Smart Home basierend auf Arduino-Controllern: Design und Organisation eines kontrollierten Raums
Die Entwicklung von Automatisierungstools hat zur Schaffung komplexer Systeme geführt, die die Lebensqualität des Menschen verbessern.Viele namhafte Hersteller von Elektronik- und Softwareumgebungen bieten vorgefertigte Standardlösungen für verschiedene Objekte an.
Selbst ein unerfahrener Benutzer kann mit Arduino eigenständige Projekte entwickeln und ein „Smart Home“ nach seinen Bedürfnissen zusammenstellen. Die Hauptsache ist, die Grundlagen zu verstehen und keine Angst vor Experimenten zu haben.
In diesem Artikel werden wir uns mit dem Prinzip der Erstellung und den Hauptfunktionen eines automatisierten Hauses auf Basis von Arduino-Geräten befassen. Wir werden auch die verwendeten Platinentypen und die Hauptmodule des Systems berücksichtigen.
Der Inhalt des Artikels:
Erstellen von Systemen auf der Arduino-Plattform
Arduino ist eine Plattform zur Entwicklung elektronischer Geräte mit automatischer, halbautomatischer oder manueller Steuerung. Es basiert auf dem Prinzip eines Designers mit klar definierten Regeln für die Interaktion zwischen Elementen. Das System ist offen, was die Beteiligung von Drittherstellern an der Entwicklung ermöglicht.
Klassisch "Intelligentes Haus» besteht aus automatisierten Blöcken, die folgende Funktionen ausführen:
- sammeln Sie die notwendigen Informationen durch Sensoren;
- Daten analysieren und Entscheidungen mithilfe eines programmierbaren Mikroprozessors treffen;
- Setzen Sie die getroffenen Entscheidungen um, indem Sie Befehle an verschiedene Geräte erteilen.
Die Arduino-Plattform ist gerade deshalb gut, weil sie nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden ist, sondern dem Verbraucher die Auswahl der für ihn passenden Komponenten ermöglicht. Ihre Auswahl ist riesig, sodass Sie nahezu jede Idee verwirklichen können.
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Neben der Vielfalt der angeschlossenen Geräte sorgt auch die in C++ implementierte Programmierumgebung für Abwechslung. Der Benutzer kann nicht nur die erstellten Bibliotheken nutzen, sondern auch die Reaktion von Systemkomponenten auf auftretende Ereignisse programmieren.
Hauptplatinenelemente
Das Hauptelement eines „Smart Home“ sind eine oder mehrere zentrale (Motherboards). Sie sind für das Zusammenspiel aller Elemente verantwortlich. Erst nachdem Sie die zu lösenden Aufgaben identifiziert haben, können Sie mit der Auswahl des Hauptknotens des Systems beginnen.
Das Motherboard vereint folgende Elemente:
- Mikrocontroller (Prozessor). Sein Hauptzweck besteht darin, die Spannung an den 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 ihn). Mit diesem Gerät wird ein Programm in den Speicher des Mikrocontrollers geschrieben, nach dem das „Smart Home“ funktioniert. Über eine USB-Schnittstelle wird es mit einem Computer, Tablet, Smartphone oder einem anderen Gerät verbunden.
- Spannungsregler. Zur Stromversorgung des gesamten Systems ist ein 5-Volt-Gerät erforderlich.
Unter der Marke Arduino werden mehrere Board-Modelle hergestellt.Sie unterscheiden sich voneinander im Formfaktor (Größe), der Anzahl der Anschlüsse und der Speicherkapazität. Basierend auf diesen Indikatoren müssen Sie ein geeignetes Gerät auswählen.
Es gibt zwei Arten von Ports:
- Digital, die mit Buchstaben auf der Tafel markiert sind "D";
- analog, die mit dem Buchstaben gekennzeichnet sind "A".
Dank ihnen kommuniziert der Mikrocontroller mit angeschlossenen Geräten. Jeder Port kann sowohl zum Empfangen als auch zum Senden eines Signals dienen. Mit „pwm“ gekennzeichnete digitale Anschlüsse sind für die Ein- und Ausgabe eines PWM-Signals (Pulsweitenmodulation) vorgesehen.
Daher ist es vor dem Kauf eines Boards notwendig, die Belastung verschiedener Geräte zumindest grob einzuschätzen. Dadurch können Sie die erforderliche Anzahl von Ports aller Art ermitteln.
Es versteht sich, dass das Smart-Home-System nicht unbedingt mit einer Steuereinheit verbunden sein muss, die auf einem einzigen Motherboard basiert. Funktionen wie beispielsweise das tageszeitabhängige Einschalten der künstlichen Beleuchtung im Nahbereich und die Aufrechterhaltung eines Wasservorrats im Vorratstank sind voneinander unabhängig.
Unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Zuverlässigkeit des elektronischen Systems ist es besser, nicht zusammenhängende Aufgaben in verschiedene Blöcke zu unterteilen, was durch das Arduino-Konzept einfach zu implementieren ist. Wenn Sie viele Geräte an einem Ort kombinieren, kann es zu einer Überhitzung des Mikroprozessors, Konflikten zwischen Softwarebibliotheken und Schwierigkeiten bei der Suche und Beseitigung von Software- und Hardwarefehlern kommen.
Jeder Mikroprozessor ist mit drei Arten von Speicher ausgestattet:
- Flash-Speicher. Hauptspeicher, in dem der Systemverwaltungsprogrammcode gespeichert ist. Ein kleiner Teil davon (3-12 %) wird von einem eingebauten Bootloader-Programm belegt.
- SRAM. RAM, in dem temporäre Daten gespeichert werden, die zum Ausführen des Programms erforderlich sind. Es zeichnet sich durch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus.
- EEPROM Langsamerer Speicher, in dem auch Daten gespeichert werden können.
Der Hauptunterschied zwischen den Speichertypen für die Datenspeicherung besteht darin, dass beim Ausschalten der Stromversorgung die im SRAM aufgezeichneten Informationen verloren gehen, aber im EEPROM verbleiben. Der nichtflüchtige Typ hat aber auch einen Nachteil – eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen. Dies sollten Sie bei der Erstellung Ihrer eigenen Anwendungen berücksichtigen.
Anders als beim Einsatz von Arduino in der Robotik benötigen die meisten Smart-Home-Aufgaben weder für Programme noch zum Speichern von Informationen viel Speicher.
Arten von Platinen für den Aufbau eines Smart Homes
Schauen wir uns die wichtigsten Platinentypen an, die beim Zusammenbau von Smart-Home-Systemen am häufigsten verwendet werden.
Ansicht Nr. 1 – Arduino Uno und seine Derivate
Die am häufigsten verwendeten Platinen in Smart-Home-Systemen sind Arduino Uno und Arduino Nano. Sie verfügen über ausreichende Funktionalität, um typische Probleme zu lösen.
Hauptparameter des Arduino Uno Rev3:
- Prozessor: ATMega328P (8 Bit, 16 MHz);
- Anzahl digitaler Ports: 14;
- davon mit PWM-Funktion: 6;
- Anzahl analoger 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 ESP8266-Modul enthält, das den Informationsaustausch mit anderen Geräten über den 802.11 b/g/n-Standard ermöglicht.
Der Unterschied zwischen dem Arduino Nano und seinem größeren Gegenstück besteht darin, dass er über keine eigene 12-V-Steckdose verfügt. Dies geschieht, um eine kleinere Gerätegröße zu erreichen, die es ermöglicht, es leicht auf kleinem Raum zu verstecken. Auch für diese Zwecke wird der Standard-USB-Anschluss durch einen Chip mit Mini-USB-Kabel ersetzt. Arduino Nano verfügt im Vergleich zu Uno über zwei analoge Ports mehr.
Es gibt eine weitere Modifikation des Uno-Boards – Arduino Mini. Es ist noch kleiner als Nano und viel schwieriger zu handhaben. Erstens stellt das Fehlen eines USB-Anschlusses ein Problem mit der Firmware dar, da Sie hierfür einen USB-Seriell-Konverter verwenden müssen. Zweitens ist dieses Board hinsichtlich der Stromversorgung wählerischer – es muss ein Eingangsspannungsbereich von 7-9 V bereitgestellt werden.
Aus den oben beschriebenen Gründen wird das Arduino Mini-Board selten für den Smart-Home-Betrieb verwendet. Es wird üblicherweise entweder in der Robotik oder bei der Umsetzung vorgefertigter Projekte eingesetzt.
Ansicht Nr. 2 – Arduino Leonardo und Micro
Das Arduino Leonardo-Board ähnelt dem Uno, ist jedoch etwas leistungsfähiger. Ein weiteres interessantes Merkmal dieses Modells ist, dass es beim Anschluss an einen Computer als Tastatur, Maus oder Joystick identifiziert wird. Daher wird es häufig zur Herstellung origineller Spielgeräte und Simulatoren verwendet.
Die Hauptparameter von Arduino Leonardo sind wie folgt:
- Prozessor: ATMega32u4 (8 Bit, 16 MHz);
- Anzahl digitaler Ports: 20;
- davon mit PWM-Funktion: 7;
- Anzahl analoger Ports: 12;
- Flash-Speicher: 32 KB;
- SRAM: 2,5 KB;
- EEPROM: 1 KB.
Wie aus der Parameterliste hervorgeht, verfügt Leonardo über mehr Ports, wodurch dieses Modell mit einer größeren Anzahl von Sensoren bestückt werden kann.
Auch für Leonardo gibt es ein Miniaturanalogon mit absolut identischen Eigenschaften namens Micro. Es verfügt nicht über eine 12-V-Stromversorgung und statt eines vollwertigen USB-Eingangs gibt es einen Chip für ein Mini-USB-Kabel.
Die Leonardo-Modifikation namens Esplora ist ein reines Gaming-Modell und nicht für die Bedürfnisse eines „Smart Home“ geeignet.
Ansicht Nr. 3 – Arduino 101, Arduino Zero und Arduino MKR1000
Manchmal erfordert der Betrieb von Smart-Home-Systemen, die auf Basis von Arduino implementiert werden, viel Rechenleistung, die 8-Bit-Mikrocontroller nicht bereitstellen können. Aufgaben wie Sprach- oder Bilderkennung erfordern für solche Geräte einen schnellen Prozessor und viel RAM.
Um solche spezifischen Probleme zu lösen, werden leistungsstarke Boards eingesetzt, die nach dem Arduino-Konzept arbeiten. Die Anzahl der Ports entspricht in etwa der von Uno- oder Leonardo-Boards.
Arduino 101 ist eines der am einfachsten zu verwendenden und dennoch leistungsstärksten Boards und 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 und bietet die Möglichkeit, vorgefertigte Lösungen wie einen Herzfrequenzsensor, den Empfang von Informationen über das Wetter außerhalb des Fensters, das Versenden von Textnachrichten usw. problemlos anzuschließen. Ein Gyroskop und ein Beschleunigungsmesser sind ebenfalls in das Gerät integriert, werden jedoch hauptsächlich in der Robotik eingesetzt.
Ein weiteres ähnliches Board, Arduino Zero, weist die folgenden Indikatoren auf:
- 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). Mit seiner Hilfe ist es viel einfacher, Fehler beim Programmieren der Platine zu finden.
Arduino MKR1000 ist ein weiteres Modell, das für Hochleistungsrechnen geeignet ist. Es verfügt über einen Mikroprozessor und Speicher ähnlich dem Zero. Der Hauptunterschied besteht im Vorhandensein eines integrierten WLAN-Chips mit dem 802.11 b/g/n-Protokoll und eines Krypto-Chips mit Unterstützung für den SHA-256-Algorithmus zum Schutz übertragener Daten.
Ansicht #4 – Mega-Familienmodelle
Manchmal ist es notwendig, eine große Anzahl von Sensoren zu verwenden und eine beträchtliche Anzahl von Geräten zu steuern. Dies ist beispielsweise für den automatischen Betrieb verteilter Klimaanlagen erforderlich, die für einzelne Zonen eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten.
Für jeden lokalen Bereich ist es notwendig, die Messwerte von zwei Temperatursensoren zu überwachen (der zweite dient als Kontrollsensor) und gemäß dem Algorithmus die Position der Klappe anzupassen, die die Menge der eintretenden warmen Luft bestimmt.
Wenn in einem Ferienhaus mehr als 10 solcher Zonen vorhanden sind, werden mehr als 30 Ports benötigt, um das gesamte System zu steuern. Natürlich können Sie mehrere Platinen vom Typ Uno unter der gemeinsamen Kontrolle einer von ihnen verwenden, dies führt jedoch zu zusätzlichen Schwierigkeiten beim Umschalten. In diesem Fall empfiehlt es sich, auf Modelle der Mega-Familie zurückzugreifen.
Das Arduino Mega-Board basiert auf einem recht einfachen 8-Bit-16-MHz-Mikroprozessor aTMega1280.
Es verfügt über eine große Speicherkapazität:
- Flash-Speicher: 128 KB;
- SRAM: 8 KB;
- EEPROM: 4 KB.
Sein Hauptvorteil ist jedoch das Vorhandensein vieler Ports:
- Anzahl digitaler Ports: 54;
- davon mit PWM-Funktion: 15;
- Anzahl der analogen Ports: 16.
Dieses Board hat zwei moderne Varianten:
- Mega 2560 basiert auf dem aTMega2560-Mikroprozessor und zeichnet sich durch eine große Menge an Flash-Speicher aus – 256 KB;
- Mega ADK ist zusätzlich zum aTMega2560-Mikroprozessor mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet, die den Anschluss an Geräte ermöglicht, die auf dem Android-Betriebssystem basieren.
Das Arduino Mega ADK-Modell verfügt über eine Funktion. Beim Anschließen eines Telefons an einen USB-Eingang ist die folgende Situation möglich: Wenn das Telefon aufgeladen werden muss, beginnt es, es von der Platine zu „ziehen“. Daher gibt es eine zusätzliche Anforderung an die Stromquelle – sie muss einen Strom von 1,5 Ampere liefern. Bei der Stromversorgung über Batterien muss diese Bedingung berücksichtigt werden.
Due ist ein weiteres Modell von Arduino, das die Leistung eines Mikroprozessors mit einer großen Anzahl von Ports kombiniert.
Seine Eigenschaften sind wie folgt:
- Prozessor: Atmel SAM3X8E (32 Bit, 84 MHz);
- Anzahl digitaler Ports: 54;
- davon mit PWM-Funktion: 12;
- Anzahl analoger Ports: 14;
- Flash-Speicher: 512 KB;
- SRAM: 96 KB;
- EEPROM: nein.
Die analogen Kontakte dieser Platine können sowohl in der für Arduino üblichen 10-Bit-Auflösung arbeiten, die auf Kompatibilität mit Vorgängermodellen ausgelegt ist, als auch in 12-Bit, wodurch Sie ein genaueres Signal empfangen können.
Merkmale der Modulinteraktion über Ports
Alle Module, die an die Platine angeschlossen werden, verfügen über mindestens drei Ausgänge. Zwei davon 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. Zum Verbinden der Module werden spezielle, in Dreiergruppen gruppierte Drähte verwendet, die manchmal auch Jumper genannt werden.
Da Arduino-Modelle normalerweise nur über einen Spannungsanschluss und 1–2 Erdungsanschlüsse verfügen, müssen Sie zum Anschluss mehrerer Geräte entweder Drähte anlöten oder Steckbretter verwenden.
Löten ist zuverlässiger und wird bei Geräten eingesetzt, die physischen Stößen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Steuerplatinen für Roboter und Quadcopter. Für ein Smart Home ist es besser, Entwicklungsplatinen zu verwenden, da dies sowohl beim Einbau als auch beim Ausbau des Moduls einfacher ist.
Einige Modelle (z. B. Arduino Zero und MKR1000) haben eine Betriebsspannung von 3,3 V. Wenn also ein höherer Wert an die Anschlüsse angelegt wird, kann die Platine beschädigt werden. Alle Informationen zur Stromversorgung finden Sie in der technischen Dokumentation des Geräts.
Anbauplatinen (Abschirmungen)
Um die Leistungsfähigkeit von Motherboards zu erhöhen, werden Shields eingesetzt – zusätzliche Geräte, die die Funktionalität erweitern. Sie werden für einen bestimmten Formfaktor hergestellt, was sie von Modulen unterscheidet, die an Ports angeschlossen sind. Shields 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 ein Smart Home beschleunigt.
Proto- und Sensorschilde
Diese beiden Standardschilde bieten keine besondere Funktionalität. Sie dienen der kompakteren und bequemeren Verbindung einer großen Anzahl von Modulen.
Proto Shield ist hinsichtlich der Anschlüsse eine fast vollständige Kopie des Originals, und Sie können eine Entwicklungsplatine in die Mitte des Moduls kleben. Dies erleichtert den Aufbau der Struktur. Solche Add-ons gibt es für alle Arduino-Boards voller Baulänge.
Wenn es jedoch viele Geräte gibt (mehr als 10), ist es besser, teurere Sensor Shield-Schaltplatinen zu verwenden.
Sie verfügen über kein Steckbrett, aber alle Port-Pins werden einzeln mit Strom und Masse versorgt. So vermeiden Sie, dass Sie sich in Drähten und Jumpern verheddern.
Dieses Board verfügt außerdem über Anschlüsse zum einfachen Anschluss mehrerer Module: Bluetoots, SD-Karten, RS232 (COM-Port), Radio und Ultraschall.
Anschließen von Zusatzfunktionen
Shields mit integrierter Funktionalität sollen komplexe, aber typische Probleme lösen. Wenn Sie originelle Ideen umsetzen müssen, ist es besser, ein geeignetes Modul auszuwählen.
Motorschild. Es wurde entwickelt, um die Geschwindigkeit und Rotation von Motoren mit geringer Leistung zu steuern. Das Originalmodell ist mit einem L298-Chip ausgestattet und kann zwei Gleichstrommotoren oder ein Servo gleichzeitig antreiben. Es gibt auch ein kompatibles Drittanbieterteil, das über zwei L293D-Chips verfügt und die Möglichkeit bietet, doppelt so viele Laufwerke zu steuern.
Relaisschild. Ein häufig verwendetes Modul in Smart-Home-Systemen. Eine Platine mit vier elektromechanischen Relais, die jeweils den Stromdurchgang mit einer Kraft von bis zu 5 A ermöglichen. Dies reicht aus, um Kilowatt-Geräte oder Lichtlinien, die für 220-V-Wechselstrom ausgelegt sind, automatisch ein- und auszuschalten.
LCD-Abschirmung. Ermöglicht die Anzeige von Informationen auf einem integrierten Bildschirm, der zu einem TFT-Gerät aufgerüstet werden kann. Diese Erweiterung wird häufig verwendet, um Wetterstationen mit Temperaturmesswerten in verschiedenen Wohnräumen, Nebengebäuden, Garagen sowie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit im Freien zu erstellen.
Datenprotokollierungsschild. Die Hauptaufgabe des Moduls besteht darin, Daten von Sensoren auf einer vollformatigen SD-Karte mit bis zu 32 GB mit Unterstützung für das FAT32-Dateisystem aufzuzeichnen. Um auf eine Micro-SD-Karte aufzunehmen, müssen Sie einen Adapter kaufen.Dieses Schild kann als Informationsspeicher verwendet werden, beispielsweise bei der Aufzeichnung von Daten von einem DVR. Hergestellt von der amerikanischen Firma Adafruit Industries.
SD-Kartenschutz. Eine einfachere und günstigere Version des vorherigen Moduls. Viele Hersteller produzieren solche Erweiterungen.
Ethernet-Schild. Offizielles Modul zur Verbindung von Arduino mit dem Internet ohne Computer. Es gibt einen Steckplatz für eine Micro-SD-Karte, mit der Sie Daten aufzeichnen und über das World Wide Web versenden können.
Wi-Fi Shield. Ermöglicht den drahtlosen Informationsaustausch mit Unterstützung des Verschlüsselungsmodus. Dient der Verbindung mit dem Internet und Geräten, die über WLAN gesteuert werden können.
GPRS-Schild. Dieses Modul wird normalerweise verwendet, um zwischen einem Smart Home und seinem Besitzer per Mobiltelefon über SMS-Nachrichten zu kommunizieren.
Smart-Home-Module
Die Anbindung 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 „Marken“-Smart-Home-Lösungen. Hauptsache, die Module verfügen über eine Beschreibung der empfangenen bzw. gesendeten Signale.
Möglichkeiten zur Informationsbeschaffung
Die Informationseingabe kann über digitale oder analoge Ports erfolgen. Dies hängt von der Art der Taste oder des Sensors ab, der die Informationen empfängt und an die Platine überträgt.
Ein Signal an den Mikroprozessor kann von einer Person gesendet werden, die hierfür zwei Methoden anwendet:
- Drücken einer Taste (Taste). Die logische Leitung geht in diesem Fall zum digitalen Port, der beim Loslassen der Taste den Wert „0“ und beim Drücken den Wert „1“ erhält.
- Drehen der Kappe des Drehpotentiometers (Widerstands). oder das Umlegen des Motorhebels. In diesem Fall geht die logische Leitung zum analogen Port. Die Spannung durchläuft einen Analog-Digital-Wandler, woraufhin die Daten an den Mikroprozessor weitergeleitet werden.
Über Tasten wird ein Ereignis gestartet, beispielsweise das Ein- und Ausschalten von Licht, Heizung oder Lüftung. Mit Drehknöpfen lässt sich die Intensität verändern – die Helligkeit des Lichts, die Lautstärke des Tons oder die Drehzahl der Lüfterblätter erhöhen oder verringern.
Mithilfe von Sensoren werden Umgebungsparameter oder der Ursprung eines Ereignisses automatisch ermittelt.
Für den Smart-Home-Betrieb sind folgende Typen am gefragtesten:
- Schallsensor. Digitale Versionen dieses Geräts werden verwendet, um ein Ereignis durch Klatschen oder Stimme auszulösen. Mit analogen Modellen können Sie Geräusche erkennen und verarbeiten.
- Lichtsensor. Diese Geräte können sowohl im sichtbaren als auch im Infrarotbereich betrieben werden. Letzteres kann als Brandwarnsystem eingesetzt werden.
- Temperatursensor. Für den Innen- und Außenbereich kommen unterschiedliche Modelle zum Einsatz, da die Außenmodelle besser vor Feuchtigkeit geschützt sind. Es gibt auch Remote-Geräte am Kabel.
- Luftfeuchtigkeitssensor. Für den Innenbereich eignet sich das Modell DHT11, für den Außenbereich das teurere Modell DHT22. Beide Geräte können auch Temperaturwerte liefern. Stellen Sie eine Verbindung zu einem digitalen Port her.
- Luftdrucksensor. Analoge Barometer von Bosh funktionieren nachweislich gut mit den Arduino-Boards bmp180, bmp280. Sie messen auch die Temperatur.Das Modell bme280 kann als Wetterstation bezeichnet werden, da es auch einen zusätzlichen Feuchtigkeitswert liefert.
- Bewegungs- und Anwesenheitssensoren. Sie werden zu Sicherheitszwecken oder zum automatischen Einschalten von Lichtern verwendet.
- Regensensor. Reagiert auf Wasser, das in seine Oberfläche eindringt. Es kann auch zur Alarmauslösung bei Undichtigkeiten im Sanitär- oder Heizungskreislauf eingesetzt werden.
- Stromsensor. Sie werden verwendet, um nicht funktionierende Elektrogeräte (durchgebrannte Lampen) zu erkennen oder die Spannung zu analysieren, um eine Überlastung zu verhindern.
- Gaslecksensor. Wird verwendet, um erhöhte Propankonzentrationen zu erkennen und darauf zu reagieren.
- Kohlendioxidsensor. Es wird verwendet, um die Konzentration von Kohlendioxid in Wohnräumen und in speziellen Räumen wie Weinkellern zu bestimmen, in denen die Gärung stattfindet.
Es gibt viele weitere unterschiedliche Sensoren für bestimmte Aufgaben, beispielsweise zur Messung von Gewicht, Wasserfließgeschwindigkeit, Entfernung, Bodenfeuchtigkeit usw.
Viele Sensoren und Sensoren können unabhängig voneinander mit einfacheren Komponenten hergestellt werden. Es wird weniger kosten. Im Gegensatz zur Verwendung serieller Geräte müssen Sie jedoch Zeit für die Kalibrierung aufwenden.
Steuerung von Geräten und Systemen
Neben dem Sammeln und Analysieren von Informationen muss ein „Smart Home“ auf aufkommende Ereignisse reagieren. Das Vorhandensein fortschrittlicher Elektronik in modernen Haushaltsgeräten ermöglicht den direkten Zugriff über WLAN, GPRS oder EtherNet. In der Regel implementieren Arduino-Systeme die Umschaltung zwischen einem Mikroprozessor und High-Tech-Geräten über WLAN.
Um mit Arduino die Klimaanlage einzuschalten, wenn die Temperatur im Haus hoch ist, den Fernseher und das Internet nachts im Kinderzimmer zu blockieren oder den Heizkessel zu starten, wenn die Besitzer eintreffen, müssen Sie drei Schritte ausführen:
- Installieren Sie das Wi-Fi-Modul auf dem Motherboard.
- Suchen Sie nach unbelegten Frequenzkanälen, um Systemkonflikte zu vermeiden.
- Gerätebefehle und Programmaktionen verstehen (oder vorgefertigte Bibliotheken nutzen).
Zusätzlich zur „Kommunikation“ mit computergestützten Geräten fallen häufig Aufgaben an, bei denen mechanische Aktionen ausgeführt werden müssen. An die Platine können Sie beispielsweise einen Servoantrieb oder ein kleines Getriebe anschließen, das von dort mit Strom versorgt wird.
Wenn es notwendig ist, leistungsstarke Geräte anzuschließen, die von einer externen Stromquelle betrieben werden, gibt es zwei Möglichkeiten:
- Einbindung in den Relaiskreis.
- Anschluss eines Netzschalters und Triacs.
Eingebunden in einen Stromkreis elektromagnetisch oder Halbleiterrelais schließt und öffnet einen der Drähte gemäß einem vom Mikroprozessor kommenden Befehl. Ihr Hauptmerkmal ist der maximal zulässige Strom (z. B. 40 A), der durch dieses Gerät fließen kann.
Der Anschluss eines Leistungsschalters (Mosfet) für Gleichstrom und eines Triacs für Wechselstrom hat einen geringeren zulässigen Strom (5-15 A), kann aber die Last stufenlos erhöhen. Zu diesem Zweck sind auf den Platinen PWM-Anschlüsse vorgesehen. Diese Eigenschaft wird zur Regulierung der Beleuchtungshelligkeit, der Lüftergeschwindigkeit usw. verwendet.
Mithilfe von Relais und Leistungsschaltern können Sie alle Stromkreise zu Hause vollständig automatisieren und den Generator bei Stromausfall starten. Daher ist es auf Basis von Arduino möglich, eine autonome Versorgung einer Wohnung oder eines Gebäudes inklusive aller besonders wichtigen Funktionen zu realisieren – Heizung, Wasserversorgung, Entwässerung, Belüftung und Sicherheitssystem.
Möchten Sie, dass Ihr Zuhause intelligenter wird, aber mit Programmierung für „Sie“? In diesem Fall empfehlen wir einen Blick auf vorgefertigte Lösungen von Xiaomi und Apple, die auch für Einsteiger einfach zu installieren und zu konfigurieren sind. Und Sie können sogar von Ihrem Smartphone aus Befehle festlegen und deren Umsetzung steuern.
Lesen Sie mehr über Smart Home von Xiaomi und Apple in den folgenden Artikeln:
- Xiaomi Smart Home: Designmerkmale, Übersicht über Hauptkomponenten und Arbeitselemente
- Apple Smart Home: Feinheiten der Organisation von Haussteuerungssystemen der Firma Apple
Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema
Ein Beispiel für ein selbstmontiertes Einstiegswerkstück für ein „Smart Home“:
Die Offenheit der Arduino-Plattform ermöglicht die Verwendung von Komponenten verschiedener Hersteller. Dadurch lässt sich ganz einfach ein „Smart Home“ entsprechend den Bedürfnissen des Nutzers gestalten. Wenn Sie also zumindest über geringe Kenntnisse im Bereich Programmierung und Anschluss elektronischer Geräte verfügen, lohnt es sich, auf dieses System zu achten.
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