Casa intelligente basata su controller Arduino: progettazione e organizzazione di uno spazio controllato

Lo sviluppo degli strumenti di automazione ha portato alla creazione di sistemi complessi che migliorano la qualità della vita umana. Molti noti produttori di elettronica e ambienti software offrono soluzioni standard pronte per vari contesti.

Realizzare progetti autonomi e costruire una “casa intelligente” su Arduino secondo le proprie esigenze è possibile anche per un utente inesperto. L'importante è comprendere le basi e non aver paura di sperimentare.

In questo articolo esamineremo il principio di creazione e le funzioni principali di una casa automatizzata basata su dispositivi Arduino. Vedremo anche i tipi di schede utilizzati e i moduli principali del sistema.

Creazione di sistemi sulla piattaforma Arduino

Arduino è una piattaforma per lo sviluppo di dispositivi elettronici con controllo automatico, semiautomatico o manuale. È realizzata secondo il principio di un kit di montaggio con regole ben definite di interazione tra gli elementi. Il sistema è aperto, il che consente a produttori terzi di partecipare al suo sviluppo.

Il classico “casa intelligente” è composto da moduli automatizzati che svolgono le seguenti funzioni:

• raccolgono le informazioni necessarie tramite sensori;
• analizzano i dati e prendono decisioni tramite un microprocessore programmabile;
• attuano le decisioni prese, inviando comandi a vari dispositivi.

La piattaforma Arduino è ottima proprio perché non si lega a un produttore specifico, ma permette al consumatore di scegliere personalmente i componenti più adatti. La scelta è vastissima, quindi è possibile realizzare praticamente qualsiasi idea.

Le consigliamo di conoscere i migliori dispositivi intelligenti per la casa.

Per imparare a lavorare con Arduino, è possibile acquistare un kit di partenza (Starter Kit) sul sito del produttore. La conoscenza dell'inglese tecnico è obbligatoria, poiché la documentazione non è tradotta in russo.

Oltre alla varietà di dispositivi collegabili, la flessibilità è aumentata dall'ambiente di programmazione implementato in C++. L'utente può non solo utilizzare le librerie create, ma anche programmare da sé la reazione dei componenti del sistema agli eventi che si verificano.

Elementi fondamentali delle schede

L'elemento principale della “casa intelligente” è una o più schede centrali (madri). Esse sono responsabili dell'interazione di tutti gli elementi. Solo dopo aver definito i compiti da risolvere, si può procedere alla scelta del nodo principale del sistema.

La scheda madre integra i seguenti elementi:

• Microcontrollore (processore). Il suo scopo principale è di emettere e misurare la tensione nelle porte nell'intervallo 0-5 o 0-3.3 V, memorizzare dati ed eseguire calcoli.
• Programmatore (non presente su tutte le schede). Con questo dispositivo si scrive nella memoria del microcontrollore un programma secondo il quale funzionerà la “casa intelligente”. Lo si collega a un computer, tablet, smartphone o altro dispositivo tramite interfaccia USB.
• Regolatore di tensione. È necessario un dispositivo da 5 volt, richiesto per alimentare l'intero sistema.

Sotto il marchio Arduino vengono prodotte diverse schede. Esse differiscono per fattore di forma (dimensioni), numero di porte e quantità di memoria. È proprio in base a questi indicatori che bisogna scegliere il dispositivo adatto.

Le schede Arduino e gli shield corrispondenti è meglio acquistarli dal produttore, poiché sono di qualità superiore rispetto ai dispositivi compatibili prodotti in Cina.

Esistono due tipi di porte:

• digitali, contrassegnate sulla scheda dalle lettere “d”;
• analogiche, contrassegnate dalla lettera “a”.

Grazie ad esse, il microcontrollore comunica con i dispositivi collegati. Ogni porta può funzionare sia per ricevere segnali che per inviarli. Le porte digitali contrassegnate con “pwm” sono destinate all'ingresso e all'uscita di segnali di tipo PWM (modulazione a larghezza di impulso).

Pertanto, prima di acquistare una scheda, è necessario stimare almeno approssimativamente il livello di carico di lavoro con vari dispositivi. Ciò permetterà di determinare il numero necessario di porte di tutti i tipi.

Bisogna inoltre capire che il sistema “casa intelligente” non deve necessariamente essere legato a un'unità di controllo basata su una singola scheda madre. Funzioni come, ad esempio, l'accensione dell'illuminazione artificiale dell'area intorno alla casa in base all'ora del giorno e il mantenimento della riserva d'acqua in un serbatoio di accumulo sono indipendenti tra loro.

Dal punto di vista dell'affidabilità del sistema elettronico, è meglio separare i compiti non correlati in diversi blocchi, cosa che il concetto di Arduino permette facilmente. Se invece si raggruppano molti dispositivi in un unico punto, si può verificare un surriscaldamento del microprocessore, conflitti tra librerie software e difficoltà nell'individuare e risolvere problemi software e hardware.

Il collegamento di molti dispositivi di vario tipo a una singola scheda viene solitamente utilizzato nella robotica, dove la compattezza è importante. Per la “casa intelligente” è meglio utilizzare una base diversa per ogni compito.

Ogni microprocessore è dotato di tre tipi di memoria:

• Flash Memory. La memoria principale, dove viene memorizzato il codice del programma di controllo del sistema. Una piccola parte (3-12%) è occupata dal bootloader integrato.
• SRAM. Memoria volatile, dove vengono memorizzati i dati temporanei necessari durante il funzionamento del programma. Si distingue per l'elevata velocità di funzionamento.
• EEPROM. Una memoria più lenta, dove è anche possibile memorizzare dati.

La differenza principale tra i tipi di memoria per l'archiviazione dei dati è che, quando l'elettricità viene interrotta, le informazioni scritte nella SRAM si perdono, mentre quelle nella EEPROM rimangono. Ma il tipo non volatile ha anche uno svantaggio: un numero limitato di cicli di scrittura. Questo va tenuto presente quando si creano applicazioni personalizzate.

A differenza dell'uso di Arduino nella robotica, per la maggior parte dei compiti della “casa intelligente” non è necessaria molta memoria né per i programmi né per l'archiviazione delle informazioni.

Tipi di schede per assemblare una casa intelligente

Esaminiamo i principali tipi di schede che vengono più spesso utilizzati nell'assemblaggio del sistema di casa intelligente.

Tipo #1 — Arduino Uno e suoi derivati

Più spesso nei sistemi “casa intelligente” vengono utilizzate le schede Arduino Uno e Arduino Nano. Esse possiedono funzionalità sufficienti per risolvere i compiti tipici.

La possibilità di alimentare schede full-size con una tensione di 7-12 Volt offre molti vantaggi. Innanzitutto, la possibilità di un funzionamento autonomo prolungato con normali batterie o accumulatori.

Parametri principali di Arduino Uno Rev3:

• processore: ATMega328P (8 bit, 16 MHz);
• numero di porte digitali: 14;
• di cui con funzione PWM: 6;
• numero di porte analogiche: 6;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Non molto tempo fa è uscita una modifica – Uno Wi-Fi, che contiene un modulo integrato ESP8266, che consente di scambiare informazioni con altri dispositivi secondo lo standard 802.11 b/g/n.

La differenza tra Arduino Nano e il suo corrispettivo più ingombrante è l'assenza di una propria presa di alimentazione da 12 V. Ciò è stato fatto per ottenere un dispositivo di dimensioni ridotte, che ne permette un facile occultamento in spazi piccoli. Inoltre, a tal fine, la connessione USB standard è stata sostituita da un chip con cavo mini-USB. Arduino Nano ha due porte analogiche in più rispetto a Uno.

Esiste un'altra modifica della scheda Uno: Arduino Mini. È ancora più piccola di Nano e lavorare con essa è molto più complesso. In primo luogo, l'assenza di una porta USB crea un problema per il flashing, poiché per farlo sarà necessario utilizzare un convertitore USB-Serial. In secondo luogo, questa scheda è più esigente per quanto riguarda l'alimentazione: è necessario garantire un intervallo di tensione in ingresso di 7-9 V.

Per i motivi sopra descritti, la scheda Arduino Mini viene raramente utilizzata per l'“casa intelligente”. Di solito viene impiegata o nella robotica o nella realizzazione di progetti già completati.

Tipo #2 — Arduino Leonardo e Micro

La scheda Arduino Leonardo è simile a Uno, ma leggermente più potente. Un'altra caratteristica interessante di questo modello è che viene riconosciuta dal computer come tastiera, mouse o joystick. Per questo viene spesso utilizzata per creare dispositivi di gioco originali e simulatori.

Tabella delle dimensioni e degli ingombri dei modelli Uno, Leonardo e dei loro analoghi in miniatura. I progettisti non hanno seguito una logica nei nomi – “nano” dovrebbe essere il più piccolo.

I parametri principali di Arduino Leonardo sono i seguenti:

• processore: ATMega32u4 (8 bit, 16 MHz);
• numero di porte digitali: 20;
• di queste con funzione PWM: 7;
• numero di porte analogiche: 12;
• flash memory: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Come si può vedere dall'elenco dei parametri, Leonardo ha più porte, il che consente di collegare a questo modello un numero maggiore di sensori.

Esiste anche per Leonardo un analogo in miniatura con caratteristiche assolutamente identiche chiamato Micro. Non ha alimentazione da 12 V e invece di un ingresso USB completo è presente un chip per cavo mini-USB.

La modifica di Leonardo chiamata Esplora è un modello puramente da gioco e non è adatto per le esigenze di una “casa intelligente”.

Tipo #3 — Arduino 101, Arduino Zero e Arduino MKR1000

A volte, per il funzionamento di sistemi di “casa intelligente” realizzati con Arduino, è necessaria una maggiore potenza di calcolo che i microcontrollori a 8 bit non sono in grado di fornire. Compiti come il riconoscimento vocale o delle immagini richiedono un processore veloce e una quantità significativa di memoria RAM per tali dispositivi.

Per risolvere tali problemi specifici, vengono utilizzate schede potenti che funzionano secondo il concetto di Arduino. Il numero di porte è approssimativamente lo stesso delle schede Uno o Leonardo.

Arduino 101 ha le stesse dimensioni di Uno o Leonardo, ma pesa quasi il doppio. La ragione è la presenza di due porte USB e chip aggiuntivi.

Una delle schede più semplici da usare ma potenti – Arduino 101 ha le seguenti caratteristiche:

• processore: Intel Curie (32 bit, 32 MHz);
• memoria flash: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: nessuna.

Inoltre, la scheda è dotata di funzionalità BLE (Bluetooth Low Energy) con la possibilità di collegare facilmente soluzioni già pronte, come sensori di battito cardiaco, ottenere informazioni sul meteo esterno, inviare messaggi di testo, ecc. Nel dispositivo sono integrati anche giroscopio e accelerometro, ma vengono utilizzati principalmente in robotica.

Un'altra scheda simile – Arduino Zero ha i seguenti dati:

• processore: SAM-D21 (32 bit, 48 MHz);
• memoria flash: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: nessuna.

La caratteristica distintiva di questo modello è la presenza di un debugger integrato (EDBG). Con esso è molto più semplice individuare gli errori durante la programmazione della scheda.

Quando si scrive un codice voluminoso, anche un programmatore altamente qualificato commette errori. Per trovarli si utilizza un debugger.

Arduino MKR1000 è un altro modello adatto per calcoli potenti. Ha un microprocessore e memoria simili a Zero. La sua principale differenza è la presenza di un chip Wi-Fi integrato con protocollo 802.11 b/g/n e un chip crittografico con supporto dell'algoritmo SHA-256 per proteggere i dati trasmessi.

Tipo #4 — modelli della famiglia Mega

A volte è necessario utilizzare un gran numero di sensori e controllare un numero significativo di dispositivi. Ad esempio, questo è necessario per il funzionamento automatico dei sistemi di condizionamento distribuito che mantengono una temperatura specifica per zone separate.

Per ogni area locale è necessario monitorare le letture di due sensori di temperatura (il secondo viene utilizzato come controllo) e, secondo l'algoritmo, regolare la posizione della serranda che determina il volume di aria calda in ingresso.

Se ci sono più di 10 zone in una villa, per controllare l'intero sistema sono necessari più di 30 porte. Certo, si possono usare più schede tipo Uno sotto il controllo generale di una di esse, ma questo crea ulteriori complessità di cablaggio. In tal caso, è opportuno utilizzare modelli della famiglia Mega.

Le dimensioni delle schede della famiglia Mega (101.5 x 53.4 cm) sono maggiori rispetto ai modelli visti in precedenza. È una necessità tecnica – altrimenti non si potrebbe ospitare un tale numero di porte.

La scheda Arduino Mega è basata su un microprocessore a 8 bit da 16 MHz abbastanza semplice, l'aTMega1280.

Dispone di una grande quantità di memoria:

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

Ma il suo principale vantaggio è la presenza di molte porte:

• numero di porte digitali: 54;
• di cui con funzione PWM: 15;
• numero di porte analogiche: 16.

Questa scheda ha due varianti moderne:

• Mega 2560 è basata sul microprocessore ATmega2560, che si distingue per una grande quantità di memoria flash – 256 KB;
• Mega ADK, oltre al microprocessore ATmega2560, è dotata di un'interfaccia USB con la possibilità di connettersi a dispositivi basati sul sistema operativo Android.

Il modello Arduino Mega ADK presenta una particolarità. Quando si collega un telefono all'ingresso USB, può verificarsi la seguente situazione: se il telefono ha bisogno di carica, inizierà a 'prelevarla' dalla scheda. Pertanto, è richiesta un'alimentazione aggiuntiva: deve fornire una corrente di 1,5 ampere. Quando si utilizza l'alimentazione a batterie, è necessario tenere conto di questa condizione.

È possibile realizzare un'alimentazione autonoma per Arduino utilizzando accumulatori o batterie collegati. Combinando collegamenti in serie e in parallelo, si può ottenere la tensione desiderata e un lungo tempo di funzionamento.

Due – un altro modello di Arduino, che unisce la potenza del microprocessore e un gran numero di porte.

Le sue caratteristiche sono le seguenti:

• processore: Atmel SAM3X8E (32 bit, 84 MHz);
• numero di porte digitali: 54;
• di queste con funzione PWM: 12;
• numero di porte analogiche: 14;
• memoria flash: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: nessuna.

I pin analogici di questa scheda possono funzionare sia nella consueta risoluzione a 10 bit di Arduino, realizzata per la compatibilità con i modelli precedenti, sia in quella a 12 bit, che consente di ottenere un segnale più preciso.

Caratteristiche dell'interazione dei moduli tramite porte

Tutti i moduli che verranno collegati alla scheda hanno almeno tre uscite. Due di esse sono i cavi di alimentazione, cioè la 'massa' (“terra”), e la tensione di 5 o 3,3 V. Il terzo cavo è logico. Attraverso di esso avviene la trasmissione dei dati alla porta. Per collegare i moduli si utilizzano speciali cavi raggruppati in tre, a volte chiamati jumper.

Poiché nei modelli Arduino di solito c'è solo 1 porta con tensione e 1-2 porte con 'massa' (“terra”), per collegare più dispositivi sarà necessario saldare i cavi oppure utilizzare breadboard.

Alla breadboard è possibile collegare non solo l'alimentazione e le porte della scheda Arduino, ma anche altri elementi, come ad esempio resistenze, registri, ecc.

La saldatura è più affidabile e viene utilizzata in dispositivi soggetti a sollecitazioni fisiche, come ad esempio le schede di controllo per robot e quadricotteri. Per una casa intelligente è meglio usare le breadboard, poiché è più semplice sia nell'installazione che nella rimozione del modulo.

Alcuni modelli (ad esempio Arduino Zero e MKR1000) hanno una tensione di esercizio di 3,3 V, quindi se si applica un valore maggiore alle porte, è possibile che la scheda venga danneggiata. Tutte le informazioni sull'alimentazione sono disponibili nella documentazione tecnica del dispositivo.

Schede di espansione (shield)

Per aumentare le capacità delle schede madri si utilizzano gli shield (Shields), ovvero dispositivi aggiuntivi che ne espandono le funzionalità. Sono realizzati per un fattore di forma specifico, il che li distingue dai moduli che si collegano alle porte. Gli shield costano più dei moduli, ma sono più facili da usare. Inoltre, sono dotati di librerie di codice già pronte, che accelerano lo sviluppo di programmi di controllo personalizzati per la “casa intelligente”.

Shield Proto e Sensor

Questi due shield standard non apportano funzioni particolari. Vengono utilizzati per un collegamento più compatto e comodo di un gran numero di moduli.

Lo shield Proto è praticamente una copia completa dell'originale per quanto riguarda le porte, e al centro del modulo è possibile incollare una breadboard. Questo facilita l'assemblaggio della struttura. Tali espansioni esistono per tutte le schede Arduino full-size.

Lo shield Proto viene posizionato sopra la scheda madre. Questo aumenta leggermente l'altezza della struttura, ma fa risparmiare molto spazio sul piano.

Ma se i dispositivi sono molti (più di 10), è meglio utilizzare le schede di commutazione più costose, gli shield Sensor.

Non hanno una breadboard, ma a ogni pin delle porte sono forniti individualmente alimentazione e terra. Questo evita di confondersi tra fili e ponticelli.

La superficie della scheda madre e dello shield sensor è la stessa, ma sullo shield non sono presenti chip, condensatori e altri componenti. Pertanto, si libera molto spazio per collegamenti completi.

Inoltre, su questa scheda ci sono connettori per il semplice collegamento di diversi moduli: Bluetooth, scheda SD, RS232 (porta COM), radio e ultrasuoni.

Collegamento di funzionalità ausiliarie

Gli shield con funzionalità integrate sono progettati per risolvere compiti complessi ma tipici. Se si desidera realizzare idee originali, è meglio scegliere un modulo appropriato.

Motor Shield. È progettato per controllare la velocità e la rotazione di motori a bassa potenza. Il modello originale è dotato di un chip L298 e può funzionare contemporaneamente con due motori a corrente continua o con un servomotore. Esiste anche un componente compatibile di un produttore terzo che ha due chip L293D con la capacità di controllare il doppio degli attuatori.

Relay Shield. Modulo spesso utilizzato nei sistemi “casa intelligente”. Una scheda con quattro relè elettromeccanici, ciascuno dei quali consente il passaggio di corrente fino a 5 A. Questo è sufficiente per accendere e spegnere automaticamente apparecchi da kilowatt o linee di illuminazione progettate per corrente alternata a 220 V.

LCD Shield. Consente di visualizzare le informazioni su uno schermo integrato, che può essere aggiornato a un dispositivo TFT. Questa espansione viene spesso utilizzata per creare stazioni meteorologiche con letture di temperatura in vari ambienti abitativi, annessi, garage, nonché temperatura, umidità e velocità del vento all'esterno.

In LCD Shield sono integrati pulsanti che consentono di programmare lo scorrimento delle informazioni e la selezione di azioni per inviare comandi al microprocessore

Data Logging Shield. Il compito principale del modulo è registrare i dati dei sensori su una scheda SD di dimensioni standard fino a 32 Gb con supporto del file system FAT32. Per scrivere su una scheda micro-SD è necessario acquistare un adattatore. Questo shield può essere utilizzato come archivio di informazioni, ad esempio quando si registrano dati da un videoregistratore. Produzione dell'azienda statunitense Adafruit Industries.

SD-card Shield. Versione più semplice ed economica del modulo precedente. Molti produttori producono tali espansioni.

EtherNet Shield. Modulo ufficiale per la connessione di Arduino a Internet senza l'ausilio di un computer. È presente uno slot per scheda micro-SD, che consente di registrare e inviare dati attraverso la rete mondiale.

Wi-Fi Shield. Consente lo scambio wireless di informazioni con supporto della modalità di crittografia. Serve per connettersi a Internet e a dispositivi che possono essere controllati tramite Wi-Fi.

GPRS Shield. Questo modulo viene generalmente utilizzato per la comunicazione della “casa intelligente” con il proprietario tramite telefono cellulare e messaggi SMS.

Moduli della “casa intelligente”

Il collegamento di moduli di produttori terzi e la possibilità di lavorare con essi utilizzando il linguaggio di programmazione integrato è il principale vantaggio del sistema aperto Arduino rispetto alle soluzioni “proprietarie” per la “casa intelligente”. L'importante è che i moduli abbiano una descrizione dei segnali ricevuti o trasmessi.

Modalità di acquisizione delle informazioni

L'immissione delle informazioni può essere effettuata tramite porte digitali o analogiche. Ciò dipende dal tipo di pulsante o sensore che riceve le informazioni e le trasmette alla scheda.

Per un programma per computer, il segnale digitale corrisponde a periodi con “0” e “1”, mentre il segnale analogico definisce un intervallo di valori in base alla propria risoluzione

Il segnale al microprocessore può essere inviato da una persona, che utilizza due metodi per farlo:

• Pressione del pulsante (tasto). In questo caso, il filo logico va alla porta digitale, che riceve il valore “0” quando il pulsante è rilasciato e “1” quando viene premuto.
• Rotazione della manopola del potenziometro rotativo (resistore) o spostamento della leva scorrevole. In questo caso, il filo logico va alla porta analogica. La tensione passa attraverso un convertitore analogico-digitale, dopodiché i dati arrivano al microprocessore.

I pulsanti vengono utilizzati per avviare un evento, ad esempio l'accensione e lo spegnimento della luce, del riscaldamento o della ventilazione. Le manopole rotative vengono utilizzate per variare l'intensità – aumentare o diminuire la luminosità della luce, il volume del suono o la velocità di rotazione delle pale del ventilatore.

Il potenziometro è un dispositivo molto semplice, quindi costa pochissimo. Le sue caratteristiche principali sono la resistenza elettrica e l'angolo di rotazione.

Per la determinazione automatica dei parametri ambientali o dell'origine di un evento, vengono utilizzati i sensori.

Per il funzionamento della “casa intelligente”, le seguenti varietà sono le più richieste:

• Sensore audio. Le versioni digitali di questo dispositivo vengono utilizzate per attivare un evento tramite un battito di mani o un comando vocale. I modelli analogici consentono di riconoscere ed elaborare il suono.
• Sensore di luce. Questi dispositivi possono funzionare sia nello spettro visibile che in quello infrarosso. Questi ultimi possono essere utilizzati come sistema di allarme antincendio.
• Sensore di temperatura. Per interni ed esterni vengono utilizzati modelli diversi, poiché quelli esterni sono meglio protetti dall'umidità. Esistono anche dispositivi remoti con cavo.
• Sensore di umidità dell'aria. Per interni è adatto il modello DHT11, mentre per esterni viene utilizzato il più costoso DHT22. Entrambi i dispositivi possono anche fornire la temperatura. Si collegano alla porta digitale.
• Sensore di pressione dell'aria. Per la collaborazione con le schede Arduino, i barometri analogici della ditta Bosch: bmp180, bmp280. Essi misurano anche la temperatura. Il modello bme280 può essere chiamato stazione meteorologica, poiché fornisce anche il valore dell'umidità.
• Sensori di movimento e presenza. Vengono utilizzati per scopi di sicurezza o per l'accensione automatica della luce.
• Sensore di pioggia. Reagisce all'acqua che arriva sulla sua superficie. Può essere utilizzato anche per attivare un allarme in caso di perdite dell'impianto idraulico o di riscaldamento.
• Sensore di corrente. Vengono utilizzati per rilevare apparecchi elettrici non funzionanti (lampadine bruciate) o per analizzare la tensione, al fine di evitare il sovraccarico.
• Sensore di perdita di gas. Viene utilizzato per rilevare e rispondere a una concentrazione elevata di propano.
• Sensore di anidride carbonica. Viene utilizzato per determinare la concentrazione di anidride carbonica nelle stanze di soggiorno e in ambienti speciali, come le cantine per vino, dove avviene la fermentazione.

Esistono molti altri sensori per compiti specifici, ad esempio per misurare il peso, la velocità del flusso d'acqua, la distanza, l'umidità del suolo e così via.

Alcuni sensori, come l'anemometro, progettato per misurare la velocità e la direzione del vento, sono complessi dispositivi elettromeccanici.

Molti sensori e rilevatori possono essere realizzati autonomamente, utilizzando componenti più semplici. Questo costerà meno. Ma, a differenza dell'uso di dispositivi seriali, si dovrà dedicare tempo alla calibrazione.

Controllo di apparecchi e sistemi

Oltre alla raccolta e all'analisi delle informazioni, la “casa intelligente” deve reagire agli eventi che si verificano. La presenza di elettronica avanzata sugli moderni elettrodomestici consente di comunicare direttamente con essi utilizzando Wi-Fi, GPRS o EtherNet. Di solito, per i sistemi Arduino, si realizza la commutazione tra microprocessore e dispositivi high-tech tramite Wi-Fi.

Per accendere il condizionatore d'aria in caso di alta temperatura in casa, bloccare la televisione e Internet di notte nella stanza dei bambini o attivare la caldaia per il riscaldamento prima dell'arrivo dei proprietari utilizzando Arduino, è necessario eseguire tre azioni:

1. Installare un modulo Wi-Fi sulla scheda madre.
2. Trovare canali di frequenza liberi per evitare conflitti tra sistemi.
3. Comprendere i comandi dei dispositivi e programmare le azioni (oppure utilizzare librerie già pronte).

Oltre alla “comunicazione” con dispositivi computerizzati, sorgono spesso compiti legati all'esecuzione di azioni meccaniche. Ad esempio, alla scheda è possibile collegare un servoazionamento o un piccolo riduttore, che verrà alimentato da essa.

Il servoazionamento è costituito da un motorino e diversi riduttori. Pertanto, nonostante la bassa corrente (5 V), può sviluppare una potenza decente, sufficiente, ad esempio, per aprire una finestra.

In caso di necessità di collegare dispositivi potenti che funzionano da un'alimentazione esterna, si utilizzano due opzioni:

1. Inserimento di un relè nel circuito.
2. Collegamento di un interruttore di potenza e di un triac.

Il relè elettromagnetico o a stato solido inserito nel circuito elettrico chiude e apre uno dei fili su comando del microprocessore. La loro caratteristica principale è la corrente massima ammissibile (ad esempio, 40 A) che può passare attraverso questo dispositivo.

Per quanto riguarda il collegamento dell'interruttore di potenza (MOSFET) per corrente continua e del triac per corrente alternata, essi hanno un valore inferiore di corrente ammissibile (5-15 A), ma possono aumentare gradualmente il carico. Proprio per questo sulle schede sono previste porte PWM. Questa proprietà viene utilizzata per regolare la luminosità dell'illuminazione, la velocità dei ventilatori, ecc.

Con l'ausilio di relè e interruttori di potenza è possibile automatizzare completamente tutti i circuiti elettrici della casa e avviare il generatore in assenza di corrente. Pertanto, con Arduino è realmente possibile realizzare un'alimentazione autonoma di un appartamento o di un edificio, incluse tutte le funzioni particolarmente importanti: riscaldamento, approvvigionamento idrico, smaltimento delle acque reflue, ventilazione e sistema di sicurezza.

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Maggiori dettagli sulla casa intelligente di Xiaomi e Apple nei seguenti articoli:

• Casa intelligente Xiaomi: caratteristiche di progettazione, panoramica dei componenti principali e degli elementi operativi
• Casa intelligente Apple: i dettagli dell'organizzazione dei sistemi di controllo domestico dell'azienda Apple

Conclusioni e video utili sull'argomento

Esempio di un prototipo di base autocostruito per “casa intelligente”:

L'apertura della piattaforma Arduino consente di utilizzare componenti di diversi produttori. Ciò permette di costruire facilmente una “casa intelligente” in base alle esigenze dell'utente. Pertanto, se si hanno anche solo conoscenze minime nel campo della programmazione e del collegamento di dispositivi elettronici, vale la pena considerare questo sistema.

Lei ha familiarità pratica con la piattaforma Arduino e desidera condividere la sua esperienza con i principianti in questo campo? Forse vuole integrare il materiale sopra esposto con consigli o osservazioni utili? Scriva i suoi commenti sotto questo articolo.

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