Автоматизация дома с использованием Arduino и MATLAB: схема и программа

Автоматизация управления домашними устройствами в настоящее время является одним из популярных направлений развития современной электроники, которая находит свое воплощение при создании, например, концепции «умного дома». Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали проекты автоматизации дома под управлением компьютера, с помощью инфракрасной связи и с помощью технологии GSM, а в этой статье мы рассмотрим пример создания аналогичной системы, но под управлением математической системы Matlab.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
Модуль драйвера двигателя ULN2003 (купить на AliExpress).
USB кабель.
Реле на 5В.
Электрические лампочки с держателями.
Источник питания.
Соединительные провода.
Лэптоп (персональный компьютер) с установленной системой Matlab.
PVT

Принципы работы устройства

В этом проекте мы будем использовать математическую систему Matlab совместно с платой Arduino Uno для управления домашними электронными устройствами при помощи графического интерфейса пользователя (Graphical User Interface) на компьютере. Мы будем использовать проводную связь чтобы передавать данные от компьютера (Matlab) в Arduino. На стороне компьютера мы будем использовать графический интерфейс пользователя (GUI), созданный при помощи Matlab, чтобы создать несколько виртуальных кнопок для управления домашними устройствами. Для обеспечения связи между Arduino и MATLAB нам сначала необходимо установить “MATLAB and Simulink Support for Arduino” или “Arduino IO Package”. Для этого необходимо посмотреть видео в конце статьи или осуществить следующую последовательность действий:

Скачать Arduino IO Package. Необходимо зарегистрироваться на сайте чтобы появилась возможность скачивания.
Затем необходимо закачать (Burn/upload) файл adioe.pde в плату Arduino используя Arduino IDE. Этот файл adioe.pde можно найти в Arduino IO Package – ArduinoIO\pde\adioe\adioe.pde.
Затем откройте систему Matlab, смените там директорий на Arduino IO, откройте там файл install_arduino.m file и запустите его в Matlab. После этого вы увидите сообщение “Arduino folders added to the path” (добавлена папка Arduino) в строке команд Matlab.

Подобный метод установления связи между Matlab и Arduino подходит для MATLAB R2013b и более ранних версий Matlab’а. Если у вас стоит более свежая версия Matlab’а, например R2015b или R2016a, там вы можете напрямую кликнуть на кнопку установку дополнений (Add-ons Tab), затем кликнуть “Get Hardware Support Packages”, после чего вы сможете установить подпрограммы для работы с Arduino (Arduino packages).

После установки этих файлов вы можете создать графический интерфейс пользователя (GUI) для нашего проекта автоматизации дома. В этом интерфейсе нам необходимо создать ряд кнопок для включения/выключения электронных домашних устройств. Кнопки можно создать в пункте “Graphical User Interface” в меню “New” в Matlab. Можно произвольно задать цвет и названия этих кнопок. В нашем проекте мы создали 8 таких кнопок, из которых 6 кнопок для включения и выключения отдельных устройств, а 2 кнопки – для включения и выключения всех устройств сразу.

После создания этих кнопок необходимо нажать на кнопку Run в этом окне с GUI, оно попросит вас путь куда сохранить этот GUI файл (с расширением .fig), также известный как ‘fig file’. После того как вы сохраните этот файл автоматически создастся файл с кодом программы (с расширением .m), также известный как ‘M file’ (см. приведенный ниже скриншот). Вы можете скачать файлы GUI и M file по следующим ссылкам: Home_Automation_system.fig и Home_Automation_system.m (правая кнопка мыши и выбрать «Сохранить как») или вы можете создать их сами с помощью описанных рекомендаций.

После этого вы можете запустить на выполнение созданный .m файл, после чего вы увидите сообщение “Attempting connection..” (попытка установления соединения) в командной строке. Убедитесь, что плата Arduino подсоединена к вашему компьютеру с помощью USB кабеля. Если все пойдет хорошо, то вскоре вы увидите сообщение “Arduino successfully connected” (соединение с Arduino успешно установлено). Также вы можете видеть ранее созданные кнопки в окне GUI (графического интерфейса пользователя), с помощью которых вы сможете управлять выбранными домашними электронными устройствами. В нашем проекте для демонстрации мы выбрали 3 электрические лампочки, которые условно будут обозначать вентилятор, свет и телевизор.

Структурная схема работы устройства представлена на следующем рисунке.

Все рассмотренные в статье процессы, включая установку пакета Arduino для Matlab, наглядно показаны в видео в конце статьи.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

В схеме мы использовали плату Arduino UNO и драйвер реле ULN2003 для управления тремя реле. Эти реле на 5 Вольт SPDT типа подключены к контактам Arduino 3, 4 и 5 через микросхему ULN2003. Реле используются для управления (включения/выключения) электрических лампочек, обозначающих свет, вентилятор и телевизор соответственно.

Исходный код программы

После того как вы нажмете какую-нибудь кнопку в окне GUI произойдет передача соответствующей команды в Arduino и плата Arduino выполнит необходимую команду. После того как вы установите пакет Arduino MATLAB IO вы получите доступ к Arduino из Matlab’а с использованием стандартных функций Arduino, но с небольшими изменениями.

Например, чтобы подать на контакт логическую «1» мы в Arduino пишем digitalWrite(pin, HIGH), а в Matlab’е нам нужно будет написать для этого команду a.digitalWrite(pin, HIGH);. Другие функции также очень похожи.

Но перед тем как делать это мы должны инициализировать переменную
a = Arduino(‘COM1’); // необходимо изменить COM1 на используемый вами порт для подключения Arduino.

В этом проекте у нас не будет никакого кода для Arduino – все команды для платы Arduino будут поступать из математической системы Matlab. Как уже объяснялось ранее в данной статье, что файл с кодом программы Matlab’а (.m file) автоматически создается после того как сохраните файл GUI (.fig file). В .m файле будет уже заранее написана часть кода. В основном это будут функции обратного вызова (Callback functions) для кнопок, в которых надо будет определить (описать) что нужно делать при нажатии на эти кнопки.

В коде программы для Matlab мы сначала должны инициализировать последовательный порт и сделать его объектом с использованием соответствующей переменной. И затем с помощью этой переменной мы сможем программировать как будто пишем программу в Arduino IDE.

clear ar;
global ar;
ar=arduino('COM13');
ar.pinMode(3, 'OUTPUT');
ar.pinMode(4, 'OUTPUT');
ar.pinMode(5, 'OUTPUT');
ar.pinMode(13, 'OUTPUT');

clear ar;

global ar;

ar=arduino('COM13');

ar.pinMode(3, 'OUTPUT');

ar.pinMode(4, 'OUTPUT');

ar.pinMode(5, 'OUTPUT');

ar.pinMode(13, 'OUTPUT');

В функции обратного вызова для каждой кнопки мы должны записать код для включения/выключения соответствующего ей электронного устройства при помощи одного из реле, подключенных к Arduino. Например, функция обратного вызова для кнопки, осуществляющей включение света, будет выглядеть следующим образом:

function light_on_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to light_on (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(3, 1);
ar.digitalWrite(13, 1);

function light_on_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to light_on (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(3, 1);

ar.digitalWrite(13, 1);

Аналогичным образом мы можем написать код и для всех остальных кнопок. Далее представлен полный текст программы.

function varargout = Home_Automation_system(varargin)
% HOME_AUTOMATION_SYSTEM MATLAB code for Home_Automation_system.fig
%      HOME_AUTOMATION_SYSTEM, by itself, creates a new HOME_AUTOMATION_SYSTEM or raises the existing
%      singleton*.
%
%      H = HOME_AUTOMATION_SYSTEM returns the handle to a new HOME_AUTOMATION_SYSTEM or the handle to
%      the existing singleton*.
%
%      HOME_AUTOMATION_SYSTEM('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local
%      function named CALLBACK in HOME_AUTOMATION_SYSTEM.M with the given input arguments.
%
%      HOME_AUTOMATION_SYSTEM('Property','Value',...) creates a new HOME_AUTOMATION_SYSTEM or raises the
%      existing singleton*.  Starting from the left, property value pairs are
%      applied to the GUI before Home_Automation_system_OpeningFcn gets called.  An
%      unrecognized property name or invalid value makes property application
%      stop.  All inputs are passed to Home_Automation_system_OpeningFcn via varargin.
%
%      *See GUI Options on GUIDE's Tools menu.  Choose "GUI allows only one
%      instance to run (singleton)".
%
% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES
% Edit the above text to modify the response to help Home_Automation_system
% Last Modified by GUIDE v2.5 28-Feb-2016 01:59:17
% Begin initialization code - DO NOT EDIT
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name',       mfilename, ...
                   'gui_Singleton',  gui_Singleton, ...
                   'gui_OpeningFcn', @Home_Automation_system_OpeningFcn, ...
                   'gui_OutputFcn',  @Home_Automation_system_OutputFcn, ...
                   'gui_LayoutFcn',  [] , ...
                   'gui_Callback',   []);
if nargin && ischar(varargin{1})
    gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
end
if nargout
    [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
else
    gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end
% End initialization code - DO NOT EDIT
% --- Executes just before Home_Automation_system is made visible.
function Home_Automation_system_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin   command line arguments to Home_Automation_system (see VARARGIN)
% Choose default command line output for Home_Automation_system
handles.output = hObject;
% Update handles structure
guidata(hObject, handles);
clear ar;
global ar;
ar=arduino('COM13');
ar.pinMode(3, 'OUTPUT');
ar.pinMode(4, 'OUTPUT');
ar.pinMode(5, 'OUTPUT');
ar.pinMode(13, 'OUTPUT');
% UIWAIT makes Home_Automation_system wait for user response (see UIRESUME)
% uiwait(handles.figure1);
% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = Home_Automation_system_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) 
% varargout  cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;
% --- Executes on button press in light_on.
function light_on_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to light_on (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(3, 1);
ar.digitalWrite(13, 1);
% --- Executes on button press in light_off.
function light_off_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to light_off (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(3, 0);
ar.digitalWrite(13, 0);
% --- Executes on button press in fan_on.
function fan_on_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to fan_on (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(4, 1);
% --- Executes on button press in fan_off.
function fan_off_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to fan_off (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(4, 0);
% --- Executes on button press in tv_on.
function tv_on_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to tv_on (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(5, 1);
% --- Executes on button press in tv_off.
function tv_off_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to tv_off (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(5, 0);
% --- Executes on button press in all_on.
function all_on_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to all_on (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(3, 1);
ar.digitalWrite(4, 1);
ar.digitalWrite(5, 1);
% --- Executes on button press in all_off.
function all_off_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to all_off (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global ar;
ar.digitalWrite(3, 0);
ar.digitalWrite(4, 0);
ar.digitalWrite(5, 0);

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

function varargout = Home_Automation_system(varargin)

% HOME_AUTOMATION_SYSTEM MATLAB code for Home_Automation_system.fig

% HOME_AUTOMATION_SYSTEM, by itself, creates a new HOME_AUTOMATION_SYSTEM or raises the existing

% singleton*.

% H = HOME_AUTOMATION_SYSTEM returns the handle to a new HOME_AUTOMATION_SYSTEM or the handle to

% the existing singleton*.

% HOME_AUTOMATION_SYSTEM('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local

% function named CALLBACK in HOME_AUTOMATION_SYSTEM.M with the given input arguments.

% HOME_AUTOMATION_SYSTEM('Property','Value',...) creates a new HOME_AUTOMATION_SYSTEM or raises the

% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are

% applied to the GUI before Home_Automation_system_OpeningFcn gets called. An

% unrecognized property name or invalid value makes property application

% stop. All inputs are passed to Home_Automation_system_OpeningFcn via varargin.

% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one

% instance to run (singleton)".

% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES

% Edit the above text to modify the response to help Home_Automation_system

% Last Modified by GUIDE v2.5 28-Feb-2016 01:59:17

% Begin initialization code - DO NOT EDIT

gui_Singleton = 1;

gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ...

'gui_OpeningFcn', @Home_Automation_system_OpeningFcn, ...

'gui_OutputFcn', @Home_Automation_system_OutputFcn, ...

'gui_LayoutFcn', [] , ...

'gui_Callback', []);

if nargin && ischar(varargin{1})

gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});

end

if nargout

[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

else

gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

end

% End initialization code - DO NOT EDIT

% --- Executes just before Home_Automation_system is made visible.

function Home_Automation_system_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

% This function has no output args, see OutputFcn.

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% varargin command line arguments to Home_Automation_system (see VARARGIN)

% Choose default command line output for Home_Automation_system

handles.output = hObject;

% Update handles structure

guidata(hObject, handles);

clear ar;

global ar;

ar=arduino('COM13');

ar.pinMode(3, 'OUTPUT');

ar.pinMode(4, 'OUTPUT');

ar.pinMode(5, 'OUTPUT');

ar.pinMode(13, 'OUTPUT');

% UIWAIT makes Home_Automation_system wait for user response (see UIRESUME)

% uiwait(handles.figure1);

% --- Outputs from this function are returned to the command line.

function varargout = Home_Automation_system_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)

% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Get default command line output from handles structure

varargout{1} = handles.output;

% --- Executes on button press in light_on.

function light_on_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to light_on (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(3, 1);

ar.digitalWrite(13, 1);

% --- Executes on button press in light_off.

function light_off_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to light_off (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(3, 0);

ar.digitalWrite(13, 0);

% --- Executes on button press in fan_on.

function fan_on_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to fan_on (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(4, 1);

% --- Executes on button press in fan_off.

function fan_off_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to fan_off (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(4, 0);

% --- Executes on button press in tv_on.

function tv_on_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to tv_on (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(5, 1);

% --- Executes on button press in tv_off.

function tv_off_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to tv_off (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(5, 0);

% --- Executes on button press in all_on.

function all_on_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to all_on (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(3, 1);

ar.digitalWrite(4, 1);

ar.digitalWrite(5, 1);

% --- Executes on button press in all_off.

function all_off_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to all_off (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

global ar;

ar.digitalWrite(3, 0);

ar.digitalWrite(4, 0);

ar.digitalWrite(5, 0);

Необходимые компоненты

Принципы работы устройства

Работа схемы

Исходный код программы

Видео, демонстрирующее работу схемы

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ

Добавить комментарий