III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРОЕКТНАЯ РАБОТА "УМНЫЙ ДОМ"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Главной идеей проекта является создание интерактивной модели дома на базе платы Ардуино, которая будет реагировать с помощью датчиков на разные внешние факторы. «Умный дом» включит освещение и звук, если в дом кто-то зайдет, если запахло газом или дымом – оповестит звуком, расскажет о начавшемся дожде или высоком уровне влажности.
«Умный дом» конструирован из блоков Лего и в него встроена автоматическая система контроля и управления.
Ардуино – это электронный конструктор, небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества. В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Таким образом можно создать бесконечное количество уникальных гаджетов, сделанных своими руками и по собственной задумке. В проекте «Умный дом» запрограммированы различные датчики, сенсоры, светодиоды и прочее. Используется язык программирования С++. Результаты проделанной работы можно увидеть, пройдя по ссылке https://drive.google.com/file/d/0ByBc1XNiDQrpUUdnRlJkdk5kLWM/view?usp=sharing
Функционал «умного дома» может существенно отличаться (как и стоимость оборудования, установки), однако суть остается неизменной – обеспечение максимального комфорта, безопасности и экономии для людей.
Объем работы составляет 21 страницу, 6 рисунков, 4 иллюстрации, 5 использованных литературных источников и приложений
Введение
В пределах российского рынка недвижимости спрос на квартиры, оснащенные системами домашней автоматизации «умный дом», продолжает неуклонно расти. Эта тенденция сохраняется уже несколько лет подряд не только в России, но и во всем мире.
Исследовательская компания Technavio в своем январском отчете сообщила о том, что около 90% от всего количества «умных» домов в мире расположены в Западной Европе и Северной Америке. Совокупное количество «умных» домов в этих регионах в 2015 году составило 17,9 млн, следует из отчета Berg Insight. К 2020 году каждый пятый дом в Европе и каждый третий в США станут «умными». Минстрой России оценивает отечественный рынок «умных» домов в 7-10 млрд рублей к 2017 году. По некоторым оценкам, только 5% жилья в Москве и 2% в России можно назвать интеллектуальными. Эксперты отмечают, что барьером для развития рынка стала высокая стоимость систем «умный дом».
Использование концепции «интеллектуального здания» позволяет достигнуть 20-30% экономии на потреблении коммунальных услуг. Этот фактор готовы принимать во внимание и строители, которые предусматривают применение технологии «интеллектуального здания» в 30% проектируемых и строящихся домов.
Полезные функции «Умного Дома» делают более устойчивыми и долговечными все системы жизнеобеспечения благодаря оптимизации связей между ними. Если же говорить о новых строениях – то использование «Умного Дома» снимает возможные конфликты между системами, увеличивает срок службы всего здания, снижая риск для строителей и проживающих. Согласно Федеральному закону № 261 от 23.11.2009 года, внедрение инновационных энергоэффективных технологий в строительстве и переоснащении зданий является одной из первоочередных задач и этой принципиальн6ой установке Российского правительства система «Умный дом» отвечает в наибольшей степени.
Таким образом, целью проектной работы является создание встроенной автоматической системы контроля и управления на базе платы ArduinoUNO в модель лего-дома.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
-
изучить электронный конструктор Arduino и возможность подключения различных датчиков, сенсоров и прочее;
-
изучить язык программирования Arduino и запрограммировать датчики и сенсоры;
-
спроектировать лего-модель «Умный дом», встроив автоматическую систему контроля и управления;
-
проанализировать работоспособность датчиков, сенсоров, светодиодов, мониторов.
Основное назначение проекта заключается в обеспечении максимального комфорта, безопасности и экономии для жильцов квартир. Любая система, которая адаптирована к бытовым потребностям, позволяет создавать определенные условия согласно программным алгоритмам без вмешательства человека или с минимальным его участием. Как правило, комплексный вариант включает управление освещением, отоплением, вентиляцией и бытовыми приборами, начиная от штор с электроприводом и заканчивая аудио- и видеотехникой. Например, входя в комнату, не обязательно искать выключатель, чтобы зажечь свет – датчик движения определит присутствие человека и люстра засияет. Система может быть запрограммирована на включение отопления, чтобы к определенному времени квартира успела прогреться, может включить чайник или стереосистему, а может сама подать сигнал на пульт охраны, если в доме окажется посторонний.
Плата Ардуино
Ардуино – это электронный конструктор, небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества.
В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Таким образом, можно создать бесконечное количество уникальных классных гаджетов, сделанных своими руками и по собственной задумке. Arduino как и Raspberry Pi относится к одноплатным компьютерам.[1]
Ядро команды разработчиков Arduino составляют: Массимо Банци, Девид Куартиллье, Том Иго, Джанлука Мартино, Девид Меллис и Николас Замбетти.
С 2008 года в компании начался раскол. Джанлука Мартино зарегистрировал другую фирму, на которую сумел оформить авторские права на торговую марку Arduino в некоторых странах. Новая компания создала альтернативную ветвь продаж оригинальных продуктов Ардуино на сайте arduino.org. Первоначальная компания контролирует продажи через сайт arduino.cc. Набор новых изделий на сайтах различается. Также существует две ветви Arduino IDE, поддерживающие разный набор плат и библиотек. Одинаковые названия и пересекающиеся номера версий IDE вносят путаницу.
Насчитывается 20 разновидных плат Arduino, но большинство были лишь пробными, несерьёзными проектами, и на этих платформах никто особо не программирует. Однако, 5 проектов получились удачными: ArduinoUNO, ArduinoLeonardo, ArduinoMega, ArduinoMini, ArduinoNano.
Рассмотрим принцип работы Arduino на самой используемой плате –ArduinoUNO.
Датчики и сенсоры
К Arduino можно подключить всевозможные сенсоры. В русском языке существуют слова «датчик» и «сенсор», это синонимы и означают по сути одно и то же. Это отдельное устройство, которое способно измерять определённую физическую величину или реагировать на физическое явление и поставлять информацию об этом в виде электрического сигнала.[2]
Сенсоры различаются по тому, что они фиксируют. Существуют сенсоры для измерения температуры, расстояния, вибрации, звука, влажности, движения, магнитного поля и многие другие.
Также они различаются по типу сигнала. Некоторые передают сигнал в виде переменного напряжения (аналоговые), некоторые в виде последовательности низкого и высокого напряжения (цифровые), другие меняют собственное сопротивление. Тип сигнала определяет, как физические показания проецируются на электрические величины пригодные для считывания.
Далее, сенсоры различаются по протоколу. Он определяет как принимающая сторона (например, Arduino) должна интерпретировать передаваемый сенсором сигнал, чтобы получить значение измеряемой величины. Для одних сенсоров измеряемая величина прямо пропорциональна передаваемому напряжению, другие передают только «да / нет» с помощью двух величин напряжения, третьи передают свои показания в виде последовательности бит, где отсутствию напряжения соответствует 0, а высокому напряжению — 1. Протокол у каждого сенсора свой и определяется производителем датчика.
Кроме того, сенсоры различаются по способу физического подключения. Большое количество Arduino-совместимых сенсоров легко подключаются по трём проводам. Другие сенсоры имеют контакты, подходящие для подключение через breadboard.
Язык программирования
Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC) с некоторыми особенностями, облегчающими новичкам написание первой работающей программы.[3]
Программы, написанные программистом Arduino, называются наброски (или иногда скетчи — варваризм от англ. sketch) и сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.
Обязательную в C++ функцию main() препроцессор Arduino создает сам, вставляя туда необходимые «черновые» действия.
Программист должен написать две обязательные для Arduino функции setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле.
В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать.
Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки, и они вносятся в список компиляции.
Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения проблем.
Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:[4]
-
setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.
-
loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.
Проектирование «Умного дома»
«Умный дом» конструирован из блоков Лего и в него встроена автоматическая система контроля и управления, спроектированная на базе платы Ардуино, и реагирующая на появление воды, температуру и влажность воздуха, газ, появление движения в доме. Ардуино – это электронный конструктор, небольшая плата с собственным процессором и памятью (Рис.1).
Рис.1. Плата ArduinoUNO
Каждый сенсор, датчик, светодиод, не важно, любое подключенное устройство к плате, должно быть подключено к GND (заземлению), без этого, устройство работать не будет.[5] Так же все сенсоры (или какие-нибудь другие внешние устройства, например, вентилятор) должны быть подключены к питанию – 5Vили 3V. Но есть более простые устройства, такие как светодиод или пищалка (buzzer), которые не нужно подключать к питанию, так как им хватает энергии получаемой от пина (вход/выход) к которому он подключен. В ходе проекта показано, как подключаются сенсоры, датчики, светодиоды и т.п. (Рис. 2-5)
Рис.2. Датчик температуры и влажности, дисплей
Рис.3. Датчик движения и светодиод
Рис.4. Датчик дыма, пищалка и светодиод
Рис.5. Датчик воды, пищалка и светодиод
Рис.6. Схема автоматизированной системы управления и контроля, спроектированной на базе АрдуиноUNO
Заключение
Сейчас строятся и создаются многочисленные «Умные дома». На рынке недвижимости спрос на квартиры, оснащенные системами домашней автоматизации «умный дом», продолжает неуклонно расти. Эта тенденция сохраняется уже несколько лет подряд не только в России, но и во всем мире. В принципе, это может быть абсолютно любая система, которая адаптирована к бытовым потребностям жильцов квартиры; та, которая позволяет создавать определенные условия согласно программным алгоритмам без вмешательства человека или с минимальным его участием. Как правило, комплексный вариант включает управление освещением, отоплением, вентиляцией и бытовыми приборами, начиная от штор с электроприводом и заканчивая аудио- и видеотехникой. Например, входя в комнату, вам не обязательно искать выключатель, чтобы зажечь свет – датчик движения определит ваше присутствие и люстра засияет. Система может быть запрограммирована на включение отопления, чтобы к определенному времени квартира успела прогреться, может включить чайник или стереосистему, а может сама подать сигнал на пульт охраны, если в доме окажется посторонний. Функционал «умного дома» может существенно отличаться (как и стоимость оборудования, установки), однако суть остается неизменной – обеспечение максимального комфорта, безопасности и экономии.
Что же включает технологический комплекс под названием «умный дом»? В принципе, это может быть абсолютно любая система, которая адаптирована к бытовым потребностям жильцов квартиры; та, которая позволяет создавать определенные условия согласно программным алгоритмам без вмешательства человека или с минимальным его участием. Как правило, комплексный вариант включает управление освещением, отоплением, вентиляцией и бытовыми приборами, начиная от штор с электроприводом и заканчивая аудио- и видеотехникой.
Например, входя в комнату, вам не обязательно искать выключатель, чтобы зажечь свет – датчик движения определит ваше присутствие и люстра засияет. Система может быть запрограммирована на включение отопления, чтобы к определенному времени квартира успела прогреться, может включить чайник или стереосистему, а может сама подать сигнал на пульт охраны, если в доме окажется посторонний. Функционал «умного дома» может существенно отличаться (как и стоимость оборудования, установки), однако суть остается неизменной – обеспечение максимального комфорта, безопасности и экономии.
Список литературы:
-
Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things – Виктор Петин
-
http://wiki.amperka.ru
-
http://arduino.ru
-
http://robocraft.ru
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
Приложения
Приложение 1
Приложение 2