Система умного освещения домашнего кабинета

Автор: Секретный кот
Опубликовано 18.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

Проблема

Как известно, об устройстве освещения принято вспоминать в последнюю очередь, когда ремонт уже закончен и самое главное – выделенные на него деньги закончились :) . Нечто подобное совсем недавно приключилось и со мной – оборудовав одну из комнат квартиры под домашний кабинет (он же лаборатория и мастерская), я обнаружил, что имеющееся освещение совершенно не подходит для длительной работы за компьютером: после 8-10 рабочих часов глаза просто отваливаются от усталости.

Для начала было проведено несколько более глубокое изучение проблемы, для чего была измерена освещённость, создаваемая на рабочем столе существующим потолочным светильником. Результат оказался неутешительным – она едва дотягивала до 100 люкс, причём дело усугублялось тем, что свет крайне некомфортно падал на стол из-за моей спины. Для сравнения в современных офисах минимальная освещённость стола принимается на уровне 300 люкс, а средняя – порядка 500 люкс. Стало понятно, что пытаться как-то усовершенствовать имеющийся светильник не имеет смысла – требовалось что-то совсем другое.

Проанализировав доступные (в плане цены и «доставаемости») на сегодняшний день светотехнические технологии, а также их плюсы и минусы, выбор был сделан в пользу классической системы офисного освещения на полноразмерных (1,2 м) люминесцентных лампах типа Т8. В этом месте у кого-то может возникнуть резонный вопрос: а почему не на модных ныне светодиодах? Ответ будет простой: как специалист, по роду своей работы не понаслышке знакомый с системами профессионального освещения, я предпочёл более стабильную и предсказуемую технологию (при том, что её светотехнические показатели находятся вполне на уровне нынешних светодиодных аналогов, при существенно меньшей цене). Разумеется, ещё одним аргументом «за» стало наличие в моей кладовочке некоторых полезных запчастей :)

Осветительная установка

Чтобы новое освещение получилось по-настоящему «умным», предварительно был набросан небольшой расчёт для моей комнаты в известной программе Dialux (рис. 1). В правом нижнем углу можно наблюдать картинку распределения освещённости по поверхности рабочего стола.

Он показал, что три стандартных двухламповых светильника с лампами Т8 создадут среднюю освещённость моего стола на уровне около 400 люкс. Кстати, это очень хорошая проверенная программа, рекомендую всем, кто хочет достаточно точно предсказать будущий результат :)

Далее были изготовлены сами светильники. Не мудрствуя лукаво, я использовал сделанные из качественного металла корпуса советских светильников «ЛПО», комплектовавшиеся к тому же прочными и не желтеющими со временем призматическими плафонами-рассеивателями. Всё в этих светильниках было хорошо, кроме «начинки»: шумная и неэкономичная стартёрно-дроссельная схема на сегодняшний день безнадёжно устарела. Поэтому начинку было решено заменить на современные электронные балласты фирмы Osram, заодно обладающие весьма приятной возможностью регулировки яркости ламп. Попутно светильники были превращены в трёхламповые, благо их добротные корпуса это легко позволяли (рис. 2).

Система управления

Однако главной частью этого проекта стала система управления светом комнаты, которую пришлось придумать, разработать и изготовить за достаточно сжатый срок. Система получилась сравнительно простой и одновременно достаточно сложной, чтобы внести свой вклад в «умность» всего проекта. На ней-то мы и остановимся поподробнее.

Итак, итоговый вариант осветительной системы получился состоящим из трёх установленных в линию светильников, каждый из которых содержит три лампы Т8х36W, включённые с диммируемыми электронными балластами по схеме «2+1». Это был ещё один вклад в «умность» освещения, позволяющий максимально тонко настраивать его параметры в зависимости от текущих потребностей. Таким образом, с точки зрения платы управления в системе оказалось три основных канала белого света (по две лампы в каждом светильнике) и три дополнительных канала (по одной лампе в каждом светильнике), которые изначально задумывались тоже как белые, но в дальнейшем были превращены в установку цветного освещения («колорчейнджер») RGB. Итого получается шесть индивидуально управляемых каналов, на каждом из которых должно обеспечиваться включение/отключение и диммирование (плавная регулировка уровня яркости).

Принцип управления диммируемыми балластами (ЭПРА) для люминесцентных ламп в корне отличается от традиционного (тиристорного) регулирования мощности ламп накаливания. На балласт всегда должно быть подано полное питающее напряжение 220В, а установка уровня яркости осуществляется по отдельному слаботочному интерфейсу. Существует несколько общепринятых стандартов на такие интерфейсы в аналоговом и цифровом варианте. Применённые в проекте балласты были оборудованы аналоговым интерфейсом TVI (Ten Volts Interface), у которого выбор уровня яркости лампы производится подачей на управляющий вход постоянного напряжения от 0 до 10В. Эта особенность была также учтена при разработке принципиальной схемы платы управления.

Схема управляющей платы

Итоговый вариант принципиальной электрической схемы платы показан на рис. 3.

Для коммутации силовых цепей (230В) применены специализированные электромагнитные реле серии RT424. Для того, чтобы сделать собственное потребление платы минимальным, было решено применить бистабильные реле типа RT424A12, потребляющие ток только в моменты изменения состояния (К2-К7). За счёт этого потребление платы в режиме ожидания составляет всего 30-35мА. Дополнительным плюсом этого решения является сохранение состояния реле при возможных сбоях в питании или работе управляющей платы: комната при этом не рискует погрузиться в темноту.

Схема содержит также одно моностабильное реле RT424012, которое изначально предназначалось для временного подключения дополнительной нагрузки. В дальнейшем эта возможность не понадобилась, таким образом на этом реле собран резервный дополнительный канал.

Для управления выбранными однообмоточными бистабильными реле требуются импульсы напряжения 12В различной полярности. Безусловно, более удобными с точки зрения «управляемости» оказались бы двухобмоточные реле, однако здесь, как это часто бывает, пришлось исходить из возможностей реального приобретения по разумной цене :) . Поэтому обмотка каждого реле включена через специальную микросхему-драйвер («H-мост») типа IXDN404 (DA3-DA8), обеспечивающую нужную полярность на обмотке.

Ранее упомянутые интерфейсы регулировки яркости TVI реализованы на элементах DD4, R3-R10, VD4-VD7, C8-C11. Изменение управляющего напряжения на выходных клеммах производится по принципу ШИМ с частотой около 300Гц. Конденсаторы C8-C11 сглаживают пульсации управляющего напряжения, диоды VD4-VD7 взаимно защищают управляющую плату и входы балластов от случайной переполюсовки при монтаже. При проектировании платы для экономии места было решено объединить регулировку белого света в один канал, так как необходимости в разных уровнях яркости разных светильников не было (возможность их раздельного включения была сохранена).

«Мозгом», управляющим всем основным функционалом платы является микроконтроллер DD1 типа ATMega32A (c текущим вариантом прошивки может быть также использован ATMega16). Модуль инфракрасного дистанционного управления реализован на фотоприёмнике DA2 и ещё одном микроконтроллере DD3 типа ATTiny13. Такое решение продиктовано тем, что несмотря на принципиальную возможность программно реализовать этот модуль в прошивке основного контроллера, будет иметь место конфликт прерываний, приводящий к внешне неприятному эффекту мигания света в момент нажатия любых кнопок ИК-пультов в помещении. Поэтому всю обработку ИК сигнала выполняет отдельный микроконтроллер, а объём передаваемой в DD1 информации сведён к минимуму, не нарушающую работу основных прерываний.

Обратная связь о состоянии (включено-выключено) всех бистабильных реле поступает с их вторых контактов на входы 22-27 микроконтроллера. Эта информация считывается при подаче питания и позволяет контроллеру принять правильное решение о настройке каждого канала. Светодиод HL1 предназначен для собственной диагностики. В окончательном варианте прошивки он кратковременно зажигается синхронно с включением и отключением бистабильных реле.

Для связи с «внешним миром» в схеме предусмотрена микросхема адаптера сети RS-485 (DD2). Кроме возможности дублирования всех ИК команд, этот интерфейс предоставляет также дополнительные возможности, такие как получение информации о состоянии каналов, объединение каналов в группы, управление их реакцией на общие команды и пр. Кроме этого, наличие данного интерфейса создаёт задел для создания целой домашней сети из подобных устройств, которая позволит удалённо управлять практически любыми домашними электрическими нагрузками.

Питание управляющей платы осуществляется по 4-проводному кабелю (в роли которого выбрана стандартная компьютерная «витая пара»). По двум жилам подаётся постоянное напряжение 12В, а две другие жилы отданы под сигнал RS-485. Для питания микросхем на плате установлен понижающий линейный стабилизатор DA1 типа 78L05. Разъём J1 служит для подключения программатора.

Внешний вид собранной платы показан на рис. 4, а-в).

Устройство явилось по сути первым рабочим прототипом, в который оперативно вносились корректировки и даже принципиальные изменения, поэтому изначально оно собиралось на макетной плате размером 80х140мм. Так как получившееся в итоге решение оказалось вполне работоспособным и приемлемым, для него был разработан также вариант печатной платы. Однако данная плата пока не изготавливалась и не тестировалась на отсутствие ошибок, поэтому публиковать её пока не рискую. Вероятно, на этом варианте платы будут основаны следующие экземпляры устройств для работы в домашней сети.

Схема подключения управляющей платы к блоку питания 12В и сети RS-485 показана на рис. 5.

В качестве адаптера RS-485 применён подключаемый к порту USB широко распространённый адаптер «Телепорт-Палиха» от одноимённого телефонного аппарата, подвергнутый небольшой доработке (в соответствии со схемой на рис. 6).

Для работы с этим адаптером в новом качестве написана специальная программа Greenbox Web Server, речь о которой пойдёт чуть позже. А пока приступим наконец к описанию реализованных функций.

Работа с ИК пультом

Инфракрасное управление осуществляется с пульта стандарта RC5. В качестве отладочного образца был взят пульт от телевизора Samsung, что не совсем корректно, ибо он имеет «телевизионные» адреса команд (в то время как для целей управления освещением стандарт предусматривает специальную адресацию). Тем не менее, существует возможность легко поменять используемые коды кнопок путём коррекции содержимого EEPROM основного микроконтроллера (начиная с адреса 0Bh в EEPROM последовательно расположены байт адреса и 16 байт кодов кнопок: [0]-[9], [-/--], [ON/OFF], [Display], [Ch/Up], [Ch/Down], [MENU]). Имеется также принципиальная возможность использования пультов другого стандарта, например Sony или NEC, однако для этого микроконтроллер DD3 придётся заменить на более мощный.

Реализованные функции включают индивидуальное и групповое управление каналами. Для индивидуального управления необходимо вначале нажать на пульте кнопку, соответствующую номеру канала ([1]-[6]). Далее следует нажать одну из следующих кнопок:

• [ON/OFF] – переключение состояния канала. Если он был выключен, то включается на последний перед выключением уровень яркости, если был включён, то отключается.
• [Ch/Up] – увеличение яркости канала на 1 ступень. Всего предусмотрено 10 уровней яркости, чего оказалось более чем достаточно для практических целей. Если выбранный канал был выключен, при нажатии этой кнопки он включается на последний перед выключением уровень яркости.
• [Ch/Down] – уменьшение яркости на 1 ступень. Если яркость канала уже находится на минимальном уровне, действие игнорируется.

Так как управление яркостью белых каналов ([1]-[3]) объединено в один физический порт, регулировка каждого из этих каналов затрагивает также все остальные. Кроме индивидуального управления каналами, предусмотрено также несколько групповых функций:

• [7]/[-/--] – одновременное включение/отключение всех каналов белого света;
• [9]/[Display] – одновременное включение/отключение всех каналов цветного света;
• [MENU] – одновременное отключение всех включённых каналов.

Кроме этого, в прошивке также предусмотрена специальная дополнительная функция декоративного освещения, получившая условное название «генератор настроения», включаемая кнопкой [8]. При этом запускается крайне медленная, плавная, циклическая смена яркости каждого из трёх цветов (в пределах 32 градаций). Визуально этот эффект смотрится довольно интересно: доминирующий оттенок света в помещении постоянно меняется, хотя «поймать» взглядом момент смены цветов невозможно. Скажем, вы начинаете что-то делать при зелёном свете, а через несколько минут вдруг замечаете, что свет как-то совсем незаметно стал жёлтым. Данный эффект особенно подходит для различных праздничных случаев и вообще поднятия настроения в моменты пасмурной погоды :)

Наилучшим образом «генератор настроения» работает, если на момент его запуска цветные каналы настроены на разные уровни яркости (оптимальное сочетание: 1, 5, 10). При этом смена цветов будет наиболее отчётливой. Отключение «генератора» производится нажатием кнопок [0] (при этом цветные каналы остаются включёнными на текущий уровень яркости) или [Display] (с полным гашением цветных каналов).

Наглядная карта кнопок пульта, на которой видна логика назначения кнопок, показана на рис. 7.

Веб-интерфейс

В рамках описываемого проекта рассматривались различные варианты реализации подключения по сети RS-485, от разработки специального устройства-пульта до инсталлируемой консольной программы для ПК. В итоге было решено вывести управление системой на веб-интерфейс, как наиболее перспективный и наименее привязанный к «железу» вариант. Реализация веб-интерфейса открывает практически неограниченные возможности управления созданной системой через локальную сеть и интернет практически с любых видов устройств (компьютеры, смартфоны, планшеты), содержащих встроенные веб-браузеры.

Схема организации веб-интерфейса показана на рис. 8.

Программная часть состоит из специализированного ПО Greenbox Web Server собственной разработки и собственно php/html кода (так называемого frontend), размещаемого на веб-сервере общего назначения с поддержкой php5. Специализированное ПО устанавливается на тот компьютер, к которому физически подключена плата управления по RS-485. Запросы из клиентских браузеров вначале поступают на веб-сервер общего назначения, откуда переадресовываются на целевой компьютер. Отдельно обратим внимание, что упомянутый веб-сервер может также являться программной реализацией, установленной на тот же самый компьютер, что и основное ПО (на рисунке он для наглядности показан, как отдельное устройство).

Загружаемый в клиентские браузеры веб-интерфейс (так называемый «frontend») позволяет полностью реализовать все функции, доступные с ИК пульта, а также получать и отображать в реальном времени состояние управляемых каналов (в виде индикаторов, встроенных в соответствующие кнопки либо размещённых отдельно). В качестве примера на данный момент было разработано три варианта таких интерфейсов, отличающихся внешним видом и условно адаптированных для смартфонов, планшетов и настольных компьютеров. Пример такого интерфейса для смартфона показан на рис. 9.

Отдельно хочется отметить, что дизайн подобных панелей ограничен только фантазией web-разработчика, и на основе предлагаемых образцов можно создать ещё много различных вариантов.

Заключение

Проработав уже полтора месяца в условиях нового освещения, я в полной мере оценил все его положительные качества. Например, свет теперь достаточно включать только в той части комнаты, где он требуется в данный момент, а установка уровня яркости «по настроению» подчёркивает визуальный комфорт и вдобавок заметно снижает энергопотребление! Цветные лампы оказались востребованы не только во время вечеринок и праздников, но и в обычные дни – ведь их свет можно по вкусу подмешивать к белому. Наконец, возможность дистанционного управления системой через веб-интерфейс вообще оказалась очень приятной: желаемую световую среду теперь можно настроить прямо с рабочего компьютера, а забытый включённый свет никогда не поздно отключить и из другой комнаты.

Перед тем, как перейти к скачиванию материалов проекта, предлагаю читателю полюбоваться ещё на несколько картинок, а также ознакомиться с видеороликом, демонстрирующим основные возможности системы в работе.

На всякий случай отдельная ссылка на видео.

Файлы:
Прошивки и EEPROM микроконтроллеров
Дистрибутив Greenbox Web Server
Примеры веб-интерфейсов

Все вопросы в Форум.