Hogar inteligente basado en controladores Arduino: diseño y organización del espacio controlado
El desarrollo de herramientas de automatización ha llevado a la creación de sistemas complejos que mejoran la calidad de vida humana.Muchos fabricantes de renombre de entornos electrónicos y de software ofrecen soluciones estándar listas para usar para diversos objetos.
Incluso un usuario sin experiencia puede desarrollar proyectos independientes y montar una "casa inteligente" utilizando Arduino que se adapte a sus necesidades. Lo principal es comprender los conceptos básicos y no tener miedo de experimentar.
En este artículo veremos el principio de creación y las funciones principales de una casa automatizada basada en dispositivos Arduino. También consideraremos los tipos de placas utilizadas y los principales módulos del sistema.
El contenido del artículo:
Creando sistemas en la plataforma Arduino.
Arduino es una plataforma para desarrollar dispositivos electrónicos con control automático, semiautomático o manual. Está hecho según el principio de un diseñador con reglas de interacción entre elementos claramente definidas. El sistema es abierto, lo que permite que terceros fabricantes participen en su desarrollo.
Clásico «casa inteligente» consta de bloques automatizados que realizan las siguientes funciones:
- recopilar la información necesaria a través de sensores;
- analizar datos y tomar decisiones utilizando un microprocesador programable;
- implementar las decisiones tomadas emitiendo comandos a varios dispositivos.
La plataforma Arduino es buena precisamente porque no está limitada a un fabricante específico, sino que permite al consumidor elegir los componentes que más le convengan. Su selección es enorme, por lo que puedes hacer realidad casi cualquier idea.
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Además de la variedad de dispositivos conectados, el entorno de programación implementado en C++ añade variedad. El usuario no sólo puede utilizar las bibliotecas creadas, sino también programar la reacción de los componentes del sistema ante eventos emergentes.
Elementos del tablero principal
El elemento principal de una "casa inteligente" es una o más placas centrales (madre). Son responsables de la interacción de todos los elementos. Solo después de identificar las tareas que deben resolverse se puede comenzar a seleccionar el nodo principal del sistema.
La placa base combina los siguientes elementos:
- Microcontrolador (procesador). Su objetivo principal es generar y medir voltaje en los puertos en el rango de 0-5 o 0-3,3 V, almacenar datos y realizar cálculos.
- Programador (no disponible en todas las placas). Con este dispositivo, se escribe un programa en la memoria del microcontrolador según el cual funcionará la "casa inteligente". Se conecta a una computadora, tableta, teléfono inteligente u otro dispositivo mediante una interfaz USB.
- Regulador de voltaje. Se requiere un dispositivo de 5 voltios para alimentar todo el sistema.
Se producen varios modelos de placas bajo la marca Arduino.Se diferencian entre sí en el factor de forma (tamaño), la cantidad de puertos y la capacidad de memoria. Se basa en estos indicadores que debe elegir un dispositivo adecuado.
Hay dos tipos de puertos:
- digital, que están marcados en el tablero con letras "d";
- cosa análoga, que están marcados con la letra "a".
Gracias a ellos, el microcontrolador se comunica con los dispositivos conectados. Cualquier puerto puede funcionar tanto para recibir una señal como para enviarla. Los puertos digitales marcados como "pwm" están destinados a la entrada y salida de una señal PWM (modulación de ancho de pulso).
Por lo tanto, antes de comprar una placa, es necesario estimar al menos aproximadamente el nivel de carga en varios dispositivos. Esto le permitirá determinar la cantidad requerida de puertos de todo tipo.
Debe entenderse que el sistema de hogar inteligente no necesariamente tiene que estar conectado a una unidad de control basada en una única placa base. Funciones como, por ejemplo, encender la iluminación artificial en el área local según la hora del día y mantener una reserva de agua en el tanque de almacenamiento, son independientes entre sí.
Desde el punto de vista de garantizar la confiabilidad del sistema electrónico, es mejor separar las tareas no relacionadas en diferentes bloques, lo que el concepto Arduino facilita su implementación. Si combina muchos dispositivos en un solo lugar, el microprocesador puede sobrecalentarse, entrar en conflicto con las bibliotecas de software y tener dificultades para encontrar y eliminar fallas de software y hardware.
Cada microprocesador está equipado con tres tipos de memoria:
- Memoria flash. Memoria principal donde se almacena el código del programa de gestión del sistema. Una pequeña parte (3-12%) está ocupada por un programa de gestor de arranque integrado.
- SRAM. RAM, donde se almacenan los datos temporales necesarios para ejecutar el programa. Presenta una alta velocidad de funcionamiento.
- EEPROM Memoria más lenta donde también se pueden almacenar datos.
La principal diferencia entre los tipos de memoria para almacenamiento de datos es que cuando se corta la alimentación, la información que está registrada en SRAM se pierde, pero permanece en EEPROM. Pero el tipo no volátil también tiene un inconveniente: un número limitado de ciclos de escritura. Esto es algo a tener en cuenta al crear sus propias aplicaciones.
A diferencia del uso de Arduino en robótica, la mayoría de las tareas domésticas inteligentes no requieren mucha memoria ni para programas ni para almacenar información.
Tipos de tableros para montar una casa inteligente
Veamos los principales tipos de placas que se utilizan con mayor frecuencia al ensamblar sistemas domésticos inteligentes.
Vista #1 - Arduino Uno y sus derivados
Las placas más utilizadas en sistemas domésticos inteligentes son Arduino Uno y Arduino Nano. Tienen suficiente funcionalidad para resolver problemas típicos.
Parámetros principales de Arduino Uno Rev3:
- procesador: ATMega328P (8 bits, 16 MHz);
- número de puertos digitales: 14;
- de los cuales con función PWM: 6;
- número de puertos analógicos: 6;
- memoria flash: 32 KB;
- SRAM: 2 KB;
- EEPROM: 1 KB.
No hace mucho, se lanzó una modificación: Uno Wi-Fi, que contiene un módulo ESP8266 integrado que permite intercambiar información con otros dispositivos que utilizan el estándar 802.11 b/g/n.
La diferencia entre el Arduino Nano y su contraparte más grande es que no tiene su propia toma de corriente de 12 V. Esto se hace para lograr un tamaño más pequeño del dispositivo, lo que permite ocultarlo fácilmente en un espacio reducido. También para estos fines, la conexión USB estándar se sustituye por un chip con un cable mini-USB. Arduino Nano tiene 2 puertos analógicos más en comparación con Uno.
Hay otra modificación de la placa Uno: Arduino Mini. Es incluso más pequeño que Nano y mucho más difícil trabajar con él. En primer lugar, la falta de un puerto USB crea un problema con el firmware, ya que para ello tendrás que utilizar un convertidor USB-Serial. En segundo lugar, esta placa es más exigente en cuanto a la fuente de alimentación: es necesario proporcionar un rango de voltaje de entrada de 7-9 V.
Por las razones descritas anteriormente, la placa Arduino Mini rara vez se utiliza para el funcionamiento de un hogar inteligente. Suele utilizarse en robótica o en la implementación de proyectos prefabricados.
Vista #2 - Arduino Leonardo y Micro
La placa Arduino Leonardo es similar a la Uno, pero un poco más potente. Otra característica interesante de este modelo es que se identifica como teclado, mouse o joystick cuando se conecta a una computadora. Por lo tanto, se utiliza a menudo para crear simuladores y dispositivos de juego originales.
Los principales parámetros de Arduino Leonardo son los siguientes:
- procesador: ATMega32u4 (8 bits, 16 MHz);
- número de puertos digitales: 20;
- de los cuales con función PWM: 7;
- número de puertos analógicos: 12;
- memoria flash: 32 KB;
- SRAM: 2,5 KB;
- EEPROM: 1 KB.
Como se puede ver en la lista de parámetros, Leonardo tiene más puertos, lo que permite cargar este modelo con una mayor cantidad de sensores.
También para Leonardo existe un análogo en miniatura con características absolutamente idénticas llamado Micro. No tiene fuente de alimentación de 12V y en lugar de una entrada USB completa hay un chip para un cable mini-USB.
La modificación de Leonardo llamada Esplora es un modelo puramente de juego y no es adecuada para las necesidades de una "casa inteligente".
Vista #3 - Arduino 101, Arduino Zero y Arduino MKR1000
A veces, el funcionamiento de sistemas domésticos inteligentes implementados sobre la base de Arduino requiere una gran potencia informática, que los microcontroladores de 8 bits no pueden proporcionar. Tareas como el reconocimiento de voz o imágenes requieren un procesador rápido y una cantidad significativa de RAM para este tipo de dispositivos.
Para resolver problemas tan específicos se utilizan potentes placas que funcionan según el concepto Arduino. La cantidad de puertos que tienen es aproximadamente la misma que la de las placas Uno o Leonardo.
Una de las placas más potentes y fáciles de usar, Arduino 101 tiene las siguientes características:
- procesador: Intel Curie (32 bits, 32 MHz);
- memoria flash: 196 KB;
- SRAM: 24 KB;
- EEPROM: no.
Además, la placa está equipada con la funcionalidad BLE (Bluetooth Low Energy) con la capacidad de conectar fácilmente soluciones listas para usar, como un sensor de frecuencia cardíaca, recibir información sobre el clima fuera de la ventana, enviar mensajes de texto, etc. El dispositivo también incluye un giroscopio y un acelerómetro, pero se utilizan principalmente en robótica.
Otra placa similar, Arduino Zero, tiene los siguientes indicadores:
- procesador: SAM-D21 (32 bits, 48 MHz);
- memoria flash: 256 KB;
- SRAM: 32 KB;
- EEPROM: no.
Una característica distintiva de este modelo es la presencia de un depurador incorporado (EDBG). Con su ayuda es mucho más fácil encontrar errores al programar la placa.
Arduino MKR1000 es otro modelo adecuado para informática de alta potencia. Tiene un microprocesador y memoria similar al Zero. Su principal diferencia es la presencia de un chip Wi-Fi integrado con protocolo 802.11 b/g/n y un chip criptográfico compatible con el algoritmo SHA-256 para proteger los datos transmitidos.
Vista #4 - Modelos megafamiliares
En ocasiones es necesario utilizar una gran cantidad de sensores y controlar una cantidad importante de dispositivos. Esto es necesario, por ejemplo, para el funcionamiento automático de sistemas de aire acondicionado distribuidos, que mantienen una determinada temperatura para zonas individuales.
Para cada área local, es necesario monitorear las lecturas de dos sensores de temperatura (el segundo se usa como control) y, de acuerdo con el algoritmo, ajustar la posición de la compuerta, que determina el volumen de aire caliente que ingresa.
Si hay más de 10 zonas de este tipo en una cabaña, entonces se necesitan más de 30 puertos para controlar todo el sistema. Por supuesto, puede utilizar varias placas tipo Uno bajo el control común de una de ellas, pero esto crea dificultades de conmutación adicionales. En este caso, es recomendable utilizar modelos de la familia Mega.
La placa Arduino Mega se basa en un microprocesador aTMega1280 de 8 bits y 16 MHz bastante simple.
Tiene una gran cantidad de memoria:
- memoria flash: 128 KB;
- SRAM: 8 KB;
- EEPROM: 4 KB.
Pero su principal ventaja es la presencia de muchos puertos:
- número de puertos digitales: 54;
- de los cuales con función PWM: 15;
- Número de puertos analógicos: 16.
Este tablero tiene dos variedades modernas:
- Mega 2560 se basa en el microprocesador aTMega2560, caracterizado por una gran cantidad de memoria flash: 256 KB;
- Mega ADK, además del microprocesador aTMega2560, está equipado con una interfaz USB con la capacidad de conectarse a dispositivos basados en el sistema operativo Android.
El modelo Arduino Mega ADK tiene una característica. Al conectar un teléfono a una entrada USB, es posible la siguiente situación: si el teléfono necesita cargarse, comenzará a "sacarlo" de la placa. Por lo tanto, existe un requisito adicional para la fuente de electricidad: debe proporcionar una corriente de 1,5 amperios. Cuando se alimenta mediante baterías, se debe tener en cuenta esta condición.
Due es otro modelo de Arduino que combina la potencia de un microprocesador con una gran cantidad de puertos.
Sus características son las siguientes:
- procesador: Atmel SAM3X8E (32 bits, 84 MHz);
- número de puertos digitales: 54;
- de los cuales con función PWM: 12;
- número de puertos analógicos: 14;
- memoria flash: 512 KB;
- SRAM: 96 KB;
- EEPROM: no.
Los contactos analógicos de esta placa pueden funcionar tanto en la resolución habitual de 10 bits para Arduino, que está diseñada para ser compatible con modelos anteriores, como en 12 bits, lo que permite recibir una señal más precisa.
Características de la interacción del módulo a través de puertos.
Todos los módulos que se conectarán a la placa tienen al menos tres salidas. Dos de ellos son cables de alimentación, es decir. “tierra”, así como un voltaje de 5 o 3,3 V. El tercer cable es lógico. Transmite datos al puerto. Para conectar los módulos se utilizan cables especiales agrupados en grupos de 3, que a veces se denominan puentes.
Dado que los modelos Arduino generalmente tienen solo 1 puerto de voltaje y 1-2 puertos de tierra, para conectar varios dispositivos necesitará soldar cables o usar placas de pruebas.
La soldadura es más confiable y se usa en dispositivos sujetos a impacto físico, como tableros de control para robots y cuadricópteros. Para una casa inteligente, es mejor utilizar placas de desarrollo, ya que es más fácil tanto al instalar como al retirar el módulo.
Algunos modelos (por ejemplo, Arduino Zero y MKR1000) tienen un voltaje de funcionamiento de 3,3 V, por lo que si se aplica un valor superior a los puertos, la placa puede dañarse. Toda la información sobre la fuente de alimentación está disponible en la documentación técnica del dispositivo.
Tableros complementarios (escudos)
Para aumentar las capacidades de las placas base, se utilizan escudos, dispositivos adicionales que amplían la funcionalidad. Se fabrican para un factor de forma específico, lo que los distingue de los módulos que están conectados a puertos. Los escudos son más caros que los módulos, pero trabajar con ellos es más fácil. También están equipados con bibliotecas de código listas para usar, lo que acelera el desarrollo de sus propios programas de control para una casa inteligente.
Escudos de proto y sensor
Estos dos escudos estándar no añaden ninguna funcionalidad especial. Se utilizan para una conexión más compacta y cómoda de una gran cantidad de módulos.
Proto Shield es una copia casi completa del original en términos de puertos y puedes pegar una placa de desarrollo en el medio del módulo. Esto facilita el montaje de la estructura. Estos complementos existen para todas las placas Arduino de longitud completa.
Pero si hay muchos dispositivos (más de 10), entonces es mejor usar placas de conmutación Sensor Shield más caras.
No tienen placa de clavijas, pero todos los pines del puerto reciben alimentación y tierra individualmente. Esto le permite evitar enredarse en cables y puentes.
Esta placa también dispone de conectores para conectar fácilmente varios módulos: Bluetoots, tarjetas SD, RS232 (puerto COM), radio y ultrasonidos.
Conexión de funcionalidad auxiliar
Los escudos con funcionalidad integrada están diseñados para resolver problemas complejos pero típicos. Si necesita implementar ideas originales, es mejor elegir un módulo adecuado.
Escudo de motores. Está diseñado para controlar la velocidad y rotación de motores de baja potencia. El modelo original está equipado con un chip L298 y puede accionar dos motores CC o un servo al mismo tiempo. También hay una pieza de terceros compatible que tiene dos chips L293D con la capacidad de controlar el doble de unidades.
Escudo de relé. Un módulo de uso frecuente en sistemas domésticos inteligentes. Un tablero con cuatro relés electromecánicos, cada uno de los cuales permite el paso de corriente con una fuerza de hasta 5A. Esto es suficiente para encender y apagar automáticamente dispositivos de kilovatios o líneas de iluminación diseñadas para corriente alterna de 220 V.
Escudo LCD. Le permite mostrar información en una pantalla incorporada, que se puede actualizar a un dispositivo TFT. Esta extensión se utiliza a menudo para crear estaciones meteorológicas con lecturas de temperatura en varios espacios habitables, dependencias, garajes, así como temperatura, humedad y velocidad del viento en el exterior.
Escudo de registro de datos. La tarea principal del módulo es registrar datos de sensores en una tarjeta SD de formato completo de hasta 32 Gb con soporte para el sistema de archivos FAT32. Para grabar en una tarjeta micro SD necesitas comprar un adaptador.Este escudo se puede utilizar como almacenamiento de información, por ejemplo, al grabar datos desde un DVR. Fabricado por la empresa estadounidense Adafruit Industries.
Escudo de tarjeta SD. Una versión más sencilla y económica del módulo anterior. Muchos fabricantes producen este tipo de extensiones.
Escudo Ethernet. Módulo oficial para conectar Arduino a Internet sin ordenador. Hay una ranura para una tarjeta micro SD, que le permite grabar y enviar datos a través de la World Wide Web.
Escudo Wi-Fi. Permite el intercambio inalámbrico de información con soporte para modo de cifrado. Sirve para conectarse a Internet y dispositivos que se pueden controlar mediante Wi-Fi.
Escudo GPRS. Este módulo se suele utilizar para comunicarse entre una casa inteligente y su propietario a través del teléfono móvil mediante mensajes SMS.
Módulos de hogar inteligente
La conexión de módulos de terceros fabricantes y la capacidad de trabajar con ellos utilizando el lenguaje de programación incorporado es la principal ventaja del sistema abierto Arduino en comparación con las soluciones domésticas inteligentes "de marca". Lo principal es que los módulos tienen una descripción de las señales recibidas o transmitidas.
Formas de obtener información
La entrada de información se puede realizar a través de puertos digitales o analógicos. Depende del tipo de botón o sensor que recibe la información y la transmite a la placa.
Una persona puede enviar una señal al microprocesador utilizando dos métodos para ello:
- Pulsando un botón (tecla). El cable lógico en este caso va al puerto digital, que recibe el valor “0” si se suelta el botón y “1” si se presiona.
- Girar la tapa del potenciómetro giratorio (resistencia) o cambiando la palanca del motor. En este caso, el cable lógico va al puerto analógico. El voltaje pasa a través de un convertidor analógico a digital, después de lo cual los datos van al microprocesador.
Los botones se utilizan para iniciar un evento, por ejemplo, encender y apagar las luces, la calefacción o la ventilación. Los botones giratorios se utilizan para cambiar la intensidad: aumentar o disminuir el brillo de la luz, el volumen del sonido o la velocidad de rotación de las aspas del ventilador.
Los sensores se utilizan para determinar automáticamente parámetros ambientales o el origen de un evento.
Los siguientes tipos son los más demandados para el funcionamiento de hogares inteligentes:
- Sensor de sonido. Las versiones digitales de este dispositivo se utilizan para activar un evento mediante aplausos o voz. Los modelos analógicos le permiten reconocer y procesar el sonido.
- Sensor de luz. Estos dispositivos pueden funcionar tanto en rangos visibles como infrarrojos. Este último puede utilizarse como sistema de alerta de incendios.
- Sensor de temperatura. Se utilizan diferentes modelos para interior y exterior, ya que los exteriores están mejor protegidos de la humedad. También hay dispositivos remotos en el cable.
- Sensor de humedad del aire. El modelo DHT11 es adecuado para interiores y el DHT22, más caro, para exteriores. Ambos dispositivos también pueden proporcionar lecturas de temperatura. Conéctese a un puerto digital.
- Sensor de presión de aire. Los barómetros analógicos de Bosh han demostrado que funcionan bien con placas Arduino: bmp180, bmp280. También miden la temperatura.El modelo bme280 se puede llamar estación meteorológica, ya que también proporciona un valor de humedad adicional.
- Sensores de movimiento y presencia. Se utilizan con fines de seguridad o para encender luces automáticamente.
- Sensor de lluvia. Reacciona al agua que entra en su superficie. También se puede utilizar para activar una alarma por fugas en el circuito de fontanería o calefacción.
- Sensor actual. Se utilizan para detectar aparatos eléctricos que no funcionan (lámparas quemadas) o para analizar el voltaje para evitar sobrecargas.
- Sensor de fuga de gas. Se utiliza para detectar y responder a concentraciones elevadas de propano.
- Sensor de dióxido de carbono. Se utiliza para determinar la concentración de dióxido de carbono en salas de estar y en salas especiales, como bodegas, donde se produce la fermentación.
Hay muchos más sensores diferentes para tareas específicas, por ejemplo, para medir el peso, la velocidad del flujo de agua, la distancia, la humedad del suelo, etc.
Muchos sensores y sensores se pueden fabricar de forma independiente utilizando componentes más simples. Costará menos. Pero, a diferencia del uso de dispositivos en serie, tendrá que dedicar tiempo a la calibración.
Control de dispositivos y sistemas.
Además de recopilar y analizar información, una “casa inteligente” debe responder a eventos emergentes. La presencia de electrónica avanzada en los electrodomésticos modernos le permite acceder a ellos directamente mediante Wi-Fi, GPRS o EtherNet. Normalmente, los sistemas Arduino implementan la conmutación entre un microprocesador y dispositivos de alta tecnología a través de Wi-Fi.
Para utilizar Arduino para encender el aire acondicionado cuando la temperatura en la casa es alta, bloquear la televisión e Internet por la noche en la habitación de los niños o encender la caldera de calefacción cuando llegan los propietarios, es necesario realizar tres pasos:
- Instale el módulo Wi-Fi en la placa base.
- Encuentre canales de frecuencia desocupados para evitar conflictos en el sistema.
- Comprenda los comandos del dispositivo y las acciones del programa (o utilice bibliotecas ya preparadas).
Además de “comunicarse” con dispositivos computarizados, a menudo surgen tareas que implican realizar algunas acciones mecánicas. Por ejemplo, puede conectar un servoaccionamiento o una pequeña caja de cambios a la placa, que se alimentará desde ella.
Si es necesario conectar dispositivos potentes que funcionen desde una fuente de alimentación externa, se utilizan dos opciones:
- Inclusión en el circuito de relés.
- Conexión de un interruptor de encendido y triac.
Incluido en un circuito eléctrico. electromagnético o relé de estado sólido cierra y abre uno de los cables según un comando proveniente del microprocesador. Su característica principal es la corriente máxima permitida (por ejemplo, 40 A) que puede pasar a través de este dispositivo.
En cuanto a conectar un interruptor de alimentación (mosfet) para corriente continua y un triac para corriente alterna, tienen una corriente permitida más baja (5-15 A), pero pueden aumentar la carga sin problemas. Precisamente para ello se proporcionan puertos PWM en las placas. Esta propiedad se utiliza para regular el brillo de la iluminación, la velocidad del ventilador, etc.
Con la ayuda de relés e interruptores de alimentación, puede automatizar completamente todos los circuitos eléctricos de su hogar y arrancar el generador en ausencia de corriente. Por lo tanto, sobre la base de Arduino, es posible implementar la provisión autónoma de un apartamento o edificio, incluidas todas las funciones particularmente importantes: calefacción, abastecimiento de agua, drenaje, ventilación y sistema de seguridad.
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Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.
Un ejemplo de una pieza de trabajo básica autoensamblada para una "casa inteligente":
La apertura de la plataforma Arduino permite el uso de componentes de varios fabricantes. Esto facilita el diseño de una “casa inteligente” que se adapte a las necesidades del usuario. Por lo tanto, si tiene al menos un mínimo conocimiento en el campo de la programación y conexión de dispositivos electrónicos, vale la pena prestar atención a este sistema..
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