Slim huis op basis van Arduino-controllers: ontwerp en organisatie van een gecontroleerde ruimte

De ontwikkeling van automatiseringsmiddelen heeft geleid tot de creatie van complexe systemen die de kwaliteit van het menselijk leven verbeteren. Veel bekende fabrikanten van elektronica en softwareomgevingen bieden kant-en-klare standaardoplossingen voor verschillende objecten.

Zelfstandige projecten ontwikkelen en een “slimme woning” op Arduino naar uw eigen behoeften samenstellen, dat kan zelfs een onervaren gebruiker. Het belangrijkste is om de basis te begrijpen en niet bang te zijn om te experimenteren.

In dit artikel bespreken we het principe van het creëren en de belangrijkste functies van een geautomatiseerd huis op basis van Arduino-apparaten. Ook bespreken we de gebruikte soorten borden en de belangrijkste modules van het systeem.

Systemen creëren op het Arduino-platform

Arduino is een platform voor het ontwikkelen van elektronische apparaten met automatische, semi-automatische of handmatige besturing. Het is gemaakt volgens het principe van een bouwdoos met duidelijk gedefinieerde regels voor interactie tussen elementen. Het systeem is open, waardoor externe fabrikanten kunnen deelnemen aan de ontwikkeling ervan.

Een klassieke “slimme woning” bestaat uit geautomatiseerde blokken die de volgende functies vervullen:

• verzamelen de benodigde informatie via sensoren;
• analyseren gegevens en nemen beslissingen met behulp van een programmeerbare microprocessor;
• voeren de genomen beslissingen uit door commando's te geven aan verschillende apparaten.

Het Arduino-platform is juist goed omdat het niet beperkt is tot een specifieke fabrikant, maar de gebruiker in staat stelt zelf de componenten te kiezen die bij hem passen. De keuze is enorm, dus u kunt bijna elk idee realiseren.

Wij raden u aan om kennis te nemen van de beste slimme apparaten voor thuis.

Om met Arduino te leren werken, kunt u op de website van de fabrikant een startpakket (Starter Kit) aanschaffen. Kennis van technisch Engels is vereist, omdat de documentatie niet in het Russisch is vertaald.

Naast de verscheidenheid aan aan te sluiten apparaten, voegt de programmeeromgeving, geïmplementeerd in C++, variabiliteit toe. De gebruiker kan niet alleen gebruikmaken van de gemaakte bibliotheken, maar ook zelf de reactie van systeemcomponenten op optredende gebeurtenissen programmeren.

Belangrijkste elementen van borden

Het belangrijkste element van een “slim huis” is een of meerdere centrale (moeder)platen. Zij zijn verantwoordelijk voor de interactie van alle elementen. Pas nadat u de taken die moeten worden opgelost hebt bepaald, kunt u beginnen met het kiezen van het hoofdknooppunt van het systeem.

De moederplaat bevat de volgende elementen:

• Microcontroller (processor). Het belangrijkste doel ervan is het uitgeven en meten van spanning op de poorten in het bereik van 0-5 of 0-3,3 V, het opslaan van gegevens en het uitvoeren van berekeningen.
• Programmeur (niet alle borden hebben er een). Met dit apparaat wordt het programma in het geheugen van de microcontroller geschreven, volgens welke het “slimme huis” zal werken. Het wordt via een USB-interface aangesloten op een computer, tablet, smartphone of ander apparaat.
• Spanningsregelaar. Er is een apparaat van 5 volt nodig, dat vereist is voor de voeding van het hele systeem.

Onder het merk Arduino worden verschillende modellen borden geproduceerd. Ze verschillen van elkaar in vormfactor (grootte), aantal poorten en geheugencapaciteit. Op basis van deze kenmerken moet u het geschikte apparaat kiezen.

Arduino-borden en shields ervoor kunt u beter bij de fabrikant kopen, omdat ze kwalitatief beter zijn dan compatibele apparaten die in China worden geproduceerd.

Er zijn twee soorten poorten:

• digitale, die op het bord zijn gemarkeerd met de letters “d”;
• analoge, die zijn gemarkeerd met de letter “a”.

Dankzij hen communiceert de microcontroller met de aangesloten apparaten. Elke poort kan zowel signalen ontvangen als verzenden. Digitale poorten met de markering “pwm” zijn bedoeld voor het in- en uitvoeren van een PWM-signaal (pulsbreedtemodulatie).

Daarom is het, voordat u een bord aanschaft, noodzakelijk om ten minste bij benadering het niveau van belasting met verschillende apparaten te beoordelen. Dit maakt het mogelijk om het benodigde aantal poorten van alle typen te bepalen.

Hierbij moet u begrijpen dat het “slimme huis”-systeem niet per se gebonden hoeft te zijn aan een besturingseenheid op basis van één moederbord. Functies zoals bijvoorbeeld het inschakelen van kunstmatige verlichting van het voorterrein afhankelijk van het tijdstip van de dag en het handhaven van een waterreserve in een opslagtank zijn onafhankelijk van elkaar.

Vanuit het oogpunt van betrouwbaarheid van de elektronische systeemwerking is het beter om onderling niet-gerelateerde taken over verschillende modules te verdelen, wat het Arduino-concept gemakkelijk mogelijk maakt. Als u echter veel apparaten op één plaats verenigt, is oververhitting van de microprocessor, conflict van softwarebibliotheken en problemen bij het opsporen en verhelpen van software- en hardwarestoringen mogelijk.

Het aansluiten van meerdere verschillende soorten apparaten op één printplaat wordt meestal toegepast in de robotica, waar compactheid belangrijk is. Voor “slim huis” kunt u beter voor elke taak een eigen basis gebruiken.

Elke microprocessor is uitgerust met drie soorten geheugen:

• Flash Memory. Het hoofdgeheugen, waarin de programmacode voor de systeembesturing wordt opgeslagen. Een klein deel ervan (3-12 %) wordt ingenomen door de ingebedde bootloader.
• SRAM. Het werkgeheugen, waarin tijdelijke gegevens worden opgeslagen die nodig zijn tijdens de uitvoering van het programma. Het kenmerkt zich door een hoge snelheid.
• EEPROM. Langzamer geheugen, waarin u ook gegevens kunt opslaan.

Het belangrijkste verschil tussen de soorten geheugen voor gegevensopslag is dat wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, de informatie die in SRAM is opgeslagen verloren gaat, terwijl deze in EEPROM behouden blijft. Het niet-vluchtige type heeft echter ook een nadeel: een beperkt aantal schrijfcycli. Dit moet u onthouden bij het maken van eigen toepassingen.

In tegenstelling tot het gebruik van Arduino in de robotica, is voor de meeste taken van een “slim huis” niet veel geheugen nodig, noch voor programma's, noch voor het opslaan van informatie.

Soorten borden voor het bouwen van een slimme woning

Laten we de belangrijkste soorten printplaten bekijken die het vaakst worden gebruikt bij het bouwen van een slim huissysteem.

Type #1 — Arduino Uno en zijn afgeleiden

Het meest gebruikt in “slim huis”-systemen worden de Arduino Uno en Arduino Nano printplaten. Zij beschikken over voldoende functionaliteit voor het oplossen van typische taken.

De mogelijkheid om de volledige printplaten te voeden met een spanning van 7-12 Volt biedt vele voordelen. Allereerst is dat de mogelijkheid van langdurige autonome werking met standaard batterijen of accu's.

Belangrijkste parameters van Arduino Uno Rev3:

• processor: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• aantal digitale poorten: 14;
• waarvan met PWM-functie: 6;
• aantal analoge poorten: 6;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Niet zo lang geleden is er een modificatie uitgekomen – de Uno Wi-Fi, die een geïntegreerde ESP8266-module bevat, waarmee informatie kan worden uitgewisseld met andere apparaten volgens de standaard 802.11 b/g/n.

Het verschil tussen de Arduino Nano en zijn grotere tegenhanger is het ontbreken van een eigen 12V-voedingsaansluiting. Dit is gedaan om een kleinere afmeting van het apparaat te bereiken, waardoor het gemakkelijk in een kleine ruimte kan worden verborgen. Ook is voor dit doel de standaard USB-aansluiting vervangen door een chip met een mini-USB-kabel. De Arduino Nano heeft in vergelijking met de Uno 2 analoge poorten meer.

Er is nog een modificatie van de Uno-printplaat – de Arduino Mini. Deze is nog kleiner dan de Nano en ermee werken is veel lastiger. Ten eerste zorgt het ontbreken van een USB-poort voor een probleem met het flashen, omdat u hiervoor een USB-Serial Converter moet gebruiken. Ten tweede is deze printplaat kieskeuriger qua voeding – het is noodzakelijk om een ingangsspanningsbereik van 7-9 V te garanderen.

Om de bovengenoemde redenen wordt het Arduino Mini-bord zelden gebruikt voor “slimme huis”-toepassingen. Meestal wordt het gebruikt in robotica of voor de implementatie van reeds bestaande projecten.

Type #2 — Arduino Leonardo en Micro

Het Arduino Leonardo-bord lijkt op de Uno, maar is iets krachtiger. Een interessante eigenschap van dit model is dat het bij aansluiting op een computer wordt gedetecteerd als toetsenbord, muis of joystick. Daarom wordt het vaak gebruikt voor het maken van originele game-apparaten en simulatoren.

Tabel met afmetingen en maten van de modellen Uno, Leonardo en hun miniatuur tegenhangers. De ontwikkelaars hebben de logica in de namen niet gevolgd – “nano” zou de kleinste moeten zijn.

De belangrijkste specificaties van de Arduino Leonardo zijn:

• processor: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• aantal digitale poorten: 20;
• waarvan met PWM-functie: 7;
• aantal analoge poorten: 12;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Zoals uit de bovenstaande lijst met parameters blijkt, heeft de Leonardo meer poorten, waardoor dit model met een groter aantal sensoren kan worden belast.

Ook bestaat er voor de Leonardo een qua specificaties volledig identieke miniatuurversie genaamd Micro. Deze heeft geen 12V-voeding en in plaats van een volwaardige USB-ingang is er een chip voor een mini-USB-kabel.

De Leonardo-variant genaamd Esplora is een puur gamemodel en is niet geschikt voor “slimme huis”-doeleinden.

Type #3 — Arduino 101, Arduino Zero en Arduino MKR1000

Soms is voor de werking van op Arduino gebaseerde “slimme huis”-systemen een grotere rekenkracht nodig, die 8-bit microcontrollers niet kunnen leveren. Taken zoals spraak- of beeldherkenning vereisen een snelle processor en een aanzienlijke hoeveelheid werkgeheugen voor dergelijke apparaten.

Voor het oplossen van dergelijke specifieke taken worden krachtige borden gebruikt die volgens het Arduino-concept werken. Het aantal poorten is ongeveer hetzelfde als bij de Uno- of Leonardo-borden.

De Arduino 101 heeft dezelfde afmetingen als de Uno of Leonardo, maar weegt bijna twee keer zoveel. De reden hiervoor is de aanwezigheid van twee USB-ingangen en extra chips.

Een van de eenvoudigst te gebruiken maar krachtige borden – de Arduino 101 heeft de volgende specificaties:

• processor: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
• flash memory: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: geen.

Daarnaast is het bord uitgerust met BLE-functionaliteit (Bluetooth Low Energy) met de mogelijkheid om eenvoudig kant-en-klare oplossingen aan te sluiten, zoals een hartslagsensor, het verkrijgen van informatie over het weer buiten, het verzenden van sms-berichten, enz. Ook zijn er een gyroscoop en accelerometer in het apparaat geïntegreerd, maar deze worden voornamelijk in de robotica gebruikt.

Nog een vergelijkbaar bord – de Arduino Zero heeft de volgende specificaties:

• processor: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• flash memory: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: geen.

Een onderscheidend kenmerk van dit model is de aanwezigheid van een ingebouwde debugger (EDBG). Hiermee is het veel eenvoudiger om fouten op te sporen bij het programmeren van het bord.

Bij het schrijven van omvangrijke code kunnen zelfs bij een hooggekwalificeerde programmeur fouten optreden. Om deze op te sporen gebruikt men een debugger.

Arduino MKR1000 is nog een model dat geschikt is voor krachtige berekeningen. Het heeft een microprocessor en geheugen vergelijkbaar met de Zero. Het belangrijkste verschil is de aanwezigheid van een geïntegreerde Wi-Fi-chip met het 802.11 b/g/n-protocol en een crypto-chip met ondersteuning voor het SHA-256-algoritme ter bescherming van de verzonden gegevens.

Type #4 — modellen van de Mega-familie

Soms is het nodig om een groot aantal sensoren te gebruiken en een aanzienlijk aantal apparaten aan te sturen. Bijvoorbeeld voor de automatische werking van gedistribueerde airconditioningsystemen die een bepaalde temperatuur voor afzonderlijke zones handhaven.

Voor elke lokale zone is het noodzakelijk om de meetwaarden van twee temperatuursensoren te volgen (de tweede wordt gebruikt als controle) en overeenkomstig het algoritme de stand van de klep aan te passen die de hoeveelheid warme luchttoevoer bepaalt.

Als er in de woning meer dan 10 van dergelijke zones zijn, zijn er meer dan 30 poorten nodig om het hele systeem aan te sturen. Natuurlijk kunt u meerdere borden van het type Uno gebruiken die worden aangestuurd door een van hen, maar dat zorgt voor extra complexiteit in de bedrading. In dat geval is het raadzaam om modellen uit de Mega-familie te gebruiken.

De afmetingen van de borden van de Mega-familie (101,5 x 53,4 cm) zijn groter dan die van de eerder besproken modellen. Dit is een technische noodzaak – anders zou een dergelijk aantal poorten niet geplaatst kunnen worden.

Het Arduino Mega-bord is gebaseerd op een tamelijk eenvoudige 8-bit 16-megahertz-microprocessor aTMega1280.

Het heeft een grote geheugencapaciteit:

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

Maar het belangrijkste voordeel is de aanwezigheid van vele poorten:

• aantal digitale poorten: 54;
• waarvan met PWM-functie: 15;
• aantal analoge poorten: 16.

Van dit bord bestaan twee moderne varianten:

• Mega 2560 is gebaseerd op de microprocessor aTMega2560, die zich onderscheidt door een grote flash-geheugencapaciteit van 256 KB;
• Mega ADK is naast de microprocessor aTMega2560 uitgerust met een USB-interface waarmee apparaten op basis van het besturingssysteem Android kunnen worden aangesloten.

Het model Arduino Mega ADK heeft een bijzonderheid. Bij het aansluiten van een telefoon op de USB-ingang kan de volgende situatie optreden: als de telefoon moet worden opgeladen, dan zal hij de stroom “trekken” uit het bord. Daarom is er een extra eis aan de stroombron – deze moet een stroomsterkte van 1,5 ampère leveren. Bij het voeden via batterijen moet met deze voorwaarde rekening worden gehouden.

U kunt een autonome voeding voor Arduino maken met behulp van aangesloten accu's of batterijen. Door serie- en parallelschakeling te combineren, kunt u de gewenste spanning en een lange gebruiksduur bereiken.

Due – nog een model van Arduino, dat de kracht van een microprocessor en een groot aantal poorten combineert.

De kenmerken zijn als volgt:

• processor: Atmel SAM3X8E (32 bit, 84 MHz);
• aantal digitale poorten: 54;
• waarvan met PWM-functie: 12;
• aantal analoge poorten: 14;
• flashgeheugen: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: geen.

De analoge pinnen van dit bord kunnen werken in de voor Arduino gebruikelijke 10-bit resolutie, wat is gedaan voor compatibiliteit met eerdere modellen, maar ook in 12-bit resolutie, waarmee een nauwkeuriger signaal kan worden verkregen.

Kenmerken van de interactie van modules via poorten

Alle modules die op het bord worden aangesloten, hebben minstens dri uitgangen. Twee daarvan zijn voedingsdraden, namelijk de “aarde” en de spanning van 5 of 3,3 V. De derde draad is logisch. Hierraver gaat de datatransmissie naar de poort. Voor het aansluten van modules worden speciale draden gebruikt die in groepjes van dri zijn samengevoegd, ook wel jumpers genomed.

Omdat Arduino-modellen meestal slechts 1 poort met spanning en 1-2 poorten met “aarde” hebben, moet u om meerdere apparaten aan te sluiten ofwel de draden solderen, ofwel breadboards gebruiken.

Op een breadboard kunnen niet allen de voeding en poorten van het Arduino-bord worden aangesloten, maar ook andere componenten, zoals bijvoorbeed weerstanden, registrs, enz.

Solderen is betrouwbaarder en wordt toegepast in apparaten die blootstaan aan fysieke belasting, zoals besturingsborden voor robots en quadcopters. Voor een slim huis kunt u beter breadboards gebruiken, omdat dit eenvoudiger is bij zowel installatie als verwijdering van een module.

Bij sommige modellen (bijvoorbeed Arduino Zero en MKR1000) bedraagt de werkingsspanning 3,3 V. Als er een hogere spanning op de poorten wordt gezet, kan het bord beschadigd raken. Alle informatie over de voedding is beschikbaar in de technische documentatie van het apparraat.

Uitbreidingsborden (shields)

Om de mogelijkheden van moederborden uit te breden, worden shields gebruit – extra apparaten die de functionaliteit vergroten. Ze worden gemakt voor een specifieke vormfactor, wat hen onderscheidt van modules die op poorten worden aangesloten. Shields zijn duurder dan modules, maar het werken ermee is eenvoudiger. Ze worden ook geleverd met kanten-klare codebibliotheken, wat de ontwikkeling van eigen besturingsprogramma's voor een “slim huis” versnelt.

Shields Proto en Sensor

Deze twee standaard shields voegen geen bijzondere functies toe. Ze worden gebruikt voor een compactere en handigere aansluiting van een groot aantal modules.

Proto Shield is vrijwel een exacte kopie van het origineel wat betreft de poorten, en in het midden van de module kan men een breadboard bevestigen. Dit vergemakkelijkt de montage. Dergelijke uitbreidingen bestaan voor alle full-size Arduino-borden.

Het Proto Shield wordt bovenop het moederbord geplaatst. Dit verhoogt de hoogte van de constructie enigszins, maar bespaart veel ruimte in het horizontale vlak.

Maar als er zeer veel apparaten zijn (meer dan 10), kunt u beter de duurdere Sensor Shield-schakelborden gebruiken.

Ze hebben geen breadboard, maar aan alle pinnen van de poorten zijn individueel stroom en aarde aangesloten. Dit voorkomt dat men in de war raakt met draden en jumpers.

Het oppervlak van het moederbord en het sensorboard is hetzelfde, maar op het shield ontbreken chips, condensatoren en andere componenten. Daardoor komt er veel ruimte vrij voor volwaardige aansluitingen.

Ook op dit bord zitten aansluitingen voor eenvoudige aansluiting van verschillende modules: Bluetooth, SD-kaart, RS232 (COM-poort), radio en ultrasoon.

Aansluiten van ondersteunende functionaliteit

Shields met geïntegreerde functies zijn ontworpen voor het oplossen van complexe, maar standaard taken. Als u originele ideeën wilt realiseren, kunt u beter een geschikte module kiezen.

Motor Shield. Het is bedoeld voor het regelen van de snelheid en rotatie van laagvermogen motoren. Het originele model is uitgerust met één L298-chip en kan tegelijkertijd werken met twee gelijkstroommotoren of met één servomotor. Er is ook een compatibel onderdeel van een externe fabrikant, met twee L293D-chips die de mogelijkheid bieden om twee keer zoveel aandrijvingen te besturen.

Relay Shield. Een veelgebruikte module in “slimme huis”-systemen. Een bord met vier elektromechanische relais, die elk een stroomsterkte tot 5 A aankunnen. Dit is voldoende voor het automatisch in- en uitschakelen van kilowatt-apparaten of verlichtingslijnen die zijn ontworpen voor wisselstroom 220 V.

LCD Shield. Hiermee kunt u informatie weergeven op het ingebouwde scherm, dat kan worden upgegraded naar een TFT-apparaat. Deze uitbreiding wordt vaak gebruikt voor het maken van weerstations met temperatuurmetingen in verschillende woonruimtes, bijgebouwen, de garage, evenals de temperatuur, luchtvochtigheid en windsnelheid buiten.

In het LCD Shield zijn knoppen ingebouwd waarmee u het doorbladeren van informatie en het selecteren van acties kunt programmeren om opdrachten naar de microprocessor te sturen.

Data Logging Shield. De belangrijkste taak van de module is het opslaan van gegevens van sensoren op een volformaat SD-kaart met een capaciteit tot 32 GB met ondersteuning voor het FAT32-bestandssysteem. Voor het opslaan op een micro-SD-kaart moet u een adapter aanschaffen. Dit shield kan worden gebruikt als informatieopslag, bijvoorbeeld bij het opslaan van gegevens van een videorecorder. Vervaardigd door het Amerikaanse bedrijf Adafruit Industries.

SD-card Shield. Een eenvoudigere en goedkopere versie van de vorige module. Dergelijke uitbreidingen worden door veel fabrikanten geproduceerd.

EtherNet Shield. De officiële module om Arduino met internet te verbinden zonder tussenkomst van een computer. Er is een slot voor een micro-SD-kaart, waarmee u gegevens kunt opslaan en verzenden via het wereldwijde netwerk.

Wi-Fi Shield. Maakt draadloze gegevensuitwisseling mogelijk met ondersteuning voor encryptiemodus. Dient voor verbinding met internet en apparaten die via Wi-Fi kunnen worden bediend.

GPRS Shield. Deze module wordt doorgaans gebruikt voor de communicatie van het “slimme huis” met de eigenaar via mobiele telefoon via SMS-berichten.

Modules van de “slimme woning”

Het aansluiten van modules van externe fabrikanten en de mogelijkheid om ermee te werken met behulp van de ingebouwde programmeertaal – het belangrijkste voordeel van het open Arduino-systeem ten opzichte van “merkgebonden” oplossingen voor het “slimme huis”. Het belangrijkste is dat de modules een beschrijving hebben van de ontvangen of verzonden signalen.

Manieren om informatie te verkrijgen

Informatie kan worden ingevoerd via digitale of analoge poorten. Dit hangt af van het type knop of sensor dat de informatie ontvangt en naar het bord verzendt.

Voor een computerprogramma komt een digitaal signaal overeen met perioden met “0” en “1”, terwijl een analoog signaal een bereik van waarden definieert in overeenstemming met zijn resolutie.

Een signaal naar de microprocessor kan worden gestuurd door een persoon die hiervoor twee methoden gebruikt:

• Indrukken van een knop (toets). De logische draad gaat in dit geval naar de digitale poort, die de waarde “0” krijgt bij losgelaten knop en “1” bij ingedrukte knop.
• Draaien van de knop van een draaipotentiometer (weerstand) of het verschuiven van een schuifhendel. In dit geval gaat de logische draad naar de analoge poort. De spanning gaat door een analoog-digitaal omzetter, waarna de gegevens naar de microprocessor gaan.

Knoppen worden gebruikt om een gebeurtenis te starten, bijvoorbeeld het in- en uitschakelen van verlichting, verwarming of ventilatie. Draaiknoppen worden gebruikt om de intensiteit te wijzigen – het verhogen of verlagen van de helderheid van het licht, het volume van het geluid of de rotatiesnelheid van de ventilatorbladen.

Een potentiometer is een eenvoudig apparaat en daarom erg goedkoop. De belangrijkste kenmerken zijn de elektrische weerstand en de draaihoek.

Voor de automatische bepaling van omgevingsparameters of de oorsprong van een gebeurtenis worden sensoren gebruikt.

Voor de werking van een “slim huis” zijn de volgende varianten het meest gevraagd:

• Geluidssensor. Digitale versies van dit apparaat worden gebruikt om een gebeurtenis te activeren door middel van een klap of stemcommando. Analoge modellen maken het mogelijk geluid te herkennen en te verwerken.
• Lichtsensor. Deze apparaten kunnen werken in zowel het zichtbare als het infrarode bereik. De laatste kunnen worden gebruikt als een brandmeldingssysteem.
• Temperatuursensor. Voor binnen en buiten worden verschillende modellen gebruikt, omdat buitenmodellen beter beschermd zijn tegen vocht. Er zijn ook externe apparaten met een draad.
• Luchtvochtigheidssensor. Voor binnen is het model DHT11 geschikt, voor buiten de duurdere DHT22. Beide apparaten kunnen ook een temperatuurmeting geven. Ze worden aangesloten op een digitale poort.
• Luchtdruksensor. Voor samenwerking met Arduino-borden hebben analoge barometers van het merk Bosh: bmp180, bmp280 goed gepresteerd. Ze meten ook de temperatuur. Het model bme280 kan een weerstation worden genoemd, omdat het bovendien ook de vochtigheidswaarde weergeeft.
• Bewegings- en aanwezigheidssensoren. Ze worden gebruikt voor beveiligingsdoeleinden of voor het automatisch inschakelen van verlichting.
• Regensensor. Hij reageert op water dat op zijn oppervlak valt. Hij kan ook worden gebruikt om een alarm te activeren bij lekkages in de waterleiding of het verwarmingscircuit.
• Stroomsensor. Ze worden gebruikt om niet-werkende elektrische apparaten (doorgebrande lampen) te detecteren of om spanning te analyseren om overbelasting te voorkomen.
• Gasleksensor. Wordt gebruikt voor detectie en reactie op een verhoogde concentratie propaan.
• Kooldioxidesensor. Hij wordt gebruikt om de concentratie van kooldioxide in woonkamers en in speciale ruimtes, zoals wijnkelders waar gisting plaatsvindt, te bepalen.

Er bestaan nog veel meer verschillende sensoren voor specifieke taken, zoals voor het meten van gewicht, watersnelheid, afstand, bodemvochtigheid, enz.

Sommige sensoren, zoals een anemometer die is ontworpen voor het meten van windsnelheid en -richting, zijn complexe elektromechanische apparaten

Veel sensoren kunnen zelf worden gemaakt met eenvoudigere componenten. Dit is goedkoper. Maar in tegenstelling tot het gebruik van serieapparaten, kost het tijd om ze te kalibreren.

Bediening van apparaten en systemen

Naast het verzamelen en analyseren van informatie moet het “slimme huis” reageren op gebeurtenissen. De aanwezigheid van geavanceerde elektronica in moderne huishoudelijke apparaten maakt het mogelijk om er rechtstreeks mee te communiceren via Wi-Fi, GPRS of EtherNet. Meestal gebruiken Arduino-systemen Wi-Fi voor de communicatie tussen de microprocessor en hightech apparaten.

Om met Arduino de airconditioning aan te zetten bij hoge temperatuur in huis, de televisie en internet 's nachts in de kinderkamer te blokkeren, of de boiler voor verwarming in te schakelen voordat de bewoners thuiskomen, moeten drie stappen worden uitgevoerd:

1. Plaats de Wi-Fi-module op het moederbord.
2. Zoek ongebruikte frequentiekanalen om conflicten tussen systemen te voorkomen.
3. Begrijp de commando's van de apparaten en programmeer de acties (of gebruik kant-en-klare bibliotheken).

Naast “communicatie” met gecomputeriseerde apparaten ontstaan vaak taken die verband houden met mechanische handelingen. Zo kunt u een servomotor of een kleine reductiekast op het bord aansluiten die hierdoor wordt gevoed.

Een servomotor bestaat uit een kleine motor en meerdere reductievoorzieningen. Daarom kan hij, ondanks de lage stroom (5 V), een behoorlijk vermogen leveren dat bijvoorbeeld voldoende is om een raampje te openen.

Indien het nodig is om krachtige apparaten aan te sluiten die op een externe stroombron werken, worden twee opties gebruikt:

1. Het opnemen van een relais in het circuit.
2. Het aansluiten van een power-MOSFET en een triac.

Het relais dat in het elektrische circuit wordt opgenomen, ofwel elektromagnetisch of halfgeleiderrelais, maakt en verbreekt een van de draden op commando van de microprocessor. Hun belangrijkste kenmerk is de maximaal toegestane stroomsterkte (bijv. 40 A) die door dit apparaat kan gaan.

Wat betreft het aansluiten van een power-MOSFET voor gelijkstroom en een triac voor wisselstroom: deze hebben een lagere toegestane stroomsterkte (5-15 A), maar kunnen de belasting geleidelijk verhogen. Daarom zijn er PWM-poorten op de borden voorzien. Deze eigenschap wordt gebruikt bij het regelen van de verlichtingssterkte, de ventilatorsnelheid, enz.

Met relais en power-switches kunnen alle elektrische circuits in huis volledig worden geautomatiseerd en kan de generator worden gestart bij stroomuitval. Daarom is het op basis van Arduino mogelijk om een autonome voorziening van een appartement of gebouw te realiseren, inclusief alle essentiële functies – verwarming, watervoorziening, waterafvoer, ventilatie en beveiligingssysteem.

Wilt u dat uw huis slimmer wordt, maar bent u niet vertrouwd met programmeren? In dat geval raden we u aan om naar kant-en-klare oplossingen van Xiaomi en Apple te kijken, die zelfs een beginner eenvoudig kan installeren en configureren. En u kunt opdrachten geven en de uitvoering ervan controleren, zelfs vanaf uw smartphone.

Meer informatie over het slimme huis van Xiaomi en Apple in de volgende artikelen:

• Slimme huis Xiaomi: ontwerpkenmerken, overzicht van de belangrijkste onderdelen en functionele elementen
• Apple Smart Home: de fijne kneepjes van het organiseren van domoticasystemen van het 'appel'bedrijf

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Voorbeeld van een zelf samengestelde startset voor beginners voor het “slimme huis”:

De openheid van het Arduino-platform maakt het mogelijk componenten van verschillende fabrikanten te gebruiken. Dit maakt het gemakkelijk om een “slim huis” te ontwerpen volgens de wensen van de gebruiker. Daarom, als u ten minste enige kennis heeft op het gebied van programmeren en het aansluiten van elektronische apparaten, dan is dit systeem de moeite waard om te overwegen.

Bent u in de praktijk bekend met het Arduino-platform en wilt u uw ervaring delen met beginners op dit gebied? Of wilt u het bovenstaande materiaal aanvullen met nuttige aanbevelingen of opmerkingen? Schrijf uw reacties onder deze publicatie.

Als u vragen heeft over het ontwerp van een geautomatiseerd huissysteem op basis van Arduino, stel ze dan aan onze experts en andere bezoekers van de site in het onderstaande blok.