Задача

Обеспечение основных функций «умного дома» для городской квартиры: управление работой отопления, управление двумя санузлами (обогрев полов, освещение, вентиляция, защита от протечек и т. д.), отопление «зимнего сада» на балконе, слежение за температурой и влажностью воздуха на улице, слежение за уровнем напряжения в электросети и потребляемой квартирой мощностью, контроль открытия и закрытия входной двери, посылка тревожных и информационных СМС на телефон владельца квартиры и т. д.

Проект

Здесь описывается начальный «базовый» вариант проекта, в дальнейшем в него могут быть добавлены и другие составляющие, такие, как специализированный охранный контроллер, контроллеры светодиодных лент, центральный сервер с голосовыми и прочими функциями верхнего уровня и т. п., благо AMS-архитектура очень гибкая и позволяет как угодно модифицировать и масштабировать базовое решение.

Оборудование

Оборудование, используемое в проекте, очень демократично как по цене так и по доступности — сердцем системы является всеми любимый контроллер Arduino Mega. Кроме него используются также популярные и недорогие контроллеры Arduino Pro Mini и прочие Ардуино-комплектующие, широко доступные как в российских, так и в китайских интернет-магазинах.

• Arduino Mega 2560
• Плата сетевого интерфейса Ethernet Shield
• 7 контроллеров Arduino Pro Mini
• 8 беспроводных модулей nRF24L01
• 6 цифровых температурных датчиков DS18B20
• 3 датчика влажности и температуры DHT22
• 2 датчика протечки
• 2 PIR датчика
• 16 реле для коммутации нагрузок
• и прочее оборудование

Топология сети «Умная квартира»

Сеть «Умной квартиры» использует тот же структурный подход для построения системы что и «Умная дача». Вся сеть делится на т. н. контроллеры объектов и инфраструктурные контроллеры. Первые предназначены для управления какими-либо объектами, вторые — для обеспечения инфраструктурных сервисов для других контроллеров сети.

СМС сервер

СМС сервер, входящий в состав «Умной квартиры», это пример инфраструктурного контроллера. Он обеспечивает сервис посылки (и приёма) СМС сообщений для всех контроллеров сети. Кроме СМС сервера в систему могут быть добавлены и другие инфраструктурные контроллеры, например, контроллер визуализации, контроллер оповещения и т. п.

Беспроводные технологии

На схеме сети «Умной квартиры» видно, что в системе широко используются беспроводные технологии, а именно, технология связи на частоте 2,4 ГГц при помощи популярных модулей nRF24L01. Таким образом с базовым контроллером AMS связаны беспроводные батарейные nRF24 датчики температуры и беспроводные nRF24 контроллеры управления санузлами и балконным оборудованием.

Собственный AMS nRF24 стек позволяет как угодно манипулировать беспроводными соединениями и создавать как батарейные, так и «стационарные» датчики и актуаторы, а так же контролировать качество связи и создавать надёжные соединения с обратной связью и гарантией доставки беспроводных пакетов.

Использование технологии nRF24 это не догма, вместо неё можно использовать любую другую беспроводную технологию, например, популярные сенсоры и актуаторы и марки nooLite.

Управление квартирой

Базовой сущностью в управлении квартирой является режим присутствия/отсутствия людей в доме. От этого режима зависит логика работы многих подсистем «Умной квартиры», например таких, как отопление комнат, работа освещения, охраны и т. д.

Режим присутствия можно сменить сразу или с любой задержкой от нескольких минут до нескольких часов. Тут же показывается время, оставшееся до смены режима (если выбрана смена режима с задержкой).

Управлять режимом присутствия, как и любыми другими функциями, можно как со стационарного компьютера или ноутбука, так и с любого планшета или смартфона (интерфейс системы адаптивный и сам подстраивается под разрешение экрана используемого устройства).

Отопление

В интерфейсе системы можно задать требуемые установки температур для всех помещений раздельно для режима присутствия и режима отсутствия людей в квартире, причём режим присутствия дополнительно разбит на два подрежима «низкий» (когда нужно «похолоднее») и «высокий» (когда нужно «потеплее»).

В веб-интерфейсе выбираются нужные параметры и после нажатия кнопки «Сохранить» система берёт на себя все дальнейшие заботы по поддержанию комфортной температуры в помещениях.

Точная регулировка отопления

Для достижения полного температурного комфорта система позволяет задать «высокий» или «низкий» уровень отопления для каждого помещения с разбивкой на четыре времени суток «утро», «день», «вечер» и «ночь».

Например, на представленном скриншоте для детских выбран режим «чуть теплее», а для остальных помещений «чуть прохладнее» для всех интервалов времени суток.

Сами интервалы времени суток задаются в разделе «Настройка интервалов» веб-интерфейса системы. Можно назначить любое время для условного наступления «утра», «дня» и т. д.

Состояние отопления

Текущая температура в помещениях автоматически контролируется и выводится в веб-интерфейс системы. Рядом с каждой температурой, для удобства, выводится текущая цель системы регулирования. Эта цель автоматически меняется в зависимости от режима присутствия или отсутствия людей в доме, времени суток и прочих условий.

В данном случае на скриншоте запечатлён тестовый запуск системы, в обычном режиме весь столбец температур заполнен актуальными значениями.

Контроль отклонений температуры

Система постоянно следит за текущей температурой в помещениях и, в случае выхода этой температуры за заранее установленные значения, посылает тревожные СМС на телефон хозяина квартиры.

Лимиты допустимых отклонений задаются не жёстко, а с некоторым допуском как вверх, так и вниз от заданного значения, причём величину этого допуска можно задать отдельно для каждого помещения. Это позволяет гибко контролировать температуры — где-то можно задать жёсткие (± 1 градус) ограничения на качество поддержания температуры, а где-то более мягкие, например, 5 градусов вверх от установленного значения и 3 градуса вниз.

Система контроля отклонений температуры действует не только для отапливаемых помещений, но и для любых датчиков температуры. Например, «Коридор» не имеет системы отопления, это только датчик температуры, но, тем не менее, для него также работает оповещение по СМС о выходе температуры в нём за заранее определённые рамки.

Беспроводные датчики

Как уже было отмечено выше, система для сбора информации о температуре в помещениях, наряду с проводными датчиками, использует беспроводные батарейные nRF24 датчики температуры. Это т. н. AMS nRF24 Sensors, которые используют собственные аппаратные и программные технологии, питаются от двух AA или AAA батареек и обеспечивают время жизни датчика от года до шести лет, в зависимости от условий эксплуатации.

На скриншоте видно, что в данный момент три датчика выключены и работает только один датчик температуры в спальне. Датчик сообщает системе, что заряд его батареи составляет 69 %, ресурс (интегральное время работы) составляет 3770 секунд или 62,8 минуты, последний раз его показания обновлялись 93 секунды назад и что ошибок связи с ним 0, т. е. качество связи отличное.

Электроэнергия

Система контролирует напряжение в электросети и текущую потребляемую мощность квартиры. В случае пропадания или выхода за установленные пределы величины сетевого напряжения, система посылает тревожные СМС на телефон владельца квартиры. Также СМС посылаются и в случае превышения предельной установленной мощности потребления квартирой.

Контроль электроэнергии осуществляется при помощи специализированного модуля PZEM-004T, который обеспечивает хорошую точность измерения параметров электропитания (напряжение, ток, потребляемая мощность). Чуть больше возможностей модуля PZEM-004T реализовано в проекте «Котельная», части проекта «Умная дача» (сохранение статистики электропотребления, вывод графиков и т. д.).

Управление санузлами

В квартире имеются два санузла для управления которыми используются два идентичных nRF24 модуля, подключённых по беспроводному каналу к основному контроллеру. Благодаря использованию беспроводного AMS nRF24 протокола связи с гарантией доставки пакетов, эти модули, по сути, являются частями основного контроллера, только разнесёнными с ним в пространстве. Для пользователя это распределение в пространстве является полностью прозрачным и он работает с системой как с единым целым.

Сами санузлы являются довольно сложными подсистемами с подогревом полов в ванных, «умным» (управляемым) полотенцесушителем и многорежимными вентиляцией и освещением. Управление всем этим оборудованием осуществляется из веб-интерфейса системы.

Управление полами в ваннах

Управление полами в ваннах осуществляется либо прямым включением и выключением из веб-интерфейса (и на включение и на выключение возможна установка задержек срабатывания), либо при помощи двух независимых суточных таймеров. Причём все эти три способа управления могут работать параллельно.

Для удобства однотипные функции управления обоими санузлами сгруппированы на одной странице. Для того, чтобы легче было визуально различать контроллеры, окно настроек первого санузла имеет белый цвет, а второго — серый.

Полотенцесушитель

Для полотенцесушителя задаётся количество включений в сутки (от 0 до 24) и время работы (от 0 до 10 минут). После установки настройки запоминаются в энергонезависимой памяти и полотенцесушитель работает в автоматическом режиме с заданными параметрами.

Вентиляция в ванных

Вентиляция в ванных имеет два режима работы — «Ручной» и «Авто». В ручном режиме управление вентиляцией осуществляется нажатием кнопки «Вкл/Выкл» в веб интерфейсе.

В автоматическом режиме на работу вентиляции влияют показания датчиков движения и влажности воздуха. В веб-интерфейсе устанавливаются задержка работы вентиляции после последнего срабатывания PIR датчика (от 1 до 15 минут) и критический уровень влажности, при котором вентиляция будет включаться в принудительном режиме. Обе настройки автоматического управления могут работать параллельно, не мешая друг другу.

Освещение в санузлах

Освещение в санузлах работает полностью аналогично работе вентиляции за исключением отсутствия настройки по критическому уровню влажности. Оно также имеет два режима — ручной и автоматический и также позволяет установить требуемую задержку выключения, в данном случае света, для каждого санузла.

Прочее оборудование

В разделе «Прочее оборудование» находятся установки для тёплого пола сушилки для обуви. Здесь управление также осуществляется ручным включением и выключением из веб-интерфейса (с возможностью установки задержек срабатывания) и двумя независимыми суточными таймерами.

Все настройки управления сушилкой могут работать параллельно и не мешая друг другу. Также в интерфейсе присутствует индикатор состояния реле и показывается время до его включения и выключения (если используются задержки). На скриншоте видно, что реле автоматически отключится через 60 минут.

Панель управления системы

Панель управления предназначена для удобного отображения всех важных параметров системы в реальном времени. Просто бросив беглый взгляд на панель, можно сразу оценить как состояние всей системы в целом, так и состояние всех её частей по отдельности.

СМС сервер

Индикатор доступности СМС сервера. В данном случае сервер выключен и посылка СМС сообщений невозможна. Как только сервер включится, изменится цвет индикатора и станет доступной посылка (и приём) СМС системой.

Восход и заход солнца

Индикатор системы определения времени восхода и захода солнца (тёмного и светлого времени суток). Используется для автоматического гашения освещения в светлое время суток и включения его в тёмное.

Контроль электроэнергии

Индикатор напряжения в питающей электросети и текущей потребляемой мощности квартирой. Рядом выводится значение температуры на улице.

Отопление комнат

В нижнем ряду выводятся текущие показания беспроводных батарейных nRF24 датчиков температуры в помещениях, а в верхнем ряду показывается текущее состояние реле обогрева помещений (в данный момент работает только один датчик и все реле выключены).

Реле, в свою очередь, управляют сервоприводами подачи горячей воды в радиаторы отопления, тем самым регулируя температуру в помещениях.

Контроллеры санузлов

Два ряда индикаторов — это данные о текущем состоянии двух контроллеров санузлов. Первые индикаторы в каждом ряду содержат названия самих контроллеров (SU1 и SU2) и их свечение говорит об активном состоянии контроллеров в данный момент.

Индикаторы контроллера первого санузла по порядку:

• LK1 — состояние датчика протечки
• 21% — текущая влажность в санузле
• 25,2° — текущая температура в санузле
• BD1 — состояние реле обогрева пола
• DR1 — состояние реле полотенцесушителя
• WT1 — состояние реле крана защиты от протечек
• VT1 — состояние реле вентиляции
• LT1 — состояние реле освещения

Контроллер балкона

Индикация состояния контроллера балкона аналогична индикации контроллеров санузлов. Если контроллер работает, то его индикаторы светятся разными цветами и показывают текущие данные. Если контроллер выключен или недоступен, то все индикаторы становятся тёмными.

Контроллер балкона:

• 25,3° — текущая температура зимнего сада
• 21% — текущая влажность на улице
• 25,2° — текущая температура на улице
• GAR — состояние реле зимнего сада

На балконе оборудован декоративный мини-сад с различными растениями и система поддерживает заданную температуру в нём. В работе алгоритма по поддержанию температуры учитываются такие параметры, как текущая температура на улице, время суток и заданное в интерфейсе системы значения целевой температуры для зоны зимнего сада.

Прочее оборудование

В этой строке собраны индикаторы состояния прочего оборудования. Первый — это температура в коридоре, второй — датчик состояния входной двери и третий — состояние реле сушилки для обуви в прихожей.

В случае нахождения системы в режиме «Отсутствие людей в квартире» и срабатывания датчика открытия входной двери — на телефон владельца отправляется тревожное СМС сообщение. Это базовая функция охраны и в дальнейшем систему можно оснастить специализированным охранным контроллером.

Заключение

Как уже отмечалось выше, это только один из возможных вариантов построения системы умного дома на основе технологий AMS. При желании уже реализованный функционал можно расширить и дополнить — дело тут только за фантазией и потребностями заказчика.

Функции, реализованные в проекте

• Комплексное управление городской квартирой
• Управление системой из веб-интерфейса
• Адаптивный дизайн для использования на планшетах и смартфонах
• Отсылка тревожных и информационных SMS сообщений
• Сохранение настроек в энергонезависимой памяти системы

Режимы присутствия людей в доме

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

Отопление

• Управление отоплением 5-и помещений и зон в квартире
• Управление работой тёплых полов в 5-и помещениях
• Автоматическое поддержание заданной температуры
• Установка параметров отопления в веб-интерфейсе
• Регулировка температуры в зависимости от режима присутствия людей
• Дополнительное разбиение режимов на 2 поддиапазона «высокий» и «низкий»
• Задание матрицы целевых температур в веб-интерфейсе
• Задание матрицы «высоких» и «низких» режимов для каждого времени суток
• Регулировка температуры с учётом матрицы высоких и низких подрежимов
• Контроль текущей и целевой температуры в реальном времени на веб-странице
• Задание допустимых лимитов отклонения температуры в веб-интерфейсе
• Индикация текущих нарушений температурных лимитов на веб-странице
• Отсылка тревожных SMS при нарушении лимитов отклонения температур

nRF24 сеть

• Поддержка работы nRF24 сети
• Использование нативного AMS nRF24 беспроводного стека и протокола
• Использование беспроводных батарейных AMS nRF24 датчиков
• Удалённый контроль «здоровья» беспроводных датчиков
• Отслеживание активности и ошибок беспроводных датчиков
• Использование беспроводных AMS nRF24 контроллеров

Управление двумя санузлами

• Защита от протечек
• Автоматическое перекрытие клапана при протечках воды
• SMS оповещение при аварийных ситуациях с протечками воды
• Управление вентиляцией санузлов
• Автоматический и ручной режимы вентиляции
• Задание задержки отключения вентиляции в веб-интерфейсе
• Задание критической влажности для включения вентиляции в веб-интерфейсе
• Управление освещением санузлов
• Автоматический и ручной режимы работы освещения
• Задание задержки отключения освещения в веб-интерфейсе

Управление зимним садом на балконе

• Определение температуры и влажности на улице
• Поддержание заданной температуры на балконе
• Алгоритм обогрева, учитывающий множество параметров

Работа со временем

• Получение и синхронизация времени через интернет
• Отслеживание временных интервалов
• Отслеживание времени суток
• Отслеживание времени восхода и захода солнца
• Задание часов и минут наступления каждого времени суток в веб-интерфейсе

СМС сообщения и команды

• Интеграция с AMS СМС сервером
• Отсылка информационных и тревожных СМС на мобильный телефон
• Приём управляющих команд от СМС сервера

Сетевая работа

• Интеграция с другими контроллерами сети
• Приём управляющих команд по сети от других контроллеров
• Отсылка управляющих команд другим контроллерам сети

Индикация

• Индикация состояния всех объектов системы в реальном времени