Предыдущая заметка вызвала довольно бурную дискуссию и это обстоятельство убедило меня в необходимости продолжения того, что мы называем «делиться опытом». Итак, мы остановились на том, что после появления в доме альтернативных источников энергии, в первую очередь солнечного коллектора, захотелось измерять параметры, сопровождающие их работу. Например, для того, чтобы видеть, как меняется температура солнечного теплоносителя, не перегревается ли вода в бойлере и т.д. Понятно, что само по себе измерение чего-либо и даже передача этой информации к месту потребления (телеметрия) не увеличивают комфорт или безопасность, поэтому сразу же в «ТЗ» внесен пункт об удаленном управлении различными исполнительными устройствами. В этой статье я не буду приводить листинги кода, детализировать до мелочей все технические решения. Моя цель – показать ход мысли и принятые технические решения, а также их результат. Тому, кто захочет пойти похожим путем всё равно придется самостоятельно решать множество задач.

Так вырисовались начальные требования:

1. Измерять температуру на всех 8 патрубках бойлера и 2 патрубках котла.
2. Измерять температуру и влажность воздуха в котельной, где смонтировано оборудование.
3. Измерять температуру и влажность воздуха на улице. Чтобы когда-нибудь в будущем реализовать погодозависимое управление отоплением.
4. Управлять электрическим котлом, сохранив старую систему. Котел трехступенчатый, с регулировкой температуры нагрева и обратной связью по температуре теплоносителя. Однако, для целей удаленного управления достаточно включать/выключать ступени отопления.
5. Управлять ТЭНом бойлера.
6. Прокладывать минимум проводов. Не столько потому, чтобы не возиться, сколько потому что отделка в доме уже сделана.
7. Иметь удобный интерфейс для управления и работы с показаниями датчиков. Интерфейс должен быть доступен на мобильных устройствах.?

Требования, в общем-то, простые, если не сказать тривиальные. Существуют тысячи разных способов их реализации. И именно поэтому краеугольным камнем является выбор архитектуры и технологического стека, на котором будет строиться новая система. Здесь как раз важен системный подход, понимание того, что отдельные технические решения должны быть увязаны друг с другом, понимание того, что система, безусловно, будет расширяться дальше, как уже случилось с системой энергоснабжения дома. И еще важно понимание собственных возможностей. Поэтому пришлось гуглить, брать «помощь зала» и «звонок другу».

На фото Arduino Nano и nRF24L01+ c антенной
Смотреть начал с систем на базе широко распространенного стандарта Z-Wave, это в значительной мере повлияло на дальнейшие решения, хотя Z-Wave и был на первых порах отброшен. Поскольку Z-Wave – очевидный выбор под требования, близкие к моим, важно понимать, почему он был отброшен. Во-первых, конечно стоимость одного датчика. А мне только на бойлере в 8 точках измерять температуру надо, каждая точка получается по 3000+ рублей. Во-вторых, форм-фактор стандартных датчиков, не позволяющий применить их на патрубках бойлера. В-третьих, ограниченность выбора систем управления и удаленного доступа, которые к тому же все проприетарные (следует читать: «ограниченные») и платные. Однако, сама идея самоорганизующейся сети с возможностью, как одноранговых связей (ассоциаций) датчик-исполнительное устройство, так и централизованного, сервер-клиент, управления, очень привлекательна. По совету друга вышел на интересный проект, который изначально выглядел как расширение функциональности Z-Wave систем на базе контроллеров Vera, но с использованием DIY-подхода. В проекте использовались Arduino, беспроводные 2.4ГГц трансиверы nRF24L01+ и соответствующая библиотека. Всё вместе как раз то, что нужно под мои требования. Использование Arduino открывает практически безграничные возможности домашней автоматизации за деньги, на порядок (!) меньшие, чем в случае с Z-Wave. Немаловажно также, что Arduino – исключительно стабильная платформа. Контроллер автоматического запуска генератора, собранный когда-то на Arduino, безукоризненно работает уже 7 лет. Учитывая наличие опыта разработки, пайки и программирования, остановился на этом проекте.

И даже пошел дальше. В коде вообще отказался от привязки к Vera. Вместо него выбрал один из рекомендованных автором библиотеки mysensors программных контроллеров. Им, после изучения форумов и сайтов производителей, стал open source проект openHAB. Решающим фактором, помимо открытости, кроссплатформенности, встроенного мощного языка правил, наличия мобильных клиентов, стало следующее заявленное свойство: «a vendor and technology agnostic». Это как раз то, что и нужно системно мыслящему IT-специалисту: возможность расширения системы в будущем, использование компонентов разных производителей и стандартов, при этом наиболее подходящих под конкретные цели. Т.е. с самого начала было понимание, что не всё нужно делать на Arduino и не всё можно в границах Z-Wave. При этом я решил придерживаться централизованной логики управления, что для начала вполне естественно. Т.е. на оконечных устройствах, собираемых на Arduino, будет минимальная бизнес-логика: включение/выключение света от античныхобычных механических выключателей, которые становятся просто датчиками, чтение и преобразование информации с датчиков физических параметров, передача данных на сервер, прием и исполнение команд с сервера. Прямого взаимодействия узлов сети устройств пока не планирую. Вся реальная бизнес-логика управления – на правилах openHAB. Теперь остались сущие мелочи – выбрать аппаратную платформу и операционную систему под серверную часть, под openHAB.

Многие DIY-щики под openHAB выбирают Raspberry Pi. И это отличное решение, экономичное, компактное и бесшумное. Однако, мне показалось неправильным ограничивать себя в вычислительной мощности, потому что сразу решил использовать будущий сервер как многофункциональное устройство, например, на нем же захотел развернуть медиацентр Kodi и, возможно в будущем, еще что-то, например, программный видеорегистратор. Забегая вперед скажу, что в итоге Kodi интегрирован с умным домом, при запуске видео – гаснет свет, при остановке — зажигается. Да и видеорегистратор тоже появился и тоже интегрирован. При этом особых требований к мультимедиа-компонентам у меня нет, достаточно чтобы на сервере были HDMI и S/PDIF. В общем, осенью 2015 года выбор пал на безвентиляторный неттоп от Hystou (см. на AliExpress): Intel Core i7, 8GB, 256GB SSD, 8 USB-портов, включая 4 3.0, 2 LAN, WiFi, 2 HDMI, S/PDIF, Card reader в общем всё, что нужно для счастья DIY-щика. Стоил он тогда около 24 т.р. О выборе ни разу не пожалел, хотя должен сказать, что WiFi у него работает не очень стабильно. Но, последовавший за всем этим опыт уверенно говорит: везде, где можно проложить провода – прокладывать провода. Радиоканал, независимо от стандарта и частоты (WiFi, Z-Wave, 433МГц, 869МГц, 2.4ГГц и т.д.) всегда хуже, чем провод. Поэтому неттоп в итоге подключен к домашней LAN проводом. И на нем поселилось еще несколько различных систем.
Что касается ОС для сервера, то я бы рекомендовал стабильность и предсказуемость. Этим свойством обладают дистрибутивы Linux с большими community. Мне — привычнее Ubuntu. Хотя, благодаря кроссплатформенности, всё можно сделать и на Windows.

Итак, архитектура и стек выбраны. Действуем.

Задача 1. Выбрать датчики и исполнительные устройства. Температуру теплоносителей и воды будем замерять на патрубках бойлера и котла. Для этого берем 1-wire датчики DS18B20 в металлическом герметичном корпусе, их удобно крепить непосредственно на патрубках, снаружи. А сами патрубки с датчиками сверху прикрываем поролоновой теплоизоляцией для труб. Когда однотипных датчиков много, шина 1-wire очень удобна. Для измерения температуры воздуха и влажности в котельной и на улице выбираем DHT22, просто потому что это стандартный выбор DIY. Управлять котлом раздельно по ступеням – с помощью обычных пятивольтовых механических реле, также привычных DIY-щикам. Важно заметить, что эти реле подключаются параллельно выключателям ступеней на котле, а не реле ТЭНов, которые управляются автоматикой котла. Вся выбранная периферия либо бесхитростно программируется напрямую, как реле, например, либо имеет соответствующие библиотеки для Arduino, как 1-wire/DS18B20/DHT22. Никаких сложностей.

На фото бойлер 300л. Видно, что к каждому патрубку подходит черный провод с датчиком на конце, в белой коробке они объединяются и общий белый провод 1-wire идет к контроллеру.

Задача 2. Обмен данными и командами с openHAB. Пришлось немного повозиться, поскольку с openHAB еще не был «на ты». Архитектура mysensors подразумевает наличие gateway (шлюза) для подключения к центральному контроллеру/серверу, т.е. к openHAB. Cам gateway – физически отдельный контроллер на Arduino/nRF24L01+ и может подключаться к серверу по LAN/WiFi или Serial. Поскольку я в начале пути – выбираю Serial и размещаю gateway рядом с сервером. Gateway служит для маршрутизации сообщений, передаваемых в сети mysensors через gateway и непосредственного обмена с центральным контроллером, openHAB. Сообщения mysensors имеют фиксированный формат и легко парсятся. Добавляем в openHAB binding Serial для подключения gateway по USB и пишем правило для парсинга сообщений устройств в сети mysensors, получаемых по USB от gateway. За основу правила openHAB, разбирающего сообщения, взят код, найденный на форуме mysensors. Далее пишем правила для исполнительных устройств – реле управления котлом, ТЭНом бойлера, светом и т.д.

На фото – gateway, маленькая коричневая коробка с антенной на аудиоколонке.

Пока возился с подключением gateway к серверу openHAB, решил доработать код gateway (и сам gateway), взятый с mysensors.org и добавить к нему датчик температуры и влажности DHT22 и датчик атмосферного давления BMP180, а заодно нашел исходный код для предсказания погоды по динамике атмосферного давления. Все эти измерения и предсказания передаем в openHAB.
На фото gateway изнутри. На белом проводе — DHT22, плата со свободными pin'ами — Arduino, справа внизу — nRF24L01+ и BMP180.

Задача 3. Интерфейс и удаленный доступ. openHAB – полностью настраиваемая система, включая разметку интерфейса. И эта разметка – единая, как для обычного доступа через браузер, так и через мобильное приложение. Универсальная разметка, конечно, не может быть идеальной, но на смартфоне смотрится хорошо, а это главное. Остается решить, как вне локальной сети получить доступ к серверу openHAB. Во-первых, можно (и что важно, необязательно) использовать облако myopenhab.org. Сервер openHAB подключается к облаку напрямую с помощью специального binding. Это решение самое простое и обеспечивает полную функциональность управления системой, кроме разве что передачи видео с ip-камер. Во-вторых, для тех, кто не любит облака, а я отношусь к их числу, есть обычные средства удаленного доступа, например комбинация VPN+VNC и т.д. Раскрывать детали по понятным соображениям не буду, тем более что этот вопрос не относится напрямую к теме статьи. Замечу только, что мобильный клиент openHAB имеет настройку на два адреса. По первому идет, если видит по этому адресу сервер openHAB, по второму – если не видит. Это очень удобная особенность интерфейса. Например, в качестве второго адреса можно указать облачный и тогда openHAB доступен всегда без дополнительных манипуляций с подключением VPN. Или указать виртуальный адрес, полученный с помощью какого-либо VPN-решения. Или еще как-то.

Начальный экран интерфейса	Скроллинг вниз стартового экрана	Раскрытый пункт меню «Свет»

Разметка позволяет делать условное форматирование, например, выделять красным температуру при превышении ею заданного в разметке значения. Некоторые пункты раскрываются при нажатии, например «Отопление», «Свет», «Сирена» и т.д.

Вот вроде и всё. Берем в руки по очереди то паяльник, то клавиатуру. И постепенно первая версия системы обретает очертания. Как известно, аппетит приходит во время еды. В результате уже в первую версию системы добавляются новые датчики и даже новые контроллеры, например для автоматизации гостевого дома. В итоге на первом этапе внедрена система, которая:

1. Измеряет температуру в 16 точках.
2. Измеряет влажность в 4 точках.
3. Измеряет напряжение сети 220В на входе в дом, до стабилизатора.
4. Измеряет освещенность на улице. Освещенность используется для автоматического включения света.
5. Измеряет атмосферное давление и делает предсказание погоды по динамике давления.
6. Детектирует движение в нескольких точках.
7. Управляет всем светом в гостевом доме. Выключатели превратились в датчики.
8. Управляет сиренами.
9. Управляет раздельно 3-мя ступенями электрокотла, сохранив функциональность старой системы. Управляет ТЭНом бойлера.
10. Проверяет наличие напряжения на котле и ТЭНе бойлера, а также считывает факты включения ТЭНов бойлера. Это важно, так как, во-первых котел имеет обратную связь по температуре теплоносителя и умеет сам отключать ТЭНы, а во вторых в щитке смонтировано двухступенчатое реле ограничения нагрузки, отключающее последовательно бойлер и котел при превышении порога потребления в доме. Эти данные будут в дальнейшем использоваться в алгоритмах умного дома. Но на этом этапе я еще не знал как именно, только чувствовал, что понадобятся.
11. Считывает факты включения и отключения насоса солнечного контура.
12. Строит графики температур за неделю, день и час.
13. Присылает Push-уведомления о разных событиях. События могут быть практически любыми, например, движение на крыльце, превышение температурой заданного порога, пропадание/появление электричества и т.д. Сделано также и оповещение по SMS.
14. Старая система осталась физически и логически отделенной от новой, хотя в новой частично переиспользуются те же датчики. Старая система сохранила функции охраны и резервной системы мониторинга/управления.

На фото электрооборудование гостевого дома. Коробка с антенной — контроллер, круглая «шайба» — сирена, между ними — датчик DHT22, под щитком — датчик движения, слева — 12В блок бесперебойного питания.

Итог. Исходные цели достигнуты и даже больше. Температуры измеряются и визуализируются на графиках и в интерфейсе. По итогам наблюдений стало понятно, что температура горячей воды никогда не повышается более 55 градусов, а теплоносителя в солнечном контуре – 60, беспокоиться о перегреве не приходится. Видно, что температура воздуха в котельной порой превышает 30 градусов и нужно устанавливать кондиционер. Стало удобно управлять отоплением, достаточно касаться виртуальных переключателей на экране смартфона. Далее. Свет на крыльце гостевого дома теперь зажигается автоматически. Но, только если зафиксировано движение, достаточно темно и дом снят с охраны. А если не снят, то включается сирена и на почту присылается фотография нарушителя. Аналогично внутри дома. Появились и другие полезные «фишки», но об этом в следующей статье.
Пару слов о ценах. Самым дорогим компонентом системы стал неттоп, около 24т.р. Если ограничиться мониторингом и управлением, достаточно Raspberry Pi за 2500р. Arduino на AliExpress стоит около 200р, большинство периферийных компонентов (nRF24L01+, датчики) имеют такой же масштаб цены. Софт – бесплатен. Хотя в дальнейшем и пришлось купить кое-какие лицензии, но об этом в следующей статье. Т.е. в целом всё это очень доступно.

Заключение. В том, что сделано, для инженера с широким кругозором нет ничего сложного или непостижимого. Хотя, некоторые специфические навыки, например программирования на C++, для Arduino, нужны. Но это всё можно освоить, так же как необходимо освоить язык правил в openHAB. Единственный ресурс, которого всегда не хватает для подобных затей – время. Я побеждаю время с помощью сезонности. Летом-осенью думаю, чего еще не хватает в доме, ставшим умным. Придумываю или получаю «заказ». Зимними вечерами собираю прототип, программирую, интегрирую с умным домом. Весной физически устанавливаю и отлаживаю. После этого – наслаждаюсь результатом. Описанный цикл за несколько лет вошел в фазу стабильности.