Управление освещением в квартире и другая электрика: техническое устройство

В этой статье я хочу описать техническое устройство реально работающей на конец 2017 года системы в моей квартире. Это не конец, планов много, это текущее состояние.

Что и как работает описано в Управление освещением в квартире и другая электрика: что сделано

Светодиоды

Весь свет сделан на мощных светодиодных лентах теплого белого света с типоразмером светодиодов 5050, мощностью не менее 12 Вт/м, напряжением 12 и 24 В. В спальне (в гостиной планируется так же) кроме белой установлена мощная RGB лента на 24 В.

В ванной и туалете ленты в профилях, светят под 45 градусов к полу.

Фотоаппарат снизил общую яркость, чтобы было видно профиль

Реальная освещенность

В остальных местах ленты спрятаны на полочках и свет не прямой, а отражение от белого потолка. Свет не такой яркий, как от мощных люстр, но по моему опыту - сначала непривычно, а потом хватает, нет желания ставить ленты еще (техническая возможность есть). Более того, я часто включаю свет не на полную яркость.

Фотоаппарат снизил общую яркость

Блоки питания

Несколько безвентиляторных блоков питания мощностью 200-250 Вт на 24 В. Соответственно, ленты на 12 В включены последовательно по два одинаковых куска.

Диммеры

Несколько четырехканальных DALI-диммеров с током до 5 А на канал (при 24 В дает 120 Вт на канал)

Настенные выключатели

Все без фиксации, часть - переделанные из обычных с фиксацией, часть - заводские "для жалюзи". Все выключатели подключены к шине DALI через четырехканальные адаптеры "контакт->DALI".

Подробнее про DALI, ленты, питание, диммеры, выключатели см. Освещение на протоколе DALI и его компоненты

Сервер

Назначение сервера

Для управления освещением с помощью выключателей достаточно сконфигурировать DALI-диммеры (может понадобиться спец. устройство). Для расширенного функционала нужен сервер, который умеет слушать шину DALI, отправлять по ней команды и общаться с внешним миром. Устройство системы таково, что в случае сбоя сервера выключатели и свет будут продолжать работать.

Сервер должен обладать следующим функционалом:

• конфигурирование устройств DALI вручную
• управление освещением DALI вручную и автоматизированно (например, по движению в кадре камеры)
• удаленное управление освещением с помощью программ типа "умный дом"
• удаленное управление освещением со смартфона
• просмотр состояния устройств и датчиков как локально, так и удаленно
• расширение функционала добавлением камер, датчиков, управляемых устройств

Устройство сервера

Готового сервера с указанным функционалом я не нашел. Существуют различные шлюзы DALI-USB, DALI-Ethernet, но они обладают целым рядом недостатков: они не умеют слушать шину, т.е. не могут реагировать на нажатия, например, выключателя. Программы для управления могут не позволять организовать дистанционное управление светом (т.е. могут работать только мышкой). При этом, все они имеют неадекватно высокую цену (я покупал самый дешевый вариант DALI-USB, который делает финский умелец, для опытов и чтобы с чего-то начать, и стоил он как три Raspberri Pi 3).

Поэтому было решено написать программу самостоятельно, и спаять самодельный адаптер DALI<->GPIO (некоторые подробности его работы см. в Raspberry Pi 3, работа с GPIO в Linux и DALI). Подробнее см. Программа DALI Controller.

Оборудование сервера состоит из Raspberry Pi 3 и самодельного DALI<->GPIO-адаптера. Питание 5 В сервер получает от эффективного DC-DC преобразователя, который подключен к блоку питания светодиодных лент на 24 В.

Шина DALI требует блока питания, он также самодельный (см. Простой блок питания шины DALI), питается от 24 В.

Raspberry подключен к домашней сети по Wi-Fi (возможно подключение по Ethernet), и имеет доступ в Internet.

К Raspberry по GPIO подключены 2 датчика типа DHT-22 (температура и влажность, улица и дом).

Программное обеспечение

На Raspberry под управлением Raspbian (это такой Linux для Raspberry) работают:

• самописный сервер DALI Controller
• MQTT-брокер (прием и отправка MQTT-сообщений)
• программа MajorDoMo ("Умный Дом") с WEB-интерфейсом, доступным с других компьютеров

Кроме этого, программа, которая раз в 10 минут снимает кадр с камеры (отслеживание сосулек ;) и публикует его в MQTT.

Как это работает

Вот схема, на которой показаны программные и аппаратные средства системы:

Пользователь может управлять системой через браузер (WEB UI), программу MQTT-клиент (например, на смартфоне) и настенные выключатели (Wall switch).
Выключатели подключены к шине DALI (DALI line) и напрямую адресуют диммеры, поэтому свет будет работать даже при сбое сервера.

Изменение состояния светильников отслеживает программа DALI Controller, прослушивая шину DALI и команды через MQTT, и публикует их состояние в MQTT.
В MQTT же публикуется температура и влажность с датчиков, кадры с камер, состояние противообледенительного нагревательного кабеля крыши балкона.
Эти состояния затем видны в браузере и любых MQTT-клиентах (в т.ч. на смартфоне).

Управление светом и другими устройствами осуществляется путем посылки MQTT-сообщения (из браузера через "Умный Дом" или любой MQTT-клиент, в т.ч. со смартфона).

Raspberry Pi 3, pigpio, шина DALI и программа для работы с ней

см. ранее Raspberry Pi 3, работа с GPIO в Linux и DALI

Ядро программы на C под Raspbian, которое умеет отправлять и принимать сообщения шины DALI, готово. Для подключения Raspberry к шине используется самодельный адаптер на GPIO. Для работы с GPIO - библиотека pigpio (почему именно она - см. ранее).

Ради организации полной проверки программы, в плане работы с сигналами, проверки адаптера и GPIO, учитывая описанные ранее сложности с задержками в многопотоковой среде, я реализовал процедуру поиска устройств на шине DALI по неизвестным длинным адресам - самый сложный алгоритм, который обязано выполнять любое устройство DALI-мастер.
Он подразумевает посылку множества команд в шину и получение ответов, причем от каждого ответа зависит все дальнейшее поведение алгоритма - при сбоях в приеме запросов устройствами или получении ответов весь алгоритм ломается. Вообще, программа похожа на бинарный поиск в отсортированном массиве из 16 миллионов адресов, причем последовательно обнаруживается устройство с самым меньшим значением адреса среди еще не найденных.

Поэтому с одной стороны, алгоритм наиболее интересен, с другой он работает только при стабильной работе шины, а с третьей, он необходим для подключения и конфигурирования каждого нового управляемого устройства.
За два вечера все заработало как надо (тестовый стенд на фото - два 4-х канальных диммера подключены к шине и дают 8 самостоятельных устройств DALI, каждое со своим адресом).

Raspberry в корпусе, адаптер, диммеры и сигнал DALI на экране:

посылка запроса и ответ от диммера

В процессе работы над программой пришлось преодолеть несколько трудностей. Первая - в библиотеке pigpio. Она показала себя как удобная, продуманная в плане интерфейса и вариантов использования, и работающая с малыми задержками. У меня заняло несколько дней, однако, чтобы разобраться в причине нестабильной работы всего комплекса - диммер через раз отвечал на мои однотипные запросы, а по осциллографу сигнал имел правильную форму.

Проблема оказалась в формировании сигнала в библиотеке pigpio: она требует указания ширины каждого импульса в микросекундах, выдавая при этом сигнал, по моим замерам, на 15% длиннее запрошенного. Из-за этого диммер не всего мог правильно расшифровать принятый фрейм. После учета этой коррекции программа заработала как часы. Проблема, думается, не зашита в код pigpio, а зависит от каких-то факторов, скажем, версии Raspberry (Pi 3), Raspbian (последняя на апрель 2017 года) или настроек каких-либо таймингов системы (я лично ничего не менял, кроме скорости работы SD-карты). Т.е. это ошибка, но проявляется не у всех.

Другая трудность - на нее я уже жаловался - недоступность полной документации по системе команд DALI и расшифровке ответов. Приходится комбинировать, часто неточную или неверную, информацию из нескольких источников, включая анализ доступного в интернете исходного кода программ.

Raspberry Pi 3, работа с GPIO в Linux и DALI

см. ранее Освещение на протоколе DALI и его компоненты

Raspberry привлекает не только как маленький и дешевый компьютер, но и наличием GPIO - цифровых интерфейсов ввода-вывода, и с первого взгляда похож на мощный микроконтроллер, вроде замены, Arduino, вкупе с Linux-сервером. Заманчиво, заманчиво...

Я приобрел Raspberry в качестве сервера заботливой ("умной") квартиры, имея ввиду подключение к нему шины управления светом DALI через простой самодельный адаптер, вероятных цифровых датчиков, вроде температуры, видеокамер, как датчиков движения и охраны, ну, и тому подобное.
И вот теперь, начиная писать под Raspbian (официальный Linux для Raspberry), я понимаю свое заблуждение про универсальность.

В общем, Raspberry с Raspbian производит приятное впечатление: работает сразу после копирования системы на SD-карту и подключения hdmi, загружается быстро. Замечая отсутствие хорошей документации, известную медленную работу с SD, пока не пошаманишь и слабый Wi-Fi, начинается понимание, что Raspberry - не зрелый продукт серьезной фирмы, а неплохая реализация неплохой идеи, но, "на коленке". Нет, я только "за" и поддерживаю кошельком, я скорее про завышенные ожидания.

Итак, возвращаясь к настоящей задаче - добавлению квартирному серверу функции управления освещением по интерфейсу DALI.

адаптер собран, к Raspberry подключен (2xGPIO и питание)

Для приема данных DALI нужно уметь считывать состояние цифрового входа не реже 1/2400 секунды или раз в 0,4 мс. Эта простейшая задача для любого копеечного микроконтроллера, однако, под Raspbian сталкивается с серьезными трудностями. Все дело в работающих параллельно моей программе процессах Linux kernel (даже при отсутствии других запущенных программ). Из-за них процесс, читающий состояние GPIO или, что правильнее, вызываемый по прерыванию на фронт сигнала, получает управление нерегулярно и с задержками. Для человека задержка процесса на 2 мс не заметна, и она допустима для настольных многозадачных систем, но для чтения сигнала скоростью более 250 бит/c - почти фатальна.

Начиная программировать на C под Raspbian я узнал, что встроенной в систему поддержки работы с GPIO как бы и нет. И нашел стороннюю библиотеку bcm2835. С ее помощью я проверил, что адаптер работает и сигналы DALI видит. Попытка написать процедуру чтения данных DALI разбилась о тот факт, что bcm2835 не поддерживает прерывания. Вообразите мое разочарование: любой микроконтроллер о шести ножках за 30 центов поддерживает прерывания и GPIO, а Raspberry Pi под официальной Raspbian с официальной поддержкой GPIO, не работает из коробки не только с прерываниями, но и с GPIO.

Новые поиски библиотеки работы с цифровыми входами навели на wiringPi, с прерываниями. И новый опыт показал затруднения программной работы с DALI из-за случайных задержек, описанных выше: при появлении на входе сигнала выставляется флаг прерывания, однако, при параллельно работающих процессах ядра, которые сами активно управляют прерываниями, моя функция периодически вызывается с задержкой, из-за которой часть данных DALI оказывается "не услышана". Если говорить о реальных тестах, то на Raspbian, где работает только программа прослушивания DALI, я получаю 5% ошибок из-за задержек до 2 мс (из которых 2% вполне реально исправить алгоритмом).

Третья по счету библиотека - pigpio - работает с GPIO через DMA (процесс работы с памятью, реализованный аппаратно, поэтому прерывания и другие сложности в ядре процессора ему не должны мешать). Библиотека обещает точность временных интервалов порядка 5 мкс. Такие времена вполне подходят для декодирования DALI. Только нужно понимать, что задержки в вызове программы никуда не денутся. Она будет получать все биты с цифрового входа и точное время появления каждого бита, но получать их с опозданием. Поэтому возможность реализации процесса, где после получения данных требуется ответить за определенный интервал времени, остается под вопросом, благо, в DALI такое поведение необходимо только исполнительным устройствам, но не мастер-контроллеру.