Программно-аппаратный комплекс на базе платформы Arduino для решения проблемы автоматизации освещения в системах "умного дома"

Размещено на http://allbest.ru

Уфимский государственный авиационный технический университет

УДК 004.35

Программно-аппаратный комплекс на базе платформы Arduino для решения проблемы автоматизации освещения в системах «умного дома»

Ганеев Р.Ш, Муллагильдин И. Р.,

Вахитов Ш.Р., Муталов А.А

Все большим спросом на рынке информационных технологий пользуются системы «умного дома». Нужно отметить при этом, что зачастую это понятие несколько искажается. В настоящей статье под системой «умный дом» подразумевается полная автоматизация в отдельной квартире или частном доме таких систем как освещение, водоснабжение, отопление, вентиляция, теплые полы, система сигнализации, в том числе системы оповещения об утечке воды, газа, звуковое оповещение происходящих событий, системы «будильника» и т.д.

Такие системы призваны не только подчеркнуть статус владельца и служить для его удобства, но и приводить к значительной экономии энергоресурсов. Так, экономия по некоторым статьям расходов может достигать 70% [1].

Неудивительно, что многие крупные фирмы, такие как Apple и Xiaomi заинтересованы в разработке систем «умного дома», последняя уже имеет ряд продуктов в соответствующей линейке. При этом, минусом таких систем остается дороговизна и закрытый программный код, делающим невозможным тонкую настройку под нужды каждого потребителя [4].

Таких отрицательных моментов могут быть лишены системы собранные на платформе Arduino. Учитывая, что архитектура Arduino является открытой и существует множество их аналогов более дешевых и практических таких же качественных и надежных как оригинал, стоимость разрабатываемых систем может оказаться значительно более скромной.

Главным достоинством и одновременно недостатком систем на базе Arduino является необходимость разработки программного кода, которой, однако, можно очень тонко настраивать для каждой ситуации. Несмотря на кажущуюся простоту автоматизации жилого, некоторые моменты могут доставить программисту немало хлопот. В настоящей статье рассмотрим проблему автоматизации освещения в помещении.

Задачей автоматического освещения, как и следует из его названия, является автоматическое включение/выключение света в ситуациях когда-то или иное необходимо. автоматизация датчик освещение arduino

Основной проблемой при этом является безошибочное определение этих самых ситуаций.

Первое, наиболее очевидное решение, видится в использовании пассивных инфракрасных датчиков (PIR). PIR-датчики часто используются в системах освещения подъездов и реагируют на движение теплового поля и имеют два режима работы - подача высокого сигнала при обнаружении движения в течении заданного времени независимо от наличия движения в этот период и подача высокого сигнала на протяжении всего времени движения. Как очевидно, для системы умного дома второй режим является наиболее предпочтительным, однако, при отсутствии движения подача сигнала прекращается и не подается какое-то время, даже если движение будет зафиксировано. Таким образом, спокойно сидящий человек таким датчиком не будет определяться как причина для включения.

Использование ультразвукового дальномера оправдано только в небольших помещениях типа туалета или ванной комнаты, так как имеют диапазон измерения расстояния до 4 метров. Для комнаты большего периметра необходимо расположение датчиков по всему периметру помещения и работа по принципу «один из». Проблемой при этом остается необходимости установки нескольких датчиков с использование протяженных проводов, ложное срабатывание на предметы, установленные перед датчиком [5].

Изучение многочисленных форумов посвященных данной проблеме показывает, что решение проблемы не является сиюминутным. Наиболее оптимальным способом называется подсчет входящих/выходящих людей, например, двумя, установленными последовательно, на некотором расстоянии датчиков приближения. При срабатывании датчиков в последовательности 1-2 количество людей в комнате прибавляется на один, при срабатывании 2-1 - наоборот. При условии количество людей в комнате >0 свет включается, при условии =0 - выключается.

Такая система, однако, не застрахована от ложных срабатываний. Например, человек, заходящий в комнату с широким размахом рук при ходьбе может быть засчитан как два человека, так же, при низкой установке датчиков ноги входящего будут засчитаны за двоих.

Изучение проблемы подтолкнуло авторов к разработке собственного программногоаппаратного комплекса для ее решения.

В аппаратную часть проекта входят платформа Arduino Uno, PIR-датчик, установленный в комнате, и ультразвуковой дальномер, установленный в дверной проем.

В программной части проекта реализован следующий алгоритм:

1. Считываются показания с PIR-датчика.

2. Если сигнал с PIR-датчика высокий (1) время, в течение которого будет гореть свет становится равное 10 минутам. Таким образом любое движение будет приводить к выставлению счетчика времени на 10 минут. При отсутствии движения в течении этого времени, например, в связи с засыпанием человека, свет будет выключен. Любое же движение в комнате включает свет.

3. Данные с ультразвукового дальномера проверяются только при ненулевом значении счетчика времени.

4. Условием отключения является только тот случай, когда ультразвуковой датчик зафиксировал объект в дверном проеме и значение с PIR-датчика через 5 секунд (необходимо для учета некоторой инертности PIR-датчика) является низким (0).

Данный алгоритм имеет следующие особенности:

1. Нет необходимости в подсчете людей в комнате.

2. Условием включения является только высокий сигнал на PIR-датчике, что означает, что при ложном отключении системы человеку в комнате достаточно взмаха руки для включения системы, в отличие от необходимости имитации вхождения при системе двух последовательных датчиков приближения [2].

3. Срабатывание ультразвукового дальномера при вхождении в комнату, в которой уже находится человек, не приводит к ложному выключению, так как входящий человек двигается по умолчанию [3].

4. При входе в пустую комнату задержки включения не происходит, так как ультразвуковой дальномер в таком случае не опрашивается.

Часть кода программы с комментариями, реализующей указанный алгоритм приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Часть кода программы, реализующий алгоритм

Испытания комплекса в лабораторных и реальных условиях показали точность срабатывания равную 99% на выключение и 100% на включение.

Функциональность комплекса была расширена также следующим:

1. Добавлен модуль реального времени (RTC) и возможность осуществления автоматического режима по времени, то есть включение различных устройств в зависимости от времени суток, что может быть удобно в туалетах и коридорах, так как позволяет в ночное время включать менее яркий источник света.

2. Модуль реального времени так же позволил написать код «будильника», когда определенный источник света включается в заданное время, с помощью транзисторов и светодиодной ленты может быть реализована имитация рассвета при срабатывании будильника.

3. С помощью светорезистора, реализован режим при котором включение света происходит только при снижении освещенности ниже некоторого порога.

4. При помощи Bluetooth-модуля реализована возможность задания порога освещенности, времени модуля RTC, времени срабатывания будильника, задания устройств, для которых будет происходить управление в автоматическом режиме, переключение режимов с использованием мобильных платформ или компьютера.

5. Выбор устройств и переключение режимов продублированы так же мембранной клавиатурой.

Список литературы

1. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. -- СПб.: БХВ-Петербург, 2014. -- 400 с.

2. Пироэлектрический инфракрасный (PIR) датчик движения и Arduino. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://arduino-diy.com/arduino-piroelektricheskiy-infrakrasnyy-PIRdatchik-dvizheniya (дата обращения 30.11.2016)

3. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 256 с.

4. Умный дом. Фирменный магазин продукции Xiaomi. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://ru-mi.com/device/umnyiy-dom/ (дата обращения 30.11.2016)

5. Arduino. Умные туалет и ванная. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://arduino.ru/forum/proekty/umnye-tualet-i-vannaya (дата обращения 30.11.2016)

Аннотация

УДК 004.35

Программно-аппаратный комплекс на базе платформы Arduino для решения проблемы автоматизации освещения в системах «умного дома». Ганеев Р.Ш, Муллагильдин И. Р., Вахитов Ш.Р., Муталов А.А. Уфимский государственный авиационный технический университет E-mail: ruslanofthering@rambler.ru

В статье рассматриваются различные способы автоматизации освещения в системах «умный дом», приведены их достоинства и недостатки. Так же предложено оригинальное авторское решение данной проблемы с использованием платформы Arduino. Описана аппаратная часть проекта. Приведен алгоритм программной части, его особенности. Показано, каким образом разработанный комплекс позволяет устранить все недостатки рассмотренных систем. Показан дальнейший путь развития комплекса для решения различных вопросов автоматизации освещения, такие как включение различных устройств по времени, в зависимости от освещенности, реализация светового «будильника», управление дистанционно с помощью мобильных платформ или компьютера.

Ключевые слова: «умный дом», Arduino, PIR-датчик, ультразвуковой дальномер, освещение, автоматизация.

Annotation

Arduino based hardware-software complex for solving problems of lighting automatisation in smart home systems. Ganeev R. Sh., Mullagildin I.R., Vahitov Sh. R., Mutalov A.A.

Different solutions for lighting automation in smart home systems, their advantages and disadvantages is considered in the article. Also the original author's solution to this problem by use of Arduino platform is invited. The hardware part of the project, the algoritm of the program and its features is described. It is show how the development system allows to eliminate all the disadvantages of discussed systems. The way to address the complex to solution different issues of lighting automatisation, such as the inclusion of a variety devices by the time, depending of light conditions, realization of the lighting-alarm, control system via mobile or computer platform.

Keywords: smart home, Arduino, PIR sensor, ultrasonic sensor, lighting, automatisation.

Размещено на Allbest.ru