Smart Home basierend auf Arduino-Controllern: Design und Organisation des kontrollierten Raums

Die Entwicklung der Automatisierung hat zur Schaffung integrierter Systeme geführt, die die Lebensqualität des Menschen verbessern. Viele bekannte Hersteller von Elektronik- und Softwareumgebungen bieten vorgefertigte Standardlösungen für verschiedene Objekte an.

Selbst ein unerfahrener Benutzer kann unabhängige Projekte entwickeln und auf Arduino ein „Smart Home“ zusammenstellen, das seinen Anforderungen entspricht. Die Hauptsache ist, die Grundlagen zu verstehen und keine Angst vor Experimenten zu haben.

In diesem Artikel werden wir das Prinzip der Erstellung und die Grundfunktionen eines auf Arduino-Geräten basierenden automatisierten Hauses betrachten. Berücksichtigen Sie auch die verwendeten Kartentypen und die Hauptmodule des Systems.

Erstellung von Systemen auf der Arduino-Plattform

Arduino ist eine Plattform für die Entwicklung elektronischer Geräte mit automatischer, halbautomatischer oder manueller Steuerung. Es wird nach dem Prinzip eines Konstruktors mit klar definierten Regeln für die Interaktion zwischen Elementen erstellt. Das System ist offen, so dass Dritthersteller an seiner Entwicklung teilnehmen können.

Klassisch “Smart HomeBesteht aus automatisierten Einheiten, die die folgenden Funktionen ausführen:

• Sammeln Sie die erforderlichen Informationen über Sensoren.
• Daten analysieren und Entscheidungen mit einem programmierbaren Mikroprozessor treffen;
• Implementieren Sie die Entscheidungen, die durch die Ausgabe von Befehlen an verschiedene Geräte getroffen wurden.

Die Arduino-Plattform ist gerade deshalb gut, weil sie nicht in der Nähe eines bestimmten Herstellers liegt, sondern es dem Verbraucher ermöglicht, die für ihn geeigneten Komponenten auszuwählen. Ihre Auswahl ist riesig, so dass Sie fast alle Ideen umsetzen können.

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Um zu lernen, wie man mit Arduino arbeitet, können Sie das Starter Kit auf der Website des Herstellers erwerben. Kenntnisse des technischen Englisch sind erforderlich, da die Dokumentation nicht russifiziert ist

Zusätzlich zu der Vielzahl der angeschlossenen Geräte erhöht die in C ++ implementierte Programmierumgebung die Variabilität.Der Benutzer kann nicht nur die erstellten Bibliotheken nutzen, sondern auch die Reaktion der Systemkomponenten auf neu auftretende Ereignisse programmieren.

Hauptplatinenelemente

Das Hauptelement eines Smart Homes sind eine oder mehrere zentrale (Motherboard-) Karten. Sie sind für das Zusammenspiel aller Elemente verantwortlich. Nachdem wir nur die Aufgaben festgelegt haben, die gelöst werden müssen, können wir mit der Auswahl des Hauptsystemknotens fortfahren.

Das Motherboard kombiniert die folgenden Elemente:

• Mikrocontroller (Prozessor). Sein Hauptzweck ist es, Spannung in Ports im Bereich von 0-5 oder 0-3,3 V auszugeben und zu messen, Daten zu speichern und Berechnungen durchzuführen.
• Programmierer (nicht alle Boards haben es). Mit diesem Gerät wird ein Programm in den Speicher des Mikrocontrollers geschrieben, nach dem das „Smart Home“ funktioniert. Es ist über eine USB-Schnittstelle mit einem Computer, Tablet, Smartphone oder einem anderen Gerät verbunden.
• Spannungsstabilisator. Für die Stromversorgung des gesamten Systems ist ein 5-Volt-Gerät erforderlich.

Unter der Marke Arduino sind mehrere Motherboard-Modelle erhältlich. Sie unterscheiden sich in Formfaktor (Größe), Anzahl der Ports und Speichergröße. Für diese Indikatoren müssen Sie das richtige Gerät auswählen.

Arduino-Boards und -Schilde werden am besten vom Hersteller gekauft, da sie besser sind als kompatible Geräte, die in China erhältlich sind

Es gibt zwei Arten von Ports:

• digitaldie auf der Tafel mit Buchstaben markiert sind "D";
• analogmit einem Buchstaben markiert "A".

Dank ihnen kommuniziert der Mikrocontroller mit angeschlossenen Geräten. Jeder Port kann sowohl beim Empfang eines Signals als auch beim Ausgang arbeiten. Mit „pwm“ gekennzeichnete digitale Ports sind für die Ein- und Ausgabe eines PWM-Signals (Pulsweitenmodulation) vorgesehen.

Daher müssen Sie vor dem Kauf eines Boards die Auslastung verschiedener Geräte mindestens annähernd bewerten. Dadurch wird die gewünschte Anzahl von Ports aller Art bestimmt.

Es versteht sich, dass das „Smart Home“ -System nicht an eine Steuereinheit gebunden sein muss, die auf einem Motherboard basiert. Funktionen wie beispielsweise das Einschalten der künstlichen Beleuchtung des Orts in Abhängigkeit von der Tageszeit und die Aufrechterhaltung der Wasserreserve im Lagertank sind unabhängig voneinander.

Unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Zuverlässigkeit des elektronischen Systems ist es besser, nicht zusammenhängende Aufgaben in verschiedene Blöcke zu unterteilen, was die Implementierung des Arduino-Konzepts erleichtert. Wenn Sie mehrere Geräte an einem Ort kombinieren, kann es zu Überhitzung des Mikroprozessors, Konflikten zwischen Softwarebibliotheken und Schwierigkeiten beim Auffinden und Beheben von Software- und Hardwarefehlern kommen.

Der Anschluss vieler verschiedener Gerätetypen an eine Platine wird normalerweise in der Robotik verwendet, wo Kompaktheit wichtig ist. Für ein „Smart Home“ ist es besser, für jede Aufgabe eine eigene Grundlage zu verwenden

Jeder Mikroprozessor ist mit drei Speichertypen ausgestattet:

• Flash-Speicher Der Hauptspeicher, in dem der Code des Systemverwaltungsprogramms gespeichert ist. Ein kleiner Teil davon (3-12%) wird vom kabelgebundenen Bootloader belegt.
• SRAM RAM, in dem temporäre Daten gespeichert werden, die für das Programm erforderlich sind. Unterscheidet sich in der hohen Arbeitsgeschwindigkeit.
• EEPROM. Langsamerer Speicher, in dem auch Daten gespeichert werden können.

Der Hauptunterschied zwischen den Speichertypen zum Speichern von Daten besteht darin, dass beim Ausschalten die im SRAM aufgezeichneten Informationen verloren gehen, aber im EEPROM verbleiben. Der nichtflüchtige Typ hat jedoch auch einen Nachteil - eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen. Dies muss beim Erstellen eigener Anwendungen beachtet werden.

Im Gegensatz zur Verwendung von Arduino in der Robotik benötigen Sie für die meisten Aufgaben des „Smart Home“ weder für Programme noch zum Speichern von Informationen viel Speicher.

Arten von Boards für den Bau eines Smart Home

Berücksichtigen Sie die Haupttypen von Karten, die beim Zusammenbau eines Smart-Home-Systems am häufigsten verwendet werden.

Ansicht Nr. 1 - Arduino Uno und seine Derivate

Die gängigsten Smart-Home-Systeme verwenden die Karten Arduino Uno und Arduino Nano. Sie verfügen über ausreichende Funktionen, um typische Probleme zu lösen.

Die Verfügbarkeit von Strom für Vollformatkarten ab einer Spannung von 7-12 Volt bietet viele Vorteile. Erstens ist es die Möglichkeit eines langfristigen autonomen Betriebs mit Standardbatterien oder -speichern

Hauptparameter von Arduino Uno Rev3:

• Prozessor: ATMega328P (8 Bit, 16 MHz);
• Anzahl der digitalen Ports: 14;
• davon mit PWM-Funktion: 6;
• Anzahl der analogen Ports: 6;
• Flash-Speicher: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Vor nicht allzu langer Zeit wurde eine Modifikation veröffentlicht - Uno Wi-Fi, das ein integriertes Modul ESP8266 enthält, mit dem Sie Informationen mit anderen Geräten gemäß dem Standard 802.11 b / g / n austauschen können.

Der Unterschied zwischen dem Arduino Nano und seinem größeren Analogon ist das Fehlen einer eigenen Steckdose ab 12 V. Dies geschieht, um ein kleineres Gerät zu erhalten, das es einfach macht, sich auf kleinem Raum zu verstecken. Auch für diese Zwecke wird die Standard-USB-Verbindung durch einen Chip mit einem Mini-USB-Kabel ersetzt. Arduino Nano hat im Vergleich zu Uno 2 weitere analoge Ports.

Es gibt eine weitere Modifikation des Uno-Boards - Arduino Mini. Es ist noch kleiner als Nano und es ist viel schwieriger damit zu arbeiten. Erstens verursacht das Fehlen eines USB-Anschlusses ein Problem mit der Firmware, da Sie hierfür den USB-Serial Converter verwenden müssen. Zweitens ist diese Karte in Bezug auf die Leistung wählerischer - es ist erforderlich, einen Eingangsspannungsbereich von 7 bis 9 V bereitzustellen.

Aus den oben beschriebenen Gründen wird das Arduino Mini-Board selten für den Betrieb eines „Smart Home“ verwendet. Normalerweise wird es entweder in der Robotik oder bei der Implementierung von vorgefertigten Projekten verwendet.

Ansicht # 2 - Arduino Leonardo und Micro

Das Arduino Leonardo Board ähnelt Uno, ist aber etwas leistungsfähiger. Ein weiteres interessantes Merkmal dieses Modells ist seine Definition, wenn es als Tastatur, Maus oder Joystick an einen Computer angeschlossen ist. Daher wird es häufig verwendet, um originelle Spielgeräte und Simulationen zu erstellen.

Eine Tabelle mit Größen und Abmessungen der Modelle Uno, Leonardo und ihrer Miniaturanaloga. Die Entwickler folgten nicht der Logik in den Namen - "Nano" sollte die kleinste sein

Die Hauptparameter des Arduino Leonardo sind wie folgt:

• Prozessor: ATMega32u4 (8 Bit, 16 MHz);
• Anzahl der digitalen Ports: 20;
• davon mit PWM-Funktion: 7;
• Anzahl der analogen Ports: 12;
• Flash-Speicher: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Wie Sie der Parameterliste entnehmen können, verfügt Leonardo über mehr Ports, sodass dieses Modell mit einer großen Anzahl von Sensoren geladen werden kann.

Auch für Leonardo gibt es ein völlig identisches Miniaturanalogon namens Micro. Es wird nicht mit 12 V versorgt und anstelle eines vollwertigen USB-Eingangs gibt es einen Chip für ein Mini-USB-Kabel.

Die Modifikation von Leonardo namens Esplora ist ein reines Spielmodell und entspricht nicht den Anforderungen eines „Smart Home“.

Ansicht Nr. 3 - Arduino 101, Arduino Zero und Arduino MKR1000

Manchmal ist für den Betrieb von auf Arduino implementierten „Smart Home“ -Systemen eine große Rechenleistung erforderlich, die 8-Bit-Mikrocontroller nicht bereitstellen können. Aufgaben wie die Sprach- oder Bilderkennung erfordern einen schnellen Prozessor und eine erhebliche Menge an RAM für solche Geräte.

Um diese spezifischen Probleme zu lösen, werden leistungsstarke Boards verwendet, die nach dem Arduino-Konzept arbeiten. Die Anzahl der Ports entspricht in etwa der Anzahl der Uno- oder Leonardo-Boards.

Arduino 101 hat die gleichen Abmessungen wie Uno oder Leonardo, wiegt aber fast doppelt so viel. Der Grund dafür ist das Vorhandensein von zwei USB-Eingängen und zusätzlichen Chips.

Eines der am einfachsten zu bedienenden, aber leistungsstarken Boards - Arduino 101 weist die folgenden Eigenschaften auf:

• Prozessor: Intel Curie (32 Bit, 32 MHz);
• Flash-Speicher: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: Nein.

Darüber hinaus ist das Board mit der BLE-Funktionalität (Bluetooth Low Energy) ausgestattet, mit der vorgefertigte Lösungen wie ein Herzschlagsensor, der Empfang von Wetterinformationen außerhalb des Fensters, das Senden von Textnachrichten usw. problemlos verbunden werden können. Ein Gyroskop und ein Beschleunigungsmesser sind ebenfalls in das Gerät integriert, werden jedoch hauptsächlich in der Robotik eingesetzt.

Ein anderes ähnliches Board - Arduino Zero hat die folgenden Indikatoren:

• Prozessor: SAM-D21 (32 Bit, 48 MHz);
• Flash-Speicher: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: Nein.

Eine Besonderheit dieses Modells ist das Vorhandensein eines integrierten Debuggers (EDBG). Bei der Programmierung der Karte ist es viel einfacher, nach Fehlern zu suchen.

Selbst hochqualifizierte Programmierer haben beim Schreiben von umfangreichem Code Fehler. Um sie zu finden, verwenden Sie einen Debugger (Debugger)

Arduino MKR1000 ist ein weiteres Modell, das für leistungsstarkes Computing geeignet ist.Es hat einen Mikroprozessor und einen Speicher ähnlich wie Zero. Der Hauptunterschied besteht im Vorhandensein eines integrierten Wi-Fi-Chips mit 802.11 b / g / n-Protokoll und eines Krypto-Chips mit Unterstützung des SHA-256-Algorithmus zum Schutz der übertragenen Daten.

Ansicht # 4 - Modelle der Mega-Familie

Manchmal ist es notwendig, eine große Anzahl von Sensoren zu verwenden und eine erhebliche Anzahl von Geräten zu steuern. Dies ist beispielsweise für die automatische Funktion verteilter Klimaanlagen erforderlich, die für einzelne Zonen eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten.

Für jeden lokalen Bereich ist es erforderlich, die Messwerte von zwei Temperatursensoren zu verfolgen (der zweite wird als Steuerung verwendet) und gemäß dem Algorithmus die Position des Dämpfers anzupassen, der die Menge an warmer Luft bestimmt.

Wenn es mehr als 10 solcher Zonen in der Hütte gibt, werden mehr als 30 Ports benötigt, um das gesamte System zu steuern. Natürlich können Sie mehrere Uno-Karten unter der allgemeinen Kontrolle einer von ihnen verwenden, dies führt jedoch zu zusätzlichen Schaltschwierigkeiten. In diesem Fall ist es ratsam, Modelle der Mega-Familie zu verwenden.

Die Größe der Mega Family Boards (101,5 x 53,4 cm) ist größer als die der zuvor getesteten Modelle. Dies ist eine technische Notwendigkeit - andernfalls können Sie nicht so viele Ports platzieren

Der Arduino Mega basiert auf einem recht einfachen 8-Bit-16-MHz-aTMega1280-Mikroprozessor.

Es hat eine große Menge an Speicher:

• Flash-Speicher: 128 KB;
• SRAM: 8 KB;
• EEPROM: 4 KB.

Der Hauptvorteil ist jedoch das Vorhandensein vieler Häfen:

• Anzahl der digitalen Ports: 54;
• davon mit PWM-Funktion: 15;
• Anzahl der analogen Anschlüsse: 16.

Dieses Board hat zwei moderne Sorten:

• Mega 2560 basiert auf dem aTMega2560-Mikroprozessor mit einem großen Flash-Speicher - 256 KB;
• Zusätzlich zum aTMega2560-Mikroprozessor verfügt das Mega ADK über eine USB-Schnittstelle, über die Geräte mit dem Android-Betriebssystem verbunden werden können.

Das Arduino Mega ADK-Modell verfügt über eine Funktion. Wenn Sie das Telefon an den USB-Eingang anschließen, ist folgende Situation möglich: Wenn das Telefon aufgeladen werden muss, wird es aus der Platine gezogen. Daher besteht eine zusätzliche Anforderung an eine Stromquelle - sie muss eine Stromstärke von 1,5 Ampere liefern. Bei der Lieferung von Batterien muss dieser Zustand berücksichtigt werden.

Sie können Arduino mit Hilfe von angeschlossenen Batterien oder Batterien autonom mit Strom versorgen. Durch die Kombination von serieller und paralleler Verbindung können Sie die gewünschte Spannung und lange Betriebszeit erreichen

Due ist ein weiteres Arduino-Modell, das die Leistung eines Mikroprozessors und eine große Anzahl von Ports kombiniert.

Seine Eigenschaften sind wie folgt:

• Prozessor: Atmel SAM3X8E (32 Bit, 84 MHz);
• Anzahl der digitalen Ports: 54;
• davon mit PWM-Funktion: 12;
• Anzahl der analogen Ports: 14;
• Flash-Speicher: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: Nein.

Die analogen Kontakte dieser Karte können sowohl mit der für Arduino üblichen 10-Bit-Auflösung, die aus Kompatibilitätsgründen mit früheren Modellen erfolgt, als auch mit einer 12-Bit-Auflösung arbeiten, mit der Sie ein genaueres Signal erhalten.

Merkmale der Interaktion von Modulen über Ports

Alle Module, die an die Karte angeschlossen werden, haben mindestens drei Ausgänge. Zwei von ihnen sind Stromkabel, d.h. "Masse" sowie eine Spannung von 5 oder 3,3 V. Der dritte Draht ist logisch. Es überträgt Daten an den Port. Verwenden Sie zum Anschließen der Module spezielle Drähte, die in drei Teilen zusammengefasst sind und manchmal als Jumper bezeichnet werden.

Da Arduino-Modelle normalerweise nur 1 Port mit Spannung und 1-2 Ports mit Masse haben, müssen Sie zum Anschließen mehrerer Geräte entweder die Drähte löten oder Steckbretter verwenden.

Sie können nicht nur die Stromversorgung und die Anschlüsse des Arduino-Boards mit dem Steckbrett verbinden, sondern auch andere Elemente wie z. B. Widerstand, Register usw.

Das Löten ist zuverlässiger und wird in Geräten verwendet, die physischen Stößen ausgesetzt sind, z. B. Steuerplatinen für Roboter und Quadrocopter. Für ein Smart Home ist es besser, Steckbretter zu verwenden, da dies sowohl während der Installation als auch beim Entfernen eines Moduls einfacher ist.

Bei einigen Modellen (z. B. Arduino Zero und MKR1000) beträgt die Betriebsspannung 3,3 V. Wenn also ein höherer Wert an die Ports angelegt wird, kann die Karte beschädigt werden. Alle Informationen zur Stromversorgung finden Sie in der technischen Dokumentation des Geräts.

Zusatzkarten (Schilde)

Um die Funktionen von Motherboards zu verbessern, verwenden Sie Shields (Shields), um die Funktionalität zusätzlicher Geräte zu erweitern. Sie sind für einen bestimmten Formfaktor ausgelegt, der sie von Modulen unterscheidet, die mit Ports verbunden sind. Schilde sind teurer als Module, aber die Arbeit mit ihnen ist einfacher. Sie sind außerdem mit vorgefertigten Bibliotheken mit Code ausgestattet, was die Entwicklung eigener Steuerungsprogramme für das „Smart Home“ beschleunigt.

Schilde Proto und Sensor

Diese beiden Standardschilde bringen keine besonderen Merkmale mit sich. Sie dienen zum kompakteren und bequemeren Anschluss einer Vielzahl von Modulen.

Proto Shield ist eine fast vollständige Kopie des Originals in Bezug auf die Anschlüsse, und in der Mitte des Moduls können Sie ein Steckbrett anbringen. Dies erleichtert die Montage. Solche Add-Ons gibt es für alle Arduino-Boards in voller Länge.

Proto Shield befindet sich oben auf dem Motherboard. Dies erhöht die Höhe der Struktur geringfügig, spart jedoch viel Platz in der Ebene

Wenn es jedoch viele Geräte gibt (mehr als 10), ist es besser, teurere Sensor Shield-Patchboards zu verwenden.

Sie haben kein Bradboard, jedoch werden alle Schlussfolgerungen der Ports einzeln mit Strom und Masse versorgt. So können Sie nicht in Drähten und Steckbrücken verwechselt werden.

Die Oberfläche der Hauptplatine und der Sensorplatinen ist gleich, aber der Chip enthält keine Chips, Kondensatoren oder andere Elemente. Dadurch wird viel Platz für vollständige Verbindungen frei

Auf dieser Platine befinden sich auch Pads zum einfachen Anschluss mehrerer Module: Bluetoots, SD-Karten, RS232 (COM-Port), Radio und Ultraschall.

Zusatzfunktionalität anschließen

Schilde mit integrierter Funktionalität zur Lösung komplexer, aber typischer Aufgaben. Wenn Sie originelle Ideen umsetzen müssen, ist es besser, das richtige Modul auszuwählen.

Motorschild. Es dient zur Steuerung der Drehzahl und Drehung von Motoren mit geringer Leistung. Das Originalmodell ist mit einem L298-Chip ausgestattet und kann gleichzeitig mit zwei Gleichstrommotoren oder mit einem Servoantrieb arbeiten. Es gibt ein kompatibles Teil eines Drittherstellers, das über zwei L293D-Chips verfügt, mit denen doppelt so viele Laufwerke gesteuert werden können.

Relaisschild. Ein häufig verwendetes Modul mit Smart-Home-Systemen. Platine mit vier elektromechanischen Relais, von denen jedes den Stromdurchgang mit einer Kraft von bis zu 5 A ermöglicht. Dies reicht aus, um Kilowattgeräte oder Beleuchtungsleitungen, die für Wechselstrom 220 V ausgelegt sind, automatisch ein- und auszuschalten.

LCD-Abschirmung. Ermöglicht die Anzeige von Informationen auf dem integrierten Bildschirm, die auf ein TFT-Gerät aktualisiert werden können. Diese Erweiterung wird häufig verwendet, um Wetterstationen mit Temperaturmesswerten in verschiedenen Wohngebäuden, Nebengebäuden, einer Garage sowie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit auf der Straße zu erstellen.

In das LCD-Schild sind Schaltflächen integriert, mit denen Sie das Paging von Informationen und die Auswahl von Aktionen zum Senden von Befehlen an den Mikroprozessor programmieren können

Datenprotokollierungsschild. Die Hauptaufgabe des Moduls besteht darin, Daten von Sensoren auf einer Vollformat-SD-Karte mit bis zu 32 GB mit Unterstützung für das FAT32-Dateisystem aufzuzeichnen. Um auf einer Micro-SD-Karte aufzunehmen, müssen Sie einen Adapter kaufen. Dieses Schild kann als Informationsspeicher verwendet werden, beispielsweise beim Aufzeichnen von Daten von einem DVR. Produktion des amerikanischen Unternehmens Adafruit Industries.

SD-Kartenschild. Eine einfachere und billigere Version des vorherigen Moduls. Solche Erweiterungen werden von vielen Herstellern veröffentlicht.

EtherNet Shield. Das offizielle Modul zum Verbinden von Arduino mit dem Internet ohne Computer. Es gibt einen Micro-SD-Kartensteckplatz, über den Sie Daten über ein weltweites Netzwerk aufzeichnen und senden können.

Wi-Fi Shield. Ermöglicht den drahtlosen Austausch von Informationen mit Unterstützung für die Verschlüsselung. Dient zum Herstellen einer Verbindung zum Internet und zu Geräten, die über WLAN gesteuert werden können.

GPRS-Schild. Dieses Modul wird in der Regel verwendet, um „Smart Home“ per Handy per SMS mit dem Eigentümer zu kommunizieren.

Smart Home-Module

Das Anschließen von Modulen von Drittherstellern und die Möglichkeit, mit ihnen über die integrierte Programmiersprache zu arbeiten, ist der Hauptvorteil des offenen Arduino-Systems im Vergleich zu „proprietären“ Lösungen für „Smart Home“. Hauptsache, die Module haben eine Beschreibung der empfangenen oder gesendeten Signale.

Möglichkeiten, Informationen zu erhalten

Informationen können über digitale oder analoge Ports eingegeben werden. Dies hängt von der Art der Taste oder des Sensors ab, die die Informationen empfängt und an die Karte überträgt.

Bei einem Computerprogramm entspricht ein digitales Signal Perioden von „0“ und „1“, während das analoge Signal den Wertebereich entsprechend seiner Dimension bestimmt

Das Signal an den Mikroprozessor kann von einer Person gesendet werden, die hierfür zwei Methoden anwendet:

• Drücken einer Taste (Tasten). Das logische Kabel geht in diesem Fall zum digitalen Port, der beim Loslassen der Taste den Wert „0“ und beim Drücken den Wert „1“ erhält.
• Drehung der Kappe des Drehpotentiometers (Widerstand) oder Schalthebelschieber. In diesem Fall geht die logische Leitung zum analogen Port. Die Spannung durchläuft einen Analog-Digital-Wandler, wonach die Daten an den Mikroprozessor gesendet werden.

Mit den Tasten können Sie ein Ereignis starten, z. B. das Licht ein- und ausschalten, heizen oder lüften. Drehknöpfe dienen zum Ändern der Intensität - Erhöhen oder Verringern der Helligkeit des Lichts, der Schalllautstärke oder der Drehzahl der Lüfterblätter.

Das Potentiometer ist das einfachste Gerät und daher sehr billig. Seine Hauptmerkmale sind elektrischer Widerstand und Drehwinkel

Sensoren werden verwendet, um automatisch die Parameter der Umgebung oder den Ursprung eines Ereignisses zu bestimmen.

Folgende Sorten sind für den Betrieb eines „Smart Home“ am gefragtesten:

• Schallsensor. Die digitalen Versionen dieses Geräts werden verwendet, um ein Ereignis mit einem Pop oder einer Stimme auszulösen. Mit analogen Modellen können Sie Geräusche erkennen und verarbeiten.
• Lichtsensor. Diese Geräte können sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich betrieben werden. Letzteres kann als Brandwarnsystem verwendet werden.
• Temperatursensor. Für das Haus und die Straße werden unterschiedliche Modelle verwendet, da die Außenmodelle besser vor Feuchtigkeit geschützt sind. Es gibt auch entfernte Geräte am Kabel.
• Feuchtigkeitssensor. Das DHT11-Modell ist für den Innenbereich und das teurere DHT22 für den Außenbereich geeignet. Beide Geräte können auch einen Temperaturwert anzeigen. Verbinden Sie sich mit einem digitalen Port.
• Luftdrucksensor. Für die Arbeit mit Arduino-Boards haben sich analoge Bosh-Barometer bewährt: bmp180, bmp280. Sie messen auch die Temperatur. Das Modell bme280 kann als Wetterstation bezeichnet werden, da es zusätzlich auch einen Feuchtigkeitswert angibt.
• Bewegungs- und Anwesenheitssensoren. Sie werden zu Sicherheitszwecken oder zum automatischen Einschalten des Lichts verwendet.
• Regensensor. Reagiert auf Wasser, das in seine Oberfläche eindringt. Es kann auch verwendet werden, um einen Alarm über Undichtigkeiten im Wasser- oder Heizkreislauf auszulösen.
• Stromsensor. Sie werden verwendet, um defekte Elektrogeräte (durchgebrannte Lampen) zu erkennen oder die Spannung zu analysieren, um eine Überlastung zu vermeiden.
• Gaslecksensor. Es wird verwendet, um erhöhte Propankonzentrationen zu erkennen und darauf zu reagieren.
• Kohlendioxidsensor. Es wird verwendet, um die Kohlendioxidkonzentration in Wohnräumen und in speziellen Räumen wie Weinkellern zu bestimmen, in denen die Gärung stattfindet.

Es gibt viele verschiedene Sensoren für bestimmte Aufgaben, zum Beispiel zum Messen von Gewicht, Wasserdurchfluss, Entfernung, Bodenfeuchtigkeit usw.

Einige Sensoren, wie z. B. ein Windmesser zur Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung, sind komplexe elektromechanische Instrumente

Viele Sensoren und Sensoren können mit einfacheren Komponenten unabhängig voneinander hergestellt werden. Es wird weniger kosten.Im Gegensatz zur Verwendung serieller Geräte müssen Sie jedoch Zeit für die Kalibrierung aufwenden.

Instrumenten- und Systemmanagement

Ein „Smart Home“ muss nicht nur Informationen sammeln und analysieren, sondern auch auf neue Ereignisse reagieren. Dank der fortschrittlichen Elektronik moderner Haushaltsgeräte können Sie direkt über WLAN, GPRS oder EtherNet darauf zugreifen. Normalerweise implementieren sie für Arduino-Systeme das Umschalten eines Mikroprozessors und von High-Tech-Geräten über WLAN.

Um mit dem Arduino die Klimaanlage bei hohen Temperaturen im Haus einzuschalten, den Fernseher und das Internet nachts im Kinderzimmer zu blockieren oder den Heizkessel bei Ankunft der Eigentümer zu starten, müssen drei Schritte ausgeführt werden:

1. Installieren Sie das Wi-Fi-Modul auf dem Motherboard.
2. Suchen Sie nach nicht belegten Frequenzkanälen, um Systemkonflikte zu vermeiden.
3. Instrumentenbefehle und Programmaktionen verstehen (oder vorgefertigte Bibliotheken verwenden).

Neben der „Kommunikation“ mit computergestützten Geräten ergeben sich häufig Aufgaben im Zusammenhang mit der Ausführung mechanischer Aktionen. Sie können beispielsweise einen Servoantrieb oder ein kleines Getriebe an die Platine anschließen, die von dieser angetrieben wird.

Der Servoantrieb besteht aus einem Motor und mehreren Getrieben. Daher kann es trotz des geringen Stroms (5 V) eine anständige Leistung entwickeln, die beispielsweise ausreicht, um das Fenster zu öffnen

Verwenden Sie zwei Optionen, wenn Sie leistungsstarke Geräte anschließen müssen, die über eine externe Stromquelle betrieben werden:

1. Aufnahme in einen Relaisstromkreis.
2. Anschließen des Netzschalters und des Triac.

Stromkreis elektromagnetisch oder Halbleiterrelais schließt und öffnet auf Befehl des Mikroprozessors eines der Kabel. Ihre Hauptcharakteristik ist der maximal zulässige Strom (z. B. 40 A), der durch dieses Gerät fließen kann.

Der Anschluss eines Netzschalters (Mosfet) für Gleichstrom und eines Triacs für Wechselstrom hat einen niedrigeren Wert für die zulässige Stromstärke (5-15 A), kann jedoch die Last gleichmäßig erhöhen. Aus diesem Grund sind PWM-Ports auf den Karten vorgesehen. Diese Eigenschaft wird verwendet, um die Helligkeit der Beleuchtung, die Lüftergeschwindigkeit usw. zu steuern.

Mit Relais und Netzschaltern können Sie alle Stromkreise des Hauses vollständig automatisieren und den Generator ohne Strom starten. Auf der Grundlage von Arduino ist es daher realistisch möglich, eine Wohnung oder ein Gebäude unabhängig bereitzustellen, einschließlich aller besonders wichtigen Funktionen - Heizung, Wasserversorgung, Entwässerung, Belüftung und Sicherheitssystem.

Möchten Sie, dass Ihr Zuhause intelligenter ist, aber mit der Programmierung für „Sie“? In diesem Fall empfehlen wir Ihnen, sich vorgefertigte Lösungen von Xiaomi und Apple anzusehen, die selbst für Anfänger einfach zu installieren und zu konfigurieren sind. Sie können sogar Befehle ausgeben und deren Ausführung sogar von Ihrem Smartphone aus steuern.

Weitere Informationen zu Smart Home von Xiaomi und Apple finden Sie in den folgenden Artikeln:

• Xiaomi Smart Home: Designmerkmale, Überblick über die Hauptkomponenten und Arbeitselemente
• Apple Smart Home: Die Komplexität der Organisation von Haussteuerungssystemen der Apple Company

Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema

Ein Beispiel für einen selbst zusammengestellten Einstiegsrohling für ein „Smart Home“:

Die Offenheit der Arduino-Plattform ermöglicht den Einsatz von Komponenten verschiedener Hersteller. Dies macht es einfach, ein „Smart Home“ für Benutzeranforderungen zu entwerfen. Wenn es auf dem Gebiet der Programmierung und des Anschlusses elektronischer Geräte zumindest unbedeutende Kenntnisse gibt, lohnt es sich daher, diesem System Aufmerksamkeit zu schenken.

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