Задача

Комплексное обеспечение работы дома и прилегающего аква-комплекса, состоящего из ручья, водопада, пруда и дренажной системы. Поддержание заданной температуры в помещениях, управление работой тёплых полов, освещения, контроль протечек воды, включение и выключение искусственных ручья и водопада, управление дренажной системой, экономия потребления электроэнергии, оповещение по SMS о тревожных ситуациях и т. д.

Оборудование

В качестве основного контроллера используется Arduino Mega 2560. Этот контроллер имеет большое количество выводов для подключения датчиков и периферии и отлично подходит для реализации подобных проектов. В дальнейшем его можно заменить на аналогичный контроллер AMS Home, выполненный в промышленном дизайне и устанавливаемый на DIN рейку.

Кроме основного контроллера в проекте используются:

• Плата сетевого интерфейса Ethernet Shield
• 5 контроллеров Arduino Pro Mini
• 6 беспроводных модулей nRF24L01
• 8 цифровых температурных датчиков DS18B20
• Датчик протечки
• Датчик уровня воды
• 23 реле для коммутации нагрузок 220 В
• 8 электронных тиристорных ключей

Топология подсети «Баня»

Ниже представлена топология подсети «Баня». Эта подсеть, в свою очередь, входит в общую сеть «Умная дача», каждый управляющий контроллер которой («Дом», «Котельная», «Зимний сад» и т. д.) тоже имеет свои подсети, подобные этой.

Режимы присутствия

Система может находиться в одном из двух режимов: «присутствие» или «отсутствие» людей в доме. От этого режима зависит логика работы многих подсистем управления домом, например отопления. Во время отсутствия людей в доме автоматика самостоятельно снижает температуру в помещениях, тем самым сокращая потребление энергии и снижая затраты на оплату счетов.

Режимы устанавливаются вручную нажатием кнопки в веб-интерфейсе. Предусмотрено также отложенное изменение режима присутствия с задержкой: «30 мин», «1 час», «2 часа», «3 часа», «4,5 часа», «6 часов», «7,5 часов», «9 часов», «13,5 часов», «18 часов».

Если активирована смена режима, то на веб-странице показывается время, оставшееся до его изменения.

Отопление помещений

В «Бане» есть несколько помещений: холл, комната на 1-м этаже, комната на 2-м этаже, хозблок, душ, хамам и гараж. Их отопление производится тёплыми полами, подача воды в которые осуществляется клапанами, управляемыми электромагнитными реле.

Информация о температуре помещений поступает от датчиков DS18B20, объединённых в 1-Wire сеть. Датчики подключены по схеме с т. н. паразитным питанием и не требуют подачи отдельного напряжения питания. Подключение по такой схеме очень простое и использует всего два провода.

Установки температуры в помещениях

Для каждого помещения задаются целевые значения температуры для каждого режима присутствия/отсутствия людей. После нажатия кнопки «Сохранить» установки записываются в энергонезависимую память и сохраняются при последующем выключении и включении контроллера.

Алгоритм ночной корректировки температуры

Для максимальной экономии потребления энергии в систему автоматической регулировки температуры введён алгоритм ночной корректировки температуры. Это сложный адаптивный механизм, который в своей работе учитывает различные параметры, такие, как целевая температура, текущая температура на улице, время дешёвого ночного тарифа на электроэнергию и т. д.

В веб-интерфейсе доступна установка «коэффициента мощности» алгоритма, т. е. степени его влияния на результирующую температуру. Коэффициент изменяется от 0 до 10. Это позволяет на практике подобрать наиболее подходящий режим экономии энергии для конкретного здания и конкретных условий окружающей среды.

Контроль температуры

На веб-странице управления обогревом можно в реальном времени видеть текущую и целевую температуру во всех помещениях и ночную температуру, установленную алгоритмом корректировки.

В данном случае алгоритм решил немного подогреть помещения ночью, во время действия более дешёвого ночного тарифа.

Температуры в графах «Цель» и «Ночь» автоматически подставляются (и учитываются в работе) в соответствии с установками для текущего режима присутствия или отсутствия людей в доме.

Лимиты отклонений температуры

Для каждого из помещений можно задать лимиты предельно допустимых отклонений температуры от заданной. В случае выхода температуры за установленные ограничения система автоматически посылает тревожные SMS на телефон владельца дачи (или на телефоны обслуживающего персонала). Передача сообщений идёт через AMS SMS-сервер, находящийся в локальной сети «Умной дачи».

На скриншоте видно, что только температура в гараже находится в допустимом диапазоне, остальные значения сильно выходят за рамки установленных ограничений. По каждому инциденту владелец дачи получил SMS уведомление на мобильный телефон.

Вентиляция душа

Интерфейс управления вентиляцией душа позволяет включать и выключать её с веб-страницы сразу, по нажатию соответствующей кнопки или с регулируемой задержкой от 5-и до 30-и минут. Текущее состояние вентиляции обозначается цветом: синий — вентиляция работает, серый — вентиляция выключена.

Вентиляция хамам

Вентиляция хамам устроена аналогичным образом, за исключением того, что она имеет два режима — нормальный и турбо. Назначение режимов понятно из их названия, задержка включения также от 5-и до 30-и минут.

Беспроводные технологии

В данном проекте совмещено управление зданием «Бани» и прилегающим к нему аква-комплексом под условным названием «Пруд». Поскольку пруд находится на некотором удалении от «Бани», то не совсем удобно тянуть к нему провода локальной сети, датчиков и актуаторов системы. Поэтому для управления оборудованием пруда используются беспроводные AMS nRF24 контроллеры, датчики и актуаторы.

Всего используется 4 беспроводных реле света и один универсальный AMS nRF24 контроллер. Пользователь работает только с интерфейсом главного контроллера «Бани», вторая часть распределённой системы, находящаяся на удалении, для него полностью прозрачна и все её функции как бы находятся внутри главного контроллера.

Беспроводные реле света

В качестве беспроводных реле освещения используются контроллеры Arduino Pro Mini с модулями nRF24L01 и электронными тиристорными ключами для коммутации напряжения 220 вольт и включения и выключения ламп освещения.

Реле используют собственный AMS nRF24 беспроводной стек, собственный протокол обмена и собственное программное обеспечение самого беспроводного реле.

Беспроводной AMS nRF24 контроллер

Беспроводной AMS nRF24 контроллер также построен на основе Arduino Pro Mini и использует похожие аппаратные и программные решения. Различие от беспроводного реле света состоит в том, что к данному контроллеру подключено больше датчиков и актуаторов и, соответственно, используется более сложное программное обеспечение и более сложный беспроводной протокол обмена.

В данном конкретном случае к беспроводному AMS nRF24 контроллеру подключён 1 датчик уровня воды и 10 реле управления различными нагрузками 220 В. Для пользователя системы всё это оборудование представляется подключённым к контроллеру «Баня» и ничем не отличается от оборудования подключённого к этому контроллеру по проводам.

Аква-комплекс «Пруд»

В аква-комплекс «Пруд» входят ручей, водопад, собственно пруд и дренажная система. Для управления всем этим хозяйством в интерфейсе системы добавлена отдельная веб-страница. Для каждой подсистемы выделена отдельная открывающаяся и закрывающаяся плашка. Рассмотрим подробнее плашку «Ручей».

Доступно как мгновенное, так и отложенное включение и отключение работы ручья (реле заслонки воды). Интервалы задержки составляют: «3 мин», «30 мин», «1 час», «2 часа», «3 часа», «4,5 часа», «6 часов», «7,5 часов», «9 часов», «13,5 часов», «18 часов».

Тут же доступна кнопка ручного включения и выключения ультрафиолетовой лампы бактерицидной обработки воды (для предотвращения цветения).

Следующая плашка «Водопад». Аналогичный предыдущему интерфейс управления и логика работы. Команды отдаются системой и выполняются удалённым контроллером, связанным с основным по беспроводному nRF24 каналу.

И последняя плашка управления оборудованием аква-комплекса — «Дренажный насос». Та же логика работы, только отсутствует кнопка ультрафиолетовой обработки воды и интервалы задержки составляют: «5 мин», «10 мин», «15 мин», «20 мин» и «30 мин».

Защита от промерзания

При отрицательных температурах на улице возможно промерзание коммуникационных труб с последующей их деформацией и разрушением. Для защиты от подобных ситуаций в систему добавлено реле, включающее подогрев проблемных участков инфраструктуры в зимний период.

Система автоматически контролирует температуру на улице, в здании и тенденцию изменения температуры и на основе этих данных принимает решение о подогреве коммуникаций.

Управление освещением

Как уже отмечалось, часть реле освещения подключены к системе напрямую при помощи проводных соединений, часть — при помощи беспроводных nRF24 реле, а часть при помощи беспроводного AMS nRF24 контроллера. Для пользователя системы все эти подключения абсолютно прозрачны, он видит только кнопки в интерфейсе которые совершенно одинаково работают. Физическая реализация управления источниками света полностью скрыта от пользователя.

Кнопки управляют отдельными источниками света, есть также общая кнопка которая включает и выключает все источники сразу.

В системе также работает алгоритм определения времени восхода и захода солнца и она автоматически гасит свет при восходе солнца и включает его при заходе, причём сохраняет информацию о том какие источники были включены при автоматическом гашении их при восходе солнца и также автоматически включает их при заходе.

Панель управления

В панели управления находится самая актуальная информация о состоянии системы и подключённого к ней оборудования. Вся индикация динамическая и изменяется в реальном времени.

В верхнем левом углу видна надпись «БАНЯ (ЩС-2)» это название контроллера (объекта управления) и номер щитовой в которой установлено оборудование. Также выводится информация о текущем времени, дате, температуре на улице, загрузке контроллера, величине свободной памяти, активности веб-интерфейса и т. д.

Время восхода и захода солнца

Механизм определения времени восхода и захода солнца работает аналогично описанному на странице проекта «Дом», по этой ссылке вы можете более подробно ознакомиться с ним.

SMS-сервер

Работа подсистемы отсылки SMS сообщений описана на странице проекта «Дом», по этой ссылке вы можете более подробно ознакомиться механизмом отсылки SMS сообщений.

Другие контроллеры сети

Работа ссылок на другие контроллеры сети подробно описана на странице проекта «Дом», по этой ссылке вы можете более подробнее узнать об этом.

Индикация температуры

В этом проекте к системе подключены 8 проводных датчиков температуры DS18B20, объединённых в 1-Wire сеть (см. схему подключений выше). 7 датчиков температуры помещений и один уличный датчик. Их показания в реальном времени выводятся в панель управления системы. На скриншоте запечатлён момент, когда датчики не подключены, поэтому все выводимые значения нулевые.

Реле управления тёплыми полами

В «Бане» находятся 7 помещений отопление которых осуществляется водяными полами. Для управления подачей воды используются клапаны и управляющие электромагнитные реле. В панель управления выводится информация о текущем состоянии каждого реле.

В данном случае все реле выключены потому, что система определила слишком низкую температуру в помещениях и, соответственно, дала команду на подачу горячей воды в систему тёплых полов.

Реле защиты от промерзания

При отрицательных температурах на улице возможно промерзание труб и коммуникаций. Для защиты от промерзания в систему добавлено реле, включающее подогрев проблемных участков инфраструктуры.

Индикация в панели управления состояния реле защиты от промерзания труб. В данный момент реле включено.

Реле вентиляции душевой

Индикация текущего состояния реле вентиляции душевой. В данный момент вентиляция душевой отключена.

Реле вентиляции хамам

В отличие от вентиляции душа, вентиляция хамам имеет два режима работы — «нормальный» и «турбо», которые включаются двумя разными реле. Поэтому в панель управления выводится информация о текущем состоянии каждого из реле. В данный момент вентиляция хамам выключена.

Датчик протечки воды

Информация о состоянии датчика протечки воды. В данном случае датчик сработал, цвет его изменился с зелёного на красный и система отослала на мобильный телефон владельца дачи тревожное SMS сообщение.

Датчик уровня воды

Это индикатор датчика уровня воды, подключённого к системе через беспроводное nRF24 соединение. Для пользователя его удалённое положение абсолютно прозрачно — в интерфейсе он выглядит также как и любой другой датчик.

Логика работы этого датчика противоположна логике работы датчика протечки — контролируется не избыток воды, а её недостаток: как только уровень воды понижается, датчик срабатывает и система автоматически наполняет водоём.

Реле наполнения водоёма

Это реле подключено по беспроводному nRF24 каналу и его работа также полностью прозрачна для пользователя. Датчик уровня воды определяет необходимость долива воды и система даёт команду этому реле на включение. В данном случае реле выключено.

Реле управления аква-комплексом

Управление аква-комплексом осуществляется по беспроводному каналу при помощи AMS nRF24 контроллера, описанного выше. Первые 3 индикатора «STM», «WFL» и «PUM» это, соответственно, реле управления «ручей», «водопад» и «дренажный насос».

Последние 2 индикатора «UVS», «UVW» это реле ультрафиолетовой бактерицидной обработки воды ручья и водопада. На данный момент все реле выключены.

Реле освещения

Информация о текущем состоянии источников света. Стоит отметить, что физически часть источников подключена к системе проводным способом, часть при помощи беспроводных AMS nRF24 реле, а часть при помощи AMS nRF24 универсального контроллера. От пользователя все эти подробности реализации скрыты — для него все источники освещения включаются и работают одинаково.

Дизайн

Особенности дизайна интерфейса системы описаны на странице проекта «Дом», также как и описываемый проект, входящего в более обширный проект «Умная дача».

Развитие проекта

Технологии AMS позволяют создавать любые проекты по автоматизации. В данном случае используются только проводные Ethernet и беспроводные nRF24 контроллеры, за бортом остались Wi-Fi контроллеры ESP8266 и ESP32, модули связи на большие расстояния Lora, интеграция со сторонним оборудованием типа nooLite, Sonoff и т. д. При возникновении потребностей по дальнейшей автоматизации «Бани», они будут с лёгкостью удовлетворены на основе технологий AMS и платформы AMS Pro.

Функции, реализованные в проекте

• Комплексное управление домом, баней и аква-комплексом
• Управление системой из веб-интерфейса
• Адаптивный дизайн для использования на планшетах и смартфонах
• Отсылка тревожных и информационных SMS сообщений
• Сохранение настроек в энергонезависимой памяти
• Развитые настройки задания температуры отопления
• Алгоритм управления отоплением, позволяющий экономить энергию
• Распределённая устойчивая системы без главного компьютера

Датчики и актуаторы

• Подключение 8-и температурных датчиков DS18B20 по сети 1-Wire
• Подключение датчика протечки воды
• Подключение датчика уровня воды
• Подключение 23-х проводных реле
• Подключение 8-и тиристорных ключей к nRF24 актуаторам

Режимы присутствия людей в доме

• Режимы «присутствие» и «отсутствие»
• Смена режима в веб-интерфейсе
• Возможность отложенной смены режима с регулируемой задержкой

Отопление

• Управление отоплением 7-и помещений дома
• Управление работой тёплых полов в 7-и помещениях
• Автоматическое поддержание заданной температуры
• Установка параметров отопления в веб-интерфейсе
• Регулировка температуры в зависимости от режима присутствия
• Задание матрицы целевых температур в веб-интерфейсе
• Адаптивный экономичный алгоритм обогрева помещений
• Контроль температуры в реальном времени на веб-странице
• Задание допустимых лимитов отклонения температуры
• Индикация текущих нарушений температурных лимитов
• Отсылка тревожных SMS при нарушении лимитов

nRF24 сеть

• Поддержка работы nRF24 сети
• Использование AMS nRF24 беспроводного стека и протокола
• Гарантия доставки беспроводных nRF24 пакетов
• Использование беспроводного AMS nRF24 контроллера
• Использование беспроводного AMS nRF24 реле света
• Удалённый контроль «здоровья» беспроводных контроллеров

Управление подачей воды

• Отслеживание протечек воды
• Отсылка команд по сети для перекрытия подачи воды
• SMS оповещение при аварийных ситуациях с протечками

Защита от промерзания

• Автоматическая защита от промерзания труб
• Задание периода включения и отключения защиты
• Возможность управления с регулируемой задержкой
• Индикация оставшегося до включения/выключения времени

Управление вентиляцией душа

• Управление вентиляцией душа из веб-интерфейса
• Отложенное включение и отключение вентиляции душа

Управление вентиляцией хамам

• Управление вентиляцией хамам из веб-интерфейса
• Отложенное включение и отключение вентиляции хамам

Управление освещением

• Включение и выключение освещения из веб-интерфейса
• Отслеживание времени восхода и захода солнца
• Автоматическое включение и выключение по времени суток

Управление аква-комплексом

• Управление аква-комплексом по беспроводному каналу
• Получение данных от беспроводных датчиков
• Дистанционное nRF24 управление оборудованием
• Управление аква-комплексом из веб-интерфейса

Управление освещением

• Управление освещением из веб-интерфейса
• Управление проводными источниками света
• Управление беспроводными AMS nRF24 реле света
• Управление светом через AMS nRF24 контроллер

Работа со временем

• Синхронизация времени с серверами в интернете
• Отслеживание временных интервалов
• Отслеживание времени суток
• Отслеживание времени восхода и захода солнца

SMS сообщения и команды

• Интеграция с AMS SMS-сервером
• Отсылка SMS сообщений на мобильный телефон
• Приём управляющих SMS через SMS-сервер

Сетевая работа

• Интеграция с другими контроллерами сети
• Приём управляющих команд от других контроллеров
• Отсылка управляющих команд другим контроллерам
• Ссылки в веб-интерфейсе на другие контроллеры

Индикация

• Индикация состояния всех объектов системы в реальном времени