XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Система «Умный дом» с использованием платформы «Arduino» и стандартных датчиков, предназначенных для работы с данной платформой

Введение

Понятие «Умный дом» – это система управления, объединяющая все основные функции жилища – такие как отопление, управление освещением, климатические устройства, безопасность жилища, домашние мультимедийные устройства. Таким образом, «Умный дом» означает не отдельно взятое устройство, а целостную систему и решения, которые соответствуют ожиданиям пользователя к среде обитания, а также выполняют важные задания и решают проблемы, начиная от экономии энергии и заканчивая регулированием освещения или влажности воздуха в помещении. Основная разница между «Умным домом» и отдельно взятыми элементами автоматизации определѐнных функций заключается в том, что последние осуществляют работу отдельно друг от друга, отвечая каждый за свою конкретную область, и не взаимодействуют друг с другом. Если для выполнения каждой функции приобретать отдельно взятое устройство, то поддержание их в действии потребует значительных затрат, сложность их функционального объединения, потерю эффективности управления. Конкретным примером вышесказанного является платформа «Arduino». Использование штатных датчиков позволяет реализовать множество функций автоматизации бытовых систем, например: осуществит функцию управления освещением; реализовать функцию охраны жилища; контролировать утечки газа и воды; контролировать и осуществлять регулирование климатом. Но, в целом, эти функции будут являться элементами автоматизации. Поскольку все эти элементы автоматизации реализуются на базе единого процессора возникла гипотеза о возможности объединения их в общую систему, моделирующую функции «Умного дома», и позволяющую работать им во взаимодействии. Исследование возможной реализации подобной системы позволит разработать и создать модель устройства способного осуществлять полномасштабное управление основными функциями домашнего быта.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является реализация функции «Умного дома» на базе единого микропроцессора платформы «Arduino», программного комплекса и штатных датчиков, работающих с этим процессором. Цель работы предполагала решение следующих задач:

• по литературным и интернет – источникам знакомство и изучение функциональных возможностей платформы «Arduino», особенностей работы процессора и типовых датчиков;
• по литературным и интернет – источникам знакомство с основами программирования работы процессора, особенностями составления и согласования простых программ, их адаптации к выполнению определѐнных функций;
• изучение по литературным источникам схемотехнических и программных решений по использованию датчиков, контрольных и исполнительных устройств в системе «Умный дом»;
• реализация аппаратной и программной платформ в рамках проекта «Умный дом»;

• определение функциональных возможностей реализованной аппаратной и программной платформы в рамках проекта «Умный дом», определение возможности реализации моделирования данного проекта при использовании в практических разработках.

Принципы построения системы «Умный дом» [1]

Условно все технологические устройства умного дома можно разделить на ряд типов:

• контроллер (процессор) – это центральная электронная система умного дома. Этот прибор контролирует работу всех входящих в нее устройств, хранит в своей памяти определенные наборы действий и обеспечивает связь системы умного дома с управляющими мультимедийными устройствами (смартфоном, планшетом или компьютером);
• различные датчики, определяющие параметры каких-либо действий или потенциальных физических, экологических явлений. Благодаря этим датчикам, контроллер непрерывно получает информацию о том, что происходит в доме;
• исполнительные механизмы и электронные устройства – группа устройств, которые выполняют команды системы, отдаваемые на основании данных от датчиков, например: электрозапорная арматура, реле, электронные регуляторы;
• приборы визуализации контроля – индикаторы и электронные табло, позволяющие наглядно видеть состояние параметров контроля;
• устройства управления – приборы для комфортного использования системы умного дома, различные пульты дистанционного управления;
• интегрируемое оборудование и веб-сервисы, например: видеокамеры, оборудование и сервисы, мультимедиа-оборудование, различная современная техника, проекторы.

Все технологические устройства, в системе «Умного дома» работают под контролем центрального процессора в единой связке (Приложение лист I, рис. 1).

Аппаратная система проекта 1.Центральный контроллер [2-4]

Arduino — это конструкционная платформа для работы и добавления, программирования электронных устройств, с типами управления: ручной, полуавтоматический и автоматический режимами. Платформа представляет собой конструктор, с прописанными правилами взаимодействия элементов между собой. Эта возможность позволяет платформе не быть ограниченной лишь одной какой - либо функцией, а подбирать любые компоненты электроники, для реализации решения собственных задач. Кроме огромного списка подключаемых в систему устройств, многофункциональности ей придает среда программирования C++. Пользователь может самостоятельно запрограммировать реакцию компонентов системы на возникающие события или воспользоваться уже созданной библиотекой. Arduino UNO – плата с собственным процессором и памятью. Основа — микроконтроллер ATmega328. В наличии 14 цифровых входов/выходов (6 из них можно использовать как ШИМ выводы), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор 16 МГц,

USB-порт (на некоторых платах USB-B), разъем для внутрисхемного программирования, кнопка RESET. Флэш-память – 32 Кб, оперативная память (SRAM) – 2 Кб, энергонезависимая память (EEPROM) – 1 Кб (Приложение лист I, рис. 2). Пины Arduino используются для подключения внешних устройств и могут работать как в режиме входа (INPUT), так и в режиме выхода (OUTPUT) (Приложение лист II, рис. 3 - 4). К каждому входу может быть подключен встроенный резистор 20-50 кОм с помощью выполнения команды (pinMode ()) в режиме INPUT_PULLUP. Допустимый ток на каждом из выходов – 20 мА (не более 40 мА в пике). Для удобства работы некоторые пины совмещают в себе несколько функций. Пины с номерами от 0 до 13 являются цифровыми. Это означает, что вы можете считывать и подавать на них только два вида сигналов: HIGH и LOW. С помощью ШИМ также можно использовать цифровые порты для управления мощностью подключенных устройств. Аналоговые пины Arduino UNO предназначены для подключения аналоговых устройств и являются входами для встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который в Arduino UNO десятиразрядный. Дополнительные пины на плате:

• AREF – выдает опорное напряжения для встроенного АЦП. Может управляться функцией (analogReference()).
• RESET – подача низкого сигнала на этом входе приведет к перезагрузке устройства.

Рабочее напряжение платы Arduino UNO – 5 В. На плате установлен стабилизатор напряжения, поэтому на вход можно подавать питание с разных источников. Кроме этого, плату можно запитывать с USB – устройств. Источник питания выбирается автоматически. Питание от внешнего адаптера, рекомендуемое напряжение от 7 до 12 В. Напряжение менее 7 В может привести к нестабильной работе, поскольку на входном каскаде может запросто теряться 1-2 В. Для подключения питания может использоваться встроенный разъем DC 2.1 мм или напрямую вход VIN для подключения источника с помощью проводов.

Пины питания:

• 5V – на этот пин подает 5 В, его можно использовать для питания внешних устройств;
• 3.3V – на этот пин от внутреннего стабилизатора подается напряжение 3.3 В;
• GND – вывод земли;
• VIN – пин для подачи внешнего напряжения;
• IREF – пин для информирования внешних устройств о рабочем напряжении платы. Плата Arduino UNO по умолчанию поддерживает три типа памяти:
• Flash – память объемом 32 кБ. Это основное хранилище для команд. Когда вы прошиваете контроллер своим скетчем, он записывается именно сюда. 2кБ из данного пула памяти отводится на (bootloader) - программу, которая занимается инициализацией системы, загрузки через USB и запуска скетча;
• оперативная SRAM память объемом 2 кБ. Здесь по умолчанию хранятся переменные и объекты, создаваемые в ходе работы программы. Память эта энергозависимая, при выключении питания все данные сотрутся.

• энергонезависимая память (EEPROM) объемом 1кБ. Здесь можно хранить данные, которые не сотрутся при выключении контроллера. Но процедура записи и считывания EEPROM требует использования дополнительной библиотеки, которая доступна в Arduino IDE по умолчанию.
  2. Основные датчики системы [5]

Датчик присутствия — это инфракрасный датчик движения для Arduino и других микроконтроллеров. Позволяет обнаруживать движение человека или домашнего животного на расстоянии до 3 метров (параметры можно регулировать) (Приложение лист III, рис. 5). Модуль имеет два входа питания: +5В и GND, а также один цифровой выход, по которому можно снимать данные. Если помех нет — на нем будет высокий уровень 3.3В, если есть, то низкий 0В.

Тактильный датчик - представляет собой устройство, которое измеряет информацию, возникающую в результате физического взаимодействия с окружающей средой (Приложение лист III, рис. 6). Тактильные датчики обычно работают на основе прикосновения к коже объекта. Прикосновение к металлическому контакту модуля эквивалентно нажатию клавиши. При прикосновении модуль выдает высокий уровень сигнала, в противном случае - низкий уровень. Тактильные датчики используются в робототехнике, компьютерном оборудовании и системах безопасности.

Модуль датчика температуры и влажности (Приложение лист III, рис. 7). Модуль датчика температуры и влажности представляет собой своего рода составной датчик температуры и влажности с откалиброванным цифровым выходным сигналом. Модуль датчика температуры и влажности определяет температуру и влажность окружающей среды через DHT11. DHT11 включает резистивный чувствительный элемент влажности и элемент измерения температуры NTC и соединен с высокопроизводительным 8-битным микроконтроллером. Для передачи данных на Arduino нужен только один провод.

Инфракрасный датчик обнаружения препятствий (Приложение лист III, рис. 8). Модуль инфракрасного датчика определения препятствий имеет пару инфракрасных передающих и приемных элементов (светодиод и фоточувствительный элемент). Инфракрасное излучение — это электромагнитная волна, длина которой находится между микроволновым и видимым светом. Его длина волны составляет от 760 нм. Когда детчик обнаружения встречает объект или препятствие (отражающую поверхность), инфракрасное излучение передающего светодиода отражается от предмета и принимается приемным элементом. После обработки схемой компаратора интерфейс вывода сигнала выводит цифровой сигнал (сигнал низкого уровня). Расстояние обнаружения можно регулировать. Диапазон эффективных расстояний составляет 2 - 30 см. Рабочее напряжение - 3,3-5 В.

Светочувствительный датчик (Приложение лист III, рис. 9). Фоторезистор светочувствительного датчика — это специальный резистор, изготовленный из полупроводниковых материалов Cd - Se. Принцип его работы основан на внутреннем фотоэффекте. Чем сильнее свет, тем меньше

сопротивление. С увеличением интенсивности света сопротивление быстро уменьшается. Фоторезисторы очень чувствительны к свету. Когда нет света, они находятся в состоянии высокого сопротивления (до 1,5 мОм), а сопротивление при освещении может достигать 1 кОм. Фоточувствительный датчик может широко использоваться в различных схемах управления освещением.

Интеллектуальный дверной замок (датчик клавиатуры) (Приложение лист III, рис. 10). Интеллектуальный дверной замок — это исполнительная часть дверного замка в системе контроля доступа. Матричная клавиатура состоит из 16 клавиш, 4 строк и 4 столбцов. Каждый из четырех исходных ключей объединен в линию, как и каждый столбец. Всего восемь строк, четыре строки и четыре столбца. Каждая клавиша эквивалентна сенсорному модулю. При касании соответствующей клавиши на клавиатуре модуль выдаст соответствующее значение управляющего сигнала.

Датчик дождя (Приложение лист III, рис. 11). Когда датчик подключен к источнику питания 5 В, и на индукционной плате нет капель воды выход D находится на высоком уровне сигнала. Когда капли воды попадают на индукционный элемент платы, выход D переходит на низкий уровень сигнала. Модуль датчика дождевых капель имеет четыре контакта G, V, A и D. Аналоговый выход A может определять размер дождевых капель, указанных выше. Цифровой выход D может определять, идет ли дождь, и настраивать цифровой выход D, регулируя пороговое значение. Чем больше дождевая капля, тем меньше аналоговое значение. Форма вывода сигнала: выход цифрового значения (0 и 1) и аналоговое значение по выходу напряжения. Используется двойной компаратор напряжения LM393.

Датчик дыма (газа) (Приложение лист IV, рис. 12). Дымовая сигнализация также известна как пожарная сигнализация, ее роль заключается в обнаружении пожара в доме и своевременном оповещении о нѐм. В качестве газочувствительного материала в датчике газа используется диоксид олова (SnO2) с низкой проводимостью в чистом воздухе. Когда в окружающей среде присутствует горючий газ (дым), проводимость датчика увеличивается с увеличением концентрации горючего газа (дыма) в воздухе. Используя простую схему, изменения проводимости можно преобразовать эти изменения в выходной сигнал, соответствующий концентрации газа. Когда датчик газа обнаруживает соответствующий газ, он выдает цифровой сигнал низкого уровня и соответствующий аналоговый сигнал.

Датчик пламени (Приложение лист IV, рис. 13). Датчик пламени — это устройство, которое регистрирует инфракрасное излучение пламени, для его обнаружения. При пожаре возникает очень сильное инфракрасное излучение. Датчик пламени использует специальный инфракрасный приемник. Он будет реагировать при освещении инфракрасным светом определенного диапазона, а затем преобразовывать яркость пламени в сигнал уровня высокого и низкого уровня. При использовании датчик должен находиться на определенном расстоянии от пламени, чтобы избежать

повреждения датчика высокой температурой. Расстояние до испытательного пламени зажигалки составляет 80 см. Чем больше пламя, тем дальше расстояние обнаружения.

Датчик пламени имеет четыре контакта G, V, A и D, которые можно подключить к цифровому или аналоговому интерфейсу основной платы. Если аналоговый порт подключен, аналоговое значение датчика пламени будет уменьшаться в зависимости от размера пламени и расстояния от пламени; если цифровой порт подключен, цифровое значение датчика пламени будет выводить низкий уровень (0), когда считываемое аналоговое значение меньше порогового значения, и высокий уровень (1), когда оно больше, чем значение порога срабатывания. Пороговое значение можно отрегулировать, регулируя переменное сопротивление.

Инфракрасный датчик управления (Приложение лист IV, рис. 14). Датчик чувствителен к специальным модулированным инфракрасным сигналам с командного инфракрасного пульта. В зависимости от длительности и частоты импульса, которая соответствует определѐнной кнопке пульта, подаѐтся определѐнная команда, воспринимаемая датчиком.

1. 3. Приборы визуализации функций датчиков [5]

Светодиодный модуль светофора (Приложение лист IV, рис. 15). Модуль светофора состоит из красных, желтых и зеленых светодиодов. Модуль имеет пять контактов -, +, G, Y, R, - GND, + VCC или 5V. G (зелѐный), Y (жѐлтый), R (красный), эти три контакта могут быть подключены к контактам D1-D13. Основная функция модуля, визуализация доступа в помещение.

Пассивный зуммер (звуковой модуль) (Приложение лист IV, рис. 16) - зуммер без внутреннего генератора. Для генерации звука необходим прямоугольный сигнал с частотой 2 - 5 кГц, который будет приводить в действие зуммер, чтобы издавать звук соответствующей частоты. Активный зуммер, в отличие от пассивного, имеет встроенный генератор и приводится в действие сразу после подачи напряжения питания. Основная функция - сигнализация действия звуковыми колебаниями.

Цифровой светодиодный дисплей (Приложение лист V, рис. 17). Представляет собой электронное устройство, которое может отображать, в основном, числовую информацию. Основой дисплея является 4-битная 7-сегментная светодиодная матрица с общим анодом и управляющей микросхемой TM1650. Основная функция - отображение и визуализация цифровой информации.

LCD- дисплей (Приложение лист V, рис. 18). Жидкокристаллический модуль LCD1602, специально используемый для отображения букв, цифр и символов. Он широко используется в промышленности, например, в электронных часах, индикации температуры. «1602» означает 2 строки по 16 символов в строке. Дисплей LCD1602 с адаптером использует связь IIC, что позволяет сэкономить много портов ввода-вывода. Основная функция - отображение и визуализация цифровой и буквенной информации.

1. 4. Исполнительные механизмы [5]

Модуль вентилятора двигателя постоянного тока (Приложение лист V, рис. 19). Двигатель постоянного тока — это двигатель, который преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. Благодаря хорошему регулированию скорости он широко используется в электроприводе. При подаче питающего напряжения ток проходит сквозь обмотку возбуждения. У смежных полюсов возникает противоположная полярность, из-за чего образуется своеобразный магнит с постоянным магнитным полем. В миниатюрных двигателях чаще всего применяются постоянные магниты, а напряжение подается на обмотки якоря. На якорь двигателя через коллектор подаѐтся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует электромагнитная индукция. В результате создаѐтся вращающий момент, поворачивающий ротор на 90 электрических градусов. После этого щѐточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора, и вращение продолжается. Устройство (схема) коллекторного двигателя позволяет изменить направление вращения якоря двигателя. Для этого необходимо поменять направление тока в обмотках возбуждения или обмотке якоря. Это достигается путем изменения полярности питающих жил в клеммной коробке, для чего необходимо поменять плюс с минусом местами.

Рулевой механизм SG90 (сервисный двигатель с редуктором) (Приложение лист V, рис. 20). Рулевой механизм — это своего рода сервопривод положения (угла), который может вращаться на любой угол от 0 до 180 градусов, а затем точно останавливаться в соответствии с вашей командой. Он подходит для тех систем управления, которым необходимо изменять и поддерживать угол. Для управления приводом обычно требуется импульс временной развертки около 20 мс, а высокоуровневой частью импульса обычно является импульс управления углом в диапазоне от 0,5 мс до 2,5 мс. Например, если рассматривать сервопривод на 180 градусов, соответствующие отношения импульсов управления выглядят следующим образом: 0,5 мс. - 0 градусов; 0 мс. - 45 градусов; 1,5 мс. - 90 градусов; 2,0 мс. - 135 градусов; 2,5 мс. - 180 градусов.

Моделирование основных систем умного дома и алгоритмы их программирования [6-10]

1. 1. 1. Доступ в дом

Дистанционный доступ в дом, работа разрешающего светофора. Когда человек входит в зону датчика доступа, сенсорный модуль выдает импульсный сигнал высокого уровня или сигнал задержки высокого уровня. Выходной импульс или сигнал задержки напрямую управляет светодиодным индикатором светофора. Сенсорный дверной звонок реализован на сенсорном датчике и звуковом индикаторе. Кодовый дверной замок – реализован с использованием сенсорной клавиатуры и исполнительного механизма сервисного двигателя. Принцип работы и алгоритм очень простой, дверь открывается только в случае введения правильного кода, обозначенного в программе. Автоматическое открывание дверей гаража реализовано с использованием датчика обнаружения препятствий и исполнительного сервисного двигателя, с определѐнным углом

поворота. Распиновка подключения устройств системы, алгоритмы программирования и программные коды приведены в приложении (Лист V - VI, рис. 21 – 24)

1. 1. 2. Климат

Интеллектуальный контроль температуры в помещении – задействован датчик температуры и двигатель постоянного тока внутреннего вентилятора. Помимо этого, в системе задействован световой (дневной) автоматический режим открытия оконного блока для организации проветривания. Автоматизированный режим открытия оконного блока на определѐнный угол зависит от состояния датчика света и осуществляется сервисным механизмом. Информация о состоянии визуализируется информационным светодиодным индикатором. Совместно с системой проветривания реализована система определения осадков (дождя). В состав данной системы входит датчик дождя и соответствующие механизмы поворота оконного блока. Визуализация параметров системы осуществляется помощью жидкокристаллического дисплея, на который выводится информация о состоянии температурного режима и показания относительной влажности. Распиновка подключения устройств системы, алгоритмы программирования и программные коды приведены в приложении (Лист VII - VIII, рис. 25 – 28).

1. 1. 3. Противопожарная сигнализация

Противопожарная сигнализация реализована на основе двух датчиков: датчика газа (дыма), и инфракрасного датчика пламени. Помимо этого, датчик дыма реализует функцию определения утечек природного газа, используемого в домашнем хозяйстве. Данная система работает совместно с исполнительными сервисными механизмами климатической системы и сигнальным устройством системы доступа в помещение. Распиновка подключения устройств системы, алгоритмы программирования и программные коды приведены в приложении (Лист IX, рис. 29).

1. 1. 4. Общее управление функциями «Умного дома»

Общее управление основными функциями «Умного дома», в нашем варианте, организовано с помощью инфракрасного приѐмного датчика и инфракрасного командного пульта. С пульта осуществляется включение/выключение, тестирование и контроль основных систем и механизмов. Возможным вариантом управления является использование мобильной техники. Для осуществления этой функции необходимо использовать приѐмно-передающий Bluetooth модуль, подключаемый к плате Arduino UNO. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны. Соответственно, необходимым условием является, прописывание в системных кодах управления библиотеки Bluetooth модуля. Распиновка подключения устройств системы, кодовая таблица пульта и программные коды приведены в приложении (Лист IX - X, таблица 1, рис. 30).

Определение функциональных возможностей реализованной аппаратной и программной платформы в рамках проекта «Умный дом»

Основное оборудование — управляющие, исполнительные устройства: датчики, сенсоры, кнопки, информационные устройства. Управляющие элементы принимают сигналы с датчиков, контролируют работу исполнительных устройств. Обмен данными происходит через проводные шины. Проводные технологии характеризуются быстрым откликом на команды, высокой надежностью элементов, возможностью подключения дополнительного оборудования для реализации различных сценариев. Минусом является наличие проводки. Достоинства беспроводной технологии — малое количество проводов, не нужно предварительное проектирование, сокращается время на монтажные работы. Минусы — на качество радиосвязи влияют многие бытовые приборы, из-за нестабильности передаваемых сигналов функциональность достаточно ограничена. Управление системой осуществляется централизованно, путем программирования одного логического модуля. Компоненты в умном доме общаются по протоколу в общей системе, что соответственно предполагает работу совместимых устройств (предназначенных для работы совместно друг с другом). Плюсом здесь является, упрощение процесса программирования, использование общих библиотек для составления программ отдельных компонентов, соответственно снижаются трудозатраты и стоимость оборудования. Моделирование систем

«Умного дома» предполагало показать возможность реализации проекта, поэтому для реального изготовления модели системы был выбран достаточно слабый центральный процессор Arduino UNO - ATmega328. Проектирование реальных подобных систем предполагает использование более мощных энергонезависимых, с точки зрения программирования, обладающих более мощной оперативной и постоянной памятью, процессоров. Общая схема взаимодействия отдельных систем модели «Умного дома» представлена в приложении (Лист X, рис. 31).

Выводы

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

• изучены основные функциональные возможности платформы «Arduino» и типовых стандартных датчиков, применяемых в проекте;
• освоены основные стандартные основы и приѐмы программирования, работы с библиотеками Arduino, особенностями составления и согласования простых программ, их адаптации к выполнению определѐнных функций;
• освоены основные приѐмы схемотехнического монтажа радиоэлектронных устройств;
• смоделирована аппаратная и программная платформа в рамках проекта «Умный дом»;
• определены функциональные возможности реализованной модели «Умный дом» и возможности реализации моделирования данного проекта при использовании в практических разработках.