Smart home dla każdego. Minikomputer Raspberry Pi i system automatyki budynkowej

Jak samodzielnie zaprojektować system sterowania domowymi instalacjami. Automatyk, laureat konkursu Muratora, opowiada, jak to zrobił w swoim domu.

Autor jest jednym z laureatów konkursu „Czyste powietrze z Muratorem 2020”. Jego przebudowa i modernizacja domku odziedziczonego po babci spotkała się z wielkim uznaniem, ponieważ została przeprowadzona bardzo nowocześnie. Inwestor zastosował w nim takie rozwiązania, że budynek osiągnął standard domu niskoenergetycznego. Żeby sprawnie zarządzać zmodernizowanym domem, autor, który zawodowo zajmuje się automatyką przemysłową, sam zaprojektował i wykonał system sterowania instalacjami w swoim domu. System został uruchomiony w grudniu 2020 r. Natomiast nie wszystkie urządzenia są już zainstalowane, gdyż montaż wszelkich czujników będzie wykonany dopiero po malowaniu ścian i sufitów. Poprosiliśmy go jednak, żeby podzielił się z naszymi Czytelnikami doświadczeniami z projektowania systemu sterowania. (ak)

Spis treści

1. Mikrokomputer Raspberry Pi (Malina)
2. System automatyki domowej Domoticz
3. Okablowanie budynku
4. Możliwe rozwiązanie bezprzewodowe
5. Co wchodzi w skład systemu
6. Budowa systemu
7. Instalacja alarmowa
8. Rozdzielnica

W trakcie remontu i rozbudowy mojego domu zdecydowałem się go wyposażyć w system automatyki budynkowej. Rozważałem i kalkulowałem rozwiązania czołowych producentów automatyki budynkowej, takich jak Grenton, Fibaro oraz Sterbox.

Mikrokomputer Raspberry Pi (Malina)

W trakcie poszukiwań znalazłem popularny w ostatnich latach mikrokomputer Raspberry Pi, nazywany zdrobniale Maliną. Można go wykorzystać do tworzenia przeróżnych przydatnych aplikacji, jak np. zestaw smart TV, retro konsola do gier. Może również posłużyć jako komputer do sterowania robotem. No i przede wszystkim doskonale sprawdzi się jako system sterowania automatyką domową. Największe zalety tego urządzenia to niewielkie rozmiary oraz niskie zużycie energii, a to ważne w późniejszej eksploatacji, bo komputer będzie czuwał 24 godziny na dobę 7 dni w tygodniu.

System automatyki domowej Domoticz

Oczywiście sam komputer nie wystarczy. Potrzebne jest dedykowane odpowiednie oprogramowanie do stworzenia systemu inteligentnego domu. Znam dwa popularne systemy automatyki domowej obsługiwane przez Raspberry Pi. Są to Domoticz oraz Home Asisstant. Zdecydowałem się na ten pierwszy. Oprogramowanie jest darmowe i pozwala zbudować system sterowania budynkiem dostępny z poziomu przeglądarki internetowej. Dostępna jest również aplikacja mobilna Domoticz. Korzystając z odpowiednio przygotowanej aplikacji, możemy za pomocą smartfona, tabletu, laptopa włączać i wyłączać urządzenia w domu, takie jak rolety, markizy, oświetlenie, gniazda 230 V czy też obsługiwać system sterowania bramą wjazdową, otwierać i zamykać furtkę lub drzwi zewnętrzne. Oczywiście wszystkie operacje możemy wykonać klasycznie za pomocą fizycznych naściennych włączników. Oprócz tego możemy zaprogramować scenariusze, które zostaną wykonane automatycznie. Idealnym przykładem jest wykorzystanie systemu sterowania do zarządzania roletami zewnętrznymi, żeby zamykać je automatycznie po zachodzie słońca i otwierać o świcie.

Okablowanie budynku

Kolejnym etapem projektowania systemu inteligentnego budynku była konstrukcja całego układu sterowania. Drogi są dwie: klasyczna komunikacja wszystkich urządzeń za pomocą kabli oraz bezprzewodowa. W moim przypadku, kiedy budynek był w stanie surowym, została ułożona instalacja elektryczna wraz z niezbędnymi przewodami komunikacyjnymi. Instalacja elektryczna w tym przypadku jest podłączona w nieco inny sposób niż w klasycznym domu, albowiem każdy punkt posiada osobny przewód zasilający sprowadzony do głównej rozdzielni. W przypadku naściennych włączników dochodzą tam tylko przewody sterownicze, co ma dodatkową zaletę, gdyż nie płynie tam napięcie 230 V, a jedynie napięcie sterownicze 5 V. Koszty takiej instalacji są wyższe. Jednak w przyszłości taka instalacja jest mniej awaryjna z uwagi na brak puszek łączeniowych ukrytych w ścianach.

Możliwe rozwiązanie bezprzewodowe

Oczywiście wykorzystanie instalacji inteligentnego domu nie dotyczy tylko nowo budowanych oraz remontowanych domów. W przypadku istniejących budynków można zastosować rozwiązania bezprzewodowe w postaci gotowych modułów umieszczanych w puszkach instalacyjnych. Moduły te komunikują się z centralną jednostką poprzez domową sieć WiFi. Istnieje również dedykowana sieć bezprzewodowa do rozwiązań typu smart home o nazwie Z-Wave.

Co wchodzi w skład systemu

Podsumowując, w moim systemie smart home wykorzystałem minikomputer Raspberry Pi z oprogramowaniem Domoticz. Cała instalacja elektryczna i sterownicza została rozprowadzona do głównej rozdzielni elektrycznej. Zdecydowałem się na obsługę następujących podsystemów:

• sterowanie oświetleniem,
• sterowanie roletami zewnętrznymi,
• instalacja alarmowa i monitoring,
• sterowanie bramą wjazdową i furtką.

Budowa systemu

Aby obsłużyć wybrane obwody, musimy ocenić, ile kanałów wejściowych i wyjściowych potrzebujemy do obsługi wybranych odbiorników, a następnie wybrać odpowiednie urządzenia komunikujące się z jednostką centralną. W przypadku mojej instalacji wykorzystałem mikrokontrolery Arduino, a dokładnie model Arduino Mega, gdyż dysponuje największą liczbą kanałów I/O (input/output). Nie potrzebujemy wiedzy programistycznej, aby zaprogramować mikrokontroler, tak aby spełniał nasze potrzeby. Wystarczy skorzystać z gotowych projektów dostępnych na stronie internetowej https://www.mysensors.org/. Tak skonfigurowany kontroler możemy podłączyć z jednostką centralną zarówno przewodowo, jak i bezprzewodowo. Do komunikacji bezprzewodowej możemy zastosować moduły ESP8266, które łatwo ukryje się w puszce włącznika naściennego. Dodatkową zaletą wyboru mikrokontrolera Arduino jest jego niezależna praca. W przypadku awarii jednostki centralnej taki kontroler nadal działa i możemy sterować domem za pomocą fizycznych przycisków.

Instalacja alarmowa

Zdecydowałem się również na instalację alarmową, która będzie czuwała nad bezpieczeństwem w domu. Instalacja alarmowa spełnia 3 funkcje:

• Zabezpieczenia antywłamaniowe, czyli czujniki w oknach oraz czujniki ruchu, które po aktywacji uruchomią alarm oraz poinformują właściciela o incydencie poprzez np. wiadomość sms. Ta informacja może zostać również przekazana wynajętej firmie ochroniarskiej.
• Zabezpieczenie przeciw zalaniu budynku. W kuchni, pralni i łazienkach zostały zaprojektowane czujniki zalania, które zostaną zainstalowane przy podłodze. Na wypadek awarii instalacji wodnej taki czujnik po wykryciu wody przekaże informacje do centralnego systemu, a następnie zostanie zamknięty elektryczny zawór na głównym przyłączu wody.

Przeczytaj też:

Proste sterowanie domem: oświetlenie, ogrzewanie, alarm w jednym systemie >>>

• Zabezpieczenie przeciwpożarowe. Podobnie jak instalacja wodna, tak i instalacja elektryczna jest wyposażona w układ wybijający główne zasilanie w budynku. Gdy czujniki dymu wykryją dym lub wzrost temperatury, system automatyki wyłączy zasilanie elektryczne w całym domu.

Rozdzielnica

Budowa rozdzielnicy elektrycznej w przypadku, gdy chcemy wszystkie urządzenia sterujące umieścić w centralnym punkcie wymaga znacznie więcej miejsca niż klasyczne rozdzielnice. W moim domu znalazło się wyznaczone miejsce na wolno stojącą szafę, w której będę również mógł umieścić dodatkowe switche sieci lokalnej oraz UPS zapewniający zasilanie awaryjne na wypadek ewentualnego chwilowego zaniku energii elektrycznej. Oczywiście można zastosować większą klasyczną podtynkową rozdzielnicę, taką jakie się spotyka w domach jednorodzinnych.

Takie rozwiązania były do tej pory stosowane głównie w budynkach komercyjnych i przemysłowych. W nowoczesnych projektach domów warto również pomyśleć o systemie sterującym budynkiem. Zapewni to użytkownikowi większy komfort i wygodę korzystania z domu. Pozwoli zaoszczędzić energię, a także zabezpieczy nas przed pożarem, włamaniem lub zalaniem domu.