В этой статье эксперт в области разработки и архитектуры ПО – Павел Цытович расскажет о том, как разработал умный дом и покажет готовое решение, которое успешно работает более 5 лет.
Что такое умный дом?
Когда я впервые поделился идеей об умном доме с приятелем, он сказал: «Ты что, не можешь дойти до выключателя и включить свет?». По-своему он прав — автор ленив :). Концепция умного дома как раз и состоит в том, чтобы дом управлял освещением, электроснабжением, при этом экономил ресурсы и обеспечивал безопасность. Другими словами, умный дом – это комплекс программно-аппаратных решений, направленный на повышение качества жизни проживающих в этом доме. Да, именно так, умный дом следует рассматривать как то, что делает вашу жизнь комфортнее, а не как игрушку. Поэтому, я считаю, что голосовое управление умным домом не обязательно. Умный дом должен сам реализовывать, а в будущем и предугадывать типовое поведение человека.
Паттерны поведения
С чего начать разработку много дома? Прежде всего задайте себе вопрос – зачем мне умный дом? По моему мнению, существуют четыре группы функций умного дома:
- Поведенческие паттерны – поддержка типового поведения проживающих в квартире с точки зрения использования электроприборов и освещения;
- Комфортная среда – создание комфортных условий в зависимости от условий, например, день, ночь, гости, романтический вечер и т. д.;
- Информационная поддержка – различные подсказки проживающим в квартире о погоде, пробках, текущих событиях, например, дни рождения друзей и т. д.;
- Безопасный дом – предотвращение чрезвычайных ситуаций, быстрое отключение электроприборов, функции охраны.
Рассмотрим подробнее каждый из паттернов на примере и начнем с поведенческих. Чтобы увидеть их, необходимо некоторое время понаблюдать за собой и членами вашей семьи. Важна обратить внимание на следующее: во сколько человек встает, принимает пищу, его маршрут по квартире от момента пробуждения до «отбоя». В итоге мы получаем некоторую картину, в которой важно: какие источники освещения использует человек и что ему необходимо для комфорта – включение теплого пола в ванной, мягкая подсветка, приглушенный свет ночью и т. д. Такие паттерны необходимо найти для каждого члена семьи и получить нечто среднее, что не нарушит комфорт других.
Допустим, муж встает раньше жены каждый день. Чтобы не разбудить ее, можно вместо верхнего освещения включается подсветку на потолке. В итоге были реализованы два паттерна: утро выходного дня и утро на неделе. В рамках этих паттернов умный дом сам включает в нужный момент освещение и подсказывает с помощью различных цветов потолочной подсветки, сколько времени осталось до выхода на работу. Сами паттерны запускаются умным домом на основе расчетов необходимого времени на утренние процедуры до наступления того или иного события из Google-календаря. Для этого был разработан специальный интеллектуальный будильник, анализирующий данные о предстоящих событиях.
Для создания комфортной среды также необходимо понаблюдать, какое освещение нам комфортно. В результате наблюдений я реализовал зеленую подсветку в комнатах, а в местах общего пользования верхний свет 10% от номинала, который включается и выключается по команде датчиков движения. Когда приходят гости, можно реализовать плавную смену цветов подсветки, «крутить» по телевизору видео с камином, а из аудиоколонки воспроизводить приятную музыку. И все это по одной команде из панели управления или телеграма. Кроме ночного режима я добавил яркую подсветку одновременно с включением телевизора, а гостевой режим с плавной сменой цвета подсветки.
Информационная поддержка не обязательна, но приятна. Хорошо при уходе на работу слышать, как заботливый умный дом человеческим голосом напоминает о необходимости взять зонт, потому что на улице дождь. А вечером, по возвращению домой, всегда приятно послушать спокойную музыку после долгого рабочего дня, которую включает для тебя автоматически все тот же умный дом.
И, наконец, безопасность. Базовая функция любого умного дома — обеспечение отключения освещения и приборов, когда люди уходят из дома. Что, если у вас дома любознательный школьник, который может натворить дел, пока родители на работе? Умный дом выключит все розетки, не оставив шансов на беду. Также система распознает приход родителей и включит электроснабжение во всей квартире. У меня был случай, когда я забыл выключить электроплиту и ушел на работу. И только благодаря тому, что умный дом автоматически выключил все приборы, не случилось пожара.
Архитектура
После того, как все пожелания сформулированы, можно приступать к разработке архитектуры умного дома. Здесь важно принять во внимание масштаб помещения, которым будет управлять система. Вы заранее должны определиться с топологией электрических и управляющих линий. Идеальный вариант — топология «звезда», когда к каждому потребителю идет своя линия электроснабжения, а вся управляющая электроника собрана в одном щитке рядом с классическим щитком, где установлены щитовые выключатели.
Следующий важный момент, определяющий архитектуру умного дома, это управляющие связи. Управляющие связи бывают двух видов:
- Отдельные линии связи до каждого реле, либо группа реле, управляемая по одной линии связи, например MegaD-2561. Достоинство — надежность, недостаток — высокие затраты на дополнительные линии связи.
- Управление по радиоканалу. Каждое реле управляется командой, передаваемой по радиоканалу. К достоинствам такого способа относятся простота монтажа и отсутствие дополнительных управляющих линий. Недостаток — радиосигнал, который может затухать под воздействием внешних помех, и тогда команда до реле может не дойти. В качестве примера таких реле можно привести систему Noolite, которая используется автором статьи.
Наиболее важным решением в архитектуре умного дома является схема управления — децентрализованная или централизованная. Разберем подробно каждую из них.
В децентрализованной схеме управления все устройства связываются между собой, и в системе нет единого центра принятия решения. Здесь реализуется связь «каждый с каждым». По сути это ничем не отличается от обычной схемы управления освещением, разве что выключатели и сами реле получают чуть-чуть «интеллекта» и, например, способны по таймеру выключить свет, или от одного выключателя сразу включить несколько источников света, управляемых разными реле. В такой схеме допускается наличие контроллера умного дома, который также получает уведомления о состоянии источников освещения и может в соответствии с заложенной логикой подавать команды управления на реле.
На показанной схеме видно, что команда от кнопки (Button) поступает напрямую в связанные с ней реле, однако же и эта команда передается в контроллер, который просто уведомляется о факте нажатия. В тоже самое время реле при изменении своего состояния тоже уведомляют об этом контроллер. Такая схема является абсолютно надежной, так как, в случае выхода контроллера из строя, освещение по-прежнему будет работать, но будут отсутствовать дополнительные функции. С другой стороны, такая схема менее гибкая.
Из централизованной схемы видно, что все команды поступают на контроллер умного дома, и все управление также осуществляется этим контроллером. Основной недостаток такой схемы — единая точка отказа. При выходе из строя контроллера вся система становится неработоспособной, однако, важным достоинством такого решения является большая гибкость в управлении устройствами, возможность полного изменения логики работы в зависимости от предпочтений проживающих. Исходя из того, что вероятность отказа контроллера мала (за время четырехлетней эксплуатации системы был только один серьезный отказ из-за карты памяти), автором была выбрана централизованная схема архитектуры умного дома.
Реализация
Для реализации умного дома, кроме аппаратных решений, обзор которых не является целью данной статьи, нужно выбрать программную платформу. Сейчас на рынке представлено достаточно много решений на базе свободного ПО. По мнению автора, к рассмотрению достойны следующие проекты (включены системы, с которыми автор непосредственно работал):
· Majordomo — система написана на PHP. Для программирования используется концепция объектов, их свойств и методов. Поддерживает большой набор устройств и имеет большое русское комьюнити. Хороша для быстрого старта, однако использование этой системой СУБД MySQL и архитектуры классического веб-приложения является ее существенным недостатком. Эта система была использована автором в первой версии умного дома. В качестве средства программирования логики можно использовать PHP или Google Blockly
· OpenHAB — достаточно известная система, написанная на Java. По мнению автора статьи, она сложна в настройке и обеспечении логической связи между устройствами умного дома. В качестве средства программирования логики умного дома также можно использовать Google Blockly
· Node-red — система для реализации простейшей логики умного дома, при условии, что устройства связаны по стандартным протоколам прикладного уровня (rest, mqtt и т. д.). Рекомендуется автором данной статьи для использования в простых решениях, например, охранная система, система имитации присутствия и т. д.
· ioBroker — система написана на JavaScript (Node JS). Имеет простую и грамотную архитектуру, является достаточно стабильной и поддерживает большой набор устройств. Использует простую парадигму — устройства с наборами состояний и возможностью подписки на изменения состояния. В качестве средства программирования логики умного дома можно использовать JavaScript, Google Blockly или Node-red, который вошел в состав ioBroker как отдельный компонент. Именно эта система используется автором во второй версии умного дома, запущенной с сентября 2019 года.
Сам умный дом в настоящее время реализован на базе Rapsberry PI 3 и операционной системы Rapsberrian. В качестве системы управления, как уже было сказано, используется система ioBroker. Управление освещением и электроснабжением построено на базе технологии Noolite. В качестве аппаратного дополнения используется GSM-модуль, который задействован для экстренного оповещения при отсутствии Интернета, а также как дополнительный канал управления системой по SMS с доверенных телефонов.
Логика взаимодействия между устройствами реализована на основе сценариев JavaScript, Google Blockly и Node-red.
Сценарий на JavaScript представляет собой обычную программу для NodeJS. Например, вот так реализован в умном доме автора статьи бой курантов:
Здесь код ioBroker вызывает каждый час в интервале 8:00AM-11:00PM функцию, формирующую имя файла, в котором записан бой курантов для соответствующего часа, и воспроизводит на внешнем устройстве требуемый аудиофайл.
Google Blockly позволяет писать код на визуальном языке программирования, не вдаваясь в подробности JavaScript. Например, так реализовано включение света в прихожей по датчику движения: когда солнце зашло, свет включается на 100 %, в ночном режиме — на 10% яркости:
Здесь мы видим подписку на событие изменения состояния датчика движения. Данный код будет вызван, когда состояние изменится и будет содержать «true».
Используя же Node-red, мы можем реализовывать простейшие сценарии управления. Например, в ванной комнате мы можем с помощью несложного кода реализовать управление светом от датчика движения:
В момент, когда датчик движения меняет свое состояние, происходит автоматическое выполнение блоков сценария Node-red. Когда же датчик движения посылает команду «выключение», сценарий дает задержку на 5 минут, после чего выключает свет. Если же в течении 5 минут датчик движения отправит команду «включить», задержка будет сброшена, и свет останется включенным. Обсуждение деталей реализации блоков Node-red выходит за рамки данной статьи.
Таким образом, благодаря подходу к умному дому как к системе повышающей качество жизни, автору проекта удалось воплотить свою мечту об умном доме, не испытывая серьезных экономических затрат. На момент запуска проекта для двухкомнатной квартиры затраты составили 50 000 руб (811$).
#технологии #it #умный дом
