Устройства умного дома и Интернета вещей на основе плат семейства ESP32

Впервые слово «Робот» появилось в чешском от слова robota, что означает подневольный труд. В нашем мире существует множество автоматизированных устройств, но не все можно назвать роботами. Ниже приведены изображения, но не на всех из них можно увидеть робота.

Рисунок 3 – Роботы и автоматы

Разница между роботом и так называемым автоматом очень относительна. Во многих школах робототехники собирают автоматические устройства, но называют это роботами. И, наоборот, кажется устройство умеет самостоятельно принимать решение, обладает пусть простейшим, но интеллектом, а его все равно могут отнести к автоматизированным средствам. Так, 3D-принтер можно отнести скорее к автоматам, ему нужен g-code (последовательность команд в текстовом файле), в соответствии с инструкциями в этом файле, состоящем из набора команд, он перемещает экструдер, из которого льется пластик, в нужные точки для «печати»‎ изделия. Он не думает и не принимает решения, лишь четко следует командам. По аналогии, многих из нас нельзя назвать биологическими роботами, среди нас полно био-автоматов.

Рисунок 4 – 3D-принтер

Но можно ли отнести 3д-принтеры, станки ЧПУ к роботам? Да, можно, но если они смогут что-то выполнять не по жестко заданной программе, а алгоритмам, которые зависят от комплекса внешних факторов – погоды, расстояния до ближайших стен в доме, уровню шума.

Автома́т – машина, самостоятельно действующее устройство (или совокупность устройств), выполняющее по жестко заданной программе, без непосредственного участия человека, процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материала и информации. Автоматы применяются для обеспечения комфортных условий жизни человека, повышения производительности, облегчения и обеспечения безопасности его труда.

Ро́бот (чеш. robot, от robota – «подневольный труд») – автоматическое устройство, предназначенное для осуществления различного рода механических операций, которое действует по заранее заложенной программе.

Даже «робот-кот»‎ может быть автоматом, если это – совсем бездушное существо, которое просто двигается по заранее предложенной программе. Поэтому грань между роботами и автоматами действительно очень тонкая, ведь кажется, что устройство, которое похоже на кота – это именно робот-кот! А не автоматический кот.

Рисунок 5 – Робот-кот, изготовленный в сообществе разработчиков Технофея

Робот не обязательно имеет какой-то физически существующий корпус. Это может быть программа, написанная на каком-либо языке программирования. Например, бот, написанный на Питоне с использованием Tensor Flow, подключаемое через интерфейс API к социальной сети «Вконтакте»‎. То есть мы видим фотографию робота, видим, что он нам отвечает в процессе переписки с ним, видим, что он не просто перебирает 2 фразы, а даже в ответ на наше заевшее «Привет, как дела?»‎ отвечает каждый раз по-разному. Да, мы разговариваем с бездушным устройством, но ответы оно подбирает уже случайным образом, либо с помощью обученной нейросети, поэтому мы разговариваем, пожалуй, с роботом, а не с автоматом.

Рисунок 6 – Бот от сообщества разработчиков Технофея, который использовался в 2017—2018 годах

Таким образом, робот может не иметь механической части, но когда мы увидим какую-нибудь отладочную плату, например, Arduino UNO или Wemos ESP32, к которой подключены датчики и в которой происходит самостоятельное принятие решения (без заранее подготовленных сценариев от разработчика этого устройства), мы по аналогии с Интернет-ботами можем говорить о том, что эта плата с некоторой модульной «обвязкой»‎ – робот.

Робототехника базируется на 3-х более фундаментальных дисциплинах, переплетается с ними: c электроникой, механикой и программированием, рассмотрим их далее.

Электроника

Робот может состоять из платы управления, к которой подключаются датчики. модули, сенсоры, устройства. Можно помигать светодиодом, и даже сделать целую систему передачи информации, мигая им с помощью Азбуки Морзе, например. Можно анализировать содержание углекислого или угарного газов в квартире и на дисплей выводить одно из двух сообщений: «Зона слабой мозговой активности»‎ или «Угроза пожара»‎. Собранное по электрической схеме устройство – это наработка из области электроники. Внизу приведена схема, где к Arduino Uno подключен датчик температуры и влажности DHT11 и жидкокристаллический дисплей (или LCD – liquid crystal display c английского).

Рисунок 7 – Схема подключения к Ардуино жидкокристаллического дисплея и датчика температуры и влажности, созданная в среде Fritzing

Кстати, существуют действительно семисегментные жидкокристаллические дисплеи – крайне простой индикатор информаций, доступный еще в 90-х годах и ранее, известных как в зарубежной, так и в советской электронике. Но семисегментные дисплеи имею всего лишь 6 сегментов для отображения числа и один сегмент для визуализации разделителя – точки или запятой. В дисплеях на рисунке выше больше сегментов.

Рисунок 8 – Семисегментные индикаторы на модуле

Теперь представьте, Вы даже не показываете вашу разработку где-то на Всероссийском конкурсе, таком как «Шустрик»‎. Но вы переезжаете на новый адрес своего жительства, Вам нужно сложить устройство в пакет, перевезти, потом заново запустить в новой квартире. Приехав в новое жилье, Вы замечаете, что 2 провода у Вас «отвалилось»‎, и не понятно, куда их теперь вставлять, а схему Вы уже подзабыли… Вообще в электронике все четко, и такой ситуации быть не должно. Ведь вы сначала делаете прототип с использованием макетирования – на макетной плате собираете устройство. Макетная плата с ручной работой по трассировке с использованием паяльника показана на рис. ниже.

Рисунок 9 – Распаянные на макетной плате соединения

На рисунке ниже приведен альтернативный, другой вариант макетирования для будущего устройства. Видно, что компоненты соединяются друг с другом отдельными проводами, которые залужены (покрыты оловом или припоем другого состава) и припаяны в нужных местах.

Рисунок 10 – Результат прототипирования на макетной плате

Перед такой пайкой целесообразнее сначала собрать схему на беспаечной плате, например, как на рисунке ниже. Здесь процесс макетирования проходит намного быстрее, ведь уже купленные в интернет-магазине провода нужно просто воткнуть в плавильные ячейки, соединив их с электронными компонентами или модулями.

Рисунок 11 – Прототипирование на беспаечной макетной плате

Наконец, развитие электроники нам сейчас позволяет после макетирования перейти к PCB-платам, которые изготовлены на заводе с соблюдением всех необходимых технологический процессов, имеют шелкографию, то есть надписи на плате, например, белого цвета. Сама печатная плата – это кусок текстолита определенной толщины и габаритов.

Рисунок 12 – Электронные компоненты и микросхемы на плате промышленного образца

Правильно, конечно, в своих начинаниях в области электроники прийти в итоге именно к грамотно спроектированной печатной плате, такой, как на рисунке выше. Но «электроника»‎ может «лежать»‎ и в виде множества устройств на рабочем или лабораторном столе, модулей соединенных проводами между собой, и это также нормально. Более того, часто несколько печатных плат, представленных выше, все равно соединяются между собой. В устройстве может быть несколько таких плат, модулей. Печатные платы можно проектировать в таких программных обеспечениях, как Altium Designer, Eagle, Sprint Layout и так далее. Все дороги могут быть разведены на одной стороне печатной плате, а могут – на двух. Существуют и более сложные решения, например, 3-х слойные печатные платы и даже… 16 слойные и так далее.

Применением простой платы Arduino хороший проект не построить. Данные нужно передавать. Существуют протоколы передачи данных, такие как TCP и UDP. Нужен либо WiFI-модуль, который будет подключен к Arduino, либо плата поинтереснее, такая как ESP32.

Устройства Интернета вещей предполагают, что для передачи данных WiFi (стандарт, например, 802.11g либо схожие) сеть вообще редко когда доступна. Вместо нее обычно применяют другие стандарты. Так, если подходить к разработке продукта максимально просто и правильно, использовать стоит Lora WAN.

Механика

Но даже если мы соберем очень функциональное устройство, управляющее всем умным домом, то под него все-равно необходим корпус. Поэтому нужно грамотно относиться к тому, на какие болты Вы будете прикручивать каждый электронный модуль, в каком месте корпуса оптимальнее расположить разные составляющие устройства. Тогда, даже если Вы не «посадите»‎ провода на клей от клеевого пистолета и даже если Вы будете использовать не PCB-плату с шелкографией, изготовленную в Китае, а макетную плату с множеством плохо припаянных проводов, у Вас все-равно ничего не отвалится, по крайней мере, в ближайшее время. Ведь все жестко зафиксировано внутри корпуса, невозможно создать воздействие, из-за которого провод выпадет из гнезда или отвалится из-за плохой пайки.