Строим недорогую систему умный дом своими руками на основе Raspberry Pi. Пару слов о конструкции самого блока

Своего нового робота - четвероногого SpotMini. Менее чем за сутки оно разошлось по соцсетям и набрало больше миллиона просмотров только на YouTube.

Rusbase решил вспомнить, как развивался модельный ряд мирового лидера робототехники.

Историю компании Boston Dynamics можно отсчитывать с 1977 года. Тогда ее будущий создатель и президент Марк Райберт обосновал в своей диссертации конструкцию конечностей, идеально подходящих для движения роботов. Впоследствии эта работа стала основой многих разработок компании. Райберт запустил Boston Dynamics в 1992 году вместе с группой инженеров Массачусетского технологического института.

Впервые компания прославилась в 2005 году, когда представила широкой публике своего четвероного робота BigDog. Он был разработан по заказу Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA).

В 2013 году Google купила Boston Dynamics за $500 млн. Весной этого года корпорация решила продать инженерную компанию. СМИ объясняли ее разочарование тем, что Boston Dynamics не может быстро выпустить коммерчески успешный продукт. По слухам, купить компанию подумывают Toyota и Amazon.

BigDog

Американской армии нужен был робот, который поможет солдатам переносить снаряжение там, где не проедет колесный или гусеничный транспорт. BigDog способен нести груз до 150 кг со скоростью до 6,4 км/ч. Робот был уникален своей устойчивостью - он может карабкаться по склону до 35 градусов.

Главным недостатком BigDog был очень шумный двигатель. Проблему шума решить так не удалось, в 2015 году компания отказалась от дальнейших разработок этой модели. Но заложенные в BigDog наработки находят применение в других роботах Boston Dynamics.

Spot

Еще один собакообразный робот от Boston Dynamics - Spot. Он меньше и тише предшественника, хотя не менее устойчив. В отличие от BigDog, Spot оснащен электродвигателем и аккумулятором. На роль грузового робота он не годится, зато может использоваться для поисковых операций.

Cheetah

Cheetah (англ. гепард) начал «кошачью» линию в продуктах Boston Dynamics. Его разработка также финансировалась DARPA. Он развивает скорость до 45,06 км/ч (рекорд для 2012 года) за счет гибкой спины. Но далеко убежать он не мог, потому что питался от стационарной гидравлической установки.

WildCat

Через год компания представила автономный вариант робота Cheetah - WildCat (англ. дикий кот). Это спринтер-разведчик, который развивает скорость до 25,7 км/ч и, в отличие от предшественника, может передвигаться по открытой местности.

SandFlea

SandFlea (англ. песчаная блоха) - радиоуправляемый 5-килограммовый робот на четырех колесах, который умеет прыгать на высоту до 9 метров. Он работает за счет пневмоустройства со сжатым углекислым газом, которого хватает на 25 прыжков. Хорошо преодолевает препятствия и может использоваться для разведки.

RHex

RHex прозвали «роботом-тараканом» - у него шесть ног. Это тоже радиоуправляемый робот-разведчик, который может работать в радиусе 700 метров от оператора. Имеет полностью герметичный корпус.

RiSE

RiSE - шестиногий робот весом в 2 кг, который умеет карабкаться по стенам и деревьям со скоростью 30 см в секунду. Еще одна разработка для DARPA.

Petman

Petman (англ. домашний человек) - первый антропоморфный робот Boston Dynamics. Разработан для реалистичного испытания костюмов химической защиты.

Atlas

Atlas - усовершенствованный прямоходящий робот, который может двигаться по пересеченной местности. Первая его версия была представлена в 2013-м, обновленная - в феврале этого года. Не только устойчив к падениям, но и использует свободные руки для выполнения задач (например, переноски груза). Высота Atlas - около 180 см, вес - 81,5 кг.

SpotMini

SpotMini – уменьшенная версия модели Spot весом 25 кг. Робот полностью электрический, поэтому самый тихий в линейке Boston Dynamics. Заряда аккумулятора хватает на 90 минут. Умеет подавать пиво, выбрасывать мусор и (что больше всего растрогало публику) подскальзываться на банановой кожуре.

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Raspberry Pi – это инновационный продукт от английских разработчиков. Их главной целью было популяризировать компьютерное образование среди широких слоев населения, сделать программирование более обширной и доступной дисциплиной и побудить больше людей создавать что-то новое при помощи новых технологий.

Название продукта Raspberry Pi означает «малиновый пирог» , компания-производитель таким образом сделала акцент на том, что этот компьютер предназначен в первую очередь для детей.

Что представляет собой это изобретение, и каково применение Raspberry Pi в современном мире, об этом мы и расскажем ниже.

Особенности компьютера Raspberry Pi

Устройство Raspberry Pi представляет собой маленький компьютер в виде одной платы без корпуса. Разработчики призывают так детей и взрослых обращать внимание не только на пользование компьютерами, но и на его изучение изнутри, а также предлагают задействовать фантазию и сделать другим что-то свое на базе этого компьютера.

Как полагают разработчики, устройство Raspberry Pi должно выполнять такие образовательные цели:

заинтересовывать школьников развивать навыки программирования;
способствовать в начинаниях молодых программистов;
помогать опытным компьютерщикам открывать новые горизонты, и делать новые достижения в области программирования.

В родной стране устройства Raspberry Pi – Великобритании, его полный комплект можно приобрести всего за 75 фунтов. Сам комплект при этом состоит из таких составляющих:

самого мини-компьютера Raspberry Pi модели В;
микро- CD (8 гигабайт);
клавиатуры;
оптической мыши;
микро-адаптера CD Card ;
источника питания;
кабелей HDMI и микро USB .

Первая партия Raspberry Pi производилась в Поднебесной, но с конца 2012 года производство целиком перенесено в Великобританию, на завод в Пенкойде (Уэльс). В среднем, завод производит порядка 40 тысяч мини-компьютеров Raspberry Pi в неделю.

Технические характеристики Raspberry Pi

Итак, какие же технические характеристики этого уникального компьютера без корпуса, давайте выясним:

Применение компьютера Raspberry Pi для дома

Наиболее применяемая модель мини-компьютера Raspberry Pi – это модель В на 215 Мб оперативной памяти с поддержкой Ethernet . Также есть еще одна модификация прибора, в которой компоненты размещены более компактно, также она имеет четыре порта USB , количество портов ввода и вывода GPIO в ней существенно больше, кроме того, отсутствует композитный видеовыход.

Сферы применения компьютера Raspberry Pi достаточно широки. Несмотря на то что этот прибор не слишком мощный, но при этом это вполне полноценный компьютер. Если вам нужна машина для решения простейших задач, которые не требуют применения мощных ресурсов в плане вычисления, то вы смело можете подключать к устройству Raspberry Pi стандартные элементы машины:

монитор;
мышь;
клавиатуру;
подключение любого дистрибутива ОС Linux .

В домашних условиях устройство Raspberry Pi вы можете использовать в таких целях:

создание домашнего медиа-сервера;
как сервер хранения данных;
в качестве «мозгового центра» для автоматизированных станков или роботов;
как сервер домашней автоматизации (или системы «умный дом»).

Как мы видим, сферы применения Raspberry Pi для частных нужд могут быть разные. В основном – это узкопрофильные задачи, связанные с работой программистов или других разработчиков. А если говорить о широком применении, то стоит ознакомиться с особенностями применения Raspberry Pi для систем домашней автоматизации или так называемого умного дома . Давайте рассмотрим практическую сторону этого вопроса.

Любая система домашней автоматизации или же так называемый умный дом является достаточно сложной и многоструктурной. Помимо того, что она призвана выполнять те или иные сценарии, которые задаются ей пользователем, она имеет свойство принимать свои собственные решения в определенной нештатной ситуации. Смело можно сказать, что такая система имеет задатки искусственного интеллекта .

Многие сегодня применяют понятие «умный дом» ко всему, например:

сигнализации GSM ;
датчику протекания воды;
световому управлению датчикам движения и т.д.

Все эти явления могут входить в структуру домашней автоматизации, но являться ею по отдельности они не могут.

Система домашней автоматизации («умный дом») включает в себя такие компоненты:

центральный сервер;
он связан посредством интерфейса RS485 с контроллерами, которые стоят в каждой комнате и помещении дома;
к контроллерам подключены те или иные управленческие устройства для защиты, контроля и регулирования работы системы.

Такая сетевая архитектура данной системы хороша тем, что у владельца дома нет необходимости протягивать от каждого устройства к серверу неудобные провода, а нужно просто соединить контролеры, к которым они подключаются посредством одного кабеля UTP. Одна пара его проводов применяется для интерфейса RS485, а другие питают датчики и контроллеры. Стоит отметить, что структура работы предусмотрена таким образом, что если выйдет из строя один из контроллеров или несколько, или даже будет нарушена работа центрального сервера, на работу системы в целом это влиять не будет.

А мини-компьютер Raspberry Pi в данной системе и является центральным сервером . На него нужно установить Веб-сервер, с помощью которого любой пользователь посредством своего мобильного устройства (смартфона, планшета или ноутбука) сможет посредством обычного браузера иметь данные обо всех процессах, которые происходят в доме и управлять этими процессами. Доступ к серверу пользователь имеет посредством логина и пароля через домашнюю локальную сеть или через глобальную сеть, если входить в нее через Wi - Fi -устройство.

К последовательному порту устройства UART посредством согласовывающего прибора через интерфейс RS485 подключают контроллера, которые оснащены разным набором выводов или вводов. Также к этому же интерфейсу можно подключать GPS -модель и с его помощью иметь доступ в систему посредством мобильной или стационарной телефонной связи, если пользователь находится в зоне, где нет доступа в Интернет. Доступ разрешается также через пароль, как и в предыдущем случае. Еще одно устройство в сети – это радиомодуль , с помощью которого можно привязать к общей системе все радиодатчики и пульты дистанционного управления.

Итак, существующая на сегодняшний день версия системы домашней автоматизации на базе компьютера Raspberry Pi состоит из центрального сервера и контроллеров с интерфейсом RS485, которые нужны для связи с сервером. Их описание выглядит так:

А сейчас давайте узнаем, каким образом устройство Raspberry Pi было применено изобретателями для создания инновационных изделий . Рассмотрим некоторые из них.

Конструктор Kano

Конструктор Kano для детей – это не просто обычный конструктор, это модульный компьютер, собрать такую головоломку сможет даже ребенок. Набор конструктора включает в себя следующее:

Таким образом, даже ребенок может сам собрать компьютер, который затем подключается к монитору или телевизору посредством HDMI -порта .

Такой конструктор изначально был создан для детей, но стал популярным и среди взрослых. Средства на разработку и реализацию этого проекта были собраны посредством платформы для сбора средств на творческие изобретения. Благодаря собранному компьютеру можно выполнять такие действия:

записывать музыку;
смотреть видео в формате HD ;
писать программы;
создавать свои игры.

Летающее устройство SkyJack

Другие изобретатели на базе компьютера Raspberry Pi создали аппарат-беспилотник SkyJack, который управляется посредством Wi - Fi соединения. Такой аппарат способен брать вертолетную высоту, отслеживать пути военных вертолетов и управлять ими, также с его помощью можно перехватывать радиосигналы и создавать помехи. Однако, несмотря на такие возможности, аппарат разрешен для массового пользования из-за своего небольшого радиуса действия.

Poppy: робот-инопланетянин

Робот Poppy был создан посредством трехмерной печати французской компанией INRIA Flowers . Робот управляется посредством мини-компьютера Raspberry Pi. Конструкция робота повторяет биологическое строение человека, он имеет суставы, позвоночник и сухожилия, его походка похожа на человеческую, он ходит, переступая с пятки на нос и равномерно руководить центом своей тяжести.

Что такое No More Woof?

No More Woof – это прибор, который пока находится на стадии разработки, и создается на базе Raspberry Pi. С его помощью хозяин будет понимать, что хочет его пес. Так, прибор будет прикрепляться к голове животного и работать по принципу электроэнцефалографа, то есть считывать информацию с головы собаки и передавать ее хозяину посредством Raspberry Pi. Когда подобный прибор будет готов и каким образом он будет точно использоваться, пока неизвестно, но подобные гарнитуры, пусть не настолько совершенные, уже применялись профессиональными кинологами.

Все видят, что с наступлением нового тысячелетия интерес к компьютерам у нового поколения и не только является исключительно потребительским. Дети не хотят учиться программировать и создавать что-то новое, а хотят быть исключительно «юзерами». Разработчики Raspberry Pi уверены, что их устройство вернет былой интерес людей к изучению вычислительных наук и заставит их не только пользоваться новыми технологиями, но и создавать их.

Отличается не только широчайшим спектром применения, но и поддержкой устройств сторонних разработчиков, значительно расширяющих функциональность платы. Сегодня мы рассмотрим простейший способ научить работать Raspberry Pi с сенсорным экраном. А на выходе получим крошечный планшет с настольной операционной системой.

Какие есть экраны для Raspberry Pi

Есть как минимум три возможности подключить экран:

Display-порт в виде зажимного разъёма на фронтальной поверхности.
HDMI-разъём.
Пины GPIO - разъёма универсального ввода-вывода.

Все они позволяют подключать к Raspberry Pi экраны с тачскрином.

Через дисплейный разъём работают некоторые стандартные LCD-панели (для разработчиков и встраиваемых устройств). Есть и оригинальный 7-дюймовый экран , устанавливаемый с обратной стороны Raspberry. К сожалению, этот вариант очень дорогой, зато для его запуска не требуется ничего. Просто скачать систему и вставить флешку с ней. В обычном Raspbian (Debian для Raspberry Pi) обеспечивается нативная поддержка этой железки.

Более доступным вариантом, особенно в странах СНГ, где доставка из Великобритании убивает всю прелесть «Малинки», стали экраны компании WaveShare, работающие через GPIO . Почему? Это позволяет реализовать поддержку экрана в любых вариантах NIX-систем для Raspberry Pi с любыми версиями платы (для Raspberry Pi 2 и 3 используется один дистрибутив, для первой ревизии - отдельный) и упростить настройку и отладку полученной системы. К тому же они всегда есть в наличии и стоят всего 23 доллара .

Как подключить

Нет ничего проще: нужно всё распаковать, а потом подключить экран к GPIO-разъёмам Raspberry Pi. Не потребуется даже считать пины - просто совместите платы так, чтобы экран был ровно над основной платой.

Как настроить

Есть два метода: скачать готовый дистрибутив или настроить систему самостоятельно. Первый потребует перейти на официальную страницу проекта . Затем выбрать подходящий дистрибутив, скачать и записать его на флешку. Вставили, подключили питание - наслаждаемся работой. К сожалению, в данном случае придётся довольствоваться устаревшей версией операционной системы.

Второй способ подойдёт уже знакомым с Linux пользователям и сначала потребует установить в систему драйверы, а затем перевести работу компьютера на резистивный дисплей. С инструкцией можно ознакомиться на официальном сайте . Кстати, по этой же технологии можно подключить аналогичный экран стороннего производителя.

К сожалению, ни тот ни другой способ не заставит работать одновременно и экран, подключённый через GPIO, и HDMI-порт. Реализовать трансляцию на телевизор или монитор можно уже внутри системы, подключая монитор в качестве дополнительного экрана.

«Умный дом» - система, которая позволяет контролировать всё: от включения света или отопления щелчком пальцев до активации систем имитации присутствия.

Работа систем управления основана на датчиках и контроллерах, которые реагируют на тепловую энергию, шум и движения. К ним относятся датчики движения, включающие свет или открывающие двери, удаленное включение отопления и т.п.

Можно приобрести готовые системы, которые представлены у разных брендов, а можно самостоятельно собрать систему-конструктор, которая будет работать на том или другом ядре. Один из довольно доступных вариантов - система, построенная на базе Raspberry Pi.

Raspberry Pi - компания, создавшая миникомпьютер Raspberry. Это устройство максимально упрощает автоматизацию «Умного дома» и обладает крайне привлекательной ценой по сравнению с конкурентами, имеющими менее качественное оборудование.

Изначально было придумано 2 комплектации мини-компьютера Raspberry Pi:

Модель А;
модель В.

Внешний вид Raspberry Pi model B (с установленной flash-картой)

Обе версии работают на основе процессора ARM11 с тактовой частотой 700 МГц, но имеют различную память. Как правило, модель B обладает количеством оперативной памяти, в 2 раза превышающей модель А. Следовательно, А - 256 Мб, а В - 512 Мб. Поэтому модель А не была снята с международного производства, так как обладала ещё одним весомым преимуществом. В ней присутствовала поддержка порта Ethernet, позволяющая выход в интернет. Также компания Raspberry Pi не остановилась на достигнутом и позже выпустила обновлённую версию модели В. Улучшенный вариант обладал более компактным дизайном, а также включал в себя 4 USB-порта, что в 2 раза превышает их количество в предшествующей модели.

Этот мини-компьютер прекрасно подойдет в качестве ядра системы «Умный дом».

В качестве операционной системы можно использовать Raspbian, основанную на ядре Linux, вместе с такими расширениями, как Pimatic. Еще проще собрать «умный дом» можно с помощью комплексных программно-аппаратных решений на «открытой платформе», например openHAB, Fhem, SHC (SmartHome Control) или wiButler.

Модули Smart Home для Raspberry Pi

Построение системы «умный дом» на Raspberry Pi имеет смысл только тогда, когда с ее помощью можно управлять различными устройствами, а для этого необходимы соответствующие модули.

Так как Raspberry Pi - популярный продукт для любителей мастерить, в продаже имеется огромный выбор модулей для Smart Home. Вот некоторые из них.

433 МГц - приемник и передатчик для Raspberry Pi

Частота 433 МГц часто используется в компонентах доступных систем Smart Home, например, переключателях и термостатах радиаторов отопления, которые можно найти в строительных магазинах.

Контроллер Z-Wave Fibaro Home Center 2

Такие передатчики и приемники идеально подходят для установки в систему «умный дом», построенную на Raspberry Pi. Бандл из этих двух модулей можно легко приобрести примерно за 600 рублей.

Модуль камеры для Raspberry Pi
Камера: снимает в разрешении Full-HD

С подключенным модулем камеры Raspberry Pi можно использовать в качестве системы видеонаблюдения.

Камера совместима с операционной системой Raspbian, она способна записывать видео в разрешении Full HD и делать 5-мегапиксельные фотографии.

Этот модуль доступен как с инфракрасным фильтром, так и без него по цене от 2000 рублей.

Датчик движения для Raspberry Pi

Если вы хотите, чтобы лампы освещения и другие электронные устройства (например, камера) включалось при появлении движения в какой-то области вашего дома, понадобится датчик движения, подключенный к системе умного дома.

Особенно привлекательным по цене является упаковка из пяти «пироэлектрических инфракрасных PIR датчиков движения».

Этот пакет стоит около 480 рублей.

Датчик влажности и температуры воздуха для Raspberry Pi

Функционал метеостанции относится к базовому для Smart Home. Получать и обрабатывать метеоданные с помощью Raspberry Pi очень легко. Вам понадобится всего лишь один дешевый датчик, который вы подключите к мини-компьютеру: идеально подойдет DHT11, который стоит менее чем 600 рублей.

Модуль для Raspberry Pi: измеряет температуру и влажность воздуха.

Модуль Enocean для Rapsberry Pi

Enocean - это беспроводная технология, которая обходится без источника питания. Суть вот в чем: энергия, необходимая для совершения того или иного действия, возникает из-за изменения состояния (нажатие на кнопку, разница температур, появление солнечного света, дуновение ветра и т. д.).

Соответственно, часто сопутствующими модулями являются переключатели или датчики температуры.

Чтобы управлять устройствами с помощью технологии Enocean через Rapsberry Pi, вам понадобится подходящий модуль, приобрести который можно всего за 3600 рублей.

Пожарная сигнализация для Raspberry Pi

Часто система умного дома используется для повышения уровня домашнего комфорта, но одной из важных функций может стать и защита жилища. Помимо охранной сигнализации и камер видеонаблюдения можно установить датчики дыма и протечки воды.

С помощью датчика дыма, который стоит всего 500 рублей, вы построите собственную пожарную сигнализацию. Однако при конструировании такой важной охранной части «умного дома» вы должны дважды проверять надежность работы системы.

Модуль Homematic для Rapsberry Pi

CCU2Homematic является одной из самых популярных систем Smart Home в Европе. Для взаимодействия всех ее компонент, как правило, необходим центральный модуль управления CCU2 (MATIC Home Gateway).

Теперь вы можете соединить соответствующий модуль беспроводной связи с Raspberry. Один из таких, от компании ELV, стоит около 1700 рублей.

Для Rapsberry Pi существуют еще множество других модулей, например, для работы с беспроводными стандартами Z-Wave и Zigbee.

С представленными модулями можно построить многофункциональную систему Smart Home, причем при желании можно строить ее постепенно, подключая дополнительные возможности по мере необходимости.

P.S.
1. Раз это важно. Это не реклама. Я не знаю, кто их поставляет в Россию и ни с кем не знакома, кто продает.
2. Если у вас стоит другая система и вы ее выбрали, потому что понравилась больше, напишите, пожалуйста, почему. Мы пока в процессе изучения вопроса.

Благодаря широкому ассортименту дополнительных модулей миниатюрный компьютер Raspberry Pi наилучшим образом подходит для любителей сборки недорогих систем умного дома (Smart Home) своими руками.

Модули Smart Home для Raspberry Pi

Так как Raspberry Pi - это популярный продукт для любителей мастерить, в продаже имеется огромный выбор модулей для Smart Home. Мы покажем вам некоторые из самых интересных.

433 МГц - приемник и передатчик для Raspberry Pi

Модуль камеры для Raspberry Pi

С подключенным модулем камеры Raspberry Pi можно использовать в качестве системы видеонаблюдения.

Этот модуль доступен как с инфракрасным фильтром, так и без него по цене от 2000 рублей.

Датчик движения для Raspberry Pi

Этот пакет вы можете приобрести всего за 480 рублей.

Датчик влажности и температуры воздуха для Raspberry Pi

Модуль Enocean для Rapsberry Pi

Соответственно, часто сопутствующими модулями являются переключатели или датчики температуры.

Пожарная сигнализация для Raspberry Pi

Модуль Homematic для Rapsberry Pi

Homematic является одной из самых популярных систем Smart Home в Европе. Для взаимодействия всех ее компонент, как правило, необходим центральный модуль управления CCU2 (MATIC Home Gateway).

С представленными в этой статье модулями вы сможете построить весьма многофункциональную систему Smart Home. Однако, для Rapsberry Pi существуют еще множество других модулей, например, для работы с беспроводными стандартами Z-Wave и Zigbee.

Фото: компании-производители, CHIP.de