Читать книгу Устройства умного дома и Интернета вещей на основе плат семейства ESP32 - Евгений Рычков - Страница 4

Понятие «Умный дом»‎ связано с высокотехнологичной системой, позволяющей объединить все коммуникации в одну и поставить её под управление искусственного интеллекта, программируемого и настраиваемого под все потребности и пожелания хозяина. Если рассматривать рисунок ниже, видно, что умный дом – это функция умного окна (Smart Windows на изображении), системы слежения за утечкой газа (Gas leak Sensor), за курильщиками (Smoke Sensor), камеры для ночного слежения, где также может быть реализована функция распознавания образов (Camera IR или InfraRed), при этом, есть и обычные камеры дневного видения (Camera). Множество розеток и разъемов по всему дому, к которым удобно подключаться (Sockets, например, нужны для проводного подключения Ethernet по всей территории дома, для удобства розеток без необходимости использовать удлинители и иметь лишние провода на Вашем паркете).

Рисунок 1 – Устройства и системы для умного дома

Весь свет управляется не только с помощью кнопок включения-выключения света, но за счет датчиков движения (Mov. Sensor на изображении) и голоса, за счет системы распознавания речи, умных переключателей (Light Switch). Автоматизировать можно и кондиционирование воздуха, используя показания с датчиков (например, измеряя уровень углекислого газа CO2). Если начинается дождь, то сенсоры ветра и дождя (Wind & Rain sensors) помогут вовремя закрыть окна для непопадания в квартиру влаги или шаровой молнии. А могут, наоборот, открыть окна для естественной свежести в доме после дождя. Например, в магазинах бытовой электроники все чаще встречаются «умные»‎ кондиционеры, но с помощью ESP32 можно и самому имитировать работу IR-пульта, управляя им через веб-сервер, это позволяет создавать свои удобные интерфейсы и совершенствовать алгоритмы работы разных устройств и их взаимодействие меду собой каждый день.

Так, даже с развитием Android-телефонов появилась другая ветка Apple-смартфонов с операционной системой iOS (еще есть macOS). Суть в удобстве и премиум-функционалу для пользователя. Если в Вас есть силы разрабатывать для себя премиум-функционал, а не просто пользоваться покупными кондиционерами с умным управлением, то плата ESP32 – это очень переспективное решение для Вас сегодня. Плата ESP32 компактная, ее уже распаяли и проверили, в ней находится не только микроконтроллер, но и необходимая для работы и интерфейса (подключение к компютеру для программирования) оснастка, остается только полключать к ней датчики и писать для нее программы.

Телевизором в умном доме можно управлять много с чего: с помощью пульта, с помощью голосового помощника, движениями рук (жестами). В доме есть разные вспомогательные кнопки, например, вызвать полицию или службу спасения можно не по телефону, а нажав на кнопку SOS.

Умные панели, в которых основной элемент – это сенсорный дисплей, помогают также управлять домом, но в них еще можно встраивать показания: температура, влажность, скорость ветра, причем визуализировать подобную информацию можно как с датчиков, размещенных в доме, так и с использованием Интернет-данных. Это значит, что можно на дисплеи в разных комнатах дома выводить тематические анекдоты и новости дня, предлагать список задач к выполнению как в доме, так и на работе. В умном доме есть собственный локальный сервер, который домом управляет. Открытие и закрытие всех дверей мониторится с помощью датчиков открытия дверей (Door Sensor), замок может открывать дверь далеко не только ключом, но RFID-метками, через интерфейс умного дома или же с помощью ввода пароля от дома (Door Entry).

Умный дом – это не только устройства внутри дома, но и системы для полива сада и газонов, для включения уличных фонарей.

Даже если у Вас умная квартира, она также подходит под понятие умного дома. Например, умный дом Яндекса – это именно квартира. Когда дом становится умным, это означает, что жилье человека перестает быть просто несколькими комнатами, состоящими из четырех стен, где расположены телевизор с пультом управления, пара шкафов и комодов, диван и двухместный матрас для здорового сна.

Умный дом, таким образом, предполагает установку множества умных устройств, сенсоров, которые автоматизируют вашу жизнь внутри этого Вашего места жительства. Телевизор действительно очень удобно включать с помощью голосовых команд, подаваемых на домашнего ассистента (например, на Гугл-станцию или на Яндекс-станцию), особенно когда не охота все время класть пульт управления на место или вообще не охота его использовать. Вместо картин и фоторамок повсюду стоят «смарт-панели»‎, в основе которых сенсорный экран. Они показывают погоду, выдают данные, найденные в Интернете именно под сегодняшний день Вашей жизни. Датчики дождя позволяют принудительно закрывать окна во время сильного ливня, все переключатели в доме также умные и отличные от обычных кнопочных «включателей»‎-»‎выключателей»‎ света. При отсутствии движения в комнате свет в ней автоматически выключается.

Несмотря на наличия на рынке множества датчиков, сенсоров, систем и решений умного дома, актуально разрабатывать кастомные приборы. Например, можно управлять кондиционером не с помощью пульта, а с помощью умного пульта, но покупать и настраивать такой пульт неинтересно, охота устройство установить в собственный корпус. Жалюзи могут автоматически открываться и закрываться с помощью установленного в их конструкцию моторчика. Но программу, бывает, проще написать собственную, именно подходящую под габариты и условия Вашего окна.

Рисунок 2 – Области развития Интернета вещей

Умные устройства в будущем будут окружать нас повсеместно. Это не только дома, но медицина, системы безопасности, сельское хозяйство, портативные и носимые устройства, транспорт и так далее. Эти устройства должны иметь возможность взаимного обмена информацией для принятия решений без необходимости тратить на это время человека. Например, если человек заболел, то ему нельзя дома находиться на сквозняке или под работающем кондиционером. Системе с использованием искусственного интеллекта целесообразнее решать, прикрыть ли сейчас окно или включить ли кондиционер.

В умном доме актуальна как автоматизация монотонных задач, когда можно определенную последовательность задач делегировать «умным помощникам»‎, так и полная роботизация процессов. При роботизации характерно самостоятельное принятие решений домом. Например, сведения анализируются искусственным интеллектом, а на основании полученных данных система самостоятельно выбирает, во сколько сегодня запустить уборку роботами-пылесосами, а во сколько приготовить из крупы с молоком кашу в мультиварке. Система сама принимает решения, какие фильмы посмотреть пользователю на основе уже просмотренных и пропущенных им изданий кинематографа.

Умный дом – это синергетическое обозначение среды, в которой человек проводит много своего времени. В умном доме могут работать даже сотрудники организации будущего или команда стартапа. Благодаря тому, что большинство перечисленных выше датчиков перестали стоить дорого, умный дом эконом-класса стал доступен вообще любому человеку, а создавать его можно постепенно, все больше совершенствуя функционал.

Функционал умного дома не ограничивается перечисленными выше функциями, а для лучшего понимания работы каждой подсистемы в доме многим интересно разрабатывать свои устройства на базе набравших популярность микроконтроллерных платформ семейств Arduino (с использованием WiFi-модуля) и ESP32.

Так, например, очень удобно изготавливать подсветку в доме с использованием светодиодных лент. Ленты могут переливаться разными цветами. Розовый цвет, например, в одной комнате может создавать особый контраст с голубым цветом в другой, за дверью. А сочетание света от ленты с естественным освещением свечами – это просто очень завораживающая романтика. Казалось бы, зачем это все, но если сосредоточить внимание на мелочах, то здесь наблюдается атмосфера гораздо красивее, чем при использовании обычных ламп.

Играют роль и интенсивность разных цветов в доме, и их местоположение. Ведь мощный свет оставляет тени, и это на любителя. Если для освещения дома наиболее популярны адресные светодиодные ленты с RGB-светодиодами (Red Green Blue или Красный Зеленый Синий, то есть в лентах используется 3 разных светодиода, светящиеся данными цветами), то для выращивания растений дома актуальны специальные фитодиодные ленты, источники инфракрасного излучения и даже ультрафиолетовые светодиодные ленты. Ультрафиолет, кстати, актуален и для освещения дома, ведь при малой мощности ленты он оказывает несущественное влияние на здоровье глаз и кожи человека, но в нем предметы начинают отражать свет совсем по другому, что показано на рисунке ниже.

Декоративная подсветка ультрафиолетовой лентой

Ультрафиолет мы, кстати, все-равно не видим, но видим фиолетовое излучение. И стоит отметить, что фиолетовый свет, который излучает ультрафиолетовая лампа, и фиолетовый световой поток от RGB-ленты – это совершенно разные вещи.

В ультрафиолетовом свете лучи, которые видит глаз, вызывают свечение специальных чернил, которые не видно при другом типе освещения

Говорят, что в ультрафиолетовых лучах вещи становятся более четкими, многие приобретают особый контраст. Это действительно так потому, что привычный нам свет находится в диапазоне длин волн от 380—760 нм. Но RGB-ленты имеют в своем составе только 3 светодиода. Когда мы генерируем на них фиолетовый свет, то это – не фиолетовый свет, нам лишь кажется это. Да. ведь это – обман зрения. При этом мы смирились с этим и решили называть этот свет фиолетовым. Но его длина волны – это не около 400 нм, как должно быть в случае с истинно-фиолетовым цветом.

Мы сталкиваемся с интерференцией (наложением) 3 разных длин волн разной интенсивности: красного цвета, зеленого и синего цветов. Как живым организмам нам необходимо получать в том числе и свет в диапазоне длин волн 380—410 нм, ведь за счет воздействия на организм этих длин волн генерируется витамин D, улучшаются процессы окисления в организме, ткани активнее поглощают кислород и выделяют продукты распада. Быстрее происходит обмен углеводами и белками, что важно для развития организма, роста мышц и так далее. Но RGB-ленты ультрафиолет, и даже фиолетовое свечение, не генерируют, а фиолетовый цвет от них создается из-за иллюзии после наложения цветов внутри нашего глаза. Растениям, аналогично, необходимы ультрафиолет и инфракрасное излучение, хотя достаточно и просто синего и красного цветов.

На рисунке ниже, например, показано освещение растений на ситиферме с использованием фитоламп. Фитолампы обеспечивают специальный спектр света, в котором больше всего длин волн синего и красного цветов.

Вследствие подобных нюансов, даже в вопросах освещения комнат в квартире умный дом может оказаться для многих не просто интересным проектом, но и делом, в корне изменившим мировоззрение и понимание принципов и возможностей жизни. Правильное проектирование умного дома в месте, где мы проводим большую часть своей жизни, способно сделать человека стройным и красивым, выработать в нем только лучшие привычки без необходимости решать рутинные и ненужные задачи изжившего себя прошлого. А неправильное такое проектирование может даже нанести Вам существенный вред, но для этого надо постараться. В целом умный дом существенно упрощает нашу жизнь и делает ее интереснее и разнообразнее.

Умный дом часто строят с позиции взгляда специалиста по электронике. Но это не совсем правильно, ведь решения в данном случае – автоматизирующие и робототизирующие наши повседневные жизненные процессы. При правильном подходе к умному дому необходимо подходить к его созданию и с позиции программиста, и с позиций электроника и механика. Актуальны вопросы такой науки, как «Робототехника».

При рассмотрении устройств умного дома нельзя не учитывать применение искусственного интеллекта для принятия решений устройствами без человека. Так, чтобы просто включить свет, когда темно, достаточно проанализировать с помощью датчика освещенности, насколько сейчас светло или темно… И, затем, принять решение по пороговому значению. То есть если датчик выдал, например, число больше 500 в диапазоне от 0 до 1023, то свет нужно включить.

Но решения, включать ли кондиционер, имея данные о температуре человека, о его физическом состоянии, полученном с помощью умных часов, о температуре и влажности в квартире, содержания в ней кислорода и углекислого газа, принимать уже немного посложнее.

Можно также использовать жесткое решение по условию, выставив пороги уже не по одному значению, но по нескольким. Но если важно отслеживать изменение параметров и вынести решения на основе графиков, то здесь удобнее передавать все данные на отдельную нейросеть, которая будет принимать решения.