intelligente Haus Heimautomation mit Arduino, Android und PC

Transkript

1 Mike Riley Übersetzung von Thomas Demmig o reillys basics Das intelligente Haus Heimautomation mit Arduino, Android und PC Geekige Heimautomationsprojekte Arduino, Smartphone und Google@home clever einsetzen Inspiration für kreative Projekte

2 Inhaltsverzeichnis Danksagung xi Einleitung xiii Teil I Vorbereitungen 1. Der Einstieg Was ist Heimautomation? Kommerzielle Lösungen Do-it-yourself-Lösungen Die Ausgaben im Auge behalten Richten Sie Ihren Arbeitsplatz ein Skizzieren Sie Ihre Ideen Schreiben, Verdrahten und Testen Dokumentieren Sie Ihre Arbeit Anforderungen Die Hardware kennen Die Software kennen Spaß mit Sicherheit 20 Teil II Projekte 3. Wasserstands-Warner Was Sie benötigen Die Lösung bauen Der Zusammenbau Ein Sketch Den Web-Mailer schreiben Einen Ethernet Shield hinzufügen Und jetzt alles zusammen Nächste Schritte 44

3 viii Inhaltsverzeichnis 4. Elektronischer Wachhund Was Sie benötigen Die Lösung zusammenbauen Den Hund zusammenbauen Hundeschule Das Projekt testen Den Hund von der Leine lassen Nächste Schritte Zwitscherndes Vogelhäuschen Was Sie benötigen Die Lösung zusammenbauen Der Landesensor Der Futtersensor Drahtlos agieren Tweeting mit Python Und jetzt alles zusammen Nächste Schritte Paketzustellungs-Detektor Was Sie benötigen Die Lösung zusammenbauen Hardware-Zusammenbau Den Code schreiben Der Paketzustell-Sketch Den Sketch testen Der Zustell-Prozessor Die Zustell-Datenbank anlegen Die abhängigen Pakete installieren Das Skript schreiben Den Zustell-Prozessor testen Die Hardware einrichten Nächste Schritte Lichtschalter mit Web-Unterstützung Was Sie benötigen Die Lösung zusammenbauen Hardware verbinden Den Code für den Webclient schreiben Den Webclient testen Code für den Android-Client schreiben 121

4 Inhaltsverzeichnis ix 7.7 Den Android-Client testen Nächste Schritte Rollo-Automation Was Sie benötigen Die Lösung zusammenbauen Den Schrittmotor verwenden Den Schrittmotor programmieren Die Sensoren hinzufügen Den Sketch schreiben Die Hardware einrichten Nächste Schritte Android-Türöffner Was Sie benötigen Die Lösung zusammenbauen Den Android-Türöffner steuern Den Android-Server schreiben Den Android-Client schreiben Testen und Einrichten Nächste Schritte Geben Sie Ihrem Haus eine Stimme Was Sie benötigen Lautsprecher einrichten Lion eine Stimme geben Das schnurlose Mikrofon kalibrieren Einen sprechenden Löwen programmieren Sprechen Sie mit Ihrem Haus Nächste Schritte 197 Teil III Vorhersagen 11. Zukunftsentwürfe In der nahen Zukunft Auf lange Sicht Das Haus der Zukunft Weitere Projektideen Krempel-Detektor Stromverbrauch messen 212

5 x Inhaltsverzeichnis 12.3 Elektrische Vogelscheuche Ferngesteuerte Fernbedienung für die Unterhaltungselektronik Schlaf-Timer für Geräte Feuchtigkeitsgesteuerte Gartenbewässerung Vernetzte Rauchmelder Garage öffnen per GPS-Position Intelligente Temperatursteuerung Intelligenter Briefkasten Intelligente Lichtsteuerung Energieüberwachung für Solar- und Windstrom 215 Teil IV Anhänge A1. Arduino-Bibliotheken installieren A1.1 Apple OS X 219 A1.2 Linux 220 A1.3 Windows 220 A2. Literaturverzeichnis Index

6 KAPITEL3 Wasserstands-Warner Wenn Sie wie ich in den USA im Mittleren Westen leben, kennen Sie die starken Regenfälle und die Effekte, die sie auf einen Keller haben können. Geschichten von Sumpfpumpen, die bei einem Sturzregen ihren Geist aufgeben, schließen häufig mit»hätte ich gewusst, wie schnell das Wasser in meinem Pumpensumpf steigt, hätte ich mehr Zeit gehabt, meine Sachen höher zu räumen.«stellen Sie sich ein anderes Szenario vor: Jemand muss einen Entfeuchter verwenden, um einen feuchten Keller trocken zu bekommen. Billige Entfeuchter stellen ihre Arbeit häufig ein, wenn das Wasser in ihrem Tank eine gewisse Höhe erreicht hat. Manche Modelle erzeugen dann auch einen Warnton oder lassen eine Lampe blinken aber das ist nicht sehr nützlich, da der Entfeuchter meist in einem Bereich installiert ist, in dem man sich nur selten aufhält. Wäre es nicht viel praktischer, eine von Ihrem Haus zu erhalten, wenn der Wasserpegel in diesen Bereichen eine bestimmte Höhe erreicht hat? (Siehe Abbildung 1, Lassen Sie sich von Ihrem Haus eine schicken, auf Seite 26.) Lassen Sie uns also die Ärmel hochkrempeln und ein System bauen, das diesen nützlichen Benachrichtigungsservice anbietet. 3.1 Was Sie benötigen Die Hauptkomponente für dieses Projekt ist ein sogenannter Flex-Sensor. Der Auftrieb durch den steigenden Wasserpegel sorgt dafür, dass der Sensor gebogen wird. Dabei erhöht oder reduziert sich der Messwert, der wiederum mit einem einfachen Arduino-Programm ausgelesen wird. Der Sensor wird dabei über den 3,3 V- oder 5 V-Pin des Arduino mit Strom versorgt.

7 26 Kapitel 3: Wasserstands-Warner Abbildung 1: Lassen Sie sich von Ihrem Haus eine schicken... wenn der Wasserpegel schnell steigt, so dass Sie genug Zeit haben, größere Schäden durch Überflutung zu vermeiden. Dieses Projekt kann auch genutzt werden, um den Wasserpegel in einem Entfeuchter, der Klimaanlage und ähnlichen Geräten zu überwachen. Hier die vollständige Liste (siehe auch Abbildung 2, Teile für den Wasserstands-Warner, auf Seite 27): 1. Ein Arduino Uno 2. Ein Ethernet Shield1 3. Ein Flex-Sensor amp;products_id=201

8 Was Sie benötigen 27 Abbildung 2: Teile für den Wasserstands-Warner 4. Ein 10-kΩ-Widerstand 3 5. Ein Schwimmer (ca. 2,5 cm Durchmesser) 6. Drei Kabel (für +5V, GND und den Analogpin 0) in der passenden Länge 7. Eine 9-V-Stromversorgung, um den Arduino und das Ethernet Shield zu betreiben, wenn sie vom USB-Kabel getrennt wurden 8. Ein Stab oder ein Holzbrett, von dem der Flex-Sensor herunterhängt 9. Ein Webserver, auf dem PHP 4.3 oder neuer läuft (nicht abgebildet) Sie werden zudem ein Standard-USB-A-B-Kabel benötigen (nicht abgebildet), um den Arduino mit dem Computer zu verbinden, und ein Ethernet-Kabel (ebenfalls nicht abgebildet), um das Ethernet Shield an Ihr Netzwerk anzuschließen. Wir werden den Arduino und das Ethernet Shield auch in einigen anderen Projekten verwenden, daher sollten sich die restlichen Hardwarekosten ohne die beiden Shields auf unter 20 Euro belaufen. Wenn Sie an den Seelenfrieden und die Leichtigkeit denken, mit der Sie zukünftige Ideen auf diesem Konzept aufbauen können, sollte dieses Geld gut angelegt sein. 3.

9 28 Kapitel 3: Wasserstands-Warner Arduino Ethernet Hätten Sie lieber ein Board, auf dem der Arduino Uno und das Ethernet Shield zusammengefasst sind? Der Arduino Uno Ethernet könnte dann genau das Richtige für Sie sein. a Das Board benötigt allerdings trotzdem die Pins 10 bis 13 für das Ethernet-Modul, so wie das auch beim eigenständigen Ethernet Shield der Fall ist. Der Arduino Uno Ethernet benötigt zudem ein FTDI-Kabel, um mit einem Computer verbunden zu sein, statt sich mit dem verbreiteten A-B-USB-Kabel zufriedenzugeben. b Der größte Vorteil dieses Boards ist, dass man die Ethernet-Dienste mit einem weiteren Arduino-Shield kombinieren kann, sofern dieses Shield nicht die gleichen Pins für sich benötigt wie die Ethernet-Hardware. a. b Die Lösung bauen Bevor der Wasserstands-Warner seine Meldungen weitergeben kann, müssen Sie folgende Aufgaben erledigen: 1. Verbinden Sie Kabel und einen Widerstand mit dem einen Ende des Flex- Sensors und den Schwimmer mit dem anderen Ende. 2. Verbinden Sie das Ende des Flex-Sensors mit einem Analogpin des Arduino. 3. Schreiben Sie ein Programm (einen Sketch) für den Arduino, das Änderungen am Wert des Flex-Sensors überwacht. Es sollte ein Event auslösen, wenn es eine ausreichend große Änderung im Vergleich zum Ursprungswert gibt. 4. Verbinden Sie ein Ethernet Shield mit dem Arduino, so dass der Sketch mit einem Webserver kommunizieren kann, auf dem PHP läuft. 5. Schreiben Sie ein PHP-Skript, das die eintreffenden Werte vom Arduino erfasst. Hat sich der Wasserstand verändert, sollte es eine Nachricht erstellen und eine an den gewünschten Empfänger schicken, der dann schnell auf die Warnung reagieren muss. Wir werden mit dem Zusammenbau der Hardware beginnen und die Messergebnisse des Flex-Sensors prüfen.

10 Der Zusammenbau 29 Abbildung 3: Schaltplan für den Wasserstands-Warner 3.3 Der Zusammenbau Beginnen wir damit, dass wir prüfen, ob unser Flex-Sensor so arbeitet, wie wir es uns vorstellen. Verbinden Sie den positiven Anschluss des Sensors per Draht mit dem 5-V-Pin des Arduino. Wenn Sie sich den Flex-Sensor vom Anschlussende her ansehen, ist der positive Anschluss der vertikal verlaufende. Der negative Anschluss ist der, der aussieht wie die Sprossen einer Leiter. Schließen Sie den negativen Anschluss am analogen Pin 0 über ein weiteres Kabel an. Verbinden Sie schließlich den analogen Pin 0 über den 10-kΩ-Widerstand mit dem Masseanschluss, um den Stromfluss durch die Schaltung zu reduzieren. Schauen Sie sich Abbildung 3, Schaltplan für den Wasserstands-Warner, aufseite29 an, damit Sie die Kabel und den Widerstand mit den korrekten Pins verbinden. Verbinden Sie den Schwimmer mit dem anderen Ende des Flex-Sensors. Die meisten Schwimmer besitzen einen Haken, der sich mit dem Plastikrahmen des Sensors verbinden lässt. Hält diese Verbindung nicht, können Sie auch Heißkleber oder einen Schrumpfschlauch nutzen, um nachzuhelfen. Achten Sie nur darauf, den Sensor durch die Wärme nicht zu zerstören. Sie können auch Duct Tape als sichere Alternative nutzen, allerdings verliert das Klebeband mit der Zeit seine Wirkung. Machen Sie die Kabel lang genug, so dass Sie den Arduino und seine Stromversorgung mit ausreichendem Abstand zum Wasser montieren können. Der Arduino, mit dem ich meinen Pumpensumpf überwache, ist in einem Plastikkästchen ein ganzes Stück über der Grube montiert und die beiden Anschlussdrähte zum Flex-Sensor sind etwa zwei Meter lang.

11 Index A Adafruit Industries, 14 Arduino Ethernet, 28 Arduino Mega Board, 203 Force Sensitive Resistor, 90 Infrarot-Abstandssensoren, 211 Motor Shield, 130, 133, 134 Music und Sound Add-On Pack, 48 Servomotor, 48 Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, 213 Tweet-A-Watt, 212 XBee-Adapterkits, 19, 63, 73 Home Google Open Accessory Protocol, 149 Open Accessory Development Kit (ADK), 16, 112, 203 Android OS versus ios, xvi Android SDK, 112, 121 Anwendungsberechtigungen, 168, 174 AVD erstellen, 121 Android Virtual Devices (AVDs), 121 Android-OS Android SDK, 16, 17 Android-Testframework, 10 und Heimautomation, 4, 16 Android-Smartphones Quellen und Kosten, 15, 150 Android-Türöffner Android- Anwendungsberechtigungen, 168, 174 Android-Client, Android-Webserver, , 169 Beschreibung, 151, 152 Einrichten, 175, Benachrichtigung, Foto aufnehmen, Programmieren des IOIO- Boards, Programmierung des PowerSwitch Tail, Sicherheitsüberlegungen, 170, 176 statische IP setzen, 160 Teile, 149 Testen, 175 Verbindungen, 153 Zusammenbau der Hardware, Apple ios, xvi Apple OS X, siehe Mac OS X AppleScript, Arbeitsplatz einrichten, 7 Arduino-Boards Arduino 1.0, 202 Arduino Ethernet, 28 Arduino Mega Board, 203 Konfiguration und Prüfung, 30 Quellen und Kosten, 14 Schaltplan, 8 30 Arduino-IDE, 17, 30, 34, 40 bedingte Blöcke, 34 Bibliotheken installieren, 219, 220 Code testen, 9 -Benachrichtigung, Ethernet Shield, Ethernet-Bibliothek, 40 Flex-Sensoren, Force Sensitive Resistor, 95, 96 Fotozelle, kapazitiver Sensor, Kompilieren und Übertragen, 34 Konstanten, 31 LED-Pin-Konfiguration, 31 Motor Shield, 135, 136 PIR-Bewegungssensor, 56 Schrittmotoren, 134, Serial Monitor Window, 34 seriellen Port festlegen, 32 Servomotor, virtueller Emulator, 18 Wave Shield, XBee-Module, Zeilenende, 34 Arduino-Zubehör Ethernet Shield, 28, Motor Shield, 131, 133, 135, 136 MP3 Shield, 50 Wave Shield, 48, Audacity, 54 Audioausgabe per Bluetooth, 183 B Bewegungssensor, siehe PIR- Bewegungssensor C CEBus-Standard, 4 D DIY-Ressourcen Google Groups, xvii

12 224 Anhang 3: Index Instructables, xvii Ladyada, 51, 53, 54, 69, 73, 133 Makezine, xvii Drucksensoren, siehe Force Sensitive Resistor E Eclipse IDE, 121 Electric Guard Dog Hardware-Zusammenbau, Electric Sheep Board, 151 Elektor Electronic Toolbox, 9 Elektrische Vogelscheuche, 212 Elektronischer Wachhund Beschreibung, 50 Hardware-Zusammenbau, 52 Installation, 58 Sound Clips, 53 Teile, 49 Test, 58, 59 -Benachrichtigung Authentifizierung, 38 Google Mail, 101, 104 PHP Web-Mailer, Benachrichtigungen per Android-Smartphone, per Google Mail, 97 Emulare, 18 Ethernet Shield Arduino Ethernet, 28 Arduino-IDE, Bibliothek, DNS und DHCP, 40 DNS- und DHCP- Funktionen, 202 Referenzbibliothek der Arduino IDE, 202 Zusammenbau, 38 Exosite, xvii F FedEx-Tracking-API, 99, 100 Fernbedienung für Unterhaltungselektronik, 212 Feuchtigkeitsgesteuerte Gartenbewässerung, 213 Flex-Sensoren Anschließen, 29 Anschluss, mehr Projektideen, 44, 45 Force Sensitive Resistor, 92 Anschluss, 94 95, 96 Quelle, 90 Schaltplan, 93 weitere Projektideen, 107, 108 Fotozelle Anschluss, 70, mehr Projektideen, 87, 88 weitere Projektideen, 215 Freemind, 8 Fritzing, 8 G Garage öffnen per GPS- Position, 214 gcc-compiler, 114 Geben Sie Ihrem Haus eine Stimme AppleScript- Programmierung, Beschreibung, 179 Kalibrieren des schnurlosen Mikrofons, 188 Lautsprecher einrichten, Schnurloses Mikrofon kalibrieren, Spracherkennung des Mac aktivieren, Test, 197 Git, 34 Home, 203 Google Mail, 97, 101, 104 H Hardware-Komponenten Quellen, 50, 64, 86 Hardwarekomponenten Kosten, 14, 15 Heimautomations- Technologie Home, 203 Android-OS, 4 anstehende Entwicklungen, CEBus-Standard, 4 Do-it-yourself-Lösungen, 5 Insteon-Standard, 4 Programmiersprachen, 19 X10-System, 4 Zukunftsvisionen, Heyu-Tool, 110 Installieren, 114 von Ruby steuern, 118 X10-Befehle abschicken, 116 I icircuit, 9 IEEE Spezifikation, 18 Infrarot-Abstandssensoren, 211 Infrarotsender, 212 Inkscape, 8 Insteon-Standard, 4 Instructables, xvii Intelligente Lichtsteuerung, 215 Intelligente Temperatursteuerung, 215 Intelligenter Briefkasten, 215 IOIO-Board, xv ADK-Unterstützung, 16 Anschluss, Funktionsweise, 149 Kosten, 15 Programmieren, ithoughts HD, 9 K kapazitiver Sensor, mehr Projektideen, 87 Kopfhörer-auf-USB-Adapter, 181 Krempel-Detektor, 211 L Löten, 7, 9 Lichtschalter mit Web- Unterstützung Android Application Permissions, 126 Android Application Signature, 127 Android-Client, Beschreibung, 113

13 Anhang 3: Index 225 Rails-Server, 119, 125 Teile, 111 Test, Webclient, X10 anschließen, M Mac OS X AppleScript, Arduino-Bibliotheken installieren, 219 Kopplung mit Bluetooth- Lautsprechern, 182 Mac Developer Tools, 114 Rails, 117 Spracherkennungs-Server, Maker Shed, 50, 63 Makezine, xvii Mikrofon kalibrieren, Mikrofone, schnurlos, 181, minidraw, 9 Motor Shield, 131 Anschluss, , 136 Quelle, 130 Zusammenbau, 133 Multimeter, 10 O Online-Ressourcen Google Groups, xvii Instructables, xvii Ladyada, 51, 53, 54, 69, 73, 133 Makezine, xvii P Pachube, xvii Paketzustellungs-Detektor 95, 96 Beschreibung, 92, 93 Datenbank, Hardware-Zusammenbau, 93, 94 Installation, 106, 107 Schaltplan, 93 Teile, 91 Test, 106 Tracking-Nummer überprüfen, PIR-Bewegungssensor Anschluss, Funktionsweise, 53 mehr Projektideen, 59, 108, 145 weitere Projektideen, 176, 212, 215 PowerSwitch Tail, 149 Anschluss, 153 Programmierung, Quellen, 149 Programmiersprachen, 19 Projektplanung, 6 9 Arbeitsplatz einrichten, 7 Dokumentation, 10 Komponenten und Kosten, Sicherheit, 20 Prolific PL-2303, 114 R Rails Installation und Einrichten, 117, 119 Server, 119, 125 Rillenscheibe, 132 Rollo-Automation Beschreibung, 132, 133 Hardware-Zusammenbau, 134 Installation, Programmierung des Motor Shield, 135, 136 Rillenscheibe, 132 Schrittmotor kalibrieren, 143 Teile, 131 Testen, 141 Zusammenbau der Hardware, 136 RSpec, 10 Ruby on Rails, 117 S Schlaf-Timer für Geräte, 213 Schrittmotoren Anschluss, 134, , Funktionsweise, 133 Kalibrierung, 143 mehr Projektideen, 145 weitere Projektideen, 213, 215 Seriellen Port überwachen, 73 Seriell-nach-USB-Adapter, 114 Servomotor Anschluss, Quellen, 48 Timinganpassungen, 58 Sicherheit zu Hause, siehe Elektronischer Wachhund Sicherheitsüberlegungen, 20 Sinatra, 128 Skizzieren, 7 9 Skype-Anrufe ohne Tastatur und Maus, 198 SOAP (Simple Object Access Protocol), 100 Solarstrom, 64, 86, 215 Solio, 64, 86 Sprachbefehle, siehe Geben Sie Ihrem Haus eine Stimme SQLite, 79 82, 98 SQLite-Manager, 81 Stromverbrauch messen, 212 Sunforce Products, 86 T Temperatursensor Anschluss, 137 weitere Projektideen, 213 Test-Driven Development (TDD), 9 Testen, 9 Tweet-A-Watt, 212 Twitter-Schnittstelle, U UPS-Tracking-APIs, 99, 100 V Vernetzte Rauchmelder, 213 Versionskontroll-Software, 34 Virtual Breadboard, 18 VirtualBox, 110 Vogelhäuschen, siehe Zwitscherndes Vogelhäuschen

14 226 Anhang 3: Index W Wasserstands-Warner Beschreibung, 28 versenden, 41, 42 Ethernet Shield- Programmierung, Hardware-Zusammenbau, 38 Installation, Teile, 27 Testen, 35, 42 Web-Mailer, Zusammenbau, 29 Zusammenbau der Hardware, 29 Watterott, 14 Wave Shield Quellen, 48 Sound Clips, 53 Testen, 51 Zusammenbau und Verdrahtung, 51, 52 WEBrick-Server, 119 Webserver Auswahl, 37 Benachrichtigungen absichern, 38 Webzugriff auf Sensoren, xvii WiFly Shield, 72 Windows Arduino-Bibliotheken installieren, 220 Arduino-Emulatoren, 18 VirtualBox, 110 X X10-System, 4 Funktionsweise, 112 Heyu-Tool, 110 mit Computer verbinden, potenzielle Probleme, 117, 128 Steuermodule, 112, 113 weitere Projektideen, 128, 213 XBee-Module Funktionsweise, 18, 19 Hardware-Zusammenbau, 73 Kosten, 15 mehr Projektideen, 87, 88, 145 Pairing, 73 Quellen, 63 Seriellen Port überwachen, 73 weitere Projektideen, 213, 214 Y Yaler, xvii Z Zukunftsvisionen, Zwitscherndes Vogelhäuschen Beschreibung, 65 Datenbank, Futtersensor, 69 Hardware-Zusammenbau, 66, 69, 73, 74 Installation, 86, 87 Landesensor, Schaltplan, 75 Solarstrom, 86 Teile, 63 Twitter API Credentials, 82, 83 Twitter-Post, XBee-Module, 73 77