С чем едят Arduino Uno

Все Arduino Uno одинаковы, так что текст не столько про то, что мне пришло, сколько про то, что из него получилось и как с помощью двух резисторов, конденсатора и зубочистки имитировать пульт радиовыключателей. Т.е. похвастаться и, если повезет — поделиться идеями.

Вместе c Uno заказал: Ethernet-шилд со слотом microSD (Wiznet W5100), комплект из двух блоков по 4 реле в каждом, два комплекта простейших OOK/ASK приемников и передатчиков. Ну и проводочки, куда без них?

В двух словах. Игрушка потрясающая, и уже понимает мои команды через интернет, апп в смартфоне и голосовые команды в нем же.

ps. Текст пишу уже почти месяц (можете представить, сколько там всякой фигни), надеюсь, что читать будете меньше, но на всякий случай запасайтесь попкорном.

АПДЕЙТ 30.10.2013

Для тех, кому интересно: полностью поменялась процедура управления выключателями Livolo. Теперь все оформлено в виде отдельной библиотеки Livolo с возможностью имитации множества пультов (методом проб и ошибок).

Скачать:
Библиотека управления выключателями Livolo с помощью Arduino



Сначала сразу о покупках и впечатлениях о продавце.

ПОКУПКИ

Упаковка — коробка из плотного картона, обмотанная традиционным желтым скотчем. Ниток и кожзама нет, поэтому ничего не торчит и не пахнет. Внутри коробки все уложено довольно плотно, и без дополнительной защиты/амортизации. Плохо или нет — не знаю, доехало целым.



Arduino Uno

Что характерно, на плате надпись Arduino, хотя у продавца картинка c Funduino. С другой стороны, я все равно оригинал от копии не отличу. Да и не надо это — функционально они идентичны.







Ethernet-шилд Wiznet W5100, $9.87

Удобно, что он без проблем встает на посадочные места Uno. Что касается слота SD, то это вещь с одной стороны полезная, с другой стороны — для меня пока абстрактная, поскольку до ее рабочего применения я еще не дошел.







комплект из двух блоков по 4 реле, $13.88 за комплект

Как видите, реле уже с управляющим каскадом на борту, поэтому управляются Arduno напрямую, без дополнительных компонентов. Достаточно общей земли и цифрового выхода контроллера. Каждое реле можно использовать в режимах NO/NC (нормально разомкнут/замкнут). И у каждого реле — светодиод-индикатор включения.







Питать от выхода Arduino, несмотря на совпадение напряжения (5В) мне кажется не лучшей идеей, поскольку на одно реле заявлен ток порядка 80 мА. Так что если включить все четыре, то получится под 400 мА, а это для встроенного стабилизатора уже слишком. Резюме — управлять можно с Arduino, а вот для питания катушек реле нужен отдельный источник (ну, в том или ином виде).

Зачем мне 8 реле? Я не был уверен, что разберусь с управлением по радиоканалу, поэтому рассчитывал на то, что прицеплю реле к кнопкам существующих пультов ДУ. Восемь каналов на первое время должно было хватить. К тому же, под этот проект уже было готовое решение Eight Control.

комплект из двух пар приемник-передатчик, $5.99 за комплект

Очень спартанские вещи. Передатчик, если я правильно понял, состоит практически из резонатора и ВЧ-транзистора. В приемнике вместо транзисторов усилитель. Поставляются без антенн, так что пришлось заняться творчеством и сделать из проводочков требуемое. Для диапазона 433 МГц длина антенны — около 17,3 см. Для экономии места можно свернуть в трубочку, но это же ухудшит характеристики.

Передатчик:





По субъективному ощущению, передатчики неплохие. По крайней мере, при своих 5В питания они довольно надежно переключают все, что я хочу. И делают это явно лучше, чем штатные пульты розеток при 12В питания.

Приемники ничем выдающимся не отличаются. Сигнал «своего» передатчика принимают на отлично, но, скажем, метеостанцию четко видят только если беспроводной датчик положить рядом с антенной.

Приемник:





макетные проводочки мама-папа. Две «ленты» по 40 штук длиной по 20 см. $8.68 за комплект.

ОСОБЕННОСТИ КИТАЙСКОЙ ТОРГОВЛИ

Будьте внимательны, у продавцов на Aliexpress есть очень нехорошая привычка писать в названии продукта что-то вроде 2pcs, что как бы намекает, что это две штуки наименования за указанную цену. Но это немного не так, и сделано для стимуляции импульсивных покупок.

Например, в описании платы Arduino Uno написано, что «UNO R3 MEGA328P ATMEGA16U2 + USB Cable (1UNO R3 + 1 cables) Best prices & Free shiping !!!», указана цена $9.98 и добавлено, что это lot (2 pieces/lot).

На первый взгляд кажется, что это ДВЕ (profit!!!) платы Arduino Uno. Но по факту за 2 pieces/lot скрывается именно то, что написано в названии и, чуть ниже в описании (к чести китайцев — огромными буквами). Именно:

— Arduino Uno — 1 штука
— USB-кабель — 1 штука
Итого: ДВЕ штуки

Т.е. в данном случае один лот — это плата + кабель. Извиняет продавца разве что то, что цена средняя по рынку.

Что еще мне не понравилось в этом заказе. Из комплекта двух реле пришел лишь один блок. Продавец отвечает вяло, долго, но в конце концов согласился выслать второй блок.

В остальном все терпимо. Доставка заняла примерно месяц, упаковка — довольно жесткая картонная коробка, обмотанная скотчем. Внутри все в антистатических пакетиках, плата Ethernet-шилда наколота на полипропиленовые (?) подушечки, чтобы не гнулись контакты.

Доехало все в лучшем виде. Но с учетом какой-то заторможенности продавца, да и еще реле этих, не думаю, что буду у него еще что-то покупать.

ЧТО И ЗАЧЕМ

По моим наблюдениям, 90% покупающих Arduino, мигают лампочками или крутят моторчики. Я отношусь к первой категории, а поскольку дома четыре радиорозетки и столько же радиоуправляемых выключателей света, понятно, чем я собрался управлять.

Это объясняет и комплект:

— Arduino — центральный контроллер
— Приемник — для обучения командам
— Передатчик — трансляция команд на радиорозетки и выключатели
— Ethernet-шилд — управление по LAN/WAN
— Реле — на всякий случай, как исполнители, если не удастся прочитать команды пультов. Тогда пульты можно просто припаять к реле и закрыть вопрос с обучением командам.

Мое ТЗ на систему вкратце выглядит вот так:

1) управление безымянными радиорозетками и выключателями света Livolo через браузер на любом компьютере/смартфоне/планшете в домашней сети

2) Удаленное управление -//- через интернет

3) Управление (пп. 1 и 2) через апп

4) Голосовое управление (пп. 1 и 2) с помощью смартфона

5) Автоматический рестарт модема, если нет соединения с интернетом и уведомление об этом через почту/Твиттер

6) Дистанционное включение и выключение веб-камеры

7) Перспективные функции управления: автоматическое управление светом с помощью датчиков движения и освещения

8) Перспективные функции контроллера: получение данных с беспроводного датчика метеостанции, функции охранно-пожарной сигнализации

ЧТО ПОЛУЧИЛОСЬ

Теперь вкратце итоги.

Вот так выглядит готовая коробочка с Arduino в интерьере:



Вот так — отдельно:







Пульт ДУ на смартфоне:



Текущий функционал:

1) Управление четырьмя радиорозетками и четырьмя выключателями Livolo

а) Через браузер
б) Через апп в смартфоне
в) Через голосовое управление в смартфоне

2) Автоматический/ручной рестарт модема/маршрутизатора, если нет интернета

3) Дистанционное включение/выключение домашней веб-камеры

4) Автоматическое включение/выключение света в гардеробе по беспроводному датчику открытия двери (работает почему-то нестабильно, но я не разобрался почему)

5) Предупреждение о протечках (беспроводной датчик протечки)

6) Возможность подключения дополнительных беспроводных датчиков задымления, открытия дверей, движения и протечки от обычных китайских сигнализаций

8) Уведомление по e-mail о том, что кто-то звонит в звонок входной двери

7) Уведомление о важных событиях по e-mail

Скетчи:

1) Тестовый скетч для управления выключателями Livolo

2) Скетч с почти полным функционалом (без звонка и небольших оптимизаций), как образец (уведомления через Twitter закомментированы — экономлю память и скорость, но можете попробовать включить)

УПРАВЛЕНИЕ РАДИОРОЗЕТКАМИ

В первую очередь я, понятно, помигал встроенным в Arduino светодиодом на всем известном пине #13, а потом прицепил к плате приемник и воспользовался отличной библиотекой RC-Switch, которая умеет читать и передавать команды пультов управления радиорозетками. Получилось все с первого раза и без вопросов.

Для проверки подключил к Arduino передатчик и немного помигал домашним светом, подключенным через радиорозетки. Следующим номером попробовал прочитать коды пульта освещения, но затея провалилась: RC-Switch не смог принять команды Livolo.

Радиорозетки вот такие:

УПРАВЛЕНИЕ РАДИОВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ

Речь идет о радиовыключателях Livolo, приобретенных около года назад и замечательно описанных Online_buyer.

Я не особенно надеялся на собственный интеллект в решении этой проблемы, так что сначала попробовал самый простой способ.

Одна из идей была аналогична тому, как давным давно поступали с сигналами ИК-пультов. Т.е. записать сигнал в качестве звука и потом его воспроизводить. Но выяснилось, что Arduino не обладает достаточной производительностью для воспроизведения звука с необходимым качеством, хотя для платформы существует WAV-плеер и воспроизведение действительно работает (для этой цели очень кстати пришелся слот SD на Ethernet-шилде).

Поэтому я перешел к следующему пункту программы. А именно — решил попробовать повторить форму сигнала, не вдаваясь в декодирование. Исходил из того, что в пультах стоят PIC16F690, т.е. примерно такие же по производительности кристаллы, что и у меня в Arduino и обычный OOK/ASK передатчик (PT4450). Из этого я сделал вывод, что если правильно посчитать длину импульсов в команде, то шансы повторить ее довольно высоки: модуляция совпадает, скорость микроконтроллера, несмотря на высокоуровневое программирование, — тоже.

Так что подключил приемник через делитель к микрофонному входу ноутбука, запустил Audacity и несколько раз, с интервалом в 2-3 секунды нажал одну и ту же кнопку на пульте. Это было нужно, чтобы убедиться в идентичности команд, или понять, что команды меняются и без декодирования задача не решается.

Начало передачи определяется довольно легко даже при минимальном масштабе. Если чуть увеличить — уже можно прикинуть длину командного пакета: около секунды. Причем в отличие от пультов розеток, здесь нет четко выраженных пауз синхронизации, разделяющих повторяющиеся команды.



При увеличении начинает прослеживаться хорошо заметный шаблон команды. Это первая удача. Вторая удача заключается в том, что команды в пакете совершенно идентичны, и при последующих нажатиях на кнопку никаких изменений не происходит. Вот на этом месте можно немного выдохнуть — динамического кода нет, значит, жить проще.



Видно, что в данном случае физический уровень представлен пятью различными импульсами (длинный вниз, короткий вверх, короткий вниз, средний вверх, средний вниз). Повторюсь, про логику я ничего не знаю, моя задача — имитация сигнала в радиоканале.

Поэтому на следующем шаге последовательно увеличивал каждый интересующий меня импульс и буквально на глаз определял его длительность по линейке Audacity. В качестве вспомогательного инструмента можно использовать ProtocolAnalyzer, но там сигнал выглядит немного по-другому, и длину самого короткого импульса с ним прикинуть не удалось. Зато по относительно длинным импульсам (от 300 мксек) есть шансы посмотреть ориентировочные величины, которые помогают при расшифровке в Audacity.



Здесь красным и синим выделены возможные границы импульсов, причем истина также может быть где-то между, потому что в цифровом сигнале фронты вертикальные, а здесь — косые из-за особенностей аналоговой передачи.

Для примера смотрим на длинный вниз, ориентируемся по красным линиям. Получается: 2,11680 — 2,11624 = 0,56 мс. Умножаем на 1000 и получаем 560 микросекунд. Я это округлил до 550. Кстати, округление — тоже на глаз, в пределах разумного. Т.е. 10 мксек можно округлить, а вот 50 — уже чревато тем, что принимающая сторона не поймет.

После того, как прикинул длины импульсов, записал их последовательность в «сыром» виде. То есть — если вверх короткий, значит так и пишем — “вверх короткий”, а не “1” или “не знаю, что за хрень такая, вроде и не ноль, и не единица”. В этом деле очень, кстати, помогает зубочистка, которой удобно указывать на импульсы, потому что иначе у меня просто глаза в кучку собираются при попытке пересчитать пики и спады.

Когда есть длины импульсов и их последовательность, написал простой код для Arduino, подключил передатчик, и передал сигнал. Одновременно записал его через описанную выше конструкцию в Audacity, чтобы сравнить два пакета — оригинальный Livolo и только что сгенерированный. Лампочка не среагировала, зато в Audacity стали заметны расхождения между длительностью импульсов, которые я снова подкорректировал на глаз.

В целом, такая корректировка может происходить до полного удовлетворения. Но мне повезло: буквально на второй итерации я оказался в полной темноте, т.е. свет выключился по сигналу уже моего передатчика, подключенного к Arduino.

Осталось только записать в Audacity сигналы всех нужных кнопок, переписать их последовательности импульсов и, в общем, все.

Вот тестовый код для Livolo с командами одиннадцати кнопок моего пульта (0 — 9 и «Выключить все»). Так как выключатели Livolo обучаются, думаю, можно их запросто обучить этим командам — нужно только перевести выключатель в режим обучения, и «нажать» нужную кнопку.

УПРАВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ СЕТЬ И ИНТЕРНЕТ

Теперь все готово к следующему шагу — то есть, управлению.

За основу я взял скетч в котором комбинируется RC-Switch и классический веб-сервер для Arduino, все у того же автора RC-Switch.

Его можно адаптировать как угодно, поэтому я немного расширил функционал. А именно — добавил контроль соединения с интернетом, перезагрузку модема, если интернета нет и уведомление через почту/Твиттер об этом удивительном факте. Строго говоря, это экспериментальные функции, особенно Твиттер, но почта имеет двойной смысл: дело в том, что mail.ru включает в заголовки IP-отправителя. Это очень актуально потому что у меня дома веб-камера, которую я бы хотел смотреть, например, в отпуске. Но иногда дома выключают электричество, или модем просто зависает, а при перезагрузке меняется его адрес, так что «кино» заканчивается. Поэтому уведомление по почте автоматически дает мне новый внешний IP.

Другие изменения — практически полное избавление от секции HTML, потому что если писать в ней все команды для простого управления через браузер, Arduino в какой-то момент зависает еще на старте. Я решил, что это из-за ограниченных ресурсов Arduino, и не стал вдаваться в этот вопрос. Поэтому получилось, что управлять через браузер можно, но команды необходимо вводить в строке адреса. Например: 192.168.1.1/?1-on.

Если будете повторять — обратите внимание, что браузеры имеют обыкновение кешировать странички. В результате управление в какой-то момент перестает работать и помогает только очистка кеша.

Первые два пункта ТЗ считаем выполненными.

УПРАВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ АПП НА СМАРТФОНЕ

У меня смартфон с Android, для которого есть замечательный апп Tasker. Именно его я и хотел использовать для автоматизации.

Прелесть Tasker еще и в том, что сценарии и диалоги, созданные в нем можно экспортировать в самостоятельное приложение, которое устанавливается на девайсы с Android точно так же, как и любой другой апп. Иными словами, плюс в том, что не нужно покупать Tasker для каждого телефона и планшета: достаточно всего одной полнофункциональной версии, чтобы развернуть управление на всех гаджетах.

Процедура такова:

1) Методично создаем новые задачи Tasks в категории Net — GET request. В параметрах запроса нужно только одно: заполнить строчку адреса полной командой. В моем случае, к примеру, 192.168.1.1/?1-on.



2) Открываем редактор сцен Scenes, и там добавляем нужные кнопочки, не забыв назначить на короткое нажатие одну из ранее созданных задач.







3) Создаем служебные задачи: Show Scene и Destroy Scene, они потребуются, чтобы открывать и закрывать виртуальный пульт ДУ. В принципе, можно обойтись без Destroy, нужно только в Show Scene убедиться, что включена опция кнопки выхода.







Вот, в общем-то, и все. Таким образом реализуется третий пункт ТЗ: управление через апп на смартфоне.

ГОЛОСОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ СМАРТФОН

Для четвертого пункта я воспользовался еще одним замечательным аппом — Utter! Voice Commands Beta, поскольку он интегрируется с Tasker и может выполнять его задачи по голосовой команде.

Но настройка требует просто ангельского терпения. Процедура простая: несмотря на требование Utter! устанавливаем русский язык голосового поиска Android. Потом открываем интерфейс Utter! (важно — не распознавание команд, а интерфейс программы) — Customisation — Create commands — Run Tasker Task — выбираем задачу и пытаемся два раза подряд одинаково произнести команду. Если получилось — не расслабляемся и говорим еще два слова: для успешного выполнения команды и ошибки.







Если Utter! совсем не понимает, то движок поиска можно оставить английским и найти любое слово/фразу, которое можете произнести два раза подряд одинаково. Это же касается сообщений для подтверждения и ошибки. Потом просто идем в пункт Edit commands и заменяем тексты на нужные. Только помним, что Utter! не умеет говорить по-русски, и поэтому сообщения о подтверждении и ошибке лучше записать по-английски или транслитом.





Да, не пугаемся, когда Utter! при повторении команды на русском не проговаривает ее. Это, опять же, следствие того, что апп не умеет пользоваться русским голосовым движком.

В общем, задача муторная, но решаемая.

МАЛЕНЬКИЕ ХИТРОСТИ

Для пунктов 5 и 6 ТЗ я воспользовался блоком реле, а не беспроводными розетками, поскольку модем, камера и Arduino можно расположить друг рядом с другом.

А чтобы не резать провода штатных сетевых адаптеров, подключил питание модема и камеры через разъемы, коммутируемые реле. Всего получилось две пары разъемов, при этом с разъема камеры (5В) я беру питание для блока реле, передатчика и приемника, а с разъема модема (9В) — для Arduino. Это позволяет минимизировать количество сетевых адаптеров, иначе ниша для всякого такого оборудования рискует превратиться в что-то с блекджеком и, да, вы поняли.

В итоге коробочка с Arduino выглядит вот таким образом. Передатчик просто замотал изолентой, чтобы он там чего не закоротил ненароком. Мне это показалось более разумным, чем заливать термоклеем. В финальной версии рядом лежит и приемник, точно так же замотанный изолентой.

СПАСИБО КИТАЙСКИМ СИГНАЛИЗАЦИЯМ

По секрету: это фрагмент текста относится уже к третьему, так сказать, поколению функционала моей коробочки. Первое — управление радиорозетками. Второе — неожиданная возможность управления радиовыключателями.

А это поколение относится к удивительному открытию. Оказывается, дешевые китайские беспроводные сигнализации комплектуются датчиками, которые с точки зрения уже известной нам библиотеки RC-Switch ничем не отличаются от пультов ДУ с одной кнопкой. Т.е. внутри датчика стоит кодирующая микросхема, которая выдает уникальную последовательность нулей и единиц, и передатчик, который все это счастье выплевывает в эфир.

Не спорю, вероятно, есть и другие варианты, но у меня подозрение, что эта технология — основная.

По этому поводу я купил пару разных датчиков (открытия двери и протечки), чтобы сравнить их внутренности и попробовать подключить к Arduino. После вскрытия выяснилось, что внутренности совершенно идентичны, а после экспериментов с контроллером — что RC-Switch великолепно принимает их сигналы.

Слева датчик протечки, справа — датчик открытия двери.



Настолько похожи, что из одного можно сделать другой:





Еще одним не менее удивительным открытием стало то, что беспроводные дверные звонки работают по этому же принципу. А это значит, что Arduino сможет предупреждать о том, что кто-то звонит в дверь. Полезно, кстати, во многих случаях: во-первых, просто статистика; во-вторых, удобно если дома громкая музыка или просто сели батарейки во внутреннем блоке звонка.

Звонок я, если честно, даже не открывал. Просто считал код в RC-Switch, и добавил его контроль к функционалу коробки.

Если будете использовать подобные датчики, помните о некоторых важных особенностях. Во-первых, сигнал передается однократно. Во-вторых, обратной связи нет, поэтому датчик не знает, был ли принят его сигнал. Поэтому «разработчики» датчиков подстраховались следующим образом: датчик выдает исключительно длинную «трель» — около 2 секунд. В принципе, это гарантирует прием сигнала, но имеет свои недостатки:

1) В исключительно редких (помним про закон подлости) ситуациях, когда одновременно срабатывает несколько датчиков, кто-то потеряется;

2) Длительная передача может стать помехой для других беспроводных систем;

3) Та же длительная передача накладывает ограничения на скорость обработки событий Arduino. Например, чтобы избежать двойного срабатывания от одного и того же датчика, приходится на пару секунд приостанавливать прием сигналов от внешних датчиков.

По итогам два имеющихся датчика используются следующим образом: датчик протечки — под раковиной на кухне, датчик открытия двери контролирует открытие раздвижных дверей гардероба, а по его сигналу Arduino включает/выключает свет внутри.

Сейчас планирую заказать еще датчиков и расширить таким образом их сеть. При этом, разумеется, понимаю, что это не настоящая охранно-пожарная сигнализация, а, скорее, информационный комплекс. Кстати, чтобы это было больше похоже на ОПС, для критически важных датчиков необходимо выделить собственный контроллер, у которого будет двусторонняя связь с базовым блоком, обрабатывающим события.

Таким образом считаю, что пункты ТЗ 7 и 8 по большей части закрыты.

И ТО, ЧТО НЕ

По моей метеостанции пока пессимистично. С одной стороны, удалось понять, что в сигнале отвечает за температуру и влажность. С другой — скетчи, которые я нашел, станцию не поняли, а я не понял, как их модифицировать. О том, чтобы написать свой скетч, речь пока даже не идет.

С третьей стороны, пока не совсем понимаю, зачем бы мне это понадобилось, кроме как «чтобы было».

СКОЛЬКО СТОЯТ КАПРИЗЫ

Я, как не знаю кто, расходы не записывал, поэтому расчет примерный. Датчики, выключатели и розетки в него не включены, стоимость только центрального блока.

1) Arduino Uno: $9,98
2) Ethernet shield: $9,87
3) Блок из 4 реле: $6,94
4) Пара приемник/передатчик: $3
5) Один комплект макетных проводов: $4,34
7) Корпус, кажется, G1037B (да, в Чип и Дипе ценник конский): $10
8) Штекеры NP117A, 7 штук: $9,3
9) Гнезда для штекеров, 4 штуки: 5,3
10) Двужильный провод, 3 м (ну, он еще остался, конечно): $2,2

ИТОГО, грубо: $61

Для справки: розетки стоят примерно $50 за три штуки, радиовыключатели — $23 за штуку, датчик открытия — $5, датчик протечки — $7.

Спасибо за внимание )