Witam po dłuższej przerwie, z tego co kojarzę to mój pierwszy post na Forbocie - wcześniej pisałem jeszcze na dioda.com.pl.
Przedstawiam projekt inteligentnej kawalerki oparty o Raspberry Pi i kilku modułów pracujących w magistrali I2C i 1wire. Umożliwia on na automatyzację instalacji elektrycznej mieszkania poprzez m.in. sterowanie oświetleniem przez dedykowaną aplikację www, rozszerzenie funkcji przycisków światła w mieszkaniu poprzez niezależne przypisywanie funkcji np.gaszenie wszystkich świateł włącznikiem przy łóżku, a zapalanie tylko oświetlenia dodatkowego. Monitorowanie temperatury w pomieszczeniu i na zewnątrz, oraz informowanie komunikatami głosowymi o zdarzeniach. System jest elastyczny i modyfikowany w zależności od zachcianek użytkownika, dzięki czujce ruchu, możemy np. w zaprogramowanych nocnych godzinach delikatnie rozjaśniać światła dekoracyjne, nie oślepiając zaspanego nocnego marka. Innym przykładem który pojawił się podczas używania systemu, było wysłanie diodą IR sygnału do włączenia się telewizora po wejściu do mieszkania, lub w przypadku braku użytkowników w mieszkaniu i zwiększonym zużyciu prądu (np zostawione żelazko) - poinformowanie i wyłączenie sprzętów. Ilość możliwych funkcji do zrealizowania jest ogromna niestety każda kolejna powoduje dodatkowe koszty. O ile część modyfikacji można wykonać małym kosztem - jak wspomniane sterowanie ir, to już realizacja pomysłu zabezpieczenia łazienki przed zalaniem poprzez sensor wody i elektrozawór na głównym przyłączu wodociągowym wiąże się z dodatkowym nakładem pracy.
W projekcie użyłem popularnych i wspieranych przez społeczności użytkowników części oraz oprogramowania. W krótkim wstępie nie sposób wymienić wszystkich funkcjonalności i drobnych smaczków o których sam dopiero sobie przypominam.
W dalszej cześci opiszę działanie całego systemu od strony programowej i sprzętowej oraz udostępnię kody źródłowe strony www i skryptów odpowiedzialnych za automatykę wraz z obrazowym poradnikiem jak to wszystko uruchomić. Mam nadzieje że dam radę bo trochę tego się uzbierało, na początek film z działania:
Część sprzętowa.
Pierwszym etapem prac było przerobienie instalacji elektrycznej w mieszkaniu. Tutaj głównym założeniem było wykorzystanie standardowych pojedynczych bistabilnych przycisków i pociągniecie wszystkich przewodów włączników i punktów oświetleniowych do jednego punktu. Gniazda zasilające zostały podzielone na 3 sekcje - kuchnia, sprzety rtv, łazienka. Punktów oświetleniowych jest 5, włączników razem z dzwonkiem na zewnątrz również 5. Do włączników został pociągniety przewód 2 x 1.5mm2, tak aby w przypadku demontażu systemu, można było podłączyć wszystko na stałe. Przewody do punktów oświetleniowych 3x1.5mm2, 3 linie gniazd zasilających 3x2.5m + dodatkowy przewód 5x2.5mm2 do trójfazowego zasilania kuchni. Do centralnego punktu zostało doprowadzone 5 sztuk skrętki cat.5 i wyprowadzone odpowiednio do: łazienki, kuchni, routera, oraz dwóch rogów pomieszczenia. Skrętka umożliwia podłączanie do całego systemu np. czujników w magistrali 1-wire, czy sterowanie sygnałem PWM układami mocy oświetlenia ledowego. Łacznie wykorzystałem około 150metrów przewodów. W skrzynce rozdzielczej zamontowane zostały zabezpieczenia oraz listwy rozdzielcze umożlwiające podłączanie urządzeń do układów wejść - wyjść.
Poniżej zdjęcia z procesu wymiany instalacji elektrycznej.
Cześć sprzętowa - elektronika.
Tutaj zastosowane zostały:
- Raspberry Pi - jako główny mózg całego systemu
- Moduł 8 wejść - wyjść firmy Kamami.
- Moduł przetwornika A/C firmy Adafruit.
- Moduł 16 wyjść PWM firmy Adafruit.
- 2 Czujniki temperatury DS18B20
- Konwerter napięć 3.3 <> 5V
- Moduł 4 przekaźników.
- 2 Moduły transystorów mosfet do sterowania ledami.
- Głośniki komputerowe zasilane z USB
Wszystkie podłączenia wykonane zgodnie ze standardowymi przykładami danych modułów czy czujników nie ma tu jakiś skomplikowanych połączeń - wszystkie moduły pracują na magistrali I2C przy zasilaniu 5V - dlatego potrzebny był dodatkowy konwerter napięć tak aby można było podłączyć magistralę do 3.3 woltowego Raspberry Pi. Czujniki na magistrali 1wire spokojnie dają radę przy 15 metrowej skrętce podłączone bezpośrednio pod RPI.
Wykorzystane oprogramowanie.
- Framework WebIOPi. Głównym frameworkiem użytym w projekcie jest WebIOPi. Jest to gotowa aplikacja dedykowana dla komputera RaspberryPi pozwalająca na sterowanie podłączonymi do niego urządzeniami za pomocą strony internetowej lub skryptów działających w tle. Framework dostępny jest w postaci gotowej paczki instalacyjnej dla systemu linux. Aplikacja uruchamia na komputerze serwer www, na którym możemy uruchomić stronę internetową, a z jej poziomu sterować poszczególnymi urządzeniami. WebIOPi pozwala na sterowanie i monitoring ponad 30 urządzeń pracujących zarówno na magistrali I2C jak i 1-Wire. Framework rozdziela układ sterowania na dwa podstawowe elementy – część sterowania i monitoringu dostępną z poziomu przeglądarki dla użytkownika oraz część komputera, pracującą niezależnie. Skrypty wykonywane na komputerze napisane są w języku Python. Framework pozwala na pracę wielu skryptów jednocześnie. Od strony przeglądarki wykorzystana jest technologia jQuery. Użyłem wersji 0.7 webiopi. Więcej na temat samego farameworka znajdziecie tutaj: http://webiopi.trouch.com/
-Framework Bootstrap - strona www w PHP
Bootstrap to środowisko służące do budowania responsywnynych stron internetowych, pozwala na bardzo dokładne dopasowanie do stron własnych potrzeb. Zawiera 12-kolumnową siatkę, zarówno w wersji ze stałą jak i z automatyczną szerokością. Posiada bogaty pakiet UI - począwszy od typografii,poprzez formularze, tabele, po nawigacje i ikonki. Całość dopełnia kolekcja skryptów JS pozwalająca na obsługę animacji ekranu.
System operacyjny:
Komputer Raspberry Pi działa pod kontrolą systemu operacyjnego Raspbian.
Baza danych:
Baza danych wykorzystana w projekcie to MySQL w wersji 5.5.41. Baza ta służy do rejestracji wszystkich zdarzeń. Pozwala na długoterminową rejestrację temperatury, napięć i prądów w całym systemie. Zapis danych realizowany jest za pomocą skryptów powłoki systemu (Bash) uruchamianych w określonym czasie za pomocą systemowego narzędzia Cron. Dane z bazy pozwalają na późniejsze tworzenie wykresów poszczególnych parametrów na stronie www.
Sporą częścia projektu jest strona www - aplikacja internetowa, stąd wykorzystanie bazy MySQL i frameworka PHP, nie chciałbym się rozpisywać na temat samego pisania i uruchamiania strony www bo ta może mieć dowolną formę. Z poziomu systemu wbudowanego chodzi o to, że strona www wywołuje funkcję javascriptową frameworka webiopi, np. po wciśnięciu przycisku wywoływana jest funkcja zmiany stanu wejścia z "0" na "1" lub funkcja okresowo sprawdzająca dane z czujnika temperatury. Dzięki wykorzystaniu frameworka korzystamy praktycznie z gotowego rozwiązania które realizuje dwukierunkową komunikację www - raspberry.
Uruchomienie systemu - nie jest to poradnik krok po kroku jednak przedstawia gotowy przepis.
- Instalacja i podstawowa konfiguracja raspbian - tutaj odsyłam do poradników w internecie
- Instalacja fail2ban
Ten etap nie jest konieczny jednak ze względu na mnóstwo botów próbujących dostać się do raspberry podłączonego do internetu polecam użycie tego programu. Pozwala on na dodawanie reguł blokujących połączenia z Internetu po ustalonej liczbie nieudanych logowań. Zapobiega to atakom typu brute-force. W pliku konfiguracyjnym pakietu, dostępne są m.in. ustawienia monitorowanego portu, maksymalna liczba nieudanych prób połączenia, czas blokowania danego adresu IP . Ze względu na powtarzające się przypadki uzyskania próby dostępu do komputera ilość możliwych prób dostępu to 3, a czas blokady 30 dni. Ponieżej zrzut ekranu pokazujący adresy IP zablokowane w ciągu zaledwie jednego dnia. Potwierdza to tylko konieczność stosowania tego typu zabezpieczeń, oraz nie używania prostych haseł do tego typu systemów. Oczywiście nie raz zdarzyło się mi zablokować samego siebie - jednak w przypadku fizycznego dostępu do RPI nie stanowi to większego problemu.
Po zabezpieczeniu dostępu do komputera, kolejnym krokiem jest instalacja pakietu i2ctool. Jest to pakiet dzięki któremu możliwa jest obsługa i diagnostyka magistrali I2C. Po zainstalowaniu pakietu możemy sprawdzić podłączone urządzenia za pomocą polecenia i2cdetect –y 1. Wyświetli nam ono listę podłączonych urządzeń w formie matrycy adresowej. Adresy wyświetlane są w formie szesnastkowej. Adresy poszczególnych urządzeń konfigurowane są za pomocą odpowiednich połączeń wyprowadzeń na danych modułach. W prezentowanym rozwiązaniu pod adresem 20 znajduje się moduł 8 wejść – wyjść. Adres 40, to układ 16 wyjść PWM. Adres 48 zajmuje przetwornik analogowo – cyfrowy. W celu umożliwienia sterowania magistralą niezbędne jest też dodanie użytkownika do grupy i2c. Po poprawnym zainstalowaniu I2C widoczny jest taki wynik polecenia i2cdetect:
Obsługa magistrali 1-wire, nie wymaga instalacji dodatkowego oprogramowania w systemie. Lista podłączonych urządzeń wraz z ich adresami dostępna jest po sprawdzeniu zawartości katalogu systemowego /sys/bus/w1/devices/, wynik polecenia ls dla tego katalogu został przedstawiony na zdjęciu poniżej. Do magistrali zostały podłączone dwa czujniki temperatury DS18B20.
Dla najnowszego raspbiana powyższy opis może być trochę przekłamany, ja korzystałem z dystrybucji pobranej w styczniu 2015 roku, ostatnio przy zabawie z raspberry i uzyciu najnowszego systemu konieczne jest dopisanie linijki w pliku konfiguracyjnym. Opisane jest to m.in tutaj: http://osworld.pl/raspberry-pi-obsluga- termomertrow-ds18b20/
Głównym etapem jest instalacja najważniejszego frameworka, pakietu WebIOPi. Instalacja polega na pobraniu spakowanej paczki ze strony autora i uruchomieniu skryptu instalacyjnego. Tutaj żeby nie kopiować internetu również odsyłam na stronę gdzie opisana jest cała instalacja: http://webiopi.trouch.com/INSTALL.html Dostępne sa tam również przykłady dla konkretnych urządzeń oraz dokumentacja pozwalająca zrozumieć zasadę działania. W dalszej części przedstawie fragmenty swoich skryptów, dla konkretnego rozwiązania.
Początek etapu instalacji:
Po zainstalowaniu pakietu. I wydaniu polecenia startowego /etc/int.d/webiopi start, możemy za pomocą przeglądarki internetowej otworzyć domyślną stronę internetową frameworka WebIOPi. Adres strony to numer IP komputera oraz domyślnie port :8000. Po wpisaniu adresu, strona będzie wymagała uwierzytelnienia w postaci domyślnego hasła. Widok domyślnie hostowanej strony został przedstawiony na zdjęciu poniżej. Są to podstawowe elementy frameworka umożliwiające sprawdzenie jego działania w tym przypadku działania układów wejść -wyjść.
Po sprawdzeniu działania podstawowych funkcji frameworka, należy za pomocą pliku konfiguracyjnego określić sposób jego działania. Polega to na dopisaniu wszystkich adresów urządzeń które mają być obsługiwane. W projekcie będą to 3 urządzenia w magistrali i2c, opisane jako adc, mcp oraz pwm. A także 2 urządzenia magistrali 1-wire opisane jako temp1 oraz temp2. Każde ze zdefiniowanych urządzeń prezentuje na stronie diagnostycznej rejestrowane parametry oraz jeżeli jest to możliwe, przyciski do sterowania testowania i zadawania wartości. Na tym etapie możliwe jest dokładne sprawdzenie działania wszystkich podzespołów. Po zakończeniu testów, w pliku konfiguracyjnym należy podać ścieżkę docelowej strony sterującej, oraz dodać aplikację do skryptów startowych systemu. Dokładny opis: http://webiopi.trouch.com/Tutorial_Basis.html
Kolejnym krokiem jest instalacja serwera apache wraz z modułami bazy danych mysql potrzebnymi do jej obsługi. Po instalacji wymagane jest stworzenie bazy danych, potrzebnej do rejestracji parametrów z czujników. Instalacja serwera FTP, znacznie ułatwia wymianę plików z komputerem, oraz późniejsze edytowanie skryptów odpowiedzialnych za działanie systemu. W prezentowanym rozwiązaniu został zainstalowany pakiet proftpd. Współpracuje on z programem fail2ban zabezpieczając dodatkowo zawartość przed niepowołanym dostępem.
Wszystkie niezbędne pakiety zostały zainstalowane. Za pomocą protkołu FTP została wgrana strona www oraz skrypty sterujące do ścieżki wcześniej ustawionej w pliku konfiguracyjnym WebIOPi.
Aplikacja internetowa: Aplikacja internetowa. Aplikacja internetowa w formie strony www została napisana wykorzystując języki HTML, CSS i JavaScript. Wykorzystanie skryptów JavaScript pozwoliło na wyświetlanie i sterowanie parametrami sterownika na stronie bez konieczności jej przeładowywania. Jednym z założeń było stworzenie strony działającej na urządzeniach mobilnych. Zostało to zrealizowane przy pomocy frameworka Bootstrap, który automatycznie dopasowuje jej zawartość do szerokości i proporcji ekranu. Interfejs aplikacji został zaprojektowany w formie prostokątnych kafli, z których każdy odpowiada za inną funkcję. Poniżej został przedstawiony widok strony startowej na komputerze z monitorem o rozdzielczości 1920x1080, oraz telefonu komórkowego o takiej samej rozdzielczości.
Pomimo takiej samej rozdzielczości ekranu, strona została odpowiednio powiększona i dopasowana do komfortowego przeglądania jej na telefonie komórkowym. Poszczególne zakładki zostały ukryte w formie rozwijanego menu dostępnego pod jednym przyciskiem (prawy górny róg).
Strona składa się z 4 głównych zakładek: monitoring, oświetlenie, diagnostyka oraz ustawienia. Pierwsza zakładka to jednocześnie strona startowa. Wyświetla ona najważniejsze rejestrowane parametry takie jak temperatura w pokoju dziennym, temperatura na zewnątrz, prąd pobierany przez cały obiekt, stan poszczególnych punktów oświetlenia, napięcie zasilania sterownika, oraz stan elementów nadzorujących bezpieczeństwo w obiekcie. Poszczególne kafelki wyświetlają informacje o tych parametrach oraz pozwalają na interakcję w postaci uruchamiania określonych funkcji. W przypadku przekroczenia nominalnej wartości danego parametru, np. temperatury w pokoju dziennym wyższej niż 22 stopnie Celsjusza, kafelek wyświetlający ten parametr zmienia kolor na pomarańczowy. Użytkownik zostaje również powiadomiony o tym fakcie, odtworzeniem informacji „Temperatura w pomieszczeniu jest za wysoka”, za pomocą podłączonych do komputera głośników. Odtwarzaniem dźwięku zajmują się niezależnie pracujące skrypty. Analogiczna sytuacja ma miejsce w przypadku zbyt niskiej wartości temperatury. Kafelek zmienia kolor na niebieski, a użytkownikowi zostaje odtworzony komunikat „Temperatura w pomieszczeniu jest za niska”. Aplikacja internetowa spełnia tylko rolę interfejsu komunikacyjnego z użytkownikiem, nie jest niezbędna do działania całego systemu, jednak pozwala na sterowanie systemem oraz podgląd zarejestrowanych parametrów. Kafelek odpowiedzialny za wyświetlanie temperatury, jest jednocześnie przyciskiem otwierającym okno wykresu, który generowany jest na podstawie ostatnich 200 pomiarów temperatury, rejestrowanych co 15 minut.:
Wykres generowany jest za pomocą biblioteki Google Chart API, pozwalającą na dowolną konfigurację wyświetlanych elementów. Po kliknięciu na dany punkt wykresu, w prawym górnym rogu wyświetlana jest szczegółowa informacja o zarejestrowanym parametrze. Wykres jest animowany, pozwala na powiększenie danego fragmentu w celu dokładniejszej analizy, co w przypadku np. pomiaru prądu, umożliwia zlokalizowanie źródła zużycia energii elektrycznej. Poszczególne elementy kodu potrzebne do zrealizowania wykresu to skrypt rejestrujący temperaturę i datę wykonania pomiaru do bazy danych, oraz skrypt generujący wykres, korzystający z biblioteki Google Chart API.
Aktualne parametry pobrane ze sterownika wyświetlane są na stronie www za pomocą java skryptu korzystającego z możliwości frameworka WebIOPi. Jako przykład zostanie przedstawiona funkcja odświeżająca wszystkie parametry na stronie startowej z interwałem 500ms. Jej kod jest zaprezentowany poniżej:
Kolejną główna kartą aplikacji internetowej jest oświetlenie. Za pomocą tej podstrony możemy sterować wszystkimi punktami oświetleniowymi, oraz monitorować ich stan.
W zależności od sprzętowej konfiguracji systemu wyświetlane są tu kafelki odpowiedzialne za włączanie lub wyłącznie oświetlenia, a także sterowanie jego jasnością. Kafelek w prawym dolnym rogu pozwala na włączanie lub wyłączanie wszystkich lamp w pomieszczeniu. Ikona żarówki podświetlona na żółto informuje o zapalonej danej lampie. Wyświetlany stan jest zależny od rzeczywistego stanu wyjścia przypisanego do sterowania danej lampy. Sterowanie fizycznymi przyciskami może odbywać się niezależnie od działania aplikacji internetowej. W przypadku włączenia światła przez użytkownika w pomieszczeniu przy wykorzystaniu fizycznego przełącznika, stan przycisku w aplikacji internetowej również ulegnie zmianie. Ostatnim elementem na stronie jest sterowanie jasnością oświetlenia LED. Odbywa się ono poprzez przesuwany pasek, który zadaje wartość z przedziału 0-100 w zależności od swojej pozycji. Jednocześnie wartość ustawiana jest na przypisanym wyjściu cyfrowym w module PWM, który generuje przebieg prostokątny o wypełnieniu procentowym z przedziału 0-100.
Karta „diagnostyka” jest bardzo przydatna w procesie montażu i serwisowania całego systemu. Umożliwia wykonywanie niektórych komend systemu, bezpośrednio z poziomu przeglądarki, pozwala na sprawdzanie stanu i adresów podłączonych do magistral urządzeń, posiada opcje restartu lub wyłączenia systemu, oraz wykonuje testowe odtwarzanie komendy głosowej konieczne w przypadku regulacji nagłośnienia.
Ostatnią zakładką jest zakładka „Ustawienia”, która docelowo ma służyć do ustawień wyglądu poszczególnych ekranów, wartości krytycznych dla danych parametrów, oraz włączania i wyłączania poszczególnych funkcji systemu.
Programami nadzorującymi pracę systemu są skrypty wykonywane cyklicznie lub na żądanie użytkownika. Skrypty wykonywane cyklicznie w systemie, zostały napisane w jezyku powłoki Bash, zaś skrypty odpowiedzialne za działanie systemu w zależności od stanu poszczególnych urządzeń napisane są w języku Python. Skrypty te wykonują większość zadań całego systemu inteligentnego budynku i są podstawą jego działania. Cykliczne wykonywanie programów zrealizowane jest za pomocą systemowego narzędzia CRON, uruchamia on co 15 minut skrypt odpowiedzialny za pomiar temperatury z czujnika temperatury i zapis jego stanu do bazy danych. Dzięki temu możliwe jest generowanie przebiegów temperatury w aplikacji internetowej. Dla każdego czujnika istnieje osobny skrypt. Kod skryptu przedstawia się następująco:
Programy realizujące poszczególne funkcje systemu to skrypty pracujące pod kontrolą frameworka WebIOPi. Pozwalają one na nadzorowanie np. stanu przycisków i w przypadku jego zmiany wykonanie określonej funkcji. Ze względu na możliwość sterowania oświetleniem zarówno z aplikacji internetowej, jak i fizycznych przycisków, pojawił się problem zmienionej pozycji przełącznika światła, w przypadku zgaszenia lampy z poziomu aplikacji internetowej. Przypisanie funkcji światła na stałe do przycisku, uniemożliwiło by sterowanie nim z innych źródeł. Rozwiązaniem tego problemu jest poniższy kod, reagujący tylko na zmianę stanu przycisku i zmieniający stan lampy w zależności od tego czy jest zapalona czy zgaszona.
Innym przykładem funkcji systemu są funkcje realizowane poprzez wywołanie danego makra przez użytkownika. Po wciśnięciu przycisku z poziomu przeglądarki wywoływana jest funkcja frameworka, wykonująca dane makro napisane w języku Python. I tak makro „shutdown” wykonuje polecenie systemowe „reboot” po czym zwraca do funkcji wartość „Sterownik: system zostanie wyłączony”, dzięki czemu aplikacja może wyświetlić odpowiedni komunikat. Przykładowe funkcje przedstawia poniższy fragment kodu.
Za pomocą opisanych skryptów możliwa jest realizacja dowolnej funkcji żądanej przez użytkownika. W prezentowanym rozwiązaniu zostały zaimplementowane m.in. takie funkcje jak gaszenie światła w całym mieszkaniu za pomocą włącznika przy łóżku, który jednocześnie zapala tylko lampkę nocną. Szybkie przełączenie przycisku przy drzwiach wejściowych wyłączające wszystkie światła, bez konieczności wyłączania wszystkich po kolei. Skrypty powiadamiające użytkownika za pomocą odtwarzanych komunikatów, realizują swoją funkcje tylko w przypadku odpowiedniej pory dnia. Czujnik ruchu niezbędny w skrypcie alarmowym, w przypadku rozbrojonego alarmu załącza z minimalną jasnością oświetlanie LED, umożliwiając dojście do łazienki bez konieczności zapalania świateł. Podwyższony pobór prądu, który w przypadku dłuższego braku ruchu w pomieszczeniu, pozwala na poinformowanie właściciela o włączonym odbiorniku energii elektrycznej.
Nie jestem w stanie opisać całego kodu aplikacji - bo jest go sporo, zamieszczam źródła do przejrzenia - które raczej nie pozwolą na bezpośrednie uruchomienie systemu ale dla kogoś korzystającego z opisanych frameworków mogą być przydatne.
Na koniec jeszcze film z testów czujnika temperatury.
Inteligentna kawalerka.zip
