ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ НА БАЗЕ ARDUINO

В данной статье рассматриваются возможности модернизации освещения в помещении, а именно построение дизайна домашней интеллектуальной системы освещения на базе Arduino. Статья содержит информацию в целом о системе, использованном оборудование, фокусируется на энергосбережении, снижении затрат, повышении безопасности и упрощении обслуживания.

В настоящее время существует множество проблем в традиционной системе освещения как дома, так и офиса, среди которых наиболее значительными являются объемы потребляемой электроэнергии и качество освещения. Поэтому при проектировании систем автоматизации помещений, особое внимание уделяется реализации так называемого «умного» освещения, что реализуется для сведения к минимуму затрат на ресурсы, посредством максимального использования естественных источников света и их сочетания с внутренним освещением, регулируемым посредством микропроцессорной техники с разнообразными подключаемыми датчиками. Интеллектуальные системы освещения помещений, основанные на Arduino, используют автоматическую и плавную регулировку напряжения, с целью снижения дополнительного энергопотребления и созданию комфортных цветовых схем. Существующие системы и программные продукты позволяют автоматически управлять включением и выключением источников света, регулировать их яркость, устанавливать функцию сцены. Таким образом интеллектуальные системы управления освещением на базе arduino могут обеспечить наиболее комфортное освещение благодаря разумному управлению, а также позволяют уменьшить количество потребляемой электроэнергии.

Реализованная система управления цветовым решением помещения позволит просто и удобно изменять тональность светового потока и его интенсивность, как непосредственно через приложение, так и в автоматическом режиме при поступлении данных от внешних датчиков. Проект включает в себя wi-fi модуль, устройства для управления цветом и датчики освещенности. Не мало важной задачей при реализации такого проекта становится внешнее оформление осветительной системы, будь то лампы или дизайнерского светильника с разнообразной цветовой гаммой, с возможностью адаптации под различную деятельность пользователя в течение всего дня. Актуальная значимость выбранной темы обусловлена тем, что представленные на рынке системы достаточно дорогостоящие и подчас не отвечают всем требованиям, предъявляемым к ним.

Контроллер вместе с различными датчиками размещаются внутри помещения, при этом последние отслеживают параметры и передают их пользователю. Микроконтроллер не несет ответственности за сбор данных, он отвечает только за передачу данных, собранных каждым узлом, на систему через сеть связи. Arduino отвечает за прием и обработку данных, а также передает эти данные на ЖК-дисплей для отображения в соответствии с соответствующими атрибутами данных, а затем загружает их клиенту дата-центра через сеть связи. Интеллектуальная система освещения имеет автоматическую яркость. Функция регулировки помогает пользователю регулировать яркость внутреннего освещения в любое время для достижения наиболее комфортного светового эффекта. В то же время люди могут удаленно регулировать: освещение, яркость и переустанавливать сцены. Такой режим работы позволяет избежать траты ресурсов ламп, и экономить электроэнергию. Для достижения дистанционного управления освещением необходимо иметь программно-аппаратные средства, они должны обрабатывать сигналы, приходящие с датчиков, а далее подавать определенный сигнал на устройства исполнительного характера. Исходя из данной задачи, будет рассмотрен комплекс аппаратно-программных средств на базе Arduino. В проекте будет рассматриваться светодиодная лента на основе контроллера ws2812 и её управление будет осуществляться через WEB интерфейс.

Светодиодная лента на базе контроллера WS2812 отлично подходит для реализации данного проекта, особенно когда она используется в дизайне интерьеров, позволяя достичь определенных световых эффектов. WS2812 представляет из себя некоторое количество последовательно включенных в цепь светодиодов со встроенной микросхемой WS2812 тем самым она управляет RGB. Светодиод не имеет своего определенного адреса, но присутствует контроллер, который позволяет посылать определенную пачку пакетов по 24 бита нужной последовательности светодиодов, тем самым каждый светодиод по очереди забирает свой пакет, а остальное пересылает дальше по цепочке. Такая их работа позволяет управлять каждым светодиодом в отдельности.

На начальной стадии разработки используется декоративная подсветка, при этом принципиальным являлся тот факт, что управление производилось с компьютера, так что бы потом это всё можно было реализовать в следующих проектах на Android приложение сначала на внутреннем ip адресе, а потом на внешнем. Для реализации проекта самым очевидным и оптимальным было применение ESP8266 и запуск на нем WEB интерфейса, удобство в этом даёт то что это кроссплатформенно, без проводов и можно управлять с любого устройства, удаленно не используя прямого подключения проводами к управлению светодиодной ленты.

Железная часть

Комплектующие:

светодиодная лента WS2812B (model:BTF-5V-60L-B);

в качестве контроллера у нас будет использоваться ESP8266 собранная на китайском аналоге MODEMCU;

небольшого размера макетная плата подходящего размера;

470 Ом резистор;

клеммы и гребенка 2.54м -  для удобного подключения;

блок питания 5V 2A — можно взять зарядное устройство от смартфона;

провода нужной длины и сечения, и разъемное соединение.

Сборка конструкции не должна вызвать трудностей, необходим резистор 470 Ом на шину данных.

Гребенки для подключения ESP8266 и макетная плата нужна для упрощения и удобства подключения. Блок питания можно было бы припаять на прямую, но мы будем использовать красивое подключения используя разъёмные соединения для удобства и красоты.

Блок питания огромной мощности не нужен так как светодиодная лента не большой длины, то хватит 2ампера и при этих параметрах блок не должен греться. Для проверки на столе будет использоваться лабораторный источник питания. По правилам подключаем питание к модулю и ленте 5V – 2A. Главное не пропускайте и не подавайте ток через micro USB контроллера, который находиться на плате MODEMCU. Подключение будет производиться через разъемные соединения не используя пайку. Так же светодиодную ленту можно наклеить на вертикальный цилиндр и будет цилиндрическая подсветка, то тогда нужно будет резать ленту на куски и приклеивать на двухсторонний скотч или клей к цилиндру. Обязательное условия соблюдения правил при подключении светодиодной ленты не путая направление светодиодов, что бы не было проблем при подключении и запуска проекта. Первую проверку можно произвести в тестовом режиме используя стандартный набор полной заливки светодиодной ленты указав количество светодиодов. В данном примере будет использоваться 256 светодиодов RGB и установлено в виде матрицы 16х16 что позволит компактно показать визуальную работу светодиодной ленты.

 Программная часть

Для разработки программной части будем использовать программу Arduino IDE 1.8.19 - Программное обеспечение Arduino с открытым исходным кодом (IDE) позволяет легко писать код и загружать его на плату.  Которая применяется для создания скетча. Так же в программе есть готовые драйвера для подключения esp8266 и библиотеки с набор инструментов для программирования ESP8266. Это программное обеспечение можно использовать с любой платой Arduino.

Цветовая глубина задаёт количество байт, которые занимает цвет одного светодиода и, может быть, от 1, 2 и 3 байта (8, 16 и 24 бита на один светодиод соответственно). Все остальные библиотеки используют 24-битную глубину цвета, в micro LED её можно уменьшить для экономии памяти. При уменьшении цветовой глубины пропорционально уменьшается вес ленты в оперативной памяти, но в то же время ухудшается цвет: на эффектах с плавными переходами цвета будут заметны границы между оттенками. Настройка цветовой глубины задаёт работу всей библиотеки и делается при помощи дефайна COLOR_DEBTH

Гамма коррекция ещё одна настройка, которая делается дефайном и влияет на всю библиотеку сразу. Гамма коррекция позволяет получать более естественные цвета и их смеси, а также более приятные глазу переходы яркости и реализована 4мя способами.

Режим буфера при инициализации указываем длину ленты, внутри библиотеки будет создан буфер типа mData

Само собой, массив занимает место в оперативной памяти микроконтроллера пропорционально длине ленты. Забив буфер цветами, светодиодная лента обновится с максимально возможной скоростью.

Режим потока – в этом режиме буфер не создаётся.  Количество светодиодов указываем 0, оперативная память не будет занимается, генерируем цвет пикселей для передачи цвета и нужное количество раз и завершить вывод вызовом.

Тут есть некоторые ограничения: между вызовами должно пройти не более 50-300 мкс в зависимости от модели светодиодной ленты, иначе вывод сбросится. Для экономии времени можно заранее посчитать цвет перед выводом.

Для генерации света с цветом есть библиотека из нескольких инструментов, возвращающих тип данных mData для отправки на ленту или в буфер.

Тип данных, который олицетворяет цвет светодиода в формате RGB. В зависимости от выбранной цветовой глубины.

Список литературы:

1. Авдеев А. С. Разработка систем автоматизации жилых и офисных помещений «Умный Дом»: сб. науч. тр. / «Катановские чтения» - 2017». 2017. — с. 142-143.
2. Блум Дж. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства. СПб.: БХВ-Петербург, 2016. — 336 с.
3. Кнорринг Г.М. Осветительные установки. Л.: Изд-во Энергоиздат, 2016. — 288 с.
4. URL: https://www.arduino.cc/
5. URL: https://github.com/arduino/Arduino/