Smart Home auf Basis von Arduino-Controllern: Planung und Organisation eines gesteuerten Raums

Die Entwicklung von Automatisierungsmitteln hat zur Schaffung komplexer Systeme geführt, die die Lebensqualität des Menschen verbessern. Viele namhafte Hersteller von Elektronik und Softwareumgebungen bieten vorgefertigte Standardlösungen für verschiedene Objekte an.

Selbst ein unerfahrener Benutzer kann eigene Projekte entwickeln und nach seinen Bedürfnissen ein “intelligentes Haus” mit Arduino zusammenbauen. Das Wichtigste ist, die Grundlagen zu verstehen und keine Angst vor Experimenten zu haben.

In diesem Artikel werden das Prinzip der Erstellung und die wichtigsten Funktionen eines automatisierten Hauses auf Basis von Arduino-Geräten betrachtet. Ebenso werden die verwendeten Plattentypen und die wichtigsten Systemmodule betrachtet.

Systementwicklung auf der Arduino-Plattform

Arduino ist eine Plattform für die Entwicklung elektronischer Geräte mit automatischer, halbautomatischer oder manueller Steuerung. Sie ist nach dem Prinzip eines Baukastens mit klar definierten Regeln für die Interaktion zwischen den Elementen aufgebaut. Das System ist offen, sodass Dritthersteller an seiner Entwicklung teilnehmen können.

Klassisches “Smart Home” besteht aus automatisierten Einheiten, die folgende Funktionen ausführen:

• sammeln die benötigten Informationen über Sensoren;
• analysieren Daten und treffen Entscheidungen mithilfe eines programmierbaren Mikroprozessors;
• setzen die getroffenen Entscheidungen um, indem sie Befehle an verschiedene Geräte senden.

Die Arduino-Plattform ist gerade deshalb gut, weil sie sich nicht auf einen bestimmten Hersteller beschränkt, sondern dem Verbraucher ermöglicht, selbst die passenden Komponenten auszuwählen. Die Auswahl ist riesig, sodass so gut wie jede Idee umgesetzt werden kann.

Wir empfehlen, sich mit den besten Smart-Home-Geräten vertraut zu machen.

Zum Erlernen der Arbeit mit Arduino kann man auf der Website des Herstellers ein Starter-Kit erwerben. Kenntnisse des technischen Englisch sind erforderlich, da die Dokumentation nicht ins Russische übersetzt ist.

Neben der Vielfalt der anschließbaren Geräte bietet die auf C++ implementierte Programmierumgebung zusätzliche Flexibilität. Der Benutzer kann nicht nur die erstellten Bibliotheken nutzen, sondern auch selbst die Reaktion der Systemkomponenten auf auftretende Ereignisse programmieren.

Grundlegende Elemente der Platinen

Das Hauptelement des “Smart Home” ist eine oder mehrere zentrale (Mutter-)Platinen. Sie sind für die Interaktion aller Elemente verantwortlich. Erst nachdem die zu lösenden Aufgaben definiert wurden, kann mit der Auswahl des Hauptknotens des Systems begonnen werden.

Die Hauptplatine vereint die folgenden Elemente:

• Mikrocontroller (Prozessor). Seine Hauptaufgabe besteht darin, Spannungen an den Ports im Bereich von 0-5 oder 0-3.3 V auszugeben und zu messen, Daten zu speichern und Berechnungen durchzuführen.
• Programmer (nicht bei allen Platinen vorhanden). Mit diesem Gerät wird das Programm in den Speicher des Mikrocontrollers geschrieben, nach dem das “Smart Home” arbeiten wird. Er wird über die USB-Schnittstelle an einen Computer, ein Tablet, ein Smartphone oder ein anderes Gerät angeschlossen.
• Spannungsregler. Ein Gerät für 5 Volt wird benötigt, um das gesamte System mit Strom zu versorgen.

Unter der Marke Arduino werden mehrere Platinenmodelle hergestellt. Sie unterscheiden sich voneinander im Formfaktor (Größe), der Anzahl der Ports und der Speicherkapazität. Anhand dieser Kriterien muss das passende Gerät ausgewählt werden.

Arduino-Platinen und die dazugehörigen Shields sollte man besser beim Hersteller kaufen, da sie qualitativ hochwertiger sind als kompatible Geräte aus China.

Es gibt zwei Arten von Ports:

• digitale, die auf der Platine mit den Buchstaben “d” gekennzeichnet sind;
• analoge, die mit dem Buchstaben “a” gekennzeichnet sind.

Dank ihnen kommuniziert der Mikrocontroller mit den angeschlossenen Geräten. Jeder Port kann sowohl zum Empfangen als auch zum Senden von Signalen verwendet werden. Digitale Ports mit der Kennzeichnung “pwm” dienen der Ein- und Ausgabe von PWM-Signalen (Pulsweitenmodulation).

Daher sollte vor dem Kauf einer Platine zumindest grob der Grad ihrer Auslastung durch verschiedene Geräte abgeschätzt werden. Dies ermöglicht es, die benötigte Anzahl der Ports aller Typen zu bestimmen.

Dabei muss man verstehen, dass das “Smart Home” nicht unbedingt an eine Steuereinheit auf Basis einer einzigen Hauptplatine gebunden sein muss. Funktionen wie z.B. die Einschaltung der Außenbeleuchtung des Grundstücks in Abhängigkeit von der Tageszeit und die Aufrechterhaltung des Wasserreservoirs im Speichertank sind voneinander unabhängig.

Aus Sicht der Zuverlässigkeit des elektronischen Systems ist es besser, nicht miteinander verbundene Aufgaben auf verschiedene Blöcke zu verteilen, was das Arduino-Konzept einfach ermöglicht. Wenn jedoch viele Geräte an einem Ort zusammengefasst werden, kann es zu Überhitzung des Mikroprozessors, Konflikten von Softwarebibliotheken und Schwierigkeiten bei der Fehlersuche und -behebung von Software- und Hardwarefehlern kommen.

Das Anschließen vieler verschiedener Geräte an eine Platine wird üblicherweise in der Robotik verwendet, wo Kompaktheit wichtig ist. Für ein “Smart Home” ist es besser, für jede Aufgabe eine eigene Basis zu verwenden.

Jeder Mikroprozessor verfügt über drei Speicherarten:

• Flash-Speicher. Der Hauptspeicher, in dem der Code des Systemsteuerungsprogramms gespeichert ist. Ein kleiner Teil (3-12 %) wird vom eingebetteten Bootloader belegt.
• SRAM. Der Arbeitsspeicher, in dem temporäre Daten gespeichert werden, die während der Programmausführung benötigt werden. Er zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit aus.
• EEPROM. Ein langsamerer Speicher, in dem ebenfalls Daten gespeichert werden können.

Der Hauptunterschied zwischen den Speicherarten für die Datenspeicherung besteht darin, dass bei einem Stromausfall die im SRAM gespeicherten Informationen verloren gehen, während sie im EEPROM erhalten bleiben. Der nichtflüchtige Typ hat jedoch auch einen Nachteil – eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen. Dies sollte bei der Entwicklung eigener Anwendungen beachtet werden.

Im Gegensatz zum Einsatz von Arduino in der Robotik wird für die meisten Aufgaben eines “Smart Home” weder viel Speicher für Programme noch für die Datenspeicherung benötigt.

Arten von Platinen für den Aufbau eines intelligenten Hauses

Betrachten wir die wichtigsten Arten von Platinen, die am häufigsten beim Aufbau eines Smart-Home-Systems verwendet werden.

Typ #1 – Arduino Uno und seine Ableitungen

Am häufigsten werden in “Smart Home”-Systemen die Platinen Arduino Uno und Arduino Nano eingesetzt. Sie verfügen über ausreichende Funktionalität für typische Aufgaben.

Die Möglichkeit der Stromversorgung von Vollformatplatinen mit 7-12 Volt bietet viele Vorteile. Vor allem ermöglicht dies einen langen autonomen Betrieb mit handelsüblichen Batterien oder Akkus.

Wichtige Parameter des Arduino Uno Rev3:

• Prozessor: ATMega328P (8 Bit, 16 MHz);
• Anzahl der digitalen Ports: 14;
• davon mit PWM-Funktion: 6;
• Anzahl der analogen Ports: 6;
• Flash-Speicher: 32 KB;
• SRAM: 2 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Vor nicht allzu langer Zeit wurde eine Modifikation – Uno Wi-Fi – veröffentlicht, die ein integriertes Modul ESP8266 enthält, das den Datenaustausch mit anderen Geräten nach dem Standard 802.11 b/g/n ermöglicht.

Der Unterschied des Arduino Nano zu seinem größeren Gegenstück besteht darin, dass er keine eigene 12-V-Strombuchse besitzt. Dies wurde getan, um eine kleinere Baugröße zu erreichen, sodass er leicht in engen Räumen versteckt werden kann. Außerdem wurde zu diesem Zweck der standardmäßige USB-Anschluss durch einen Chip mit Mini-USB-Kabel ersetzt. Der Arduino Nano hat im Vergleich zum Uno zwei zusätzliche analoge Ports.

Es gibt eine weitere Modifikation des Uno-Boards – den Arduino Mini. Er ist noch kleiner als der Nano und viel schwieriger zu handhaben. Erstens führt das Fehlen eines USB-Anschlusses zu Problemen beim Flashen der Firmware, da hierfür ein USB-Serial-Converter verwendet werden muss. Zweitens ist dieses Board wählerischer in Bezug auf die Stromversorgung – es muss ein Eingangsspannungsbereich von 7-9 V sichergestellt werden.

Aus den oben genannten Gründen wird das Arduino Mini-Board selten für das “Smart Home” verwendet. Üblicherweise wird es entweder in der Robotik oder bei der Umsetzung bereits fertiger Projekte eingesetzt.

Typ #2 – Arduino Leonardo und Micro

Das Arduino Leonardo-Board ähnelt dem Uno, ist jedoch etwas leistungsstärker. Eine interessante Besonderheit dieses Modells ist, dass es beim Anschluss an einen Computer als Tastatur, Maus oder Joystick erkannt wird. Daher wird es häufig zur Entwicklung origineller Spielgeräte und Simulatoren verwendet.

Tabelle der Größen und Abmessungen der Modelle Uno, Leonardo und ihrer Miniaturvarianten. Von den Entwicklern wurde keine Logik in den Namen eingehalten – “Nano” sollte das kleinste sein.

Die wichtigsten Parameter des Arduino Leonardo sind:

• Prozessor: ATMega32u4 (8 Bit, 16 MHz);
• Anzahl der digitalen Ports: 20;
• davon mit PWM-Funktion: 7;
• Anzahl der analogen Ports: 12;
• Flash-Speicher: 32 KB;
• SRAM: 2,5 KB;
• EEPROM: 1 KB.

Wie aus der obigen Parameterliste ersichtlich, hat der Leonardo mehr Ports, wodurch dieses Modell mit einer größeren Anzahl von Sensoren belastet werden kann.

Für den Leonardo gibt es auch eine in den Spezifikationen identische Miniaturversion namens Micro. Sie hat keine 12-V-Stromversorgung und anstelle eines vollwertigen USB-Eingangs ist ein Chip für ein Mini-USB-Kabel vorhanden.

Die Leonardo-Modifikation namens Esplora ist ein reines Spielemodell und für die Anforderungen eines “Smart Home” nicht geeignet.

Typ #3 – Arduino 101, Arduino Zero und Arduino MKR1000

Manchmal ist für den Betrieb von auf Arduino basierenden “Smart Home”-Systemen eine höhere Rechenleistung erforderlich, die 8-Bit-Mikrocontroller nicht bieten können. Aufgaben wie Spracherkennung oder Bilderkennung benötigen einen schnellen Prozessor und eine für solche Geräte beträchtliche Menge an Arbeitsspeicher.

Zur Lösung solcher spezifischer Aufgaben werden leistungsstarke Boards verwendet, die nach dem Arduino-Konzept funktionieren. Die Anzahl der Ports ist in etwa die gleiche wie bei den Uno- oder Leonardo-Boards.

Arduino 101 hat die gleichen Abmessungen wie Uno oder Leonardo, wiegt jedoch fast doppelt so viel. Grund dafür sind die zwei USB-Anschlüsse und zusätzliche Chips.

Eine der am einfachsten zu verwendenden, aber leistungsstarken Platinen – Arduino 101 hat folgende Eigenschaften:

• Prozessor: Intel Curie (32 Bit, 32 MHz);
• Flash-Speicher: 196 KB;
• SRAM: 24 KB;
• EEPROM: keiner.

Zusätzlich ist die Platine mit BLE-Funktionalität (Bluetooth Low Energy) ausgestattet, mit der Möglichkeit, fertige Lösungen wie Herzfrequenzsensoren, Abrufen von Wetterinformationen, Senden von Textnachrichten usw. einfach anzuschließen. Ebenfalls in das Gerät integriert sind ein Gyroskop und ein Beschleunigungsmesser, die jedoch hauptsächlich in der Robotik eingesetzt werden.

Eine weitere ähnliche Platine – Arduino Zero hat folgende Werte:

• Prozessor: SAM-D21 (32 Bit, 48 MHz);
• Flash-Speicher: 256 KB;
• SRAM: 32 KB;
• EEPROM: keiner.

Besonderheit dieses Modells ist ein integrierter Debugger (EDBG). Damit ist die Fehlersuche bei der Programmierung der Platine wesentlich einfacher.

Beim Schreiben von umfangreichem Code treten selbst bei hochqualifizierten Programmierern Fehler auf. Zu ihrer Suche wird ein Debugger verwendet.

Arduino MKR1000 – ein weiteres Modell, das für leistungsstarke Berechnungen geeignet ist. Es hat einen Mikroprozessor und Speicher ähnlich wie Zero. Der Hauptunterschied ist der integrierte Wi-Fi-Chip mit 802.11 b/g/n-Protokoll und ein Krypto-Chip mit Unterstützung des SHA-256-Algorithmus zum Schutz der übertragenen Daten.

Typ #4 – Modelle der Mega-Familie

Manchmal ist es notwendig, eine große Anzahl von Sensoren zu verwenden und eine beträchtliche Anzahl von Geräten zu steuern. Beispielsweise wird dies für den automatischen Betrieb von verteilten Klimatisierungssystemen benötigt, die eine bestimmte Temperatur für einzelne Zonen aufrechterhalten.

Für jeden lokalen Bereich müssen die Messwerte von zwei Temperatursensoren (der zweite dient als Kontrolle) erfasst und gemäß dem Algorithmus die Position der Klappe reguliert werden, die das Volumen der Warmluftzufuhr bestimmt.

Wenn es mehr als 10 solcher Zonen im Haus gibt, werden für die Steuerung des gesamten Systems mehr als 30 Ports benötigt. Natürlich kann man mehrere Uno-Platinen unter der gemeinsamen Steuerung einer von ihnen verwenden, aber das schafft zusätzliche Kommutierungsschwierigkeiten. In diesem Fall ist es sinnvoll, Modelle der Mega-Familie zu verwenden.

Die Größe der Platinen der Mega-Familie (101,5 x 53,4 cm) ist größer als die der zuvor betrachteten Modelle. Dies ist eine technische Notwendigkeit – sonst ließe sich eine so große Anzahl von Ports nicht unterbringen.

Die Arduino Mega Platine basiert auf einem recht einfachen 8-Bit-16-MHz-Mikroprozessor aTMega1280.

Sie verfügt über einen großen Speicher:

• Flash-Speicher: 128 KB;
• SRAM: 8 KB;
• EEPROM: 4 KB.

Aber ihr Hauptvorteil ist die große Anzahl von Ports:

• Anzahl digitaler Ports: 54;
• davon mit PWM-Funktion: 15;
• Anzahl analoger Ports: 16.

Diese Platine hat zwei moderne Varianten:

• Mega 2560 basiert auf dem Mikroprozessor aTMega2560, der sich durch einen großen Flash-Speicher von 256 KB auszeichnet;
• Mega ADK ist neben dem Mikroprozessor aTMega2560 mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet, die eine Verbindung zu Geräten auf Basis des Betriebssystems Android ermöglicht.

Das Modell Arduino Mega ADK hat eine Besonderheit. Beim Anschließen eines Telefons an den USB-Eingang kann folgende Situation eintreten: Wenn das Telefon aufgeladen werden muss, beginnt es, den Strom “zu ziehen” aus der Platine. Daher gibt es eine zusätzliche Anforderung an die Stromquelle – sie muss eine Stromstärke von 1,5 Ampere liefern. Bei der Stromversorgung über Batterien muss diese Bedingung berücksichtigt werden.

Eine autonome Stromversorgung für Arduino kann mithilfe von angeschlossenen Akkus oder Batterien realisiert werden. Durch die Kombination von Serien- und Parallelschaltung kann die erforderliche Spannung und eine lange Betriebsdauer erreicht werden.

Due – ein weiteres Modell von Arduino, das die Leistung des Mikroprozessors mit einer großen Anzahl von Anschlüssen vereint.

Seine Eigenschaften sind die folgenden:

• Prozessor: Atmel SAM3X8E (32 Bit, 84 MHz);
• Anzahl digitaler Ports: 54;
• davon mit PWM-Funktion: 12;
• Anzahl der analogen Anschlüsse: 14;
• Flash-Speicher: 512 KB;
• SRAM: 96 KB;
• EEPROM: keiner.

Die analogen Pins dieser Platine können sowohl in der für Arduino üblichen 10-Bit-Auflösung arbeiten, was aus Kompatibilitätsgründen mit früheren Modellen erfolgt, als auch in 12-Bit-Auflösung, die ein präziseres Signal ermöglicht.

Besonderheiten der Interaktion von Modulen über Ports

Alle Module, die an die Platine angeschlossen werden, haben mindestens drei Anschlüsse. Zwei davon sind die Stromkabel, d.h. “Masse” sowie die Spannung von 5 oder 3,3 V. Der dritte Draht ist logisch. Über ihn erfolgt die Datenübertragung zum Anschluss. Zum Anschließen der Module verwendet man spezielle, in Dreiergruppen zusammengefasste Kabel, die manchmal als Jumper bezeichnet werden.

Da Arduino-Modelle normalerweise nur einen Anschluss für Spannung und 1-2 Anschlüsse für “Masse” haben, muss man, um mehrere Geräte anzuschließen, entweder die Kabel verlöten oder Steckbretter (Breadboard) verwenden.

An das Steckbrett können nicht nur die Stromversorgung und die Anschlüsse der Arduino-Platine angeschlossen werden, sondern auch andere Elemente wie Widerstände, Register usw.

Löten ist zuverlässiger und wird in Geräten eingesetzt, die physischen Belastungen ausgesetzt sind, z.B. Steuerplatinen für Roboter und Quadrocopter. Für ein Smart Home ist es besser, Steckbretter zu verwenden, da dies sowohl beim Einbau als auch beim Entfernen eines Moduls einfacher ist.

Bei einigen Modellen (z. B. Arduino Zero und MKR1000) beträgt die Betriebsspannung 3,3 V. Wenn Sie also einen höheren Wert an die Ports anlegen, kann die Platine beschädigt werden. Alle Informationen zur Stromversorgung finden Sie in der technischen Dokumentation des Geräts.

Erweiterungsplatinen (Shields)

Um die Möglichkeiten der Hauptplatinen zu erweitern, werden Shields verwendet – zusätzliche Geräte, die die Funktionalität erweitern. Sie werden für einen bestimmten Formfaktor hergestellt, was sie von Modulen unterscheidet, die an die Ports angeschlossen werden. Shields sind teurer als Module, aber die Arbeit mit ihnen ist einfacher. Sie sind außerdem mit fertigen Codebibliotheken ausgestattet, was die Entwicklung eigener Steuerungsprogramme für das “Smart Home” beschleunigt.

Proto- und Sensor-Shields

Diese beiden Standard-Shields bieten keine besonderen Funktionen. Sie werden für eine kompaktere und bequemere Verbindung einer großen Anzahl von Modulen verwendet.

Das Proto Shield ist im Hinblick auf die Anschlüsse praktisch eine vollständige Kopie des Originals, und in der Mitte des Moduls kann ein Breadboard aufgeklebt werden. Dies erleichtert den Zusammenbau. Solche Erweiterungen gibt es für alle vollformatigen Arduino-Platinen.

Das Proto Shield wird auf die Hauptplatine gesetzt. Dies erhöht die Höhe der Konstruktion geringfügig, spart aber viel Platz in der Fläche.

Wenn jedoch sehr viele Geräte (mehr als 10) vorhanden sind, ist es besser, die teureren Sensor Shield-Kommunikationsplatinen zu verwenden.

Sie verfügen über kein Breadboard, aber an alle Anschlüsse der Ports werden individuell Strom und Masse geführt. Dies verhindert Verwirrung bei Kabeln und Brücken.

Die Oberfläche der Haupt- und Sensorplatinen ist gleich, aber auf dem Shield fehlen Chips, Kondensatoren und andere Elemente. Daher wird viel Platz für vollwertige Verbindungen frei.

Außerdem verfügt diese Platine über Anschlussblöcke für den einfachen Anschluss mehrerer Module: Bluetoots, SD-Karten, RS232 (COM-Port), Radio und Ultraschall.

Anschluss von Zusatzfunktionen

Shields mit integrierter Funktionalität sind für die Lösung komplexer, aber typischer Aufgaben ausgelegt. Wenn Sie originelle Ideen umsetzen möchten, ist es besser, ein passendes Modul zu wählen.

Motor Shield. Es ist für die Steuerung der Geschwindigkeit und Drehung von Schwachstrommotoren ausgelegt. Das Originalmodell ist mit einem L298-Chip ausgestattet und kann gleichzeitig mit zwei Gleichstrommotoren oder einem Servomotor arbeiten. Es gibt auch ein kompatibles Bauteil eines Drittanbieters mit zwei L293D-Chips, das doppelt so viele Antriebe steuern kann.

Relay Shield. Ein häufig verwendetes Modul in “Smart Home”-Systemen. Eine Platine mit vier elektromechanischen Relais, von denen jedes einen Strom von bis zu 5 A ermöglicht. Dies ist ausreichend, um Geräte mit einer Leistung von mehreren Kilowatt oder Beleuchtungsleitungen, die für Wechselstrom 220 V ausgelegt sind, automatisch ein- und auszuschalten.

LCD Shield. Ermöglicht die Ausgabe von Informationen auf einem integrierten Bildschirm, der auf ein TFT-Gerät aufgerüstet werden kann. Dieses Shield wird häufig zur Erstellung von Wetterstationen mit Temperaturanzeigen in verschiedenen Wohnräumen, Anbauten, der Garage sowie der Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit im Freien verwendet.

Im LCD Shield sind Tasten integriert, mit denen das Blättern durch Informationen und die Auswahl von Aktionen zur Befehlsübermittlung an den Mikroprozessor programmiert werden können.

Data Logging Shield. Die Hauptaufgabe des Moduls besteht darin, Daten von Sensoren auf eine SD-Karte in voller Größe mit einer Kapazität von bis zu 32 GB mit Unterstützung des Dateisystems FAT32 aufzuzeichnen. Für die Aufnahme auf eine Micro-SD-Karte muss ein Adapter erworben werden. Dieses Shield kann als Informationsspeicher verwendet werden, beispielsweise zur Aufzeichnung von Daten eines Videorekorders. Hergestellt von der amerikanischen Firma Adafruit Industries.

SD-Karten Shield. Eine einfachere und günstigere Version des vorherigen Moduls. Solche Erweiterungen werden von vielen Herstellern hergestellt.

EtherNet Shield. Offizielles Modul für die Verbindung von Arduino mit dem Internet ohne Computer. Es gibt einen Steckplatz für eine Micro-SD-Karte, der das Aufzeichnen und Senden von Daten über das weltweite Netz ermöglicht.

Wi-Fi Shield. Ermöglicht den drahtlosen Informationsaustausch mit Unterstützung des Verschlüsselungsmodus. Es dient zur Verbindung mit dem Internet und Geräten, die über Wi-Fi gesteuert werden können.

GPRS Shield. Dieses Modul wird in der Regel zur Verbindung des “Smart Home” mit dem Besitzer über das Mobiltelefon per SMS-Nachrichten verwendet.

Module des “intelligenten Hauses”

Der Anschluss von Modulen von Drittherstellern und die Möglichkeit, mit ihnen zu arbeiten, indem man die integrierte Programmiersprache verwendet, ist der Hauptvorteil des offenen Arduino-Systems im Vergleich zu “proprietären” Lösungen für das “Smart Home”. Wichtig ist, dass die Module eine Beschreibung der empfangenen oder gesendeten Signale haben.

Methoden der Informationsgewinnung

Die Eingabe von Informationen kann über digitale oder analoge Ports erfolgen. Dies hängt von der Art des Tasters oder Sensors ab, der die Informationen empfängt und an die Platine weiterleitet.

Für das Computerprogramm entspricht das digitale Signal den Perioden mit “0” und “1”, während das analoge Signal einen Wertebereich entsprechend seiner Auflösung definiert.

Das Signal an den Mikroprozessor kann von einer Person gesendet werden, die hierfür zwei Methoden verwendet:

• Drücken einer Taste (Schaltfläche). Der logische Draht geht in diesem Fall zu einem digitalen Port, der den Wert “0” erhält, wenn die Taste nicht gedrückt ist, und “1”, wenn sie gedrückt wird.
• Drehen des Knopfes eines Drehpotentiometers (Widerstands) oder Verschieben des Hebels eines Schiebereglers. In diesem Fall führt die logische Leitung zu einem analogen Port. Die Spannung durchläuft einen Analog-Digital-Wandler, wonach die Daten zum Mikroprozessor gelangen.

Tasten werden verwendet, um ein Ereignis zu starten, z. B. das Ein- und Ausschalten von Licht, Heizung oder Lüftung. Drehknöpfe dienen zur Änderung der Intensität – Erhöhung oder Verringerung der Lichthelligkeit, Lautstärke oder Drehgeschwindigkeit der Lüfterflügel.

Ein Potentiometer ist ein sehr einfaches Gerät und daher sehr günstig. Seine wichtigsten Eigenschaften sind der elektrische Widerstand und der Drehwinkel.

Zur automatischen Erfassung von Umgebungsparametern oder der Ursache eines Ereignisses werden Sensoren verwendet.

Für den Betrieb eines “Smart Homes” sind die folgenden Arten am gefragtesten:

• Schallsensor. Digitale Varianten dieses Geräts werden verwendet, um ein Ereignis durch Klatschen oder Sprachsteuerung auszulösen. Analoge Modelle ermöglichen die Erkennung und Verarbeitung von Ton.
• Lichtsensor. Diese Geräte können sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich arbeiten. Letztere können als Brandmeldesystem eingesetzt werden.
• Temperatursensor. Für Innen- und Außenbereiche werden unterschiedliche Modelle verwendet, da Außensensoren besser vor Feuchtigkeit geschützt sind. Es gibt auch externe Geräte mit Kabel.
• Luftfeuchtigkeitssensor. Für Innenräume ist das Modell DHT11 geeignet, für den Außenbereich das teurere DHT22. Beide Geräte können auch die Temperatur anzeigen. Sie werden an einen digitalen Port angeschlossen.
• Luftdrucksensor. Für die Zusammenarbeit mit Arduino-Boards haben sich die analogen Barometer der Firma Bosch bewährt: bmp180, bmp280. Sie messen ebenfalls die Temperatur. Das Modell bme280 kann als Wetterstation bezeichnet werden, da es zusätzlich auch die Luftfeuchtigkeit angibt.
• Bewegungs- und Präsenzmelder. Sie werden für Sicherheitszwecke oder zur automatischen Lichtsteuerung eingesetzt.
• Regensensor. Er reagiert auf das Auftreffen von Wasser auf seine Oberfläche. Er kann auch zur Auslösung eines Alarms bei Leckagen in der Wasser- oder Heizungsleitung verwendet werden.
• Stromsensor. Sie werden verwendet, um defekte Elektrogeräte (durchgebrannte Lampen) zu erkennen oder die Spannung zu analysieren, um eine Überlastung zu vermeiden.
• Gasaustrittsensor. Er wird zur Erkennung und Reaktion auf erhöhte Propankonzentrationen eingesetzt.
• Kohlendioxid-Sensor. Er wird verwendet, um die Konzentration von Kohlendioxid in Wohnräumen und in speziellen Räumen wie Weinkellern, in denen Gärung stattfindet, zu bestimmen.

Es gibt noch viele weitere verschiedene Sensoren für spezifische Aufgaben, zum Beispiel zur Messung von Gewicht, Fließgeschwindigkeit von Wasser, Entfernung, Bodenfeuchtigkeit usw.

Einige Sensoren, wie das Anemometer, das zur Messung der Windgeschwindigkeit und -richtung dient, sind komplexe elektromechanische Geräte.

Viele Sensoren und Messfühler lassen sich mit einfacheren Komponenten selbst herstellen. Das ist günstiger. Anders als bei der Verwendung von Seriengeräten muss man jedoch Zeit für die Kalibrierung aufwenden.

Steuerung von Geräten und Systemen

Neben der Erfassung und Analyse von Informationen muss das “Smart Home” auf auftretende Ereignisse reagieren. Das Vorhandensein fortschrittlicher Elektronik in modernen Haushaltsgeräten ermöglicht es, diese direkt über Wi-Fi, GPRS oder Ethernet anzusprechen. In der Regel wird für Arduino-Systeme die Kommunikation zwischen Mikroprozessor und High-Tech-Geräten über Wi-Fi realisiert.

Um mit Arduino bei hoher Temperatur im Haus die Klimaanlage einzuschalten, nachts im Kinderzimmer den Fernseher und das Internet zu sperren oder den Heizungskessel vor der Rückkehr der Eigentümer zu starten, sind drei Schritte erforderlich:

1. Ein Wi-Fi-Modul auf der Hauptplatine installieren.
2. Freie Frequenzkanäle finden, um Systemkonflikte zu vermeiden.
3. Sich mit den Befehlen der Geräte vertraut machen und die Aktionen programmieren (oder vorgefertigte Bibliotheken verwenden).

Neben der “Kommunikation” mit computergesteuerten Geräten treten häufig Aufgaben im Zusammenhang mit der Ausführung mechanischer Aktionen auf. Zum Beispiel kann ein Servomotor oder ein kleiner Getriebemotor an die Platine angeschlossen werden, der von ihr mit Strom versorgt wird.

Ein Servoantrieb besteht aus einem kleinen Motor und mehreren Getrieben. Trotz des geringen Stroms (5 V) kann er daher eine beachtliche Leistung entwickeln, die zum Beispiel zum Öffnen eines Fensters ausreicht.

Falls leistungsstarke Geräte angeschlossen werden müssen, die von einer externen Stromquelle gespeist werden, gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Ein Relais in den Stromkreis einbinden.
2. Anschluss eines Leistungsschalters und eines Triacs.

Das in den Stromkreis eingeschaltete elektromagnetische oder Halbleiterrelais schließt und öffnet einen der Drähte auf Befehl des Mikroprozessors. Ihre Haupteigenschaft ist der maximal zulässige Strom (z. B. 40 A), der durch dieses Gerät fließen kann.

Was den Anschluss eines Leistungsschalters (MOSFET) für Gleichstrom und eines Triacs für Wechselstrom betrifft, so haben diese einen geringeren zulässigen Stromwert (5-15 A), können aber die Last stufenlos erhöhen. Genau dafür sind auf den Platinen PWM-Anschlüsse vorgesehen. Diese Eigenschaft wird bei der Regelung der Beleuchtungshelligkeit, der Lüfterdrehzahl usw. genutzt.

Mithilfe von Relais und Leistungsschaltern können alle elektrischen Stromkreise im Haus vollständig automatisiert und der Generator bei Stromausfall gestartet werden. Daher ist es auf Arduino-Basis möglich, eine autarke Versorgung einer Wohnung oder eines Gebäudes zu realisieren, einschließlich aller besonders wichtigen Funktionen – Heizung, Wasserversorgung, Abwasserentsorgung, Lüftung und Alarmanlage.

Möchten Sie, dass Ihr Haus intelligenter wird, aber mit Programmierung sind Sie auf “Sie”? In diesem Fall empfehlen wir Ihnen, sich fertige Lösungen von Xiaomi und Apple anzusehen, die auch für Anfänger einfach zu installieren und einzurichten sind. Und Sie können Befehle erteilen und deren Ausführung sogar von Ihrem Smartphone aus überwachen.

Mehr über das Smart Home von Xiaomi und Apple in den folgenden Artikeln:

• Xiaomi Smart Home: Planungsmerkmale, Überblick über die Hauptkomponenten und Arbeitselemente
• Apple Smart Home: Feinheiten der Organisation von Haussteuerungssystemen des „Apfel“-Unternehmens

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Beispiel eines selbst zusammengebauten Einsteiger-Bausatzes für ein “Smart Home”:

Die Offenheit der Arduino-Plattform ermöglicht die Verwendung von Komponenten verschiedener Hersteller. Dadurch lässt sich ein “Smart Home” ganz nach den Wünschen des Benutzers konzipieren. Wenn Sie also zumindest grundlegende Kenntnisse in der Programmierung und dem Anschluss elektronischer Geräte haben, sollten Sie dieses System in Betracht ziehen.

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