In diesem Artikel werden wir die Erfahrungen bei der Entwicklung und Implementierung eines Smart Homes in einer Zweizimmerwohnung überprüfen. Hier wird der Standpunkt des Autors zum Ansatz für das Design und die Entwicklung eines Smart Homes sowie eine schlüsselfertige Lösung vorgestellt, die seit 4 Jahren erfolgreich funktioniert.Willkommen bei denen, die ihr Zuhause schick machen wollen.Was ist ein Smart Home? Wir werden uns von offiziellen Definitionen entfernen und sie aus Sicht des Verbrauchers betrachten. Als der Autor seinem Freund zum ersten Mal seine Ideen für ein intelligentes Zuhause mitteilte, sagte er: „Können Sie nicht zum Schalter gelangen und das Licht selbst einschalten?“ Auf seine Weise hat er Recht - der Autor ist faul (ein Witz). Die Idee eines Smart Homes besteht genau darin, dass er selbst Manipulationen durchführt, um die Beleuchtung und die Stromversorgung zu steuern und gleichzeitig Ressourcen zu sparen und die Sicherheit zu gewährleisten. Ein Smart Home ist daher ein Komplex von Software- und Hardwarelösungen, die darauf abzielen, die Lebensqualität der Bewohner des Hauses zu verbessern. Ja, das stimmt, ein Smart Home sollte als das angesehen werden, was Ihr Leben komfortabler macht, und nicht als großes und teures Spielzeug. In diesem Konzept erkennt der Autor des Artikels die Sprachsteuerung eines Smart Homes als unnötig und betrachtetWas ein Smart Home realisieren und in Zukunft auch typisches menschliches Verhalten vorwegnehmen sollte.Verhaltensmuster
Wo soll ich anfangen, wenn Sie an ein Smart Home denken? Mit der Wahl der Technologie eine zentrale Steuerung? Nein und wieder nein. Stellen Sie sich zunächst die Frage: Warum brauche ich ein Smart Home? Was wird er für mich tun? Laut dem Autor des Artikels gibt es vier Gruppen von Funktionen, die ein Smart Home bieten kann:- Verhaltensmuster - Unterstützung für das typische Verhalten in einer Wohnung in Bezug auf den Einsatz von Elektrogeräten und Beleuchtung.
- Komfortable Umgebung - Schaffung von Komfort in Abhängigkeit von den Bedingungen, z. B. Tag, Nacht, Gäste, romantischer Abend usw.
- Informationsunterstützung - verschiedene Tipps für in der Wohnung lebende Personen zu Wetter, Stau, aktuellen Ereignissen wie Geburtstagen von Freunden usw.
- Sicheres Zuhause - Notfallverhütung, schnelles Abschalten von Elektrogeräten, Sicherheitsfunktionen.
Alle diese Funktionsgruppen sollten sorgfältig durchdacht und mit allen Bewohnern der Wohnung abgestimmt werden. Erst danach können wir über die Gestaltung eines Smart-Home-Systems sprechen. Wir zeigen ein Beispiel für ein solches Design am Beispiel der Smart-Home-Funktion des Autors des Artikels.Beginnen wir also mit Verhaltensmustern. Um sie zu sehen, müssen Sie sich und Ihre Familie einige Zeit beobachten. Im Rahmen von Beobachtungen zeichnen wir auf: Wann steht ein Mensch auf, nimmt er immer zur gleichen Zeit oder in einem bestimmten Intervall Essen, den Weg durch die Wohnung, vom Aufwachen bis zum Verlassen des Hauses, den Weg durch die Wohnung vom Moment seiner Ankunft bis zur Endzeit. Als Ergebnis erhalten wir ein Bild, in dem es für uns wichtig ist: Welche Art von Lichtquellen eine Person verwendet, was sie für ein angenehmes Leben benötigt - die Einbeziehung eines warmen Bodens im Badezimmer, sanfte Beleuchtung, schwaches Licht in der Nacht usw. Solche Muster müssen für jedes Familienmitglied gefunden werden und etwas dazwischen bekommen, das den Komfort anderer nicht stört. Angenommen, ein Ehemann steht jeden Tag früher auf als seine Frau.Um Ihre Frau nicht aufzuwecken, können Sie anstelle der Deckenbeleuchtung fünf Minuten lang ein schwaches grünes Licht an der Decke einschalten und dann ausschalten (nach Erfahrung des Autors beeinträchtigt ein schwaches grünes Licht nicht den Schlaf anderer Personen). Als Ergebnis wurden zwei Muster realisiert - der Wochenendmorgen und der Morgen der Woche. Im Rahmen dieser Muster schaltet das Smart Home selbst die Beleuchtung zum richtigen Zeitpunkt ein, das Radio schaltet sich aus und zeigt anhand verschiedener Farben der Deckenleuchten an, wie viel Zeit noch vor der Arbeit verbleibt. Die Muster selbst werden vom Smart Home auf der Grundlage von Berechnungen der erforderlichen Zeit für die Morgenvorgänge vor dem Einsetzen eines Ereignisses aus dem Google-Kalender gestartet. Zu diesem Zweck wurde ein spezieller intelligenter Wecker entwickelt, der Daten über bevorstehende Ereignisse analysiert.Um eine angenehme Umgebung zu schaffen, muss auch beobachtet werden, welche Art von Beleuchtung für uns angenehm ist, wenn wir nachts in die Küche gehen. Schalten wir jeden Tag morgens oder nur am Wochenende den warmen Boden ein. Welche Art von Beleuchtung stellen wir ein, wenn wir fernsehen? Infolge solcher Beobachtungen stellte der Autor eine grüne Hintergrundbeleuchtung in den Räumen fest, und an öffentlichen Orten betrug die Deckenbeleuchtung 10% des Nennwerts, der auf Befehl von Bewegungssensoren ein- und ausgeschaltet wird. Wenn Gäste ankommen, können Sie eine sanfte Änderung der Farben der Hintergrundbeleuchtung feststellen, das Video mit einem Kamin auf dem Fernseher „drehen“ und angenehme Musik aus der Audiosäule abspielen. Und das alles mit einem Befehl über das Bedienfeld oder das Telegramm. Im Rahmen dieser Funktionsgruppe erkannte der Autor neben dem Nachtmodus, dass die hellweiße Hintergrundbeleuchtung beim Einschalten des Fernsehgeräts eingeschaltet wurde.Gastmodus mit einer sanften Änderung der Farbe der Hintergrundbeleuchtung.Informationsunterstützung ist optional, macht aber Spaß. Wenn Sie zur Arbeit gehen, ist es gut, dass ein fürsorgliches Smart Home mit menschlicher Stimme Sie an die Notwendigkeit erinnert, einen Regenschirm mitzunehmen, weil es draußen regnet. Und abends, wenn Sie nach Hause zurückkehren, ist es immer angenehm, nach einem langen Arbeitstag ruhige Musik zu hören, die dasselbe Smart Home automatisch für Sie beinhaltet.Und schließlich ein sicheres Zuhause. Die Grundfunktion eines Smart Homes besteht darin, Beleuchtung und Geräte auszuschalten, wenn Menschen das Haus verlassen. Aber was ist, wenn Sie einen neugierigen Schüler zu Hause haben, der Dinge tun kann, während seine Eltern bei der Arbeit sind? Ein Smart Home schaltet alle Steckdosen aus und lässt fast keine Chance, Probleme zu verursachen. Und wenn die Eltern kommen, erkennt das System dies und schaltet die Stromversorgung in der gesamten Wohnung ein. Der Autor des Artikels hatte einen Fall, als er vergaß, den Elektroherd auszuschalten und zur Arbeit ging. Und nur aufgrund der Tatsache, dass das Smart House automatisch alle Geräte ausschaltete, kam es nicht zu Unglück.Die Architektur
Nachdem alle Wünsche formuliert wurden, können Sie mit der Entwicklung der Architektur eines Smart Homes beginnen. Hierbei ist es wichtig, die Größe des Raums zu berücksichtigen, den das System verwalten wird. Sie müssen sich im Voraus für die Topologie der Elektro- und Steuerleitungen entscheiden. Die ideale Option ist eine Sterntopologie, bei der jeder Verbraucher über eine eigene Stromversorgungsleitung verfügt und die gesamte Steuerelektronik in einem Panel neben dem klassischen Panel zusammengebaut ist, in dem Panel-Schalter installiert sind. Eine wirtschaftlichere Option ist, wenn die „Common Bus“ -Verkabelung als Bauunternehmen in Russland verwendet wird und das Steuerrelais direkt vor dem Gerät an den Stromkreis angeschlossen wird. Der Nachteil dieser Methode ist die Komplexität der anschließenden Wartung des Relais, da es dann durch eine Spanndecke, Fliese oder Tapete verschlossen werden kann.Bis heute gibt es Relais, die zusammen mit elektrischen Geräten direkt in den Montageboxen montiert werden können, jedoch tiefer als diejenigen, die massiv in Neubauten in russischen Städten installiert werden.Der nächste wichtige Punkt, der die Architektur eines Smart Homes definiert, ist die Steuerungskommunikation. Es gibt zwei Arten von Managementkommunikation:- separate Kommunikationsleitungen zu jedem Schalter oder Relais oder eine Relaisgruppe, die von einer Kommunikationsleitung gesteuert wird, z. B. MegaD-2561 (https://ab-log.ru/). Vorteil - Zuverlässigkeit, Nachteil - hohe Kosten für zusätzliche Kommunikationsleitungen
- Radio Kontrolle. Jedes Relais wird durch einen über Funk übertragenen Befehl gesteuert. Zu den Vorteilen dieser Methode gehören die einfache Installation und das Fehlen zusätzlicher Steuerleitungen. Der Nachteil ist das Funksignal, das aufgrund externer Störungen gedämpft werden kann und der Befehl dann möglicherweise das Relais nicht erreicht. Als Beispiel für solche Relais können wir das Noolite-System (http://noolite.by/) anführen, das vom Autor des Artikels verwendet wird
Aus wirtschaftlichen Gründen hat der Autor des Artikels für ein Smart Home einen Radiosender ausgewählt. Um die Flexibilität des Systems zu erhöhen, ließ jeder "Verbraucher" seine eigene elektrische Leitung verlegen.Die wichtigste Entscheidung in der Architektur eines Smart Homes ist das Kontrollschema - dezentral oder zentral. Wir werden jeden von ihnen im Detail analysierenIn einem dezentralen Steuerungsschema sind alle Geräte miteinander verbunden und es gibt kein einziges Entscheidungszentrum im System. Hier wird die Verbindung "jeder mit jedem" realisiert. Tatsächlich unterscheidet sich dies nicht von der üblichen Lichtsteuerschaltung, außer dass die Schalter und Relais selbst ein wenig „Intelligenz“ erhalten und beispielsweise in der Lage sind, die Lichter durch Zeitüberschreitung auszuschalten oder von einem einzigen Schalter aus sofort mehrere Lichtquellen einzuschalten, die von verschiedenen gesteuert werden Relais. In einem solchen Schema ist das Vorhandensein eines Smart-Home-Controllers zulässig, der auch Benachrichtigungen über den Zustand der Lichtquellen empfängt und gemäß der eingebetteten Logik Steuerbefehle an das Relais senden kann.
Das Diagramm zeigt, dass der Befehl von der Taste (Taste) direkt an die zugehörigen Relais gesendet wird. Dieser Befehl wird jedoch auch an die Steuerung gesendet, die lediglich über das Drücken informiert wird. Gleichzeitig benachrichtigt das Relais beim Ändern seines Zustands auch die Steuerung darüber. Ein solches Schema ist absolut zuverlässig, da im Falle eines Steuerungsausfalls die Beleuchtung weiterhin funktioniert, jedoch keine zusätzlichen Funktionen vorhanden sind. Andererseits ist ein solches Schema weniger flexibel, da es schwieriger sein wird, Änderungen in der Betriebslogik eines Schalters mit unterschiedlichen Relais zu implementieren, beispielsweise abhängig von der Tageszeit. Für eine solche Aufgabe ist ein zentrales Schema geeignet.
Aus diesem Diagramm geht hervor, dass alle Befehle an den Smart-Home-Controller gesendet werden und die gesamte Steuerung auch von diesem Controller ausgeführt wird. Der Hauptnachteil eines solchen Schemas ist ein einzelner Fehlerpunkt. Wenn die Steuerung ausfällt, wird das gesamte System außer Betrieb. Ein wichtiger Vorteil einer solchen Lösung ist jedoch die große Flexibilität bei der Geräteverwaltung und die Möglichkeit, die Arbeitslogik je nach den Vorlieben der Bewohner vollständig zu ändern. Aufgrund der Tatsache, dass die Wahrscheinlichkeit eines Controller-Ausfalls gering ist (während des vierjährigen Betriebs des Systems gab es nur einen schwerwiegenden Ausfall aufgrund einer Speicherkarte), entschied sich der Autor für ein zentrales Architekturschema für ein Smart Home.Implementierung
Um ein Smart Home zu implementieren, müssen Sie zusätzlich zu Hardwarelösungen, deren Überprüfung nicht Gegenstand dieses Artikels ist, eine Softwareplattform auswählen. Jetzt auf dem Markt gibt es viele Lösungen, die auf freier Software basieren. Nach Angaben des Autors sind folgende Projekte erwägenswert (einschließlich Systeme, mit denen der Autor direkt gearbeitet hat):- Majordomo - das System ist in PHP geschrieben. Für die Programmierung wird das Konzept von Objekten, deren Eigenschaften und Methoden verwendet. Es unterstützt eine große Anzahl von Geräten und hat eine große russische Community. Es ist gut für einen schnellen Start, jedoch ist die Verwendung des MySQL-DBMS und die Architektur der klassischen Webanwendung durch dieses System sein wesentlicher Nachteil. Dieses System wurde vom Autor in der ersten Version des Smart Home verwendet. Sie können PHP oder Google Blockly als logisches Programmierwerkzeug verwenden.
- OpenHAB — , Java. , . Google Blockly
- Node-red — , , (rest, mqtt . .). , , , . .
- ioBroker — JavaScript (Node JS). , . — . JavaScript, Google Blockly Node-red, ioBroker . , 2019 .
Das Smart Home selbst ist derzeit auf Basis des Rapsberry PI 3 und des Rapsberrian-Betriebssystems implementiert. Wie bereits erwähnt, wird das ioBroker-System als Steuerungssystem verwendet. Das Beleuchtungs- und Energiemanagement basiert auf der Noolite-Technologie. Als Hardware-Add-On wird ein GSM-Modul verwendet, das für die Notfallbenachrichtigung ohne Internet sowie als zusätzlicher Systemsteuerungskanal per SMS von vertrauenswürdigen Telefonen verwendet wird.Die Logik der Interaktion zwischen Geräten basiert auf JavaScript-, Google Blockly- und Node-Red-Skripten.JavaScript ist ein reguläres Programm für NodeJS. Zum Beispiel wird das Glockenspiel im Smart Home des Autors wie folgt implementiert:schedule('0 0,8-23 * * *',() =>
{
let currentTime = new Date();
let hour = currentTime.getHours();
if(hour > 12)
hour -= 12;
let file = hour.toString() + 'h.mp3';
playSound('audio/' + file);
});
Hier ruft der ioBroker-Code jede Stunde im Intervall 8: 00-23: 00 eine Funktion auf, die den Namen der Datei generiert, in der das Glockenspiel für die entsprechende Stunde aufgezeichnet wird, und die erforderliche Audiodatei auf dem externen Gerät wiedergibt.Mit Google Blockly können Sie Code in einer visuellen Programmiersprache schreiben, ohne auf die Details von JavaScript einzugehen. Zum Beispiel wird die Einbeziehung von Licht in den Flur gemäß dem Bewegungssensor folgendermaßen implementiert: Wenn die Sonne untergegangen ist, wird das Licht im Nachtmodus zu 100% eingeschaltet - bei 10% Helligkeit:
Hier sehen wir ein Abonnement für den Fall einer Änderung des Zustands des Bewegungssensors. Dieser Code wird aufgerufen, wenn sich der Status ändert, und enthält "true".Mit Node-Red können wir einfache Steuerungsszenarien implementieren. Im Badezimmer können wir beispielsweise einen einfachen Code verwenden, um das Licht des Bewegungssensors zu steuern:
In dem Moment, in dem der Bewegungssensor seinen Zustand ändert, werden die knotenroten Skriptblöcke automatisch ausgeführt. Wenn der Bewegungssensor einen Befehl zum Ausschalten sendet, gibt das Skript eine Verzögerung von 5 Minuten aus. Danach schaltet es das Licht aus. Wenn der Bewegungssensor innerhalb von 5 Minuten einen Einschaltbefehl sendet, wird die Verzögerung zurückgesetzt und das Licht bleibt an. Eine Erörterung der Implementierungsdetails für knotenrote Blöcke würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.Dank des Ansatzes von Smart Home als System zur Verbesserung der Lebensqualität konnte der Autor des Projekts seinen Traum von einem Smart Home verwirklichen, ohne erhebliche wirtschaftliche Kosten zu verursachen. Zum Zeitpunkt des Starts des Projekts für eine Zweizimmerwohnung beliefen sich die Kosten auf etwa 50.000 Rubel (811 USD).