Умные шторы: автоматическое управление светом на Arduino с солнечной энергией

Компоненты и материалы

Компонент	Количество
SparkFun Arduino Pro Mini 328 — 5V/16MHz	1
Arduino UNO	1
Датчик температуры (LM35DZ)	1
Транзистор PN2907A (PNP)	1
Фоторезистор (LDR)	1
Резистор 10 кОм	1
Резистор 1 кОм	1
Солнечная панель 5V 1.5W	1
DC-DC преобразователь повышающий (5V)	1
Модуль зарядки LiPo	1
Разъемы JST	1 комплект
Корпус для 4×АА батарей	1
Сервопривод (Tower Pro MG996R или аналогичный)	1
Литий-ионный аккумулятор 3.6V (18650)	1
Муфта сервопривода	1
Конденсатор 100 нФ	1
Печатная плата (OSH Park или аналогичная)	1
Монтажные провода	1 комплект

Необходимые инструменты

• Паяльник
• Дрель
• Припой
• Кусачки
• Обезжириватель/стреппер для проводов
• Мультиметр
• Дремель или мини-шлифмашина
• Макетная плата / печатная плата
• Термоусадка

Приложения и сервисы

• Arduino IDE

О проекте

Этот проект представляет улучшенную версию моих первых автоматизированных солнечных горизонтальных штор. Оригинальный дизайн работал почти 4 месяца, прежде чем выявились конструктивные недостатки.

Задачи штор

• Открываются (поворот на 85°) утром для впускания света.
• Закрываются (0° — ламели вниз) вечером для приватности.
• Закрываются (165° — ламели вверх, против солнца) при температуре выше 30 °C (~86 °F) — порог настраиваемый.
• Работают полностью автономно: без внешних проводов, коробок и устройств (проходят «тест жены» — Wife Acceptance Factor).
• Достаточно устойчивы, чтобы не требовать частой замены батарей.
• Стоимость ~$50 (без учета инструментов и времени).

Окно находится на втором этаже над входной дверью, ориентировано на юг-юго-восток. Зимой солнце освещает его большую часть дня — хорошо для солнечной зарядки. Летом солнце уходит за крышу к полудню, а панель в окне затенена утром — зарядки не хватает.

Выявленные проблемы и решения

• Проблема: дом не ориентирован строго на юг. Решение: лучшее размещение солнечной панели.
• Проблема: сервопривод потребляет 13 мА в режиме ожидания. Решение: высоковольтный ключ на PNP-транзисторе (High-Side Switch).
• Проблема: 6-вольтовая солнечная панель выдавала >6 В на солнце, модуль зарядки (4.5–5.5 В) отключался. Решение: панель 5 В.
• Проблема: отсутствие логирования — сложная диагностика. Решение: запись в EEPROM.
• Проблема: нет разъемов для отключения панели/аккумулятора. Решение: разъемы JST между батареей/панелью и схемой.
• Проблема: измерения температуры/света делались от нестабильного 5 В DC-DC, а не от стабильного VCC Arduino. Решение: использовать стабилизированный 5 В с Arduino Pro Mini.

Шаг 1: Список деталей

Использую Arduino — знакомая платформа. Заказываю у SparkFun (локально, можно забрать в день заказа) и на banggood.com / taydaelectronics.com (дешево, но долгая доставка).

• Arduino Pro Mini ($10 — SparkFun)
• Arduino Uno — для прошивки Mini (специальные кабели не понадобятся)
• LM35DZ ($1.23 — Tayda)
• PN2907A ($0.05 — Tayda)
• LDR ($1.24 за 10 шт — banggood)
• Резистор 10 кОм ($0.01 — Tayda)
• Резистор 1 кОм
• Солнечная панель 5V 1.5W ($4.07 — banggood)
• DC-DC Booster 5V ($1.38 — banggood)
• Модуль зарядки LiPo ($2.89 за 3 шт — banggood)
• Разъемы JST ($3.33 за 60 шт — banggood)
• Литий-ионный аккумулятор 3.6V ($15.39 за 4 шт с зарядкой — Amazon)
• Корпус 18650 ($1 — SparkFun)
• Сервопривод (Hitec HS-325HB из местного магазина, момент подбирался экспериментально)
• Муфта сервопривода ($5 — SparkFun)
• Конденсатор 100 мкФ ($0.03 — Tayda)
• Монтажные провода ($17.79 — Amazon)
• Печатная плата ($2.74 за 10 шт — Amazon)

Шаг 2: Инструменты

• Дрель, паяльник, припой, кусачки, стреппер, мультиметр, дремель, макетная плата, термоусадка

Шаг 3: Прототипирование

Собрал схему на макетной плате для написания кода и замеров тока/напряжения.

1. Подключите модуль зарядки к аккумулятору и солнечной панели (плюс к плюсу, минус к минусу).
2. Плюс панели — на аналоговый вход A0 (логирование напряжения панели).
3. Аккумулятор — на вход DC-DC бустера.
4. Плюс аккумулятора — на A1 (логирование напряжения батареи).
5. Выход бустера 5 В — на RAW Arduino.
6. Земля бустера — общая земля.
7. Вывод VCC Arduino (стабильные 5 В) — ко всем датчикам.
8. Сервопривод питание — через PNP-транзистор от выхода бустера.
9. LDR + 10 кОм к земле, точка соединения — на A3 (освещенность).
10. LM35DZ: питание 5 В (VCC Arduino), земля — общая, выход — на A2 (температура).
11. PN2907A: эмиттер — 5 В от бустера, база через 1 кОм на pin 11 (управление), коллектор — питание сервопривода.
12. Земля сервопривода — общая земля.
13. Сигнальный провод сервопривода — pin 10 (PWM).

При прототипировании солнечную панель и модуль зарядки можно не подключать.

Важное открытие: простое подключение сервопривода добавило 14 мА тока покоя. Низковольтный ключ (Low-Side Switch) на NPN не помог — ток оставался высоким. PNP в схеме High-Side Switch решил проблему: в покое ток стал таким, будто сервопривода нет.

Шаг 4: Программирование

Для прошивки Pro Mini использовал Arduino Uno как программатор (снял микроконтроллер с Uno, соединил 5V, GND, TX→TX0, RX→RXI, RESET→RST). В Arduino IDE выбираю «Arduino Pro or Pro Mini». Можно перепрошивать без разборки.

Скетч SmartBlinds доступен на GitHub (ссылки в разделе Code). Используется библиотека LowPower (rocketlabs) для сна и класс EEPROMLog для логирования.

Шаг 5: Начало сборки

Припаял твердые провода к разъемам JST для удлинения и удобства отключения. Солнечной панели добавил ~60 см провода для оптимального размещения в окне. Печатную плату подрезал под размер вертикальной рейки штор. Компоновку делал максимально компактной, учитывая высоту разъема сервопривода. Снял дорожку к индикаторному LED на DC-DC бустере (экономия ~1 мА). Желательно отодвинуть датчик температуры от сервопривода/транзистора — у меня он рядом, что может влиять на показания.

Шаг 6: Финальная сборка и прошивка

Раскомментировал логирование в EEPROM (Pro Mini имеет 1 Кбайт EEPROM, ~42 записи по 22 байта — менее месяца при 2 действиях в день). Последний замер тока покоя — ~1.5 мА. При батарее 900 мАч — ~600 часов без зарядки. В активном режиме 25 мА, при движении штор 200–500+ мА. Компромисс: оставил индикацию LED для визуального контроля.

Шаг 7: Установка

1. Удалите спиральный привод шнура (если есть) — он создает слишком большое сопротивление для сервопривода.
2. Сверлите отверстие для LDR (наружной стороне рейки).
3. Дремелем вырежьте отверстие под сервопривод (наружной стороне, чтобы не было видно изнутри).
4. Зашлифуйте/заклейте края скотчем.
5. Вставьте плату в рейку, выведите LDR в отверстие.
6. Установите сервопривод на вал штор, затяните зажимной винт. Скетч при старте двигает серво в 90° на 10 сек — в это время вручную выставьте шторы в 90° и зафиксируйте.
7. Повесьте шторы на место.
8. Солнечную панель закрепите в верхней трети центрального стекла, провода проложите по перегородкам, закрепите скотчем.
9. Подключите панель к схеме (JST).
10. Подключите аккумулятор, быстро вставьте рейку на место. Шторы сдвинутся в центр, через 10 сек — в рабочее положение.
11. Установите декоративную накладку.
12. Расслабьтесь с любимым напитком.

Шаг 8: Наслаждайтесь!

Шторы работают плавно и автоматически. Через несколько месяцев эксплуатации — поведение идеальное. Интересная особенность: если включен свет на втором этаже и в прихожей внизу, шторы остаются открытыми после темноты — отлично для демонстрации гостям. В жаркие дни шторы закрываются от перегрева еще когда в доме комфортные 70°F (~21°C), так как у окна температуру выше.

Код

Библиотеки и скетчи на GitHub:

• EEPROMLog
• SmartBlinds

Схемы

Схема в формате Fritzing: SmartBlinds.fzz