Implementacja automatyki bramy garażowej za pomocą mikrokontrolerów Arduino
Nikodem Mrówka, Bartłomiej Radecki, Adam Gabryelów AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
mrowka@student.agh.edu.pl, bradecki@student.agh.edu.pl, gabryelow@student.agh.edu.pl
Słowa kluczowe: Brama, garaż, automatyka, mikrokontrolery
Streszczenie
Praca zakłada wykonanie projektu automatycznej bramy garażowej sterowanej głosowo przez aplikację telefoniczną. Użytkownik budynku podjeżdżając do garażu swoim samochodem wypowiada specjalne hasło, którego poprawność sprawdzana jest przez system. Po poprawnej weryfikacji system uruchamia silniki otwierające bramę pozwalając w ten sposób na zaparkowanie auta i dostęp do wnętrza obiektu.
1. Wstęp
Wraz z rozwojem technologicznym na świecie dąży się do jak największego ułatwienia funkcjonowania w budynku dla jego mieszkańców. W ostatnim czasie rozpowszechniane są coraz to nowe rozwiązania systemowe, mające na celu automatyzację obsługi obiektu mieszkalnego. Coraz popularniejsze stają się rozwiązania tzw. Smart home pozwalające na sterowanie niemal wszystkimi systemami budynku za pomocą swojego smartphone’a. Zgodnie z tym trendem w niniejszej pracy podjęto się próby zaimplementowania automatyki do systemu obsługi automatycznej bramy garażowej. Dzięki realizacji niniejszego projektu użytkownik będzie mógł w przystępny, przyjemny i łatwy sposób obsługiwać system otwierania bramy garażowej w swoim domu, poprzez implementacje nowoczesnych rozwiązań sterowania głosem i na odległość.
[1,2,3]
Elektronika i automatyka bramy garażowej oparta jest o sterowanie za pomocą mikrokontrolerów Arduino i ESP-32. System współpracuje z dwoma silnikami prądu stałego, pracującymi w obu kierunkach ruchu wskazówek zegara. Dzięki ich pracy w jedną lub druga stronę brama garażowa zostaje podniesiona umożliwiając wjazd pojazdu do środka obiektu lub opuszczona zabezpieczając w ten sposób cenne rzeczy przechowywane wewnątrz budynku.
Zaprojektowany system automatyki może być zaimplementowany w dowolnym garażu, w którym zamontowana jest brama spełniająca wymogi mechaniczne projektu. [1,2,3]
2. Cel i zakres Pracy
Celem niniejszej pracy jest stworzenie systemu automatyki bramy garażowej zwiększającego komfort użytkowania budynku dla jego mieszkańcó w poprzez łatwiejszą i przyjemniejszą możliwość sterowania systemem jej otwierania i zamykania.
W rozdziale 3 podjęto się próby prezentacji rozwiązań dostępnych na rynku opartych o nowatorskie projekty pochodzące z całego świata.
W rozdziale 4 zaprezentowano tablicę morfologiczną, na której pokazano kryteria doboru rozwiązań do wszystkich występujących w projekcie problemów.
W rozdziale 5 i 6 pokazano grafiki przedstawiające model, jego dokumentację techniczną oraz prezentację aplikacji sterującej systemem.
Rozdział 7 przedstawia analizę testów sprawdzających poprawność działania całego systemu.
W rozdziale 8 podsumowano pracę zespołu, zaprezentowano wnioski oraz określono kierunki dalszego rozwoju urządzenia.
3. Przegląd istniejących rozwiązań
Aktualnie dostępne na rynku rozwiązania pozwalają na sterowanie procesem otwierania i zamykania bramy poprzez różnego rodzaju zewnętrzne urządzenia.
W większości sprzedawanych systemów brama sterowana jest za pomocą zdalnego pilota działającego w oparciu o technologie fal radiowych lub poprzez fizyczne przyciski umieszczone na zewnątrz budynku. Nowinkami technicznymi z ostatnich lat są bramy sterowane głosowo za pomocą specjalnych aplikacji, dzięki którym użytkownik podjeżdżając do swojego garażu wypowiada do mikrofonu smartfona specjalne hasło, po którego wykryciu system rozpoczyna proces otwarcia bramy. [4,5]
4. Tablica morfologiczna
Rys.1. Tablica morfologiczna projektu automatycznej bramy garażowej [grafika własna]
5. Model i symulacje
Model został stworzony w oparciu o płytkę prototypowa Arduino Uno oraz moduł Moduł ESP-32 WiFi + Bletooth 2,4 GHz Dual Mode - ESP-WROOM- 32. Model zbudowany z fizycznych części zaprezentowano na schemacie znajdującym się na Rys.2.
Rys.2. Schemat automatycznego systemu sterującego bramą garażową Moduł ESP 32 został podłączony jako centrala komunikacyjna umożliwiająca sterowanie systemem bramy poprzez wbudowane moduły wi-fi oraz bluetooth. Pozwala to na kontrolowanie procesu otwierania i zamykania bramy z dowolnego urządzenia, mogącego komunikować się z płytką sterującą. W przypadku niniejszego projektu użyto specjalnie zoptymalizowanej do tego celu aplikacji zainstalowanej na Smartfonie połączonym z płytką za pomocą technologii bluetooth. W aplikacji zaimplementowano sterowanie głosowe oparte o wbudowany w smartfonie mikrofon. Po wypowiedzeniu odpowiedniej komendy aplikacja konwertuje mowę na tekst i po sprawdzeniu poprawności polecenia wysyła sygnał do płytki ESP32, gdzie sygnał jest przetwarzany, a w kierunku Arduino wysyłany jest sygnał odpowiadający otwieraniu lub zamykaniu bramy garażowej.
6. Prototyp i testy eksperymentalne
Prototypem automatyki systemu otwierania bramy jest stworzony na bazie Arduino Uno model fizyczny wykorzystujący silniki prądu stałego podłączone do systemu oraz zaimplementowane czujniki zbliżeniowe na podczerwień.
Czujniki umieszczono zarówno na spodzie bramy jak i na jej górnej części. Przy otwieraniu bramy czujniki znajdujące się na górze najwyższego segmentu wykrywają zbliżenie się bramy do punktu końcowego oznaczającego jej całkowicie otwarcie, po czym wysyłają sygnał wyłączający silnik. W przypadku procesu zamykania system działa bardzo podobnie jednak ze względów bezpieczeństwa dodatkowe czujniki zbliżeniowe wykrywają również obiekty znajdujące się pod otwierającą się bramą i w przypadku wykrycia np. dziecka znajdującego się na linii otwierania dolnego segmentu system włącza natychmiast bieg wsteczny silnika chroniąc zarówno bramę przed uszkodzeniami jak i zdrowie ludzi mogących znaleźć się niespodziewanie w obszarze zagrożenia. Sterowanie całym systemem testowano poprzez połączenie systemu Arduino Uno i płytki sterującej ESP 32 ze specjalnie przygotowaną do tego celu aplikacją. Na Rys.3. i Rys.4. zaprezentowano odpowiednio moduł sterowania głosowego oraz moduł sterowania za pomocą odpowiednio zaprogramowanych w tym celu przycisków.
Rys.3. Sterowanie głosowe procesem otwierania i zamykania bramy
Rys.4. Sterowanie procesem otwierania i zamykania bramy za pomocą zaimplementowanych w aplikacji przycisków
7. Pomiary oraz analiza wyników
Testy sterowania systemem potwierdziły poprawność zastosowanych w projekcie rozwiązań. Zarówno sterowanie głosowe jak i przyciskami fizycznymi działa bez zarzutów. System niemal natychmiast reaguje na komendy. Nie występuje praktycznie żadne znaczące opóźnienie wpływające negatywnie na komfort korzystania z bramy dla mieszkańców.
8. Podsumowanie i wnioski
Przedstawiony w niniejszym projekcie model automatycznej bramy garażowej pozwala na znaczne ułatwienie korzystania z garażu dla mieszkańców budynku, w którym się on znajduje. Dzięki implementacji rozwiązań w nim zawartych użytkownik budynku może w tani i łatwy sposób zwiększyć swoją wygodę i umilić np. powrót do domu samochodem po ciężkim dniu.
Zaprezentowane w projekcie rozwiązania po przeprowadzeniu testów okazały się dobrym i tanim rozwiązaniem. System, dzięki zastosowaniu odpowiedniej ilości czujników spełnia również normy bezpieczeństwa i może być z powodzeniem użytkowany przez rodziny posiadające małe dzieci.
Dalsze pracę nad projektem zakładają rozwinięcie systemu o aspekty przetwarzania obrazu. Zespół planuje w przyszłości implementację kamer pozwalających na czytanie tablic rejestracyjnych zamontowanych w pojeździe.
Po wykryciu odpowiedniej kombinacji liter i cyfr na tablicy system uruchamiałby proces otwierania bramy.
9. Literatura
[1] “Design Analysis Automatic Garage Door Opener” Nikhil Kr. Gupta1, Mukul Singh Solanki1, Ravi Ruwali1, Shyam Yadav1, Shivam Sharma2
[2] “Phone call Controlled Garage Door” Romul Copindean, Rodica Holonec, Florian Dragan
[3] „System inteligentny dom − nowoczesna technologia stosowana w budownictwie” OLGA SULIKOWSKA1 , ANETA BRZUZY
[4] „KONSTRUKCJA I OPROGRAMOWANIE NAPĘDU BRAMOWEGO ZINTEGROWANEGO Z INTELIGENTNYM BUDYNKIEM” Marek Bolesław HORYŃSKI
[5] „Pozytywne aspekty zastosowania sterowników PLC w systemach automatyki wybranych elementów wyposażenia technicznego budynku mieszkalnego” Paweł Chwietczuk, „Czasopismo Prace Naukowe Akademii im.
Jana Długosza w Częstochowie. Technika, Informatyka, Inżynieria Bezpieczeństwa” Rocznik 2015, Tom T. 3, Strony 29—37
10. Załączniki
1. Strona projektu stworzona w serwisie Hackaday, gdzie zaprezentowano testy systemu sterującego bramy : https://hackaday.io/project/180064- brama-garaowa?fbclid=IwAR3tKEI-
0PJ9NrvgwPL_XQMZXXXht5yjiD7HMCpG6rKbeckLnUb38AIVg0 g
