Умный дом на базе arduino своими руками: подключаемые модули и настройка системы

Недостатки системы умный дом

На самом деле недостатки плавно вытекают из всех расхваленных достоинств, и они видны невооруженным глазом даже тем людям, которые не имеют в активе такую сильную сторону личности, как критическое мышление.

Серьезный недостаток, не позволяющий воспользоваться системой большинству жителей планеты – это огромная стоимость установки и обслуживания. Для того, чтобы интегрировать полноценную настроенную систему при помощи сертифицированных специалистов, нужно иметь в запасе несколько миллионов рублей. Эта сумма превышает статистическую стоимость жилья среднего россиянина, поэтому проект реализуется чаще всего в городах-миллионниках обеспеченными горожанами.

Другой спорный момент в установке системы – излишне переоцененная стоимость ее элементов. Специалисты говорят, что все электронные составляющие разных компаний-продавцов по сути одинаковы. А цена их зависит от аппетитов и раскрученности бренда. Люди, которые не прогуливали физику в школе и университете и обладают определенной склонностью к техническим наукам, вполне способны самостоятельно заказать все необходимое в Китае и собрать воедино у себя в квартире. Интернет пестрит записями в блоге русских Кулибиных о том, как они самостоятельно разместили все это богатство в своей квартире. Проблема в том, что при выходе системы из строя, оперативно определить, что сломалось не получится.

• Если вы решились на установку системы в квартире или в доме, будьте готовы выделить для всего оборудования отдельное помещение. Потому что внешние блоки системы, сервер и другая аппаратура в жилых комнатах – это не эстетично и не практично с точки зрения издаваемого шума и мигания различных лампочек. Да и гостям дома лучше всего не раскрывать секретов его функционирования.

• В российских реалиях также необходимо учитывать чувствительность системы к перепадам напряжения. Во многих городах периодическое отключение света практикуется довольно часто, а о нестабильности входного уровня напряжения и говорить не приходится. Поэтому перед установкой умного дома нужно озаботиться бесперебойным питанием жилья. А это дополнительные расходы на соответствующее оборудование. И это оправданные траты, потому что при выходе из строя из-за сбоев в энергосистеме восстановление функционирования системы может достигать половины той цены, которую вы отдали за монтаж системы в целом.

Вопросы безопасности. Так или иначе, система работает с использованием сети интернет. А это значит, что при несоблюдении определенных правил есть вероятность того, что ее взломают и навредят вашему жилищу

Поэтому при установке подобных девайсов уделите особое внимание безопасности сетевых соединений. Кроме того, в связи с нестабильностью интернет-соединений, для бесперебойной работы системы нужно задействовать резервный интернет-канал

А это тоже ежемесячные расходы.

Вопросы совместимости элементов системы. В настоящее время система «умный дом» — это не готовое решение для каждой квартиры. Это своеобразный конструктор, собираемый исходя из потребностей человека. Элементы этого конструктора зачастую принадлежат разным фирмам-производителям, и собрать их в единую действующую схему довольно сложно. Все дело в том, что фирмы-производители не спешат оптимизировать свою продукцию так, чтобы она могла работать с элементами других производителей. Некоторые полезные и недорогие датчики просто «не умеют» работать друг с другом. Поэтому сейчас собрать единый умный организм в доме – проблема сложная, в основном специалисты устанавливают несколько автономных подсистем. Но мы полагаем, что в ближайшем будущем эта проблема будет разрешена, и на рынке будут присутствовать универсальные блоки и элементы.

Моральное устаревание системы. Рынок электроники динамично развивается, и ежегодно происходит рывок в какой-нибудь сфере. Устанавливая умный дом у себя, вы не можете быть уверены, что через пару лет при выходе из строя какого-либо элемента, вы сможете найти ему замену.

Нет исследований, подтверждающих безопасность постоянной работы беспроводных и проводных систем в доме. Установив систему умный дом, по сути, вы превращаете свое жилье в большую трансформаторную будку, и никто не знает, скажется ли это на вашем здоровье.

Готовые комплекты оборудования для создания «умного дома».

Дороговизна и недоступность систем управления инфраструктурой дома долгое время делало их предметом роскоши для миллионеров, которые уже не знают на что им потратить свои деньги. Но комфортом желают пользоваться и люди с гораздо меньшим уровнем достатка. Для них производителями электроники были разработаны готовые комплекты оборудования, не требующие сложного квалифицированного монтажа и настройки. Чаще всего такой комплект «умного дома» выглядит следующим образом:

Если вам интересно, то можете посмотреть обзор оборудования одного популярного на данный момент производителя:

Оптимальный микроклимат

Входящие в климат-контроль подсистемы программируются для работы по разным сценариям. Владелец выбирает наиболее привлекательные для него режимы функционирования кондиционеров, отопительного оборудования, осушителей и увлажнителей воздуха. Для дневного и ночного времени, для отсутствия и присутствия людей выбираются различные сценарии работы оборудования. Причем для каждого помещения в доме могут быть подобраны индивидуальные настройки.

Система учитывает малейшие колебания температуры не только внутри здания, но и вне его. Управляющий контроллер анализирует поступающие с детекторов данные, после чего быстро и адекватно реагирует на изменившиеся условия. Это позволяет максимально точно поддерживать заданные параметры, используя при этом минимум ресурсов.

Умные дома в России

Если проанализировать рынок таких систем, становится понятно, что сейчас он достаточно узко локализован. В основном спрос есть в Москве и Подмосковье. Конечно, рынок расширяется и в регионы, однако основной спрос создает “элитное” потребление – рынок России вряд ли будет обширным в ближайшее время. В основном это обусловлено консервативностью потребителей и достаточно высокой стоимостью, а большинство жителей не испытывает объективной потребности в подобных системах. Здесь играют роль два фактора:

• Достаточно высокая стоимость ограничивает спрос, и “умный дом” остается привилегией жителей с высокими доходами.
• Функциональность такой автоматики не является незаменимой, и “умный дом” занимает не слишком понятное положение в системе потребностей типичного жителя.

Значительная часть квартир уже оснащена механизмами, играющими почти ту же роль, что и умный дом, но с меньшей интеллектуальной изысканностью. Взятые по отдельности, кондиционер или сигнализация обойдутся дешевле, чем интегрирующий их умный дом, и эффект объединения не столь значим, если сравнивать его с ценой.

Можно сделать вывод, что “умные дома” в том виде, в каком они существуют сейчас, несмотря на достаточно высокие темпы продаж, в ближайшем будущем будут предметами штучного потребления.

Максимальный комфорт

В понятие «комфорт» каждый вкладывает свой смысл, поэтому ожидать общих решений в этой области не приходится. Система дает возможность пользователю создавать индивидуальные сценарии, которые будут неукоснительно выполняться. Например, утром в строго установленное время «Умный дом» разбудит своего владельца бодрым маршем или любимой мелодией. Шторы откроются, при необходимости включится освещение.

На кухне его будет ждать свежесваренный кофе с горячей выпечкой. Вариантов сценария может быть несколько: для выходных и для будних дней или же на каждый день свой. Любые пожелания в пределах разумного могут быть воплощены в жизнь. Причем, если жильцов в доме несколько, каждый из них сможет «подстроить» систему под себя. Все это гарантирует максимально комфортное проживание в таком доме. Жильцы могут забыть о множестве бытовых мелочей, умная система все сделает за них.

«Умный» дом и офис: как это работает?

Исходя из вышесказанного, вы сами можете предположить, как здорово иметь «умный» дом в офисе. Например, нам в студии вечером приходится руками закрывать шторы, вечная беда с регулировкой температуры летом и зимой. Стоит приточка, но летом очень холодно, хотя вроде бы не выставляешь «зиму» на пульте, а вот зимой жарко. Стараемся разобраться, но всё сложно.

Константин мне рассказал, как компания REAL.Intellect участвовала в создании «умного» дома для офиса McKinsey & Company, в котором в основном использовалось оборудование Jung. И я, послушав рассказ, понял, что нам тоже надо было на этапе проектирования офиса обращаться к спецам, а не решать вопросы своими силами. Вот представьте, один только пример. На крыше установлена метеостанция, она передаёт «умному» дому данные о погоде и положении солнца. Система понимает, откуда и как падает свет и начинает изменять положение жалюзи. То есть вам не придётся щуриться от солнца, и жалюзи, по сути, живут сами.

Ещё у McKinsey & Company есть управление климатом в каждом отдельном кабинете, в зонах open-space температуру и свет настраивают c компьютера на ресепшн. Так происходит, потому что у сотрудников вечно идёт борьба, а если дать пульт в руки каждому, получится не очень хорошо — сейчас выбирается некая средняя, комфортная для всех температура. Для групп света используется технология DALI. С её помощью можно разбивать источники света на группы и программировать контроллеры для управления этими группами.

В офисе компании REAL.Intellect мне удалось познакомиться с одним очень интересным датчиком, прекрасно подходящим для использования в офисе. Производитель — немецкая фирма Steinel, лидер немецкого рынка датчиков движения. По внешнему виду устройство напоминает камеру, с помощью программы вы определяете рабочие зоны, и, когда в этой зоне появляется человек, загорается свет. Мало того, камера способна определять силуэты разных людей, так что свет загорится, когда придёт именно сотрудник, соответствующий выбранной зоне.

Звучит это всё сложно, но по факту выглядит как волшебство: пришёл на рабочее место, загорелся свет, вот и всё. Такой прибор можно использовать даже в туалете — хотя сотрудников может пугать внешний вид устройства, уж больно напоминает камеру. В Германии Steinel используют для экономии электроэнергии (тут вспоминаем, для чего изначально придуман «умный» дом в Европе), ну а в России — комфорт, чудеса, меньше движений руками.

Я понимаю, немногие дочитают этот материал до конца. Будем честными, «умный» дом не так весел, как Samsung Galaxy Fold, новый iPhone или Porsche. Но пока я общался с Константином, рассматривал на iPad схему офиса и реализованный у ребят «умный» дом, планы реализованных проектов, понял, что в своей квартире хочу сделать такую систему. Может быть, в самом зачаточном состоянии, ну а если позволит бюджет, то со всякими чудесами: чтобы топовые переключатели Jung и топовые «тумблеры» Art d’Arnould (на фото выше), чтобы ультразвуковые датчики присутствия, шторы открывались и закрывались по нажатию кнопки, чтобы моя жена легко могла себе сделать потеплей в спальне, ну а ночью температура сама бы изменилась до комфортного уровня. «Умный» дом для меня лично — это, скорее, правильный подход к современному жилищу, будь это квартира или дом.

Продано! Теперь вы знаете по теме чуть больше, чем раньше, и сможете применить полученные знания в повседневной деятельности. Ну а надумаете — обращайтесь к спецам Real.Electro.

Преимущества и недостатки

«Умный дом» — сложная и многофункциональная система, несомненно обладающая рядом достоинств:

• Возможность установить в помещении и настроить по собственным параметрам любой её вид, от безопасности до водоснабжения или отопления.
• С первых дней функционирования этот комплекс позволяет экономить до 30% расходов на содержание дома.
• Высокий уровень комфорта.
• Возможность использовать эту систему не только как управляющего, но и как источник развлечения.

В рамках этой технологии можно настраивать не только работу аудио- и видеотехники, но и, например, температуру воды в бассейне

Однако с ней связаны и не самые приятные моменты:

• Высокая стоимость. Это основная проблема, ограничивающая распространение технологии. Расходы на приобретение и монтаж слишком высоки, а выход из строя некоторых узлов системы иногда не подлежит восстановлению по причине неподъёмных цен.
• Сложность прокладки проводов для системы. Эта процедура является весьма трудоёмкой, доступна только на этапе строительства (внутренней отделки). Если заменить систему на беспроводной вариант, её стоимость мгновенно увеличивается в несколько раз.
• Необходимость иметь отдельное помещение или пространство для установки оборудования. Для небольшого жилища этот момент становится не менее проблематичным, чем остальные. Понадобится резервный источник питания, стабилизаторы напряжения, защищающие узлы с блоком управления от перепадов напряжения. Все это необходимо где-то установить, обслуживать или ремонтировать.

Несмотря на существующие сложности, установка этой системы становится все более востребованной и распространённой.

Безопасность и контроль

• Датчики протечки
• Датчики дыма
• Датчики газа
• Датчики открытия и датчики движения. Фиксируют проблему если дома никого нет, но открылось окно или зафиксировано движение
• Система уведомлений — отправка сообщений в месенджер, sms, автоматический звонок
• Автоматическое уведомление охранной организации, пожарных, газовой службы
• Сирена
• Сообщение про проблему голосом на умные колонки
• Отправка изображений или видео с камеры в случае проблемы
• Cсtv — круглосуточная запись видео с камер
• Датчик радиации
• Проверка температуры в холодильнике, при выходе из заданного диапазона происходит уведомление
• Датчик открытия дверей холодильника, если долго открыты — уведомление

Умный дом — контроль доступа и противопожарная система

Еще одна функция умного дома – контроль за датчиками противопожарной системы и системы контроля доступа. Датчиков существует достаточно большое количество разновидностей, в противопожарных системах применяются датчики задымления, в охранных – в основном датчики объема на окнах. В случае срабатывания какого-либо датчика в режиме охраны система оповестит пожарных или полицию (ЧОП). Стоит отметить, что для дачного поселка система охраны не слишком актуальна – ложные срабатывания датчиков никто не отменял, а ехать час-два проверять каждый раз после срабатывания никто не будет.

Автоматизация приводов

Автоматизируются приводы жалюзи, рольставень, ворот и много другого.

Вы можете создать сценарий освещения таким образом, что при определённых часах жалюзи будут автоматически сложены, создав нужный вам уровень освещённости помещения.

А подъезжая к воротам гаража, вы можете активировать их открытие одним касанием экрана вашего смартфона.

Вспомогательные функции

Можно автоматизировать работу системы так, чтобы:

1. ограничить доступ детей к небезопасным элементам,
2. установить режим полива газонов или очистки бассейна,
3. включить круглосуточное внутренне и внешнее видеонаблюдение,
4. настроить работу техники на необходимые режимы.

Цены взяты с одного из Белгородских сайтов.

Заключение

В данном проекте на тему «Умный дом» были решены все задачи, которые ставились:

• рассмотрено понятие системы «Умный дом» и принцип действия системы;
• рассмотрены возможности системы Умный дом;
• рассмотрена стоимость данных услуг.

Мне очень интересна данная тема проекта про умный дом и в дальнейшем, при изучении спецдисциплин, я хочу рассмотреть технологии реализации данной системы.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.

Что такое Arduino

Arduino – открытая небольшая электронная плата с простым в использовании процессором и программным обеспечением. Платформа считывает входящую информацию, затем по заранее введенному алгоритму переформировывать команды к различным устройствам, работающим от электричества. Для этого используется язык программирования Arduino и ПО Arduino (IDE) на базе проекта Processing.

Открытый код платы позволяет использовать составляющие различных производителей. Для конструирования системы Умный дом на Ардуино легко подобрать устройства под запросы пользователя

Людям с минимальными знаниями в программировании и электрике стоит обратить внимание на эту систему

Умные офисы

Существуют аналогичные системы, но для корпоративного сектора – их перспективы несколько противоречивы, они могут как стать такими же “штучными” предметами, так и пойти в массы. Их функционал зачастую несколько отличается от “умных домов”, но вдаваться в детали не будем – при желании вы можете найти фото и видео, объясняющие эти различия.

Существует большое число факторов, которые будут направлять развитие данного рынка в России, и приводить их все мы не будем. Скажем лишь, что “умные офисы” имеют более высокие шансы на массовое распространение в России, и в ближайшие годы сценарий развития станет более ясен.

Резерв питания

Есть много способов обеспечить резервное питание. Так как одно из требований для проекта умного дома своими руками было — экономичность, в качестве резерва будут использоваться обычные аккумуляторы, соединенные последовательно для получения 5 В. Описание интерфейса их подзарядки выходит за рамки статьи и обеспечивать наличие запасенной энергии хозяева должны будут сами. Периодическая подзарядка «лягушкой», раз в несколько месяцев проблем не составит для конечного пользователя.

Принцип работы прост. При отключении сети 220 В нормально разомкнутое реле К1 соединяет Ардуино и модем с +5 питания батареи. Одновременно устанавливается состояние HIGH на входе A4 микроконтроллера. Последний аналоговый, а значит через него можно контролировать заряд батареи, вычислив опытным путем при каких минимальных показаниях происходит отключение логических компонентов. Информирование человека о разряде выполняется отправкой СМС.

Как сделать Умный дом своими руками

Установка интеллектуальной системы «Умный дом» требуют правильного исполнения, поэтому многие пользователи обращаются за помощью к профессионалам. Однако обладая лишь элементарными навыками, монтаж и подключение аппаратуры вполне доступно осуществить своими руками.

Все оборудование для организации умного дома условно делится на три основные категории:

• датчики – реагируют на происходящие изменения и отправляют сигнал на основное устройство;
• центральный контроллер – обрабатывает полученную информацию, принимает решение и отправляет сигнал на приборы;
• исполнительные устройства – элементы, которые получают и беспрекословно выполняют команды.

Все компоненты системы подключаются к смарт-системе посредством проводной и беспроводной связи. Первый вариант считается устаревшим, но до сих пор остается самым надежным способом соединения в отличие от второго, который, напротив, менее стабилен. Связь между приборами в этом случае осуществляется посредством Wi-Fi, Bluetooth и других стандартов.

Датчики, видеокамеры и другие элементы

Основные функции в системе умного дома выполняют датчики. Условно их можно разделить на две группы: отслеживающие движение и реагирующие на изменение состояния окружающей среды. Первые используются в охранных целях и реализации интеллектуальной подсветки. К ним относятся:

Тип устройства	Описание
Датчик движения	Реагирует на изменение ультразвукового или инфракрасного поля
Датчик присутствия	Использует аналогичную технологию, но более чувствителен к изменению параметров
Индикатор присутствия	Используется для управления светильниками и бытовой техникой
Извещатель разбитого стекла	Реагирует на звук при разрушении стекол
Фотоэлектрический датчик	Определяет перемещение человека, подходит для установки в дверных проемах или на въездных воротах
Лазерный датчик перемещения	Реагирует на движение даже небольших объектов и характеризуется охватом большого радиуса.
Камеры, микрофоны	Позволяют дистанционно отслеживать события, происходящие в доме

Если датчики движения способны функционировать самостоятельно, сенсоры, реагирующие на параметры окружающей среды работают в совместно с инженерными сетями. В эту группу входят:

Тип устройства	Описание
Внешний температурный датчик	Считывает значения о температуре воздуха вне помещения
Внутренний температурный датчик	Получает данные о температуре внутри дома
Газовый регистратор	Реагирует на утечку газа пронзительным сигналом
Противопожарный сенсор	Реагирует на появление дыма и повышение температуры воздуха в помещении
Датчик давления воды	Контролирует уровень давления в трубах, в случае изменения показателей самостоятельно принимает решение о перекрытии потока
Сенсор протечки	Отслеживает состояние труб и в случае появления воды, подает сигнал
Датчик сырости	Демонстрирует повышенные показатели влажности и указывает на проблемы с отопительной системой
Датчик дождя	Используется на участке во время полива, регулирует подачу воды

Система управления и связи

Важную роль в организации «Умного дома» играют различные системы. В зависимости от назначения различают следующие виды.

Разновидность	Функциональное назначение
Система связи	Обеспечивает взаимодействие всех элементов и передачу информации
Система управления	Отвечает за работу всех устройств
Осветительная сеть	Контролирует уровень освещения в помещениях
Сеть электропитания	Осуществляет бесперебойную подачу электричества
Система контроля микроклимата	Включает отопление, вентиляцию и кондиционирование. Регулирует температуру, уровень влажности,
Система водоснабжения	Контролирует подачу воды, очистку канализации
Система безопасности	Включает систему видеонаблюдения и контроля доступа в помещение, охранную сигнализацию.
Мультирум	Контролирует автоматическое включение и отключение аудио и видеоустройств.

Порядок монтажа

• Установить серверный шкаф и проложить сеть кабелей, после чего замаскировать монтажными коробками.
• В техническом помещении установить выключатели, разместить оборудование для электроснабжения, подключить автоматику.
• Установить систему управления, акустические колонки, в соответствии со схемой произвести монтаж приборов.
• Выполнить проверку системы в тестовом режиме для выявления просчетов и недоделок.
• На завершающем этапе произвести окончательную настройку аппаратуры, и ввести систему в эксплуатацию.

При правильном выполнении всех этапов работ, начиная с создания проекта и заканчивая установкой оборудования, «Умный дом» начнет эффективно функционировать, обеспечивая комфорт и безопасность его обитателей.

Видеонаблюдение для дома

Система представляет собой несколько видеокамер, видеосервер и видеопроцессор.

Камеры оборудованы поворотным механизмом, позволяющим установить угол обзора таким образом, чтобы охватить как можно больше территории. Инфракрасная подсветка позволит осуществлять качественную видеосъёмку при любом освещении.

Видеосервер с большим запасом места для хранения видеоархива позволит сохранить внушительные объёмы информации за неделю, и вы всегда сможете получить доступ на просмотр видеоматериалов. А интерфейс Умного дома предоставляет доступ для просмотра с камер видеонаблюдения в режиме онлайн.

Голос

Speech-to-text

Система умеет говорить и понимает, что ты ей говоришь. Нажимаешь кнопочку, говоришь фразу, и она конвертирует ее в текст. Преобразование голоса в текст — дико сложная задача. Гугл умеет это делать, но за деньги. А первое правило DIY-проекта — никаких абонентских плат. Как оказалось, в последних версиях хрома есть встроенный инструмент «Распознавание голоса». Единственный нюанс в том, что соединение должно быть либо https, либо localhost. Умный дом — как раз такая система: клиент и сервер находятся на одной машине, так что удалось подключиться по localhost.

Реакция на команды

Второй сервис называется dialogflow. Фишка в том, что ты задаешь шаблон фразы, например: «Какая погода завтра?» и указываешь, что слово «завтра» — это переменная типа date. И теперь уже ты можешь задать любой вопрос: «Какая погода 20 сентября?», «Какая погода послезавтра?», «Какая погода через 3 дня?» и система понимает, что это тип данных — date, конвертирует его в программную дату и реагирует на нее. Вся эта тема — на нейросетях, и она обучаема. Если ты сказал «Какая будет погодка сегодня?» и система не поняла, она говорит «Я не поняла», и ты заходишь на сервер и прям руками обучаешь ее, что вот эта фраза означает «Какая погода?», и она запоминает. Обучение нейросети происходит по доступу: при регистрации на сервисе выдаются ключи доступа к api, доступ к личному кабинету агента, можно этого агента обучать и можно дать право кому-то на его использование.

В dialogflow есть еще одна классная тема — микродиалоги. Задаешь вопрос, например, «Как твои дела?» и задаешь паттерны ответов на него: «Пока не родила», «Все в шоколаде, даже дисплей», «У нас делишки, а дела у прокурора», «Ой, всё» — и система каждый раз будет рандомно выбирать из этих вариантов ответ на этот вопрос.

Получается, сервис передает в Умный дом сам триггер, который должен быть выполнен и возможную фразу для ответа, Дом ловит эту фразу и дальше задача наоборот: tts, то есть text to speech.

Text-to-speech

Это хорошо умеет делать Яндекс. Там можно выбрать не только голос (нескольких вариантов женских и мужских голосов), но и настроение (веселый, грустный, злой, нейтральный). У Яндекса очень простое и условно бесплатное api (с лимитом что-то около 10 тыс преобразований в день).

Таким образом получился цикл: произносишь фразу, система ее понимает, произносит что-то в ответ и совершает какое-то действие. Так, например, работает установка будильника голосом. Говоришь: «Поставь будильник на вторник на 7 часов». И во вторник в 7 тебя разбудит Умный дом.