В статье обобщается практический опыт по разработке и изготовлению устройста автоматизации включения и выключения электрического прибора (поттера) в зависимости от уровня освещения в помещении. Описана актуальность созданного проекта, поставленная задача, приведена разработанная принципиальная схема устройства, даны физическая и программная реализация устройства, приведён пример кода.
Ключевые слова: автоматизация, веб-интерфес, контроллер Arduino Nano.
Всё больше людей хотят облегчить себе жизнь, с помощью автоматизации и интеграции функций «умного дома». В современном мире это перспективное направление и позволяет управлять устройствами различными способами — через сеть (wi-fi, ethernet, bluеtooth), по выполнению какого-то условия (наступлению определённого времени, уровня освещения, заданной температуры) или даже простым хлопком. Автоматически можно настроить климат-контроль, освещение, сигнализацию, работу бытовых приборов и т. д.
Данная статья посвящена описанию проекта по изготовлению блока управления для организации подачи электричества к нужному устройству. В качестве устройства использовался чайник-поттер. Реализация данного устройства позволит сотрудникам избавиться от рутинных действий и повысит уровень техники безопасности на предприятии.
Постановка задачи
Во время прохождения производственной практики была ситуация, что при завершении работы в одном из помещений забывали выключить электроприбор — чайник-поттер, поскольку розетка для питания была в месте, где не проходит персонал. Однако, свет и остальные приборы выключались, как и следовало.
Согласно технике безопасности, все электроприборы должны быть отключены после окончания работы. Тем более поттер, который в невыключенном состоянии мог всю ночь (или выходные) поддерживать определённую температуру воды, тратя при этом электричество (которого немало используется на кипячение) и создавая обстановку, противоречащую требованиям техники безопасности.
Цель проекта состоит в том, чтобы создать автоматизированное управление подачей электрического тока на выбранный в помещении прибор.
В помещении нет окон и имеется два источника света — 1) светодиодная подсветка доски и 2) основное освещение. Было решено, что автоматизация отключения питания будет зависеть от основного света, поскольку его не забывают отключать. Также в проект был дополнен связью по сети для регуляции управления на расстоянии посредством глобальной сети. Уже в рабочее устройство было предложено включить функции для управления кондиционером.
Реализация на физическом уровне
После получения задания была разработана схема устройства, представленная на рисунке 1.
Используемые в проекте устройства
1) Arduino Nano — это небольшая, полнофункциональная отладочная плата, адаптированная для работы с макетными платами
2) Ethernet ENC28J60 — это Ethernet модуль для микроконтроллеров, подключается по шине SPI.
Модуль проводной связи для обмена данными по протоколу Ethernet в локальных сетях систем управления и автоматики.
Рис.1. Схема проекта
GND — Заземление (земля/минус); N — нейтраль; L — Фаза; K1, K2 — первое и второй контактор реле модуля; А1, А2 — информационные выходы с фоторезистора и подстрочного резистора; 220/7.5/5/3.3 В — рабочее напряжение; S — информационный выход инфракрасного датчика(ИК)/ информационный вход инфракрасного светодиода; INT1/INT2 — управляющие выходы реле; MOSI или SI — выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In), служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому; MISO или SO — вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out), служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему; SCK или SCLK — последовательный тактовый сигнал (англ. Serial CLocK), служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств; CS или SS — выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select), как правило, выбор микросхемы производится низким логическим уровнем.
Устройство преобразует данные Ethernet в интерфейс SPI обмена данными с микросхемами. Может подключаться к Arduino. Модуль Ethernet ENC28J60 содержит физический и канальный уровни работы с Ethernet
Работу модуля обеспечивает микросхема ENC28J60-I/SO фирмы Microchip. Микросхема содержит аппаратное обеспечение протокола приема и передачи данных, MAC адрес, и протокол физического уровня в одном чипе. На плате установлен кварцевый резонатор частоты 25 МГц, розетка для подключения RJ45 — обычного кабельного соединителя Ethernet, вилка подключения SPI к внешним устройствам имеет 10 контактов, индикатор питания. Внутри розетки для подключения кабеля TCP/IP находится трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1, обеспечивающий гальваническую развязку. Розетка содержит 2 светодиода. Их свечение сопровождает обмен данными.
3) Модуль реле srd-05vdc. Электромеханическое 2-х канальное реле способно параллельно управлять 2-мя каналами, не зависящими друг от друга. С помощью такого реле станет возможным размыкание и замыкание нагрузочных цепей с напряжением до 250 В и током до 10 А.
Провода, идущие от реле, надёжно закрепляются клеммниками при помощи винтов. За счёт наличия на каждом клеммнике трёх контактов, можно выбирать для каждого канала начальное состояние: нормально разомкнутое (NO) или нормально замкнутое (NC). Модулем можно управлять, подключив его к Arduino, уровень логической «1» выводов которой равен 5 В.
Ход работы
После размышления и разработки схемы было принято решения в подборе элементной базы для будущего устройства. Все необходимые модули были куплены онлайн с последующей доставкой. Резисторы, конденсаторы и транзисторы были приобретены в узкоспециализированном радиомагазине.
Время, отведённое на доставку элементов по почте, было потрачено на изучения языка и методов программирования для Arduino и последующие написание программы. Когда все элементы были в сборе можно было приступать к пайке на монтажной плате для проверки работоспособности устройства.
Как говорилось раньше (а именно в характеристиках), то для стабильной работы модуля Ethernet Shield требуется рабочее напряжение в районе 3.3 В. Но с Arduino Nano выдаётся лишь 3 либо 5 вольт стабильного напряжения. Также у Arduino Nano по сравнению со своими более старшими аналогами (UNO/MEGA) не имеется стабильной защищенности по помехам на этих выходах.
В виду всего этого было принято решении собрать небольшой регулятор напряжения для Ethernet Sheld(a). Напряжение бралось от блока питания на прямую в схему преобразования, а далее на Shield. С помощью реостата можно было легко определить какое сопротивление необходимо для понижения напряжения до нужного.
Рис.2. Схема на монтажной плате с преобразователем напряжения
Чтобы во время многоразовой перепайки не изнашивать ножки модулей были использованы панельки. После успешной проверки работы был проведён демонтаж. После этого необходимо было составить схему в программе для последующей травли.
Была выбрана программа Sprint-Layout 6. Были учтены размеры всех модулей и при этом, как можете заметить, вышел размер в районе 10 на 15 см. Некоторые контакты не были соединены, поэтому были оставлены места для перемычек. После окончания проектирования была использована утюжная технология для переноса печатного рисунка на стеклотекстолит (перед всеми действиями его необходимо было зачистить от жиров и неровностей поверхности). Поскольку небольшая часть рисунка не была переведена на медь, то оставшаяся часть была дорисована маркером черного цвета.
Далее пошло травление. Использовалось травление раствора лимонной кислоты, соли и 3 % перекиси водорода. После травки было дорожки были зачищены и выполнено сверление отверстий под контакты и дорожки.
Рис.3. Готовое устройство
На данной плате расположены — реле, Ethernet Shield, Arduino Nano, преобразователь напряжения и сравнительный подстрочный резистор. Остальные элементы — ИК-светодиод, фоторезистор и ИК-приёмник находятся в отдельной части.
Программная реализация
Условно, код можно разделить на несколько модулей, каждый из которых выполняет свою функцию: Ethernet Shield; реле, фоторизистор и подстрочный резистор; инфракрасный (ИК)-приёмник, ИК-светодиод; веб-реализация.
Данные передаются через Ethernet Shield посредством которого идёт управление через интерфейс реле. При подключении к серверу человек видит перед собой экран приветствия и возможные варианты действий (кнопки управления). Перед получением доступа к данным функциям необходимо авторизироваться.
При нажатии на «Automation on» микроконтроллер начинает сравнивать данные с фоторезистора и построчного реистора. В результате реле либо включено, либо нет. При нажатии на кнопки «Poter ON», «Poter OFF» можно самому включать и выключать чайник-поттер не смотря на окружающую освещённость. Переменная isAuto отвечает за состояние автоматизации, а именно — использовать в данный момент источник света как ориентир включения (логическая 1) или нет (логический 0). При нажатии на каждую из кнопок в адрес страницы дописывается соответствующий ей параметр, поэтому так можно судить по параметру, какая из кнопок была нажата.
Полная стоимость изделия не будет превышать 1500 рублей. Разработанная система управления хотя и не изящна, но достаточно высокого качества. Тестирование показало полную работоспособность устройства, как автоматически, так и через веб-интерфейс. Оно внедрено и выполняет свои функции на предприятии. При изготовлении устройства не было использовано дорогостоящих комплектующих, что облегчило сборку и дало возможность собрать в домашних условиях. Разработанное устройство отличается простотой регулирования детектирования светового порога, поэтому может использоваться и в других помещениях.
Литература:
- Гальперин М. В. Электротехника и электроника. — М: ФОРУМ ИНФРА_М, 2009. — 250 с.
- Электроника и электротехника: учебник для студентов учреждений СПО / Б. И. Петхеленко, Ю. М. Иньков, А. В. Крашенинников и др. — 7-е изд., перераб. и доб. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 368 с.
- Аверкин В. П. Программирование на C++: учебное пособие / В. П. Аверкин, А. И. Бобровский, В. В. Веснич, В. Ф. Радушинский, А. Д. Хомоненко; Под ред. Проф. А. Д. Хомоненко. — Спб.: КОРОНА принт, 2009. — 256 с.
