Проект на тему «Умный дом»

Введение

Ещё недавно фраза «включи свет в коридоре», обращённая к пустой комнате, звучала бы как шутка. Сегодня в миллионах квартир её выполняет колонка с голосовым помощником, а термостат сам снижает температуру, когда хозяева уходят на работу, и снова прогревает квартиру к их возвращению. Всё это называют умным домом: системой, в которой бытовые приборы, датчики и выключатели связаны между собой и могут работать по заданным правилам без постоянного участия человека.

Идея автоматизировать жилище не нова. В 1975 году шотландская компания Pico Electronics создала протокол X10, позволявший управлять лампами и приборами по обычной электропроводке, и его продавали в магазинах электроники ещё в 1980-е годы. Однако по-настоящему массовыми такие системы стали только в 2010-е годы, когда у каждого появился смартфон, а беспроводные датчики подешевели до цены пачки печенья. Сейчас «умные» розетки, лампы и датчики протечки продаются в обычных магазинах рядом с чайниками и утюгами.

Для школьного проекта по технологии тема удобна сразу по нескольким причинам. Она объединяет электротехнику, программирование и дизайн жилища, позволяет собрать работающую модель из доступных деталей и наглядно показывает, как техника помогает экономить электроэнергию и делает дом безопаснее. Кроме того, учебные конструкторы на базе Arduino есть во многих школах, и собрать на них простую систему «умного» освещения вполне по силам семикласснику.

Цель проекта — изучить, как устроен умный дом, и разработать модель простой системы автоматического управления освещением и безопасностью для комнаты. Задачи проекта:

• изучить историю и принципы работы систем умного дома;
• рассмотреть основные подсистемы: освещение, климат, безопасность, учёт ресурсов;
• сравнить способы связи устройств и выбрать подходящий для модели;
• собрать и запрограммировать модель на базе микроконтроллера;
• оценить, сколько электроэнергии может сэкономить автоматическое освещение.

Объект проекта — системы автоматизации жилища, предмет — устройство и работа умного дома на примере управления освещением и безопасностью. Продуктом проекта станет макет комнаты с датчиками и автоматическим светом, а также памятка о том, с чего начать автоматизацию квартиры. Основные подсистемы умного дома и устройства, на которых они строятся, перечислены в таблице 1.

Таблица 1 — Подсистемы умного дома

Глава 1. Что такое умный дом

1.1. Принцип работы умного дома

Любую систему умного дома можно разделить на три части. Первая — датчики, которые «чувствуют», что происходит в доме: есть ли в комнате человек, какая температура, открыта ли дверь, не появилась ли на полу вода. Вторая — управляющее устройство, контроллер или «хаб», который получает сигналы от датчиков и решает, что делать. Третья — исполнительные устройства, или актуаторы: реле, лампы, моторы штор, электроприводы кранов. Именно они выполняют команду.

Связь между этими частями задаётся сценариями, то есть правилами вида «если — то». Например: если датчик движения в коридоре сработал и на улице темно, включить свет на две минуты. Или: если датчик протечки под раковиной обнаружил воду, перекрыть кран и отправить сообщение на телефон. Пользователь составляет такие правила в приложении, а контроллер выполняет их круглые сутки, не уставая и не забывая.

Устройства общаются между собой по проводам или по радио. Проводные системы надёжнее, но их лучше закладывать ещё при ремонте. В готовой квартире обычно используют беспроводные протоколы: Wi-Fi, удобный тем, что сеть уже есть почти в каждом доме, а также Zigbee и Z-Wave, которые потребляют очень мало энергии и позволяют датчикам годами работать от одной батарейки. В 2022 году крупные производители, среди них Apple, Google, Amazon и Samsung, выпустили общий стандарт Matter, чтобы устройства разных марок понимали друг друга без переходников и отдельных приложений.

1.2. Умное освещение и экономия электроэнергии

Освещение — самая простая и самая популярная часть умного дома, с неё чаще всего и начинают. Датчик движения в коридоре, ванной или кладовке включает свет только тогда, когда там кто-то есть, и не даёт забыть его выключенным. Датчик освещённости не позволяет лампам гореть днём, а плавное включение по утрам помогает проснуться мягче, чем резкий звонок будильника.

Деньги, впрочем, экономит в первую очередь не автоматика, а сама лампа. Умные лампы почти все светодиодные, и тут физика на их стороне: лампа накаливания отдаёт в виде света всего несколько процентов энергии, остальное уходит в тепло, поэтому её и нельзя выкрутить голой рукой. Ниже сравниваются лампы, которые светят примерно одинаково, около 800 люменов, как обычная лампа накаливания на 60 ватт.

Посчитаем на простом примере. Пусть в квартире пять ламп горят в среднем по четыре часа в сутки. Каждая лампа накаливания тратит на 51 ватт больше светодиодной, значит, за год разница составит 5 × 4 × 365 × 51 ≈ 372 000 ватт-часов, или около 370 киловатт-часов. Датчики движения в коридоре и ванной добавят к этому ещё немного, потому что именно там свет забывают выключать чаще всего.

Вторая важная задача умного дома — безопасность. Датчик дыма, подключённый к телефону, сообщит о пожаре, когда хозяева в отпуске, а датчик воды под стиральной машиной перекроет кран раньше, чем вода просочится к соседям снизу. Из всего перечисленного для учебной модели взяты как раз эти две вещи, свет по датчику движения и сигнализация.

1.3. Ограничения и риски умного дома

Бывает, что умный дом глупеет в самый неподходящий момент. Дешёвая лампа из маркетплейса часто подчиняется только серверу своей фирмы где-нибудь в другой стране: нет интернета или фирма закрыла сервис, и лампа превращается в обычную, причём включить её можно разве что выкрутив и вкрутив обратно. Отсюда совет бывалых: брать устройства, которые умеют работать через домашний контроллер без облака, и не снимать со стены привычный выключатель.

Есть и вопрос безопасности. Осенью 2016 года вредоносная программа Mirai заразила сотни тысяч видеокамер и роутеров по всему миру, у которых владельцы не сменили заводской пароль вроде admin, и с их помощью злоумышленники на несколько часов вывели из строя крупные сайты в США. С тех пор совет звучит одинаково: сразу менять пароль, ставить обновления прошивки и осторожно относиться к безымянным камерам с маркетплейсов.

И последнее: оборудовать всю квартиру разом стоит десятки тысяч рублей. Начинать стоит с того, что пригодится каждый день, — датчика протечки под раковиной, автоматического света в коридоре, умной розетки для обогревателя. Новые устройства лучше подключать к уже работающей системе по одному, проверяя, как каждое из них себя ведёт. Учебная модель в этом проекте устроена так же, от простого к сложному, и во второй главе описано, как подобрать для неё детали и написать программу для контроллера.