Arduino vezérlőkön alapuló okosotthon: irányított tér tervezése és szervezése

Az automatizálási eszközök fejlődése komplex rendszerek létrehozásához vezetett, amelyek javítják az ember életminőségét. Számos ismert elektronikai és szoftverkörnyezet-gyártó kínál kész, szabványos megoldásokat különböző objektumokhoz.

Önálló projekteket kidolgozni és az igényeihez igazított “okosotthont” Arduino-val összeállítani még egy tapasztalatlan felhasználó is képes. A lényeg, hogy megértse az alapokat, és ne féljen kísérletezni.

Ebben a cikkben megvizsgáljuk az Arduino-eszközökön alapuló automatizált otthon létrehozásának elvét és alapvető funkcióit. Szintén áttekintjük az alkalmazott kártyatípusokat és a rendszer fő moduljait.

Rendszerek létrehozása Arduino platformon

Az Arduino egy elektronikus eszközök fejlesztésére szolgáló platform automatikus, félautomatikus vagy kézi vezérléssel. Az építőszekrény elvén működik, egyértelműen meghatározott kölcsönhatási szabályokkal az elemek között. A rendszer nyílt, ami lehetővé teszi, hogy külső gyártók is részt vegyenek a fejlesztésében.

A klasszikus “okosotthon” automatizált blokkokból áll, amelyek a következő funkciókat látják el:

• érzékelőkön keresztül gyűjtik a szükséges információkat;
• programozható mikroprocesszor segítségével elemzik az adatokat és döntéseket hoznak;
• a meghozott döntéseket hajtják végre, parancsokat adva a különböző eszközöknek.

Az Arduino platform éppen azért jó, mert nem kötődik egy adott gyártóhoz, hanem lehetővé teszi a fogyasztó számára, hogy saját maga válassza ki a számára megfelelő alkatrészeket. A választék hatalmas, így gyakorlatilag bármilyen elképzelés megvalósítható.

Javasoljuk, hogy ismerkedjen meg a legjobb okos otthoni eszközökkel.

Az Arduino használatának megtanulásához a gyártó weboldalán megvásárolható egy kezdőkészlet (Starter Kit). A műszaki angol nyelv ismerete kötelező, mivel a dokumentáció nem oroszosított.

A csatlakoztatható eszközök sokfélesége mellett a C++ nyelven megvalósított programozási környezet is növeli a variabilitást. A felhasználó nemcsak a létrehozott könyvtárakat használhatja, hanem saját maga is programozhatja a rendszerkomponensek reakcióit a felmerülő eseményekre.

Alaplapok fő elemei

Az “okos otthon” fő eleme egy vagy több központi (alaplap). Ezek felelősek az összes elem kölcsönhatásáért. Csak a megoldandó feladatok meghatározása után kezdhető meg a rendszer fő egységének kiválasztása.

Az alaplap a következő elemeket foglalja magában:

• Mikrokontroller (processzor). Fő célja a feszültség kiadása és mérése a portokon 0-5 vagy 0-3,3 V tartományban, adatok tárolása és számítások végzése.
• Programozó (nem minden lapon található). Ezzel az eszközzel írják be a mikrokontroller memóriájába a programot, amely szerint az “okos otthon” működni fog. A számítógéphez, táblagéphez, okostelefonhoz vagy más eszközhöz USB-interfész segítségével csatlakoztatják.
• Feszültségstabilizátor. Szükséges egy 5 voltos eszköz a teljes rendszer táplálásához.

Az Arduino márka alatt több lapmodellt gyártanak. Ezek eltérnek egymástól formai tényezőjükben (méretükben), portjaik számában és memóriájuk méretében. Pont ezen mutatók alapján kell kiválasztani a megfelelő eszközt.

Az Arduino lapokat és a hozzájuk való shield-eket jobb a gyártótól beszerezni, mivel minőségibbek, mint a Kínában gyártott kompatibilis eszközök.

Kétféle port létezik:

• digitális portok, amelyek a lapon “d” betűkkel vannak jelölve;
• analóg portok, amelyek “a” betűvel vannak jelölve.

Ezeknek köszönhetően a mikrokontroller kapcsolatot létesít a csatlakoztatott eszközökkel. Bármely port képes működni jel vételére és kiadására is. A “pwm” jelzésű digitális portok a PWM (impulzusszélesség-moduláció) típusú jel be- és kimenetére szolgálnak.

Ezért a lap megvásárlása előtt legalább hozzávetőlegesen fel kell mérni a különböző eszközökkel való terheltségének szintjét. Ez lehetővé teszi a szükséges portok számának meghatározását minden típusból.

Ugyanakkor meg kell érteni, hogy az “okos otthon” rendszer nem feltétlenül kell, hogy egyetlen alaplapra épülő vezérlőegységhez legyen kötve. Az olyan funkciók, mint például a ház körüli terület mesterséges világításának bekapcsolása a napszaktól függően, vagy a tartalék víz szintjének fenntartása a tárolóban, egymástól függetlenek.

Az elektronikus rendszer megbízhatóságának biztosítása szempontjából jobb a nem összefüggő feladatokat különböző modulokra szétosztani, amit az Arduino koncepciója könnyen lehetővé tesz. Ha viszont egy helyen sok eszközt egyesítünk, előfordulhat a mikroprocesszor túlmelegedése, a szoftverkönyvtárak ütközése, valamint nehézségek a szoftveres és hardveres hibák keresése és elhárítása során.

Több különböző típusú eszköz egyetlen lapra csatlakoztatását általában a robotikában alkalmazzák, ahol a kompaktság fontos. Az “okos otthon” esetében jobb, ha minden feladathoz a saját alapot használjuk.

Minden mikroprocesszor háromféle memóriával van felszerelve:

• Flash Memory. A fő memória, ahol a rendszervezérlő program kódja tárolódik. Kis részét (3-12 %) a beágyazott bootloader foglalja el.
• SRAM. A munkamemória, ahol a program működéséhez szükséges ideiglenes adatok tárolódnak. Nagy sebességű.
• EEPROM. Lassabb memória, ahol szintén tárolhatók adatok.

Az adattároló memóriatípusok fő különbsége az, hogy áramkimaradáskor az SRAM-ba írt információ elveszik, míg az EEPROM-ban megmarad. De a nem felejtő típusnak van egy hátránya is – korlátozott számú írási ciklus. Ezt észben kell tartani saját alkalmazások készítésekor.

Ellentétben az Arduino robotikában való használatával, a legtöbb “okos otthon” feladathoz nincs szükség sok memóriára sem a programokhoz, sem az információ tárolásához.

Okosotthon összeállításához használt kártyatípusok

Tekintsük át azokat a fő lapokat, amelyeket leggyakrabban használnak egy okos otthon rendszer összeszerelésénél.

1. típus – Arduino Uno és származékai

A leggyakrabban az “okos otthon” rendszerekben az Arduino Uno és Arduino Nano lapokat alkalmazzák. Ezek elegendő funkcióval rendelkeznek a tipikus feladatok megoldásához.

A teljes formátumú lapok 7-12 V-os feszültségről történő táplálása számos előnnyel jár. Mindenekelőtt a hosszú távú önálló működés lehetősége szabványos elemekről vagy akkumulátorokról.

Az Arduino Uno Rev3 fő paraméterei:

• processzor: ATMega328P (8 bites, 16 MHz);
• digitális portok száma: 14;
• ebből PWM funkcióval: 6;
• analóg portok száma: 6;
• flash memória: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Nemrég jelent meg egy módosítás – az Uno Wi-Fi, amely integrált ESP8266 modult tartalmaz, lehetővé téve az információcserét más eszközökkel a 802.11 b/g/n szabvány szerint.

Az Arduino Nano eltérése a nagyobb méretű analógjától abban rejlik, hogy nincs saját 12 V-os tápcsatlakozója. Ezt azért tették, hogy kisebb méretű eszközt érjenek el, ami lehetővé teszi, hogy könnyen elrejthető legyen kis helyen. Szintén ebből a célból a szabványos USB-csatlakozást egy mini-USB kábeles chipre cserélték. Az Arduino Nano-nak az Unóhoz képest 2-vel több analóg portja van.

Van még egy módosítása az Uno lapnak – az Arduino Mini. Még kisebb, mint a Nano, és sokkal nehezebb vele dolgozni. Először is, az USB-port hiánya problémát okoz a firmware-rel, mert ehhez USB-Serial Converter-t kell használni. Másodszor, ez a lap érzékenyebb a tápfeszültségre – biztosítani kell a bemeneti feszültség 7-9 V-os tartományát.

A fent említett okok miatt az Arduino Mini alaplapot ritkán használják “okos otthon” alkalmazásokhoz. Általában vagy robotikában, vagy már kész projektek megvalósításában alkalmazzák.

2. típus – Arduino Leonardo és Micro

Az Arduino Leonardo alaplap hasonlít az Uno-ra, de valamivel erősebb. Érdekes jellemzője, hogy számítógéphez csatlakoztatva a rendszer billentyűzetként, egérként vagy joystickként érzékeli. Ezért gyakran használják egyedi játékberendezések és szimulátorok készítéséhez.

Az Uno, Leonardo és miniatűr társaik méreteit bemutató táblázat. A fejlesztők nem követték a logikát az elnevezésekben – a “nano”-nak kellene a legkisebbnek lennie.

Az Arduino Leonardo alapvető paraméterei a következők:

• processzor: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• digitális portok száma: 20;
• ezek közül PWM funkcióval rendelkezik: 7;
• analóg portok száma: 12;
• flash memória: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

A paraméterlistából kitűnik, hogy a Leonardónak több portja van, így több érzékelő csatlakoztatható hozzá.

A Leonardónak létezik egy teljesen azonos jellemzőkkel rendelkező miniatűr változata, a Micro. Ennél hiányzik a 12 V-os tápfeszültség, és a teljes értékű USB bemenet helyett egy mini-USB csatlakozó található.

A Leonardo Esplora elnevezésű változata kifejezetten játékmodell, és nem alkalmas az “okos otthon” igényeire.

3. típus – Arduino 101, Arduino Zero és Arduino MKR1000

Az Arduino alapú “okos otthon” rendszerek működéséhez néha nagyobb számítási teljesítményre van szükség, amelyet a 8 bites mikrokontrollerek nem tudnak biztosítani. Az olyan feladatok, mint a hang- vagy képfelismerés, gyors processzort és az ilyen eszközökhöz képest jelentős mennyiségű RAM-ot igényelnek.

Az ilyen speciális feladatok megoldásához erős, az Arduino koncepció szerint működő alaplapokat használnak. A portok száma nagyjából megegyezik az Uno vagy Leonardo alaplapokéval.

Az Arduino 101 ugyanolyan méretű, mint az Uno vagy a Leonardo, de majdnem kétszer olyan nehéz. Ennek oka a két USB-bemenet és a további chipek jelenléte.

Az egyik legegyszerűbben használható, mégis erős alaplap, az Arduino 101 a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• processzor: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
• flash memória: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: nincs.

Ezenkívül az alaplap rendelkezik BLE (Bluetooth Low Energy) funkcióval, amely lehetővé teszi kész megoldások egyszerű csatlakoztatását, mint például pulzusmérő érzékelő, időjárás-információk lekérése az ablakon kívül, szöveges üzenetek küldése stb. Az eszközbe giroszkóp és gyorsulásmérő is integrálva van, de ezeket főként robotikában használják.

Egy másik hasonló alaplap, az Arduino Zero a következő mutatókkal rendelkezik:

• processzor: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• flash memória: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: nincs.

Ennek a modellnek a jellegzetessége a beépített hibakereső (EDBG). Segítségével sokkal egyszerűbb a hibák keresése a kártya programozásakor.

Nagyméretű kód írásakor még a magasan képzett programozónál is előfordulnak hibák. Ezek megtalálásához hibakeresőt (debugger) használnak.

Az Arduino MKR1000 egy másik modell, amely alkalmas nagy teljesítményű számításokra. Mikroprocesszora és memóriája megegyezik a Zero-val. Fő különbsége a 802.11 b/g/n protokollal rendelkező integrált Wi-Fi chip és a SHA-256 algoritmust támogató kriptochip jelenléte az átvitt adatok védelmére.

4. típus – Mega család modelljei

Néha nagy számú érzékelőt kell használni, és jelentős számú eszközt kell vezérelni. Például ez szükséges az elosztott légkondicionáló rendszerek automatikus működéséhez, amelyek egyes zónákban meghatározott hőmérsékletet tartanak fenn.

Minden helyi terület esetén figyelni kell két hőmérséklet-érzékelő leolvasását (a második ellenőrzőként szolgál), és az algoritmus szerint szabályozni kell a meleg levegő beáramlásának mennyiségét meghatározó csappantyú helyzetét.

Ha egy nyaralóban több mint 10 ilyen zóna van, akkor a teljes rendszer vezérléséhez több mint 30 portra van szükség. Természetesen használható több Uno típusú kártya, amelyeket az egyikük irányít, de ez további kapcsolási bonyodalmakat okoz. Ebben az esetben célszerű a Mega család modelljeit használni.

A Mega család kártyáinak mérete (101,5 x 53,4 cm) nagyobb, mint a korábban tárgyalt modelleké. Ez műszaki szükségszerűség – különben nem férne el ennyi port.

Az Arduino Mega kártya egy meglehetősen egyszerű 8 bites, 16 megahertzes aTMega1280 mikroprocesszorra épül.

Nagy memóriakapacitással rendelkezik:

• flash memória: 128 KB;
• SRAM: 8 KB;
• EEPROM: 4 KB.

De a fő előnye a számos port megléte:

• digitális portok száma: 54;
• ebből PWM funkcióval: 15;
• analóg portok száma: 16.

Ennek a kártyának két modern változata létezik:

• A Mega 2560 az aTMega2560 mikroprocesszorra épül, amely nagyobb flash memória kapacitással rendelkezik – 256 KB;
• A Mega ADK az aTMega2560 mikroprocesszor mellett USB interfésszel van felszerelve, amely lehetővé teszi az Android operációs rendszeren alapuló eszközökhöz való csatlakozást.

Az Arduino Mega ADK modellnek van egy sajátossága. Ha a telefont a USB-bemenethez csatlakoztatja, a következő helyzet állhat elő: ha a telefonnak töltésre van szüksége, elkezdi “elszívni” a kártyáról. Ezért további követelmény van az áramforrással szemben – 1,5 amper áramerősséget kell biztosítania. Elemekről történő táplálás esetén ezt a feltételt figyelembe kell venni.

Az Arduino önálló tápellátását csatlakoztatott akkumulátorokkal vagy elemekkel lehet megoldani. A soros és párhuzamos kapcsolás kombinálásával elérhető a kívánt feszültség és hosszú üzemidő.

A Due egy további Arduino modell, amely a mikroprocesszor erejét és a nagyszámú portot ötvözi.

Jellemzői a következők:

• processzor: Atmel SAM3X8E (32 bites, 84 MHz);
• digitális portok száma: 54;
• ebből PWM funkcióval: 12;
• analóg portok száma: 14;
• flash memória: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: nincs.

Ennek a lapnak az analóg érintkezői működhetnek az Arduino számára megszokott 10 bites felbontásban is, ami az előző modellekkel való kompatibilitást biztosítja, valamint 12 bitesben is, amely lehetővé teszi a pontosabb jel elérését.

A modulok portokon keresztüli kommunikációjának sajátosságai

A laphoz csatlakoztatott összes modulnak legalább három kimenete van. Közülük kettő tápvezeték, azaz “föld”, valamint 5 vagy 3,3 V feszültség. A harmadik vezeték logikai. Ezen keresztül történik az adatok továbbítása a porthoz. A modulok csatlakoztatásához speciális, hármasával csoportosított vezetékeket használnak, amelyeket néha jumpereknek neveznek.

Mivel az Arduino modelleken általában csak 1 feszültségport és 1-2 “föld” port található, ezért több eszköz csatlakoztatásához vagy össze kell forrasztani a vezetékeket, vagy próbalapot (breadboard) kell használni.

A próbalaphoz nemcsak az Arduino lap tápellátását és portjait lehet csatlakoztatni, hanem más elemeket is, például ellenállásokat, regisztereket stb.

A forrasztás megbízhatóbb, és olyan eszközökben alkalmazzák, amelyek fizikai hatásoknak vannak kitéve, például robotok és quadkopterek vezérlőlapjai. Okosotthonhoz jobb próbalapokat használni, mert ez egyszerűbb mind a telepítés, mind a modul eltávolítása során.

Egyes modelleknél (például Arduino Zero és MKR1000) az üzemi feszültség 3,3 V, ezért ha nagyobb értéket adunk a portokra, az károsíthatja a lapot. A tápellátással kapcsolatos összes információ elérhető a készülék műszaki dokumentációjában.

Bővítőkártyák (shield-ek)

Az alaplapok képességeinek bővítésére shield-eket (Shields) használnak – olyan kiegészítő eszközöket, amelyek kibővítik a funkciókat. Ezeket adott formfaktorra gyártják, ami megkülönbözteti őket a portokra csatlakoztatott moduloktól. A shield-ek drágábbak a moduloknál, de könnyebb velük dolgozni. Ezenkívül kész kódkönyvtárakkal vannak ellátva, ami felgyorsítja a saját vezérlőprogramok fejlesztését az “okosotthon” számára.

Proto és Sensor shield-ek

Ez a két szabványos shield nem hoz semmilyen különleges funkciót. Azért használják őket, hogy nagyszámú modult kompaktabb és kényelmesebb módon csatlakoztassanak.

A Proto Shield szinte teljes mása az eredeti portok tekintetében, a modul közepére pedig egy breadboard ragasztható. Ez megkönnyíti a szerkezet összeszerelését. Ilyen kiegészítők minden teljes méretű Arduino laphoz elérhetőek.

A Proto Shield az alaplap tetejére kerül. Ez kissé növeli a szerkezet magasságát, de sok helyet takarít meg a síkban.

De ha nagyon sok eszköz van (több mint 10), akkor érdemes a drágább kapcsolólapokat, a Sensor Shield-eket használni.

Ezek nem rendelkeznek breadboard-dal, azonban minden portkivezetéshez egyedileg van táp és föld vezetve. Ez lehetővé teszi, hogy ne keveredjen el a vezetékek és a jumperek között.

Az alaplap és a szenzorlap felülete azonos, azonban a shield-en nincsenek chipek, kondenzátorok és más elemek. Ezért sok hely szabadul fel a teljes értékű csatlakoztatások számára.

Ezen a lapon emellett vannak csatlakozók több modul egyszerű csatlakoztatásához: Bluetooth, SD-kártya, RS232 (COM-port), rádió és ultrahang.

Kiegészítő funkciók bekötése

A beépített funkcióval rendelkező shield-ek összetett, de tipikus feladatok megoldására szolgálnak. Ha eredeti ötleteket kell megvalósítani, akkor mégis jobb megfelelő modult választani.

Motor Shield. Kis teljesítményű motorok sebességének és forgásának vezérlésére szolgál. Az eredeti modell egy L298 chipet tartalmaz, és egyszerre két egyenáramú motorral vagy egy szervomeghajtással képes működni. Létezik egy kompatibilis alkatrész is egy külső gyártótól, amely két L293D chippel rendelkezik, lehetővé téve kétszer annyi meghajtó vezérlését.

Relay Shield. Gyakran használt modul az “okos otthon” rendszerekben. Egy négy elektromechanikus relével ellátott lap, amelyek mindegyike legfeljebb 5 A erősségű áram áteresztését teszi lehetővé. Ez elegendő a kilowattos készülékek vagy a 220 V váltakozó áramra tervezett világítási vonalak automatikus be- és kikapcsolásához.

LCD Shield. Lehetővé teszi információk megjelenítését a beépített képernyőn, amely TFT-eszközzé frissíthető. Ezt a bővítményt gyakran használják időjárás-állomások létrehozására, amelyek hőmérsékleti adatokat mutatnak különböző lakóhelyiségekben, melléképületekben, garázsban, valamint a kinti hőmérsékletet, páratartalmat és szélsebességet.

Az LCD Shield-be beépített gombok lehetővé teszik az információ lapozásának és a műveletek kiválasztásának programozását a mikroprocesszor parancsainak továbbításához.

Data Logging Shield. A modul fő feladata az érzékelőkből származó adatok rögzítése egy teljes méretű SD-kártyára, melynek kapacitása legfeljebb 32 GB, és támogatja a FAT32 fájlrendszert. A mikro-SD kártyára történő íráshoz adaptert kell vásárolni. Ez a shield használható információtárolóként, például fedélzeti kamerából származó adatok rögzítésekor. Az amerikai Adafruit Industries cég gyártmánya.

SD-card Shield. Az előző modul egyszerűbb és olcsóbb változata. Az ilyen bővítőkártyákat számos gyártó forgalmazza.

EtherNet Shield. Az Arduino hivatalos modulja az internetkapcsolathoz számítógép közreműködése nélkül. Rendelkezik egy mikro-SD kártyahellyel, amely lehetővé teszi adatok rögzítését és elküldését a világhálón keresztül.

Wi-Fi Shield. Lehetővé teszi a vezeték nélküli információcserét titkosítási mód támogatásával. Az internethez és a Wi-Fi-n keresztül irányítható eszközökhöz való kapcsolódásra szolgál.

GPRS Shield. Ezt a modult általában az “okos otthon” és a tulajdonos közötti kommunikációra használják mobiltelefonon keresztül, SMS-üzenetek segítségével.

“Okosotthon” moduljai

A külső gyártók moduljainak csatlakoztatása és a velük való munka lehetősége a beépített programozási nyelv használatával – ez a nyílt Arduino-rendszer fő előnye az “okos otthon” “hivatalos” megoldásaival szemben. A lényeg, hogy a modulok rendelkezzenek a kapott vagy küldött jelek leírásával.

Információgyűjtési módszerek

Az információ bevitelét digitális vagy analóg portokon keresztül lehet megvalósítani. Ez attól függ, hogy milyen típusú gomb vagy érzékelő fogadja az információt és továbbítja a lapra.

A számítógépes program számára a digitális jel a “0” és “1” periódusoknak felel meg, míg az analóg jel a saját felbontásának megfelelő értéktartományt határozza meg.

A jelet a mikroprocesszorhoz az ember küldheti, aki ehhez két módszert használ:

• Gomb (billentyű) megnyomása. A logikai vezeték ebben az esetben a digitális porthoz megy, amely “0” értéket kap, ha a gomb fel van engedve, és “1” értéket, ha meg van nyomva.
• A forgó potenciométer (ellenállás) sapkájának elforgatása vagy a csúszka karjának elmozdítása. Ebben az esetben a logikai vezeték az analóg porthoz megy. A feszültség áthalad az analóg-digitális átalakítón, majd az adatok a mikroprocesszorhoz kerülnek.

A gombokat valamilyen esemény elindítására használják, például a világítás, fűtés vagy szellőzés be- és kikapcsolására. A forgatógombokat az intenzitás változtatására alkalmazzák – a világítás fényerejének, a hang hangerőjének vagy a ventilátorlapátok forgási sebességének növelésére vagy csökkentésére.

A potenciométer a legegyszerűbb eszköz, ezért nagyon olcsó. Fő jellemzői az elektromos ellenállás és az elfordulási szög.

A környezeti paraméterek vagy egy esemény eredetének automatikus meghatározásához érzékelőket használnak.

Az “okosotthon” munkájához a következő típusok a legkeresettebbek:

• Hangérzékelő. Ennek az eszköznek a digitális változatait egy esemény taps vagy hangadás általi aktiválására használják. Az analóg modellek lehetővé teszik a hang felismerését és feldolgozását.
• Fényérzékelő. Ezek a készülékek mind a látható, mind az infravörös tartományban működhetnek. Utóbbiak tűzjelző rendszerként is alkalmazhatók.
• Hőmérséklet-érzékelő. Beltéri és kültéri használatra különböző modelleket alkalmaznak, mivel a külső érzékelők jobban védettek a nedvesség hatásától. Léteznek kivezetős, vezetékes eszközök is.
• Páratartalom-érzékelő. Beltérre a DHT11 modell alkalmas, kültérre a drágább DHT22. Mindkét eszköz hőmérsékleti értéket is tud adni. Digitális porthoz csatlakoznak.
• Légnyomás-érzékelő. Az Arduino lapokkal való együttműködésre a Bosh cég analóg barométerei, a bmp180 és bmp280 jól beváltak. Ezek hőmérsékletet is mérnek. A bme280 modellt meteorológiai állomásnak is nevezhetjük, mivel emellett még páratartalmat is mér.
• Mozgás- és jelenlétérzékelő. Biztonsági célokra vagy automatikus világítás kapcsolására használják.
• Esőérzékelő. Reagál arra, ha víz kerül a felületére. Használható vízvezeték- vagy fűtési kör szivárgásjelzőjének működtetésére is.
• Áramérzékelő. Nem működő elektromos készülékek (kiégett izzók) észlelésére vagy feszültség elemzésére használják a túlterhelés elkerülése érdekében.
• Gázszivárgás-érzékelő. A propán megnövekedett koncentrációjának észlelésére és a rá való reagálásra alkalmazzák.
• Szén-dioxid-érzékelő. A szén-dioxid koncentrációjának meghatározására használják lakószobákban és speciális helyiségekben, például borospincékben, ahol erjedés zajlik.

Még számos más érzékelő létezik specifikus feladatokra, például súly, víz áramlási sebesség, távolság, talaj páratartalom mérésére stb.

Egyes érzékelők, mint például a szél sebességének és irányának mérésére szolgáló anemométer, összetett elektromechanikus készülékek.

Sok érzékelőt és szenzort el lehet készíteni házilag is, egyszerűbb alkatrészek felhasználásával. Ez olcsóbb. De a sorozatgyártott eszközök használatával ellentétben időt kell szánni a kalibrálásra.

Készülékek és rendszerek vezérlése

Az információgyűjtésen és -elemzésen kívül az “okos otthonnak” reagálnia kell a felmerülő eseményekre. A fejlett elektronika jelenléte a modern háztartási készülékeken lehetővé teszi, hogy közvetlenül hozzájuk férjünk Wi-Fi, GPRS vagy EtherNet használatával. Általában az Arduino rendszerek esetében a mikroprocesszor és a high-tech eszközök közötti kapcsolatot Wi-Fi-n keresztül valósítják meg.

Ahhoz, hogy az Arduino segítségével bekapcsoljuk a légkondicionálót magas hőmérséklet esetén a házban, lezárjuk a televíziót és az internetet éjszaka a gyerekszobában, vagy elindítsuk a fűtésbojlert a tulajdonosok érkezésére, három lépést kell végrehajtani:

1. A Wi-Fi modul telepítése az alaplapra.
2. A szabad frekvenciacsatornák megtalálása a rendszerek közötti konfliktus elkerülése érdekében.
3. A készülékek parancsainak megértése és a műveletek programozása (vagy kész könyvtárak használata).

A számítógépesített készülékekkel való “kommunikáción” kívül gyakran merülnek fel mechanikai műveletek végrehajtásával kapcsolatos feladatok. Például a lapra csatlakoztatható egy szervomeghajtás vagy egy kis sebességváltó, amelyet onnan lehet táplálni.

A szervomeghajtás egy kis motorból és több sebességváltóból áll. Ezért az alacsony áramerősség (5 V) ellenére is képes jelentős teljesítményt kifejteni, amely elegendő például egy ablak kinyitásához.

Ha nagy teljesítményű, külső áramforrásról működő eszközöket kell csatlakoztatni, két lehetőséget alkalmaznak:

1. Relé bekapcsolása az áramkörbe.
2. Teljesítménykapcsoló és triak csatlakoztatása.

Az elektromos áramkörbe kapcsolt elektromágneses vagy szilárdtest relé a mikroprocesszortól érkező parancs alapján zárja és nyitja az egyik vezetéket. Fő jellemzőjük a maximálisan megengedett áramerősség (pl. 40 A), amely áthaladhat ezen az eszközön.

Ami az egyenáramú teljesítménykapcsoló (MOSFET) és a váltakozó áramú triak csatlakoztatását illeti, ezek kisebb megengedett áramerősséggel (5-15 A) rendelkeznek, de fokozatosan növelhetik a terhelést. Pontosan ezért vannak a lapokon PWM-portok. Ezt a tulajdonságot használják a világítás fényerejének, a ventilátorok fordulatszámának stb. szabályozásánál.

Relék és teljesítménykapcsolók segítségével teljesen automatizálható a ház összes elektromos áramköre, és áram hiányában elindítható a generátor. Ezért az Arduino alapján valósággá tehető a lakás vagy épület autonóm ellátása, beleértve az összes kiemelten fontos funkciót – fűtés, vízellátás, szennyvízelvezetés, szellőzés és biztonsági rendszer.

Szeretné, hogy otthona okosabb legyen, de a programozás “nem az Ön műfaja”? Ebben az esetben javasoljuk, hogy nézze meg a Xiaomi és Apple kész megoldásait, amelyeket még egy kezdő is könnyen telepíthet és beállíthat. A parancsok kiadását és végrehajtásuk ellenőrzését pedig akár az okostelefonjáról is elvégezheti.

Bővebben a Xiaomi és Apple okosotthon megoldásairól a következő cikkekben:

• Xiaomi okosotthon: a tervezés sajátosságai, a fő egységek és működő elemek áttekintése
• Apple okosotthon: az otthonirányítási rendszerek szervezésének finomságai az „almás” cégtől

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Példa egy kezdő szintű, saját készítésű alapra az “okosotthon” számára:

Az Arduino platform nyitottsága lehetővé teszi különböző gyártók alkatrészeinek használatát. Ez megkönnyíti egy “okosotthon” megtervezését a felhasználó igényei szerint. Ezért, ha valaki rendelkezik legalább alapszintű ismeretekkel a programozás és az elektronikus eszközök csatlakoztatása terén, érdemes odafigyelnie erre a rendszerre.

Ön gyakorlatban ismeri az Arduino platformot, és szeretné megosztani tapasztalatait a kezdőkkel? Esetleg szeretné kiegészíteni a fent leírt anyagot hasznos javaslatokkal vagy észrevételekkel? Kérjük, írja meg kommentjeit e publikáció alatt.

Ha Önnek kérdései merültek fel az Arduino-alapú automatizált otthon rendszerének tervezésével kapcsolatban, tegye fel azokat szakértőinknek és a weboldal többi látogatójának az alábbi blokkban.