορείτε να επιτύχετε την απαιτούμενη τάση και μεγάλη διάρκεια λειτουργίας.

Το Due είναι ένα ακόμη μοντέλο της Arduino, που συνδυάζει την ισχύ του μικροεπεξεργαστή και τον μεγάλο αριθμό θυρών.

Τα χαρακτηριστικά της είναι τα εξής:

• επεξεργαστής: Atmel SAM3X8E (32 bit, 84 MHz);
• αριθμός ψηφιακών θυρών: 54;
• από αυτές με λειτουργία PWM: 12;
• αριθμός αναλογικών θυρών: 14;
• μνήμη flash: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: όχι.

Οι αναλογικοί ακροδέκτες αυτής της πλακέτας μπορούν να λειτουργήσουν τόσο στη συνηθισμένη για το Arduino ανάλυση των 10 bit, που δημιουργήθηκε για συμβατότητα με τα προηγούμενα μοντέλα, όσο και στα 12 bit, που επιτρέπει τη λήψη πιο ακριβούς σήματος.

Χαρακτηριστικά αλληλεπίδρασης των μονάδων μέσω θυρών

Όλες οι μονάδες που θα συνδεθούν στην πλακέτα έχουν τουλάχιστον τρεις εξόδους. Δύο από αυτές είναι τα καλώδια τροφοδοσίας, δηλαδή η “γείωση”, καθώς και η τάση 5 ή 3,3 V. Το τρίτο καλώδιο είναι λογικό. Μέσω αυτού γίνεται η μεταφορά δεδομένων προς τη θύρα. Για τη σύνδεση των μονάδων χρησιμοποιούνται ειδικά καλώδια ομαδοποιημένα ανά 3, τα οποία μερικές φορές ονομάζονται βραχυκυκλωτήρες.

Επειδή στα μοντέλα Arduino υπάρχει συνήθως μόνο 1 θύρα με τάση και 1-2 θύρες με “γείωση”, για να συνδέσετε πολλές συσκευές θα πρέπει είτε να συγκολλήσετε τα καλώδια είτε να χρησιμοποιήσετε δοκιμαστικές πλακέτες (breadboard).

Στην πλακέτα δοκιμών μπορείτε να συνδέσετε όχι μόνο την τροφοδοσία και τις θύρες της πλακέτας Arduino, αλλά και άλλα στοιχεία, όπως για παράδειγμα αντιστάσεις, καταχωρητές κ.λπ.

Η συγκόλληση είναι πιο αξιόπιστη και χρησιμοποιείται σε συσκευές που υπόκεινται σε φυσική καταπόνηση, για παράδειγμα, σε πλακέτες ελέγχου ρομπότ και τετρακόπτερων. Για το έξυπνο σπίτι είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε πλακέτες δοκιμών, καθώς αυτό είναι πιο εύκολο τόσο κατά την εγκατάσταση όσο και κατά την αφαίρεση της μονάδας.

Σε ορισμένα μοντέλα (για παράδειγμα, Arduino Zero και MKR1000) η τάση λειτουργίας είναι 3,3 V, επομένως αν εφαρμοστεί μεγαλύτερη τιμή στις θύρες, είναι πιθανή η ζημιά της πλακέτας. Όλες οι πληροφορίες σχετικά με την τροφοδοσία είναι διαθέσιμες στην τεχνική τεκμηρίωση της συσκευής.

Πλακέτες επέκτασης (shields)

Για την επέκταση των δυνατοτήτων των μητρικών πλακών χρησιμοποιούνται shields – πρόσθετες συσκευές που επεκτείνουν τη λειτουργικότητα. Κατασκευάζονται για συγκεκριμένο παράγοντα μορφής, γεγονός που τις διαφοροποιεί από τις μονάδες που συνδέονται στις θύρες. Τα shields είναι ακριβότερα από τις μονάδες, αλλά η εργασία μαζί τους είναι απλούστερη. Επιπλέον, διαθέτουν έτοιμες βιβλιοθήκες με κώδικα, γεγονός που επιταχύνει την ανάπτυξη δικών σας προγραμμάτων ελέγχου για το “έξυπνο σπίτι”.

Shields Proto και Sensor

Αυτά τα δύο τυπικά shields δεν προσφέρουν κάποιες ιδιαίτερες λειτουργίες. Χρησιμοποιούνται για πιο συμπαγή και εύκολη σύνδεση μεγάλου αριθμού μονάδων.

Το Proto Shield είναι σχεδόν ένα πλήρες αντίγραφο του πρωτοτύπου όσον αφορά τις θύρες, και στη μέση της μονάδας μπορείτε να κολλήσετε μια πλακέτα πρωτοτύπων. Αυτό διευκολύνει τη συναρμολόγηση. Τέτοιες προσθήκες υπάρχουν για όλες τις πλακέτες Arduino πλήρους μεγέθους.

Το Proto Shield τοποθετείται πάνω από τη μητρική πλακέτα. Αυτό αυξάνει ελαφρώς το ύψος της κατασκευής, αλλά εξοικονομεί πολύ χώρο στο επίπεδο.

Αλλά εάν υπάρχουν πολλές συσκευές (πάνω από 10), είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε τις ακριβότερες πλακέτες μεταγωγής Sensor Shield.

Δεν διαθέτουν breadboard, αλλά σε όλες τις ακίδες των θυρών τροφοδοτούνται ξεχωριστά η τάση και η γείωση. Αυτό σας επιτρέπει να μην μπερδεύεστε με καλώδια και βραχυκυκλωτήρες.

Η επιφάνεια της μητρικής πλακέτας και της πλακέτας αισθητήρα είναι ίδια, ωστόσο στο shield δεν υπάρχουν τσιπ, πυκνωτές και άλλα στοιχεία. Επομένως, ελευθερώνεται πολύς χώρος για πλήρεις συνδέσεις.

Επίσης, σε αυτήν την πλακέτα υπάρχουν υποδοχές για εύκολη σύνδεση πολλών μονάδων: Bluetooth, κάρτες SD, RS232 (θύρα COM), ραδιοφώνου και υπερήχων.

Σύνδεση βοηθητικής λειτουργικότητας

Τα shields με ενσωματωμένη λειτουργικότητα έχουν σχεδιαστεί για την επίλυση πολύπλοκων αλλά τυπικών εργασιών. Εάν χρειαστεί να υλοποιήσετε πρωτότυπες ιδέες, είναι καλύτερο να επιλέξετε μια κατάλληλη μονάδα.

Motor Shield. Προορίζεται για τον έλεγχο της ταχύτητας και της περιστροφής κινητήρων χαμηλής ισχύος. Το αρχικό μοντέλο είναι εξοπλισμένο με ένα τσιπ L298 και μπορεί να λειτουργεί ταυτόχρονα με δύο κινητήρες συνεχούς ρεύματος ή με έναν σερβοκινητήρα. Υπάρχει επίσης ένα συμβατό εξάρτημα από τρίτο κατασκευαστή, το οποίο διαθέτει δύο τσιπ L293D με δυνατότητα ελέγχου διπλάσιου αριθμού κινητήρων.

Relay Shield. Μια συχνά χρησιμοποιούμενη μονάδα σε συστήματα “έξυπνου σπιτιού”. Πλακέτα με τέσσερα ηλεκτρομηχανικά ρελέ, καθένα από τα οποία επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος έως 5 A. Αυτό είναι αρκετό για αυτόματη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συσκευών κιλοβάτ ή γραμμών φωτισμού που έχουν σχεδιαστεί για εναλλασσόμενο ρεύμα 220 V.

LCD Shield. Επιτρέπει την εμφάνιση πληροφοριών σε ενσωματωμένη οθόνη, η οποία μπορεί να αναβαθμιστεί σε συσκευή TFT. Αυτή η επέκταση χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία μετεωρολογικών σταθμών με ενδείξεις θερμοκρασίας σε διάφορους χώρους κατοικίας, επεκτάσεις, γκαράζ, καθώς και θερμοκρασία, υγρασία και ταχύτητα ανέμου έξω.

Στο LCD Shield είναι ενσωματωμένα κουμπιά που επιτρέπουν τον προγραμματισμό της περιήγησης στις πληροφορίες και την επιλογή ενεργειών για την αποστολή εντολών στον μικροεπεξεργαστή.

Data Logging Shield. Η κύρια λειτουργία της μονάδας είναι η καταγραφή δεδομένων από αισθητήρες σε μια πλήρη κάρτα SD χωρητικότητας έως 32 Gb με υποστήριξη συστήματος αρχείων FAT32. Για εγγραφή σε micro-SD κάρτα, χρειάζεστε να αγοράσετε έναν προσαρμογέα. Αυτήν την ασπίδα μπορείτε να τη χρησιμοποιήσετε ως αποθήκη πληροφοριών, για παράδειγμα, κατά την καταγραφή δεδομένων από μια συσκευή εγγραφής βίντεο. Κατασκευή από την αμερικανική εταιρεία Ανταφρούτ Ινδάστρις.

SD-card Shield. Μια πιο απλή και φθηνότερη έκδοση της προηγούμενης μονάδας. Πολλοί κατασκευαστές παράγουν τέτοιες επεκτάσεις.

EtherNet Shield. Η επίσημη μονάδα για τη σύνδεση του Αρντουίνο με το Διαδίκτυο χωρίς τη συμμετοχή υπολογιστή. Διαθέτει υποδοχή για micro-SD κάρτα, η οποία επιτρέπει την εγγραφή και αποστολή δεδομένων μέσω του παγκόσμιου δικτύου.

Wi-Fi Shield. Επιτρέπει την ασύρματη ανταλλαγή πληροφοριών με υποστήριξη λειτουργίας κρυπτογράφησης. Χρησιμεύει για σύνδεση στο διαδίκτυο και σε συσκευές που μπορούν να ελεγχθούν μέσω Wi-Fi.

GPRS Shield. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται συνήθως για την επικοινωνία του “έξυπνου σπιτιού” με τον ιδιοκτήτη μέσω κινητού τηλεφώνου μέσω μηνυμάτων SMS.

Μονάδες “έξυπνου σπιτιού”

Η σύνδεση μονάδων από τρίτους κατασκευαστές και η δυνατότητα εργασίας με αυτές, χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη γλώσσα προγραμματισμού – το κύριο πλεονέκτημα του ανοιχτού συστήματος Αρντουίνο σε σύγκριση με τις “εμπορικές” λύσεις για το “έξυπνο σπίτι”. Το σημαντικότερο είναι ότι οι μονάδες πρέπει να έχουν περιγραφή των λαμβανόμενων ή μεταδιδόμενων σημάτων.

Τρόποι λήψης πληροφοριών

Η είσοδος πληροφοριών μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω ψηφιακών ή αναλογικών θυρών. Αυτό εξαρτάται από τον τύπο του κουμπιού ή του αισθητήρα που λαμβάνει τις πληροφορίες και τις μεταδίδει στην πλακέτα.

Για ένα πρόγραμμα υπολογιστή, το ψηφιακό σήμα αντιστοιχεί σε περιόδους με “0” και “1”, ενώ το αναλογικό καθορίζει ένα εύρος τιμών σύμφωνα με τη δική του διάσταση.

Το σήμα προς τον μικροεπεξεργαστή μπορεί να σταλεί από έναν άνθρωπο, ο οποίος χρησιμοποιεί δύο τρόπους για αυτό:

• Πάτημα κουμπιού (πλήκτρου). Το λογικό καλώδιο σε αυτή την περίπτωση πηγαίνει σε μια ψηφιακή θύρα, η οποία λαμβάνει την τιμή “0” όταν το κουμπί είναι απελευθερωμένο και “1” όταν είναι πατημένο.
• Περιστροφή του καπακιού ενός περιστροφικού ποτενσιόμετρου (αντιστάτη) ή μετακίνηση ενός μοχλού συρόμενου. Σε αυτή την περίπτωση, το λογικό καλώδιο πηγαίνει σε μια αναλογική θύρα. Η τάση περνά μέσω ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό, μετά από τον οποίο τα δεδομένα φτάνουν στον μικροεπεξεργαστή.

Τα κουμπιά χρησιμοποιούνται για την έναρξη κάποιου συμβάντος, για παράδειγμα, άναμμα και σβήσιμο φωτός, θέρμανσης ή αερισμού. Οι περιστροφικές λαβές χρησιμοποιούνται για την αλλαγή της έντασης – αύξηση ή μείωση της φωτεινότητας του φωτός, της έντασης του ήχου ή της ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων του ανεμιστήρα.

Το ποτενσιόμετρο είναι μια πολύ απλή συσκευή, επομένως είναι πολύ φθηνό. Τα βασικά του χαρακτηριστικά είναι η ηλεκτρική αντίσταση και η γωνία περιστροφής.

Για τον αυτόματο προσδιορισμό των παραμέτρων του περιβάλλοντος ή της προέλευσης κάποιου γεγονότος, χρησιμοποιούνται αισθητήρες.

Για τη λειτουργία ενός “έξυπνου σπιτιού” οι ακόλουθες ποικιλίες τους είναι οι πιο περιζήτητες:

• Αισθητήρας ήχου. Οι ψηφιακές εκδόσεις αυτής της συσκευής χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση κάποιου γεγονότος με ένα χτύπημα ή με φωνή. Τα αναλογικά μοντέλα επιτρέπουν την αναγνώριση και επεξεργασία του ήχου.
• Αισθητήρας φωτός. Αυτές οι συσκευές μπορούν να λειτουργήσουν τόσο στο ορατό όσο και στο υπέρυθρο φάσμα. Οι τελευταίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σύστημα προειδοποίησης για πυρκαγιά.
• Αισθητήρας θερμοκρασίας. Για το σπίτι και το εξωτερικό χρησιμοποιούνται διαφορετικά μοντέλα, καθώς τα εξωτερικά προστατεύονται καλύτερα από την υγρασία. Υπάρχουν επίσης απομακρυσμένες συσκευές με καλώδιο.
• Αισθητήρας υγρασίας αέρα. Για τον εσωτερικό χώρο είναι κατάλληλο το μοντέλο DHT11, ενώ για εξωτερικό χώρο το πιο ακριβό DHT22. Και οι δύο συσκευές μπορούν επίσης να δώσουν ένδειξη θερμοκρασίας. Συνδέονται σε ψηφιακή θύρα.
• Αισθητήρας πίεσης αέρα. Για συνεργασία με τις πλακέτες Arduino, τα αναλογικά βαρόμετρα της εταιρείας Bosh: bmp180, bmp280 έχουν αποδειχθεί αξιόπιστα. Μετρούν επίσης τη θερμοκρασία. Το μοντέλο bme280 μπορεί να ονομαστεί μετεωρολογικός σταθμός, καθώς παρέχει επιπλέον και την τιμή υγρασίας.
• Αισθητήρες κίνησης και παρουσίας. Χρησιμοποιούνται για λόγους ασφαλείας ή για αυτόματο άνοιγμα φώτων.
• Αισθητήρας βροχής. Αντιδρά στην επαφή νερού στην επιφάνειά του. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση συναγερμού για διαρροές σε σωλήνες ύδρευσης ή θέρμανσης.
• Αισθητήρας ρεύματος. Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση μη λειτουργούντων ηλεκτρικών συσκευών (καμένων λαμπτήρων) ή για ανάλυση τάσης, ώστε να αποφευχθεί η υπερφόρτωση.
• Αισθητήρας διαρροής αερίου. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και αντίδραση σε υψηλή συγκέντρωση προπανίου.
• Αισθητήρας διοξειδίου του άνθρακα. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα σε σαλόνια και σε ειδικούς χώρους, όπως οι κάβες κρασιού, όπου γίνεται ζύμωση.

Υπάρχουν ακόμα πολλοί διαφορετικοί αισθητήρες για συγκεκριμένες εργασίες, όπως για μέτρηση βάρους, ταχύτητας ροής νερού, απόστασης, υγρασίας εδάφους κ.λπ.

Ορισμένοι αισθητήρες, όπως το ανεμόμετρο που προορίζεται για τη μέτρηση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου, είναι πολύπλοκες ηλεκτρομηχανικές συσκευές

Πολλοί αισθητήρες μπορούν να κατασκευαστούν μόνοι σας, χρησιμοποιώντας απλούστερα εξαρτήματα. Αυτό θα είναι φθηνότερο. Αλλά, σε αντίθεση με τη χρήση σειριακών συσκευών, θα χρειαστεί να αφιερώσετε χρόνο για βαθμονόμηση.

Έλεγχος συσκευών και συστημάτων

Εκτός από τη συλλογή και ανάλυση πληροφοριών, το “έξυπνο σπίτι” πρέπει να αντιδρά σε συμβάντα που προκύπτουν. Η παρουσία προηγμένων ηλεκτρονικών σε σύγχρονες οικιακές συσκευές επιτρέπει την άμεση επικοινωνία μαζί τους, χρησιμοποιώντας Wi-Fi, GPRS ή EtherNet. Συνήθως, για συστήματα Arduino, υλοποιείται η μεταγωγή του μικροεπεξεργαστή και των υψηλής τεχνολογίας συσκευών μέσω Wi-Fi.

Για να ενεργοποιήσετε το κλιματιστικό με την Arduino όταν η θερμοκρασία στο σπίτι είναι υψηλή, να μπλοκάρετε την τηλεόραση και το διαδίκτυο κατά τις νυχτερινές ώρες στο παιδικό δωμάτιο ή να εκκινήσετε τον λέβητα θέρμανσης για την άφιξη των ιδιοκτητών, χρειάζεται να εκτελέσετε τρεις ενέργειες:

1. Εγκαταστήστε το module Wi-Fi στη μητρική πλακέτα.
2. Βρείτε ελεύθερα κανάλια συχνότητας, για να αποφύγετε τη σύγκρουση συστημάτων.
3. Κατανοήστε τις εντολές των συσκευών και προγραμματίστε τις ενέργειες (ή χρησιμοποιήστε έτοιμες βιβλιοθήκες).

Εκτός από την “επικοινωνία” με υπολογιστικές συσκευές, προκύπτουν συχνά καθήκοντα που σχετίζονται με την εκτέλεση κάποιων μηχανικών ενεργειών. Για παράδειγμα, στην πλακέτα μπορεί να συνδεθεί ένας σερβοκινητήρας ή ένας μικρός μειωτήρας, ο οποίος θα τροφοδοτείται από αυτήν.

Ο σερβοκινητήρας αποτελείται από ένα μοτέρ και αρκετούς μειωτήρες. Επομένως, παρά το μικρό ρεύμα (5 V), μπορεί να αναπτύξει σημαντική ισχύ, η οποία επαρκεί, για παράδειγμα, για το άνοιγμα ενός παραθύρου.

Σε περίπτωση ανάγκης σύνδεσης ισχυρών συσκευών που λειτουργούν από εξωτερική πηγή τροφοδοσίας, χρησιμοποιούνται δύο επιλογές:

1. Σύνδεση ρελέ στο κύκλωμα.
2. Σύνδεση ισχυρού διακόπτη (MOSFET) και τριακ.

Το ηλεκτρομαγνητικό ή το στερεάς κατάστασης ρελέ που περιλαμβάνεται στο ηλεκτρικό κύκλωμα κλείνει και ανοίγει ένα από τα καλώδια με εντολή που προέρχεται από τον μικροεπεξεργαστή. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η μέγιστη επιτρεπτή ένταση ρεύματος (π.χ., 40 A) που μπορεί να διέλθει μέσα από αυτή τη συσκευή.

Όσον αφορά τη σύνδεση ενός ισχυρού διακόπτη (MOSFET) για συνεχές ρεύμα και ενός τριακ για εναλλασσόμενο, αυτά έχουν μικρότερη τιμή επιτρεπτής έντασης ρεύματος (5-15 A), αλλά μπορούν να αυξάνουν ομαλά το φορτίο. Γι' αυτό ακριβώς, στις πλακέτες προβλέπονται θύρες PWM. Αυτή την ιδιότητα χρησιμοποιούν για τη ρύθμιση της φωτεινότητας του φωτισμού, της ταχύτητας περιστροφής ανεμιστήρων κ.λπ.

Με τη βοήθεια ρελέ και ισχυρών διακοπτών, μπορείτε να αυτοματοποιήσετε πλήρως όλα τα ηλεκτρικά κυκλώματα του σπιτιού και να εκκινήσετε μια γεννήτρια σε περίπτωση απουσίας ρεύματος. Επομένως, με βάση την Arduino, είναι εφικτή η αυτόνομη παροχή του διαμερίσματος ή του κτιρίου, συμπεριλαμβανομένων όλων των ιδιαίτερα σημαντικών λειτουργιών – θέρμανση, ύδρευση, αποχέτευση, εξαερισμό και σύστημα ασφαλείας.

Θέλετε το σπίτι σας να γίνει πιο έξυπνο, αλλά είστε “στα εσείς” με τον προγραμματισμό; Σε αυτήν την περίπτωση, σας προτείνουμε να δείτε έτοιμες λύσεις από τη Xiaomi και την Apple, τις οποίες μπορεί να εγκαταστήσει και να ρυθμίσει ακόμα και ένας αρχάριος. Μπορείτε δε να δίνετε εντολές και να ελέγχετε την εκτέλεσή τους ακόμα και από το smartphone σας.

Περισσότερες λεπτομέρειες για το έξυπνο σπίτι από τη Xiaomi και την Apple στα επόμενα άρθρα:

• Έξυπνο σπίτι Xiaomi: χαρακτηριστικά σχεδιασμού, επισκόπηση βασικών μονάδων και λειτουργικών στοιχείων
• Έξυπνο σπίτι Apple: λεπτομέρειες οργάνωσης συστημάτων ελέγχου σπιτιού από την εταιρεία “Apple”

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Παράδειγμα αυτοσυναρμολογούμενου βασικού κιτ για “έξυπνο σπίτι”:

Η ανοιχτότητα της πλατφόρμας Arduino επιτρέπει τη χρήση εξαρτημάτων από διάφορους κατασκευαστές. Αυτό καθιστά εύκολη την κατασκευή ενός “έξυπνου σπιτιού” σύμφωνα με τις απαιτήσεις του χρήστη. Επομένως, αν έχετε έστω και στοιχειώδεις γνώσεις προγραμματισμού και σύνδεσης ηλεκτρονικών συσκευών, αξίζει να εξετάσετε αυτό το σύστημα.

Είστε πρακτικά εξοικειωμένοι με την πλατφόρμα Arduino και θέλετε να μοιραστείτε την εμπειρία σας με αρχάριους σε αυτό το θέμα; Ίσως θέλετε να συμπληρώσετε το παραπάνω υλικό με χρήσιμες συστάσεις ή παρατηρήσεις; Γράψτε τα σχόλιά σας κάτω από αυτήν τη δημοσίευση.

Εάν έχετε ερωτήσεις σχετικά με το σχεδιασμό ενός αυτοματοποιημένου σπιτιού με βάση το Arduino, ρωτήστε τους ειδικούς μας και άλλους επισκέπτες του ιστότοπου στο παρακάτω μπλοκ.