Устройство управления освещением в зависимости от уровня естественного освещения

Введение

Устройства, позволяющие регулировать температуру воздуха, освещенность, безопасность помещений и дистанционное управление оборудованием, индивидуально требовались и использовались людьми годами. Однако благодаря техническому уровню в настоящее время вы можете создавать сложные системы управления, сочетающие функции отдельных устройств. Такие системы становятся все более частыми и доступными, поскольку они могут значительно снизить риски и опасности, связанные с деятельностью человека, снизить затраты на электроэнергию и повысить комфортность жизни.
Существующие системы домашней автоматизации используют в качестве центрального управляющего устройства промышленные контроллеры, обладающие высокой стоимостью и значительными размерами, и уделяют мало внимания вопросу оптимизации применяемых систем автоматизации микроконтроллерами и adruino.
Целью работы является разработка автоматизированной системы управления «Умный дом» с небольшими габаритами, низким энергопотреблением, высокой гибкостью и меньшими затратами с той же функциональностью по отношению к существующим проектам.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
– обзор существующих проектов системы «Умный дом»;
– микроконтроллер (MCU); arduino — аппаратная вычислительная платформа;
– использовать схему датчика движения с использованием Arduino;
– проанализировать специальные вопросы обеспечения безопасности.


1. Обзор существующих проектов системы «Умный дом»

Во все времена люди старались сделать свой дом комфортным. С развитием технологий появились новые и более совершенные устройства, которые повышают комфорт и безопасность жизни. Со временем отдельные устройства были интегрированы в системы. Сегодня системы домашней автоматизации представляют собой сложный набор передовых технологий и передовых систем управления.
Современные системы «Умный дом» основаны на микроконтроллере, который управляет всеми системами в зависимости от пользовательских настроек и внешних факторов. Умный дом управляет климатом, освещением и безопасностью, а также обеспечивает беспроводную связь с пользователем через интернет или мобильные сети. Это стало возможным благодаря массовому развитию интеллектуальных технологий домашней автоматизации, протоколов обмена данными, программного обеспечения, мобильных устройств и высокоскоростного интернета [4].
На сегодняшний день рынок систем «умных домов» является одним из самых быстрорастущих по всему миру. Главная цель современных производителей – создание универсальных систем домашней автоматизации, доступных для потребителя класса, которые можно внедрить как в небольшую квартиру, так и в загородный дом. Далее рассмотрим несколько примеров действующих проектов, которые предлагаются на компаниями на современном рынке.
Система «Умный дом», которая была доступна только состоятельным людям в 1970-х годах и выполняла только основные функции управления бытовой техникой, за последние 40 лет значительно расширила свою функциональность и распространилась по всему миру. Современные предприятия предлагают клиентам широкий спектр функций, которые может предоставить система домашней автоматизации. Однако большинство систем не предназначены для людей среднего достатка, поскольку используемое оборудование является дорогостоящим, а производительность систем управления недостаточно оптимизирована.



2. Микроконтроллер

Микроконтроллер (MCU) - это микросхема для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств и может включать в себя ОЗУ и ПЗУ. Фактически это однокристальный компьютер, который может выполнять простые задачи. Использование одного чипа, а не полного набора, как в случае с традиционными процессорами в персональных компьютерах, значительно уменьшает размер, мощность и стоимость устройств на основе микроконтроллеров.
Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем. Они встречаются во многих современных устройствах, таких как телефоны, стиральные машины и т. д. Большинство процессоров, производимых по всему миру, представляют собой микроконтроллеры [Фрунзе А. V 3].
В отличие от «жесткой логики» микросхем, микроконтроллер представляет собой микросхему, в которой, во-первых, зависимость выходных сигналов от входа определяется исключительно заранее установленными правилами разработчика (это называется программированием, а правила программируются сами), во-вторых, нет четкого распределения выходов на входах и выходах

. В общем, почти все выводы микроконтроллера в зависимости от желания и намерения разработчика могут быть как входами, так и выходами (и даже менять свое назначение в процессе работы).


3. Arduino — аппаратная вычислительная платформа

Arduino - это аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая карта ввода-вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino можно использовать для создания отдельных интерактивных объектов и подключения к программному обеспечению, работающему на компьютере (например, Adobe Flash, Processing, Max, Pure Data, SuperCollider).
На концептуальном уровне все карты программируются через RS-232 (последовательное соединение). Однако реализация этого метода отличается от версии к версии. Плата Serial Arduino включает в себя простую инвертирующую схему для преобразования уровней сигнала RS-232 в уровни TTL и наоборот. В настоящее время распределенные карты, такие как Diecimila, программируются через USB, что достигается благодаря преобразователю FT232R USB-to-serial FTDI. В версии платформы Arduino Uno микроконтроллер Atmega8 используется в корпусе SMD в качестве преобразователя. Благодаря этому решению преобразователь можно запрограммировать так, чтобы он сразу определял платформу как мышь, джойстик или другое устройство со всеми необходимыми дополнительными управляющими сигналами по усмотрению разработчика. В некоторых вариантах, таких как Arduino Mini или неофициальный Boarduino, для программирования требуется отдельная карта USB-to-serial или отдельный кабель.
С платами Arduino мы можете использовать большинство выводов ввода / вывода микроконтроллера во внешних цепях. Например, плата Diecimila имеет 14 цифровых входов / выходов, 6 из которых могут генерировать сигнал ШИМ и 6 аналоговых входов. Эти сигналы доступны на плате через колодки или штекеры. Также доступны различные типы внешних карт расширения, которые называются «англ. shields» (дословно: «щиты»), которые подключаются через штекерные разъемы к плате Arduino.
Интегрированная среда разработки Arduino - это кроссплатформенное Java-приложение, которое включает в себя редактор кода, компилятор и механизм передачи прошивки.
Среда разработки основана на языке программирования Processing и предназначена для программирования новичков, не знакомых с разработкой программного обеспечения. Язык программирования похож на язык, используемый в проекте проводки. Строго говоря, это C++, дополненный некоторыми библиотеками. Программы обрабатываются препроцессором, а затем компилируются с помощью AVR-GCC.
Оригинальные платы Arduino производит Smart Projects. В настоящее время доступно 15 платных версий.
Документация, прошивки и чертежи Arduino распространяются под лицензией Creative Commons Attribution ShareAlike 2.5 и доступны на официальном веб-сайте Arduino. Для некоторых версий Arduino также доступна печатная плата. Исходный код для IDE и библиотек публикуется и доступен под лицензией GPLv2.


4. Инфракрасный датчик движения (PIR сенсор)

Ниже представлена схема датчика движения с использованием Arduino. В качестве датчика, мы будем использовать PIR-сенсор (Passive Infrared sensor), т.е. пассивный ИК датчик. PIR-сенсоры основаны на методике измерения инфракрасного излучения от обьектов [1].
Шаг 1: Расходные материалы
Данный проект показывает использование датчиков PIR с Arduino при построении простого детектор движения. Для этого нам понадобиться (рис. 1):
– контроллер Arduino
– макетная плата
– светодиод (любого цвета)
– PIR сенсор фирмы «Parallax»
– провода


Рис. 1 Необходимые компоненты

Шаг 2: Установка
Подключение довольно простое. PIR-сенсор имеет 3 вывода: плюс, минус и выход. К 7-му выводу Arduino подключаем выход PIR-сенсора. Также, присоединим светодиод к выводу 8 Arduino и GND.

Рис. 2 Схема подключения датчика движения (PIR) к контроллеру Arduino


Рис. 3 Фотография контроллера с датчиком движения в сборе

В скетче Arduino видно, что датчик проводит самодиагностику, а затем переходит в режим отслеживания движений