От Arduino к Wiren Board за 10 лет. История автоматизации дома с солнечными панелями
Следующий умный дом, который меня пригласили посетить, имеет весьма интересную историю. Его проектировал и строил энтузиаст своего дела Алексей, который еще тринадцать лет назад решил сделать свой умный дом площадью 350–400 м², причем с солнечными панелями в качестве альтернативного источника дорогой электроэнергии, поставляемой по дневному тарифу. Доступных решений в то время не было, поэтому пришлось многое делать самому, о чем повествует статья «От умного дома к умным корпорациям».
Гостиная
В 2013 году Алексей спаял свои модули умного дома на Arduino с интерфейсом LAN RJ45, которые были интегрированы с подрозетниками. Решение оказалось довольно маленьким и недорогим, но до производства дело так и не дошло. Поэтому Алексей решил ждать удешевления и массовых продуктов.
Мне стало интересно, почему Алексей вообще задался вопросом замены своих компонентов автоматизации на что-то чужое, в данном случае Wiren Board? Причин тому несколько.
Во-первых, это Ethernet. На практике связка MajorDoMo + Ethernet работала не очень стабильно. И приходилось регулярно устройства перезагружать.
Во-вторых, когда Алексей начинал сборку своего умного дома, у Apple еще не было HomeKit. Но ему хотелось использовать одно приложение на всех устройствах (телефонах, iPad…), с одинаковой логикой. MajorDoMo сюда не очень вписывался. Но было ощущение, что такое приложение вот-вот должно появиться.
В-третьих, Алексей предвидел, что вскоре должны появиться мультидатчики в одном корпусе, и свою кабельную сеть он строил в расчете на них. Датчик WB-MSW v. 3 подошел как нельзя лучше.
Наконец, Алексею близка концепция промышленных протоколов, нравится Modbus. Он считает правильным когда вся система автоматизации работает локально, без интернета. Концепция, реализованная в устройствах Wiren Board, очень удачно вписалась в те идеи, которые Алексей когда-то вынашивал.
В разработке и реализации нового проекта Алексею помогал интегратор Intelligent House. Перед интегратором были поставлены следующие задачи:
Свет: управление освещением комнат, создание групп светильников и светодиодных лент для акцентного освещения, управление фасадным и уличным освещением.
Шторы: управление рольставнями и экраном проектора, в том числе по сценариям.
Сенсоры: датчик движения в прихожей для включения освещения, датчики контроля температуры, влажности и CO₂ в жилых помещениях.
Контроль протечек: датчики протечки воды во всех влажных помещениях, по срабатыванию перекрытие подачи воды.
Мастер-выключатель: по нажатию кнопки отключается весь свет, опускаются рольставни.
Климат: управление системой отопления в каждой комнате (радиаторы, теплые полы).
Вентиляция: включение вентиляции помещения при превышении в нем уровня CO₂, причем отдельно для каждой комнаты, при пожаре — выключение установки.
Солнечные панели: управление системой генерации электрической энергии через солнечные панели, управление накоплением энергии в аккумуляторах, переключение на автономное электропитание по сценариям.
Zigbee: возможность управления беспроводными устройствами Zigbee, чтобы можно было расширять функциональность умного дома.
Интеграция в Apple HomeKit: управление через приложение Apple Home и с помощью Сири, установка стационарных планшетов iPad, чтобы умным домом можно было управлять гостям и пожилым родственникам.
Сценарии автоматизации: «кино», никого нет дома (управление рольставнями), затемнение спален в ночное время, регулирование уровня инсоляции летом, подсветка фасада в ночное время и т.д.
Все начиналось, как и положено, с чертежей, подробных и продуманных.
Мы видим Wiren Board 6, но к моменту монтажа вышел Wiren Board 7, который и был использован
Контроллер и щит
В качестве основы были выбраны контроллеры Wiren Board 7 с проводным подключением основных датчиков. Там, где провода не были проложены 10 лет назад, используются устройства Zigbee, подключение к контроллеру Wiren Board осуществляется через модуль Sprut.stick ZigBee WBE2R-R-ZIGBEE-SH, для сценариев автоматизации на уровне контроллера выбрана оболочка Sprut.Hub, но некоторые сценарии сделаны на уровне облака через HomeKit. Поддерживается и голосовое управление через Siri. Sprut.Hub в данном случае работает и как шлюз HomeKit.
Облачные сценарии отвечают за уличный свет в зависимости от восхода/ заката. Также Алексей экспериментирует со ступенчатым открытием штор в зависимости от восхода солнца. Ещё настроен контактор на ввод электричества: отключает ввод в дом в 7–00, включает в 23–00 — днём дом питается от накопленной в батареях энергии, которая пополняется от солнечных панелей.
Щит на первом этажеЕсли снять заглушку, то можно рассмотреть подключение проводов
Исторически для каждого этажа был установлен свой щит с контроллером. Но Алексей здесь видит преимущество по отказоустойчивости и резервированию функций, поэтому было принято решение оставить подобную концепцию. Второй контроллер лишним не бывает, не так ли? Проводные устройства на каждом этаже подключены к щиту по топологии «звезда».
Еще фотографии
Датчики
В каждом жилом помещении установлен датчик WB-MSW v. 3 в качестве сенсора уровня CO₂ для включения вентиляции. Измеряет он и температуру для регулировки отопления в холодные периоды.
Коллектор с горячей и холодной водой, видны запорные краны и датчик протечки «Нептун»
В доме было установлено несколько датчиков протечки, исторически на оборудовании «Нептун», которое осталось в нетронутом виде на втором этаже. В цоколе и на первом этаже Алексей уже перешел с «Нептуна» на беспроводные датчики Aqara, которые работают через Zigbee и подключены к контроллеру Wiren Board. Запорные шаровые краны «Нептун» подключены через модуль WB-MR6CU v. 2 к контроллеру Wiren Board. Перекрывается подача воды на каждый этаж раздельно.
Коллектор системы отопления на цокольном этаже. Установлены электротермические клапана Salus T30NC220V
В прихожей установлен пока что единственный датчик движения, который включает свет по сценариям. Здесь тоже используется оборудование Zigbee. Кнопка в прихожей не только включает свет, но и работает в качестве мастер-выключателя: достаточно зажать ее на три секунды при выходе, после чего будут опущены жалюзи, а весь свет в доме выключен.
Красивая витражная подсветка рядом с лестницей на второй этаж. Справа от входной двери установлен iPad для управленияiPad для управления крупным планом
На каждом этаже установлены панели управления в виде планшетов iPad в креплениях с индукционной зарядкой. Они позволяют управлять всеми функциями умного дома, если оставил смартфон в спальне. Также можно предоставить доступ гостям или пожилым родственникам.
Климат и вентиляция
В доме установлена приточно-вытяжная вентиляционная установка с рекуператором. Зимой воздух догревается водяным калорифером, а летом дополнительно охлаждается. Приток осуществляется в жилые помещения, удаляется воздух из нежилых.
Потолок кухни с вентиляцией, светильниками и датчиком WB-MSW v. 3 справаЕще фотографии
Вентустановка автоматически поддерживает необходимый перепад давления между притоком и вытяжкой в точке подключения воздуховодов. Это позволило осуществить следующий алгоритм работы вентиляции:
на ответвлении приточного воздуховода в каждое помещение установлена воздушная заслонка с электроприводом;
в каждом жилом помещении установлен датчик WB-MSW v. 3;
при регистрации повышенного уровня углекислого газа в помещении открывается соответствующая воздушная заслонка, что приводит к падению давления в приточном магистральном воздуховоде;
вентустановка видит это падение давления и увеличивает обороты вентилятора, добиваясь восстановления требуемого значения перепада давления;
помещение вентилируется с трехкратным воздухообменом.
Поскольку дом большой, а жителей в нем немного, этот алгоритм позволяет иметь высокое качество воздуха, применяя сравнительно небольшую вентиляционную установку. И экономическая эффективность такого решения несомненна.
Сам дом построен с очень толстыми стенами из кирпича, поэтому его теплоемкость очень велика. Это позволяет обойтись без применения кондиционеров. От избыточной инсоляции дом защищают рольставни (подробнее о них ниже по тексту), а приточный воздух охлаждается до 14–15 градусов.,
Есть интересное решение: в качестве источника холода используется колодезная вода. В колодец опущен теплообменник из медной трубы, в котором охлаждается вода, циркулирующая через калорифер вентустановки. Теплопоступления от вентустановки невелики, разбор воды из колодца большой (он также используется для полива). Поэтому не возникает проблем ни с количеством холода для вентустановки, ни с избыточным нагревом колодезной воды (который может привести к росту микроорганизмов в воде). Для питья используется вода из магистрали поселка после очистки в установке с обратным осмосом.
Датчик WB-MSW v. 3 в спальнеЕще фотографии
Помещения отапливаются теплыми полами и приборами отопления. Температура в контуре теплых полов управляется автоматикой котельной и регулируется по отопительному графику в зависимости от температуры «за бортом». Приборы отопления подключены по лучевой схеме, на коллекторах установлены термоэлектрические приводы. Этими приводами управляет Wiren Board 7 по температуре воздуха в помещении. Требуемая температура задается для каждого помещения индивидуально, возможно ее изменение по суточному и/или недельному графику.
Рольставни
Все окна дома и двери оборудованы рольставнями, которые через модуль WBIO-DO-R10R-4 подключены к контроллеру Wiren Board. Используется несколько сценариев:
Блокировка дома при отсутствии людей внутри.
Затемнение гостиной в режиме домашнего кинотеатра.
Затемнение спален в ночное время.
Экономия тепла зимой — в зимнее время на ночь закрываются все рольставни для снижения теплопотерь.
Регулирование инсоляции в летнее время — вручную либо голосовыми командами.
В доме пока нет отдельной системы автоматической пожарной сигнализации (АПС). Когда ее смонтируют, она обязательно будет интегрирована в систему домашней автоматизации. При появлении сигнала от АПС отключится вентустановка и, если в доме есть люди, откроются все рольставни.
Через HomeKit запрограммированы команды — можно открывать/закрывать рольставни по всему дому или в отдельных комнатах.
Еще фотографии
Освещение
Каждая комната содержит одну-две зоны освещения, однако в спальне таких зон три, а в санузле хозяина — целых пять. В каждой комнате есть мастер-кнопка включения/выключения всех зон, но также имеются выделенные кнопки для отдельных зон. Все кнопки выведены на контроллер Wiren Board и модули WB-MR6C. Свет тоже подключен к щиту и модулям WB-MR6C.
Внешняя подсветка дома включается через сценарии HomeKit день/ночь.
Солнечные панели
Отличительной особенностью дома можно назвать наличие солнечных панелей, которые Алексей установил довольно давно. В системе на каждой фазе установлен гибридный инвертор Xantrex от Schneider Electric.
С учетом стоимости панелей и оборудования, а также низкой стоимости ресурсов в России, подобный проект вряд ли стоит делать, исходя из целей экономии. Но Алексей решил добавить солнечные панели, поскольку верит в перспективы подобного решения. С каждым годом улучшаются характеристики выпускаемых панелей, они работают с более высоким КПД, рано или поздно их эффективность даже в Подмосковье будет достаточная, чтобы питать дом почти круглые сутки без стационарной электросети.
Однако, даже без солнечных панелей, система накопления энергии от сети с последующим использованием на нужды дома, может быть альтернативой или дополнением к бензогенератору, которые нередко используются для резервного питания в домах с постоянным отключением электричества.
Блок управления солнечными панелямиАккумуляторы для накопления энергииМодули WB-MAI6 определяют остаток заряда
На момент посещения днем 31 января 2023 г. в пасмурную погоду 12 панелей по 300 Вт выдавали всего 200 Вт мощности. В солнечный день мощность может составлять до 2,6–2,7 кВт.
В целом, система электроснабжения дома работает так:
во время действия ночного тарифа электропитание идет от сети + заряжаются аккумуляторы;
при дневном тарифе, если заряд аккумуляторов позволяет, питание идет от них через инверторы, если не позволяет — от сети;
ток, вырабатываемый солнечными панелями, идет на заряд аккумуляторов и/или на инверторы.
Остаток заряда определяется стандартно, по напряжению на аккумуляторах универсальными модулями аналоговых входов WB-MAI6. WB-MAI6 могут также измерять постоянный ток с помощью датчиков на эффекте Холла, но эта функция в проекте не используется.
Еще фотографии
Умные игрушки
Новая «игрушка» Алексея — тумба с выдвижным экраном. Причем выдвигается не только экран, но и шкафчик со сверх-короткофокусным проектором, а также приоткрывается дверца ящика с ресивером для охлаждения.
Беспроводное Zigbee реле Aqara управляет сервоприводами и вентиляторам дополнительного охлаждения ресивера. Реле подключены к контроллеру Wiren Board, который управляет инсталляцией по команде или сценариями.
Здесь мы как раз видим пример самодельной механизации, которая интегрирована в систему умного дома.
Тумба с выдвижным экраном. Ящик с проектором выдвинут, ящик в левом нижнем углу с ресивером приоткрыт для вентиляцииЭкран свернут, ящик с проектором задвинутЕще фотографии
Экран из микрозеркал позволяет смотреть кино или сериал даже днем. Конечно, установлена многоканальная акустика с поддержкой разных режимов вплоть до Dolby Atmos. Причем акустика многокомнатная, работает через Air Play, можно буквально заставить звучать весь дом.
Датчик WB-MSW v. 3 в зоне отдыха
В HomeKit добавлен сценарий кинотеатра: опускаются жалюзи, поднимается экран, выезжает и включается проектор, выключается свет и музыка.
Интересно, что проектор может работать как фоторамка в повседневных сценариях, проецируя на сцены время или снимки, например.
Камин в зоне отдыха
В той же зоне отдыха установлен настоящий камин. Поэтому можно не только посмотреть кино в домашнем кинотеатре, но и расслабиться под мерцающие уголки.
Во дворе дома развернута автоматическая система полива газонов, которая управляется Hydrawise. Пока интеграции с умным домом нет, но Алексей уже задумал добавлять датчики влажности почвы, поэтому автоматизация этого узла — лишь дело времени.
Сценарии автоматизации
Локальные сценарии автоматизации работают на оболочке Sprut.Hub, облачные — запрограммированы через HomeKit. Клиент получает доступ к обоим средствам автоматизации и может изменять сценарии или добавлять свои. Ниже я приведу несколько примеров.
Сценарий термостата в оболочке Sprut.HubПримеры интерфейса и сценариев в HomeKitЕще фотографии
Заключение
Всегда интересно знакомиться с проектами, которые сделаны энтузиастом. Причем здесь можно наблюдать проект в развитии. Алексей начал создавать свой умный дом еще десять лет назад. Он спаял собственные модули на Arduino и установил резервную систему питания на солнечных батареях.
Сегодня умный дом перестроен на современных контроллерах Wiren Board 7 и модулях, а солнечные батареи выполняют функцию не только резервного, но и дополнительного питания. Алексей запасает энергию от электрической сети тогда, когда она стоит дешево. И расходует заряд аккумуляторов в период дорогой энергии. Причем этот заряд пополняется еще и за счет солнца.
Контроллер Wiren Board 7 — «сердце» умного дома
Сам по себе умный дом сделан на совесть, есть много интересных и «крафтовых» решений, таких как тумба с экраном и проектором. На всех окнах и дверях установлены рольставни, обеспечивающие затемнение и дополнительную теплоизоляцию. В комнатах поддерживается автоматическая система управления климатом и вентиляцией. Освещение тоже заведено через умный дом, в комнатах может быть до трех зон для создания атмосферной подсветки.
Модуль в контроллере Wiren Board 7 позволяет подключать устройства Zigbee, с их помощью можно легко расширить функции умного дома, например, добавив датчики присутствия или открытия дверей. Автоматизация устройств сделана как сценариями Sprut.Hub на контроллере, так и HomeKit вместе с голосовым управлением Siri.
Мне умный дом Алексея очень понравился. А что скажете вы? Что вы бы посоветовали добавить в умный дом? На какие недостатки вы обратили внимание? Не стесняйтесь, пишите в комментариях.