Система розумний будинок: опис, принцип роботи, приклад реалізації

• Що таке система «Розумний будинок»?
• Як зробити будинок «Розумним»?
• Визначення початкових умов

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Прийнято вважати, що концепція «Розумного будинку» (від англійського smart house) бере свій початок в середині минулого століття, але через високу вартість реалізації подібні проекти не отримали широкого поширення. Ситуація докорінно змінилася з розвитком електроніки і в даний час такі системи хоч все ще не впроваджуються повсюдно, але вже і не сприймаються як дивина. Пропонуємо розглянути, що являє собою «Розумний будинок», його коло завдань, а також можливість самостійної реалізації такого проекту.

Що таке система «Розумний будинок»?

Під даним терміном мається на увазі програмно-апаратний комплекс, що дозволяє автоматизувати і спростити управління різними системами, а також іншим обладнанням будинку або квартири.

Як приклад наведемо функції, які можуть бути покладені на «Smart house» (далі SH):

Управління системою освітлення, наприклад:

• включати світло за сигналом датчика руху;
• імітація присутності господарів (періодично запалюється світло в різних кімнатах);
• зміна різних варіантів підсвічування інтер'єру;
• дистанційне керування світлом за допомогою планшета або смартфона і т.д.

Варіант функціонального набору охоронної системи:

• отримання SMS повідомлень в разі включення, відключення і спрацьовування системи;
• відправка MMS повідомлень з відеокамер при надходженні сигналів від датчиків руху;
• можливість перегляду відеозапису через Інтернет і т.д.

Система клімат-контролю:

• підтримка температури на заданому рівні, з можливістю його установки дистанційно (наприклад, за допомогою смартфона);
• установка режиму максимальної економії при відсутності господарів і т.д.

Це далеко не повний функціональний набір, він може бути розширений в залежності від побажань і фінансових можливостей. Завдяки розвитку бездротових технологій масштабованість системи не вимагає капітального ремонту.

Які мінуси має "Розумний Дім":

• Будь-яка електроніка не застрахована від збоїв або зависань. Потрібно бути готовим до того, що в будь-який момент знадобиться перенастроювання окремих електронних систем і компонентів вручну;
• Дорожнеча. На ринку Росії і СНД виробники продають системи за мінімальною ціною від 2000 доларів до 5000, в залежності від «начинки» і побажань замовника.

Як зробити будинок «Розумним»?

В ідеалі реалізація подібних рішень має вестися на етапі будівництва, але такий варіант з огляду на низку обставин не популярний серед забудовників. В результаті залишається два способи автоматизації:

1. Звернутися в профільну компанію, де на основі ТЗ замовника буде складено проект з його подальшою реалізацією. Мінімальна вартість такого рішення варіюється, як уже було сказано вище, в межах $ 2000- $ 5000, максимальна залежить від функціонального набору і використовуваного обладнання.
2. Самостійно розробити і впровадити систему «Розумний будинок».

У першому випадку замовник отримує готове рішення, під ключ. У другому, вартість реалізації можна істотно скоротити, якщо не на порядок, то в кілька разів, особливо якщо використовувати для цієї мети платформу Ардуіно (про неї ми розповімо трохи нижче). Необхідно попередити, для реалізації проекту будуть потрібні навички програмування, але розробники постаралися максимально спростити цю задачу.

Коротко про платформу

Основа платформи це плата з мікро контролером (далі МК) і електронним обвісом до нього. До контролера випускається безліч різних датчиків і плат розширення з тими чи іншими функціями.

позначення:

1. Порт для перепрошивки (стандартний USB).
2. Кнопка апаратного скидання.
3. Сигнал опорного напруги.
4. GND.
5. Контакти для цифрових сигналів.
6. Сигнал ТХ.
7. Сигнал РХ.
8. Порт для підключення зовнішнього програматора.
9. Контакти для аналогових сигналів.
10. Підключення зовнішнього живлення.
11. GND.
12. +5 В.
13. +3, 3 В.
14. Сигнал скидання.
15. Роз'єм для джерела живлення.
16. Мікроконтролер.

Особливість платформи полягає в тому, що процес програмування МК максимально спрощений. Прошивка за допомогою вбудованої програми-завантажувача через наявний на платі порт USB. На випадок випадкового «затирання» цієї програми передбачена можливість перепрошивки стандартними программаторами.

Для програмування використовується безкоштовна оболонка (Arduino IDE), сумісна з найбільш поширеними операційними системами (Windows, Linux, Mac OS). У цю оболонку входить текстовий редактор для написання програм, компілятор і бібліотеки. В якості базового мови програмування використовується спрощений варіант С ++. Більш повну інформацію про програмуванні МК можна отримати на сайті розробника і тематичних форумах. У цих же джерелах можна дізнатися все про візуалізації управління системою.

Орієнтовна вартість оригінального базового модуля $ 30 - $ 50 (в залежності від модифікації), китайських аналогів - $ 10- $ 16.

Приклади плат розширення і датчиків

Наведемо короткий опис Шілд, які можуть знадобитися при розробці власного проекту SH.

Модуль для підключення до локальної мережі або інтернет по стандартному протоколу TCP / IP. В якості основного елемента використовується контролер ENC28J60. Цей пристрій дозволяє організувати візуалізоване управління системою з веб-сайту.

Модуль GPRS / GSM SIM900 дозволяє здійснювати управління системою за допомогою обміну даними через мережу будь-якого мобільного оператора. Для підключення до мережі використовується стандартна SIM карта. Є можливість відправки SMS і ММС повідомлень, в бібліотеці модуля реалізована підтримка інших функцій.

Реле електромеханічного дії на 10 А 250 В, може використовуватися для управління освітленням або інший відповідним навантаженням. При підключенні харчування включається світлодіод червоного кольору, якщо реле спрацьовує, то додатково загоряється зелений індикатор. Сигнал можна подавати від будь-якого цифрового виходу МК.

На жаль, при максимальному навантаженні або близькою до неї у електромеханічних реле, через кілька тижнів роботи можуть почати залипати контакти, тому для управління роботою електрокотлів системи опалення вони не підходять. Але не варто засмучуватися, для платформи Ардуіно можна знайти модулі на всі випадки життя, в даній ситуації вирішити проблему можна за допомогою твердотільного реле, наприклад SSR-25DA.

позначення:

1. GND на базовій платі.
2. До цифрового виходу, наприклад, D
3. Харчування від мережі 220 В.
4. Підключення навантаження.

Звернемо увагу, що даний модуль реалізований на сімісторов, а для його стабільної роботи потрібне відведення тепла, тому рекомендуємо разом з модулем придбати і штатний радіатор.

датчики

Тепер розглянемо кілька типів датчиків, які також можуть бути корисні для проекту, почнемо з ІК пристрою HC-SR501, фіксуючого руху.

позначення:

1. Живлення від джерела в діапазоні 5-12 В (можна підключити до +5 В на платі контролера).
2. Сигнал, що виходить від датчика (підключається до будь-якого цифрового входу МК)
3. GND з'єднується з відповідним контактом базової плати.
4. Час затримки (утримання логічної одиниці на виході) - від 5 до 300 сек.
5. Чутливість датчика (можна встановити від 3 до 7 метрів).
6. Перемикач в режим «Н» (при серії спрацьовувань встановлюється логічна одиниця).
7. Установка режиму «L» (при активації надсилається одиночний імпульс).

Не менш корисним буде цифровий температурний датчик DS18B20 (виготовляється в герметичному і звичайному виконанні). Їх особливість полягає в тому, що пристрої не вимагають калібрування і кожне з них має власний унікальний ідентифікатор. Тобто, датчик передає дані температури і свій унікальний номер. Завдяки цьому на один шлейф можна встановити кілька датчиків і програмно обробляти інформацію, що надходить. Обмеження довжини сигнальних проводів - 50 метрів.

Завершуючи тему датчиків, наведемо модуль для вимірювання вологості, він може бути використаний в якості сигналізатора протікання води або для організації поливу кімнатних або тепличних рослин.

позначення:

1. Цифровий вихід, підключається до будь-якого відповідного роз'єму на базовій платі МК. Сигналізує про вологості, відповідної порогу спрацьовування.
2. Аналоговий вихід, інформує про поточну вологості.
3. GND
4. Харчування +5 В.
5. Управління порогом чутливості.

Ми навели лише три типових датчика сумісних з платформою, насправді їх значно більше. Ознайомитися з різноманітністю даної продукції можна на сайтах виробників.

Закінчивши з оглядом обладнання, перейдемо до проектування системи управління і автоматизації, почати необхідно з постановки завдання.

Визначення початкових умов

В першу чергу необхідно визначитися з постановкою завдання, тобто, з функціональністю системи. Припустимо, у нас є однокімнатна квартира, яку можна умовно розділити на наступні зони:

• Тамбур.
• Передпокій.
• Туалет, поєднаний з ванною кімнатою.
• Кухня.
• Житлова кімната.

Завдання: автоматизувати управління освітленням, бойлером та системою вентиляції.

Поставимо завдання для кожної із зон.

тамбур

В даному випадку можна автоматично включати світло при наближенні до вхідних дверей. Тобто, потрібно датчик руху. При цьому необхідно враховувати рівень освітленості, відповідно, автоматика повинна спрацьовувати тільки в темний час доби. Для цього знадобитися датчик GY302 або аналогічний (в огляді ми не приводили його, але знайти опис не складе проблем). Включення і вимикання лампочки (через заданий в програмі час) можна довірити твердотельному малопотужного реле, наприклад G3MB-202P, розрахованому на струм навантаження 2 А.

Передпокій

Управління освітленням в даній зоні можна організувати за тим же принципом, що і в тамбурі. Можна додати включення світла при відкритті вхідних дверей. Як датчик підійде типовий дверний геркон.

Туалет і ванна кімната

Включення бойлера можна пов'язати з наявністю в квартирі господарів. Якщо нікого немає, автоматика примусово відключає нагрівач води за допомогою модуля SSR-25DA. Відстежувати температуру нагрівання немає сенсу, оскільки дані пристрої самостійно відключаються при досягненні заданого порогу. Світло і витяжка повинні включатися автоматично при вході людини в цю зону, і відключатися через певний час, якщо не виявлено рух.

Автоматизація кухні

Управління освітленням даної зони можна залишити ручним, але дублювати його автоматикою, яка відключає світло, якщо рух не виявляється тривалий час. При роботі електро або газової плити повинна включатися витяжка і відключатися через деякий час після приготування їжі. Керувати роботою витяжки можна за допомогою термодатчика, що фіксує підвищення температури при включенні плити.

Житлова кімната

В даному приміщенні керувати освітленням краще вручну, але можна реалізувати можливість автоматичного відключення світла при достатньому рівні освітленості.

Наведений приклад досить умовний, оскільки алгоритм роботи Розумного будинку кожен розробляє в залежності від особистих уподобань.

особливості терморегуляції

На закінчення дамо кілька рекомендацій з управління опаленням. Слід враховувати велику інерційність даної системи. Велика ймовірність того, що управління за допомогою простого включення і відключення опалення, відповідно до заданим температурним діапазоном, можуть створити досить дискомфортні умови. В даному випадку слід використовувати алгоритм PID-регулювання, в мережі доступна бібліотека з його реалізацією для Ардуіно.

Не вдаючись в подробиці можна описати роботу даного алгоритму наступним чином:

• Проводиться аналіз між необхідною і поточної температурою в приміщенні, і по результату встановлюється певна потужність опалювальної системи.
• Проводиться облік постійних тепловтрат. Вони можуть залежати від вуличної температури або інших чинників. Тому при досягненні заданої температури, опалення не відключається повністю, а знижується до рівня необхідного для компенсації тепловтрати.
• Останній фактор, що впливає на роботу алгоритму, враховує інерційність системи опалення, що не допускає вихід температури за встановлений діапазон.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!