Prototypowy system kontroli i sterowania układami zabezpieczeń i oszczędności energii domu jednorodzinnego

Producent powinien udostępnić kod programu z opisem przykładowych modyfikacji i możliwością jego zmiany przez użytkownika, zarówno w zakresie wykonywanych procedur, jak i ich parametrów oraz obsługiwanych podzespołów. Takie rozwiązanie zapewnia elastyczność systemu i gwarantuje pełno kontrolę użytkownika nad jego funkcjonalnością.

Do konstrukcji prototypu systemu kontroli i sterowania układami zabezpieczeń i oszczędności energii domu jednorodzinnego wykorzystano zestaw procesora AVR ­ATmega32u4 o nazwie Arduino Leonardo [2, 3].

• Każdy produkt jest wyposażony w specjalistyczne oprogramowanie zapewniające obsługę wszystkich elementów zestawu, przez co do zaprogramowania samego urządzenia należy ograniczyć się jedynie do wgrania napisanego programu za pomocą aplikacji dostarczonej przez producenta [2].
• Komunikacja między płytką a komputerem odbywa się za pomocą złącza magistrali szeregowej [4].
• Systemy Arduino zawierają kilka rodzajów pamięci:
  - ulotną SRAM, w której przechowywane są wyniki obliczeń procesora,
  - nieulotną programowaną blokowo Flash do przechowywania kodu programu zawierającą także kod producenta umożliwiający programowanie tej pamięci,
  - nieulotną EEPROM na dane programu.
• System może być zasilanych z dwóch źródeł:
  - z zasilacza prądu stałego
  - lub poprzez złączę USB z komputera lub innego urządzenia aktywnego.
• System oferuje kilka rodzajów wyprowadzeń, jakimi są wejścia analogowe podłączone do 10-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego, porty cyfrowe oraz złącze magistrali szeregowej.
• Poziomy napięć zależą od napięcia zasilania procesora: 5 V lub 3,3 V.
• Dodatkową opcją niektórych wersji Arduino są wyjścia PWM, umożliwiające modulacje szerokości impulsu, przy użyciu których można sterować np. jasnością świecenia diody LED, czy też sterować silnikami krokowymi.
• Złącze USB w urządzeniach Arduino obsługiwane jest na dwa sposoby, albo przez dodatkowo zainstalowany mikrokontroler, albo mikrokontroler główny, co pozwala na emulacji takich urządzeń jak mysz czy klawiatura [4].

Opis działania systemu

W opracowanym systemie kontroli i sterowania układami zabezpieczeń i oszczędności energii domu jednorodzinnego do wyboru użytkownik ma trzy tryby pracy:

• tryb normalnej pracy, w którym możliwe jest zadanie dowolnej temperatury w każdym pomieszczeniu;
  - Urządzenie steruje ogrzewaniem, aby utrzymać zadaną temperaturę, której wartość może być dodatkowo inna o zaprogramowanych porach.
  - Domyślnie procesor jest zaprogramowany w taki sposób, że w godzinach od 9:00 do 16:00 oraz od godziny 23:00 do 5:00 temperatura zostaje automatycznie obniżona o 2°C.
  - Włączanie oświetlenia następuje po wykryciu ruchu w pomieszczeniu przez zainstalowane w nich czujniki.
• tryb specjalny, sterowanie temperaturą przebiega w analogiczny sposób jak w trybie normalnym natomiast po wykryciu ruchu lub otwarcia drzwi/okien następuje włączenie alarmu.
• tryb energooszczędny, w którym następuje zmniejszenie ogrzewania we wszystkich pomieszczeniach do zaprogramowanej temperatury minimalnej i włączenie zabezpieczeń zainstalowanych w systemie.

Regulacja oświetlenia

Temat regulacji oświetlenia jest bardzo szeroki, ponieważ obejmuję nie tylko sam sposób sterowania, lecz także samego planowania instalacji.

Ogromne znaczenie dla finalnego efektu ma sposób, w jaki rozmieszczona jest instalacja zasilająca oświetlenie. Nie ma możliwości np. stworzenia scen świetlnych [1], przy założeniu, że jedynym źródłem światła jest centralnie umieszczona lampa.

Kolejnym przykładem, w którym również nie istnieje możliwość sterowania zainstalowanym już oświetleniem, jest przypadek, w którym wszystkie źródła światła są zasilane z jednego przyłącza. Jedyną możliwością jest wtedy załączanie, czy też wyłączanie wszystkich punktów świetlnych jednocześnie.

W tych i wielu innych przypadkach jedynym rozwiązaniem jest modernizacja dotychczasowej instalacji, lub zainstalowanie dodatkowej.

Przy założeniu, że oświetlenie jest kompatybilne z systemem sterującym i źródeł światła zasilanych z odrębnych przyłączy jest kilka w pomieszczeniu, opracowany system umożliwia automatyczną regulację mocy sztucznego oświetlenia i zdalne jego włączanie i wyłączanie.

• Na przedstawionym etapie realizacji systemu prototypowego płynna regulacja mocy źródeł światła została ograniczona do oświetlenia LED zasilanego bezpośrednio napięciem stałym.
• Sterowanie pozostałym oświetleniem ograniczone jest do załączania i wyłączania punktów świetlnych.
• W pomieszczeniach zainstalowane są czujniki ruchu, które podłączone są do odpowiednich wejść cyfrowych mikrokontrolera.
• Po wykryciu ruchu czujnik wysyła sygnał do układu Arduino.
  - Jedynka logiczna, czyli wartość napięcia równa od 3,5 V do 5 V (stan wysoki) pojawia się na wejściu cyfrowym mikroprocesora.
  - Na sygnał ten system reaguje wysterowaniem odpowiedniego przekaźnika poprzez wystawienie na odpowiednim, ze względu na lokalizację źródła światła, wyjściu mikrokontrolera sygnału wysokiego.
• Jednocześnie możliwe jest zaprogramowanie na jak długi czas, po zaniku ruchu, czyli pojawieniu się na odpowiednim wejściu cyfrowym procesora stanu niskiego (od 0 V do 1,5 V) światło ma pozostać włączone.
• Jest także możliwość zaprogramowania procesora co do godziny, o której powinien automatycznie włączyć lub wyłączyć zadane źródło światła.
• Sterowanie oświetleniem LED odbywa się natomiast za pomocą wyjść PWM mikrokontrolera. Sterowanie to polega na modulacji szerokością impulsu, co w praktyce stanowi regulację czasu trwania stanu wysokiego.

W efekcie można zmieniać natężenie źródła światła LED.

Podsumowując, system umożliwia:

• automatyczne włączenie oświetlenia po wykryciu ruchu oraz zaplanowanie czasu zwłoki do jego wyłączenia,
• włączanie/wyłączanie całego lub części oświetlenia o zaprogramowanej godzinie,
• za pomocą jednego urządzenia, np. pilota, włączanie/wyłączanie całego lub części oświetlenia z dowolnego miejsca,
• sterowanie natężeniem światła w przypadku oświetlenia LED.

Regulacja ogrzewania

W ramach regulacji ogrzewania opracowany system automatycznie wykonuje pomiar temperatury, sprawdzenie, czy aby wszystkie okna i drzwi są zamknięte i sterowanie grzejnikami poprzez elektrozawory.

System został zaprojektowany w sposób, który daje użytkownikowi możliwość zaprogramowania dwóch trybów pracy. W obu przypadkach wykorzystywane są te same podzespoły systemu.

• W pierwszym trybie użytkownik ma możliwość zaprogramowania w każdym monitorowanym pomieszczeniu określonej temperatury, która jest stale utrzymywana przez system.
  - Wstępnie temperatura została zaprogramowana na 20°C w każdym pokoju dziennym.
• W drugim trybie system samoczynnie obniża temperaturę w określonych pomieszczeniach o określonej porze dnia. Działanie to uzasadnia fakt, że obniżenie temperatury nawet o 1°C generuje oszczędności finansowe i podnosi energooszczędność ogrzewania.

Realizacja tych zadań od strony sprzętowej przebiega następująco:

• Po wybraniu konkretnego przycisku na pilocie, zaczyna emitować on sygnał świetlny w paśmie podczerwieni.
• Odbiornik IR podłączony do cyfrowego portu w mikrokontrolerze przetwarza odebrany sygnał na wartość cyfrowa zapisaną w systemie szesnastkowym.
• Jeśli wartość ta pokrywa się z zaprogramowaną w systemie, zostaje zainicjowany określony tryb pracy. W tym momencie zaczyna się pomiar temperatury poprzez czujnik DS18B20.
• Transmisja danych pomiędzy czujnikiem a mikrokontrolerem odbywa się za pomocą protokołu komunikacyjnego 1Wire.
• Jeśli odebrana wartość temperatury jest różna od zadanej, to procesor wystawia stan wysoki na przekaźnik sterujący elektrozaworem.
• W przypadku kiedy temperatura jest zgodna z zadaną lub za wysoka to na wejściu przekaźnika pozostaje stan niski. Reakcją jest powrót elektrozaworu do stanu początkowego, w którym dopływ ciepłej wody do grzejnika jest zamknięty.

W przypadku pomiar zamknięcia okien i drzwi proces wygląda następująco:

• Kontaktron w przypadku kiedy okno jest zamknięte wystawia sygnał wysoki na wejście cyfrowy procesora w urządzeniu, jeśli jednak zaistnieje sytuacja, że okno jest otwarte, to w obwodzie czujnika pola magnetycznego występuje przerwa i na wejściu cyfrowym urządzenia z kontaktronu pojawia się stan niski.
• System zareaguje podając stan wysoki na głośnik, który zacznie emitować dźwięk świadczący o niezamknięciu któregoś z okien lub drzwi.
• Poza wspomnianymi możliwościami sterowania użytkownik po wybraniu drugiego trybu pracy urządzenia może zaprogramować wartość, o jaką ma być obniżona temperatura i o której godzinie ma to nastąpić.

Domyślnie procesor jest zaprogramowany w taki sposób, że w godzinach od 9:00 do 16:00 oraz od godziny 23:00 do 5:00 temperatura zostaje automatycznie obniżona o 2°C.

Podsumowując, system zapewnia:

• utrzymywanie temperatury w pomieszczeniach na określonym, wcześniej zaprogramowanym poziomie,
• samoczynne obniżenie temperatury oraz utrzymywanie jej o określonych godzinach, a następnie przywrócenie jej do zadanej wcześniej wartości,
• sprawdzanie stanu otwarcia drzwi i okien.

System zabezpieczeń antywłamaniowych

Realizacja systemu została ograniczona do pewnych założeń, które na etapie prototypowym wydawały się najistotniejsze.

• W przypadku nieobecności domowników, urządzenie poprzez czujniki ruchu zapewnia kontrolę pomieszczeń pod względem wtargnięcia niepożądanych osób, a w przypadku obecności intruza sygnalizuje o takim zajściu.
• Także w przypadku obecności domowników możliwe jest zaprogramowanie systemu, aby na otwarcie drzwi i okien wykrywanym przez czujniki kontaktronowe, reagował emitowaniem dźwięku odstraszającego intruza.

Sprzętowo wszystkie te założenia realizowane są w następujący sposób:

• po wybraniu konkretnego przycisku na pilocie Arduino aktywuje tryb ochrony;
  - w tym ­momencie reakcją procesora na sygnał z czujników ruchu nie jest wystawianie sygnałów logicznych na przekaźniki zapalając oświetlenie, lecz włączenie syreny alarmową (symulowaną przez głośnik sprzętowy), która zaczyna emitować dźwięk do momentu dezaktywacji programu.

Podsumowując system wyposażony jest w następujące układy zabezpieczeń:

• kontrolę ruchu w pomieszczeniach,
• kontrola otwarcia drzwi i okien,
• odstraszającą syrenę alarmową w przypadku wykrycia intruza.

Schemat blokowy i elektryczny urządzenia

Schemat blokowy opracowanego systemu przedstawiono na rys. 1.

Kontaktron

Układ MC-21S, czyli kontaktron, którego stan logiczny na wyjściu zmienia się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego [5].

Obwód jest domyślnie rozwarty, po zbliżeniu do magnesu obwód zostaje zamknięty, co powoduje przepływ prądu i zmianę odczytanego poziomu logicznego.

Jedno wyprowadzenie kontaktronu oznaczone „+” jest połączone z wejściem cyfrowym linii D4 układu Arduino natomiast drugie wyprowadzenie, połączona jest do wspólnej masy całego układu.

Czujnik ruchu

Pasywnej podczerwieni (PIR) [2‑3], [5], układu HC-SR501 który podłączony jest do linii D5 układu Arduino. Jest to pasywny detektor podczerwieni z wbudowanym mikrokontrolerem.

Układ pozwala na ustawienie czułości detekcji promieniowania podczerwonego oraz czasu, w jakim utrzymać ma się sygnał logiczny świadczący o zadziałaniu czujnika. Zasilany jest napięciem stałym systemu o wartości 5 V.

Zegar czasu rzeczywistego

Układ DS1307 podłączony jest do linii SCL i SDA portu komunikacyjnego I2C układu Arduino. Możliwy jest odczyt daty i czasu. Po podłączeniu zasilania czas mierzony jest od ustawionej przez producenta daty 1.01.1970 i godziny 00.00.00 lub wartości ustawionych przez użytkownika po starcie systemu.

Dodatkowo moduł umożliwia zainstalowanie czujnika temperatury DS18B20.

Układ zasilany jest wspólnym napięciem stałym systemu o wartości 5 V.

Przekaźniki

Cztery układy SRD-05VDC-SL-C zasilane są napięciem stałym o wartości 5 V z optoizolacją cyfrowych wejść sterujących podłączonych do linii D13, D12, D9 oraz D10 układu Arduino.

Podanie stanu wysokiego na wejście sterujące powoduje przepływ prądu przez cewkę, która wytwarza pole magnetyczne [2], [5]. W wyniku jego działania następuje przyciągnięcie kotwicy (zwory) styku zamykającej obwód, tworząc połączenie pomiędzy wyprowadzeniami C i NO (rys. 2.).

Przełączenie stanu przekaźnika jest sygnalizowane przez zaświecenie diody LED.

Termometr

Układ DS18B20 zainstalowany jest w module zegara czasu rzeczywistego jednak nie jest do niego podłączony.

Czujnik komunikuje się bezpośrednio z układem Arduino za pomocą linii D0 i interfejsu komunikacyjnego 1-wire, który do działania wymaga rezystora 4,7 kW łączącego linię transmisyjną z zasilaniem 5 V [2].

Nadajnik/odbiornik IR

Nadajnikiem jest pilot, odbiornikiem zasilany wspólnym napięciem stałym systemu o wartości 5 V czujnik TSOP2236 podłączony do linii D6 układu Arduino.

Głośnik systemowy (Buzzer)

Układ HCM12 został podłączony do linii D8 układu Arduino i wspólnej masy systemu.

Pozostałe elementy systemu

Diody sygnalizacyjne LED zostały podłączone przez rezystory 220 W do zasilania i do linii D11 i D7 układu Arduino.

Pasek oświetleniowy z diodami RGB LED 5050, podłączony został do linii D3 układu Arduino.

Schemat elektryczny opracowanego systemu przedstawiono na rys. 2.

Przykładowe modyfikacje systemu

Obecnie sterowanie systemem odbywa się za pomocą transmisji danych w zakresie podczerwieni. Rozwiązanie to wymaga zainstalowania odbiorników podczerwieni w każdym pomieszczeniu, gdzie chcemy sterować urządzeniem.

Dodatkowo transmisja musi odbywać się w linii prostej i w przypadku zastosowanych nadajnika i odbiorników nie przekracza 5 m. Z tych właśnie powodów korzystne jest zastosowanie transmisji bezprzewodowej Wi-Fi. Stwarza to przede wszystkim możliwość sterowania systemem już nie tylko z jednego nadajnika, jakim był do tej pory specjalny pilot, lecz z każdego urządzenia, które ma specjalne oprogramowanie oraz obsługuje ten rodzaj transmisji.

Co więcej, w przypadku podłączenia systemu do internetu zasięg komunikacji staje się nieograniczony. Koszty, jakie generuje, to rozszerzenie nie przekraczają 200 zł.

Zamierzony efekt można osiągnąć na dwa sposoby:

• poprzez zastosowanie jako podstawy systemu rozszerzonej wersji Arduino Leonardo z wbudowaną kartą Ethernetową lub platformę RasperryPi 2.
  Pierwsze rozwiązanie ma ogromną zaletę, jaką jest bezproblemowe przeniesienie działającego już oprogramowania na nową platformę sprzętową.
  Platforma RasperryPi 2 jest to zupełnie inny układ sprzętowy, przez co oprogramowanie należałoby zmienić w celu zapewnienia poprawnego działania systemu.
  RasperryPi 2 jest to miniaturowy komputer wielkości karty kredytowej, służący do nauki programowania lub przeglądania stron internetowych. Ma on wbudowane karty do obsługi obrazu, dźwięku, modemów oraz co najważniejsze w układzie wyprowadzone jest 40-pinowe złącze GPIO. Dzięki możliwości przeglądania stron internetowych po zastosowaniu tej platformy sprzętowej powstanie możliwość sterowania urządzeniami poprzez stronę internetową.|
  Następnym udogodnieniem tej platformy jest przygotowane złącze do podłączenia kamery.
• Drugi sposób wprowadzenia komunikacji Wi-Fi polega na instalacja modułu o nazwie ESP8266, który jest układem scalonym z zainstalowanym odbiornikiem/nadajnikiem sygnałów w transmisji Wi-Fi.
  Kosz tego urządzenia nie przekracza 30 zł, co jest jego ogromną zaletą.
  W przypadku urządzeń sterujących pracą systemu przez Wi-Fi preferowanym rozwiązaniem jest stworzenie aplikacji na platformę Android z licencją wolnego i otwartego oprogramowania, ponieważ jest to jeden z najpopularniejszych systemów obsługujących smartfony i tablety.

Problem zabezpieczeń została dosyć uproszczona w przedstawionym prototypie systemu. Wynikało to głównie z faktu, że wymaga to instalacji nowych czujników, których obsługa w większości odbywa się przez odczytanie stanu logicznego odpowiedniej linii wejściowej procesora.

Dodatkowym problemem jest zabezpieczenie transmisji sygnałów sterujących.

• W przypadku zainstalowania w systemie czujnika dymu reakcją systemu na zaistniałe zdarzenie powinna być sygnalizacja niebezpieczeństwa i odłączenie od sieci zasilającej działających w strefie pożaru urządzeń.
• W przypadku kontroli ograniczenia dostępu do wybranych pomieszczeń proponowanym rozwiązaniem jest zainstalowanie elektrozaczepów drzwi i okien również sterowanych przekaźnikami.
  Istnieje wiele gotowych rozwiązać, a jednym z nich jest moduł RFID RC522, który jest obsługiwany przez dedukowaną bibliotekę środowiska Arduino IDE.
  Kosz modułu dostępu wraz z kartą to zaledwie 30 zł.
  Elektrozaczepy kosztują natomiast w granicach 50 zł w zależności od producenta.

W przypadku rozszerzenia systemu o sterowanie oświetleniem w zależności od natężenia światła naturalnego wymagane jest jedynie zainstalowanie czujników, np. fotorezystorów do detekcji natężenia światła w danym pomieszczeniu.

Podobnie w przypadku wprowadzenia nowego trybu pracy systemu przeznaczonego do automatycznego przygotowania warunków w danym pomieszczeniu do oglądania filmu na ekranie komputera lub z projektora. W chwili włączenia źródła obrazu wszystkie okna w pomieszczeniu powinny samoczynnie się zasłonić, światło powinno ustawić się na określonym poziomie jasności, a sterowanie obrazem i dźwiękiem powinno odbywać się za pomocą jednego urządzenia.

Rozwiązanie z platformą ­RasperryPi 2 stwarza możliwość podłączenia wyświetlacza, czy też projektora poprzez gniazdo HDMI.

Podsumowanie

W artykule zostały zawarte szczegółowe informacje na temat budowy i działania prototypowego systemu kontroli i sterowania układami zabezpieczeń i oszczędności energii domu jednorodzinnego. Opisano działanie zastosowanych komponentów i sposób ich podłączenia do układu sterującego i zasilania.

Opracowane rozwiązanie jest w pełni modyfikowalne przez użytkowania w zakresie zainstalowanych podzespołów i funkcjonalności. Stanowi stabilną bazę do dalszej rozbudowy.

Przedstawiona analiza problematyki związanej z opracowaniem i działaniem systemu pozwala także na rozszerzenie wiedzy z zakresu koniecznych wymagań w stosunku do komercyjnych rozwiązań systemów służących do sterowania oświetleniem, ogrzewaniem i zabezpieczeniami pomieszczeń.

Literatura

1. M. Łukasiński, M. Kaczmarek, Charakterystyka i perspektywy rozwojowe systemów zabezpieczeń i automatyki budynku, „elektro.info” 6/2016), s. 80–83.
2. T. Karvinen, Getting Started with Sensors, Kimmo Karvinen, Helion S.A., 2015.
3. E. Williams, Make: AVR Programming, Hellion, 2014.
4. https://www.arduino.cc, dostęp 10.01.2016.5. M. Riley, Inteligentny dom, Helion, 2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!