Продвинутая система многозонного отопления для умного дома на Arduino

Компоненты и материалы

О проекте

Автор собрал это устройство, потому что кухня была то слишком горячей, то слишком холодной при едином термостате в гостиной. Коммерческие многозонные системы (например, EvoHome) очень дороги. Этот скетч на Arduino Uno реализует их интеллект за копейки. Проблема полностью решена.

Ключевые особенности

• Настройка только пинов и количества зон
• Uno управляет до 5 зон теплого пола; Mega — практически неограниченное число
• Управление: насос теплого пола, агрегация зон в один термостат для котла, клапаны зон, Watchdog-таймер
• Индивидуальное отопление по зонам: свой термостат и реле клапанов на зону. Несколько групп контуров в одной комнате — параллельно на одно реле
• Экономия энергии: комнаты не перегреваются
• Умное управление насосом: работает только при необходимости (экономия 100–200 €/год vs 24/7). Профилактика: запуск на 8 мин каждые 36 часов летом. Запуск насоса только после открытия клапанов (3–5 мин)
• Опционально: управление остальными комнатами (радиаторы с термоголовками) через вход No_Zone
• Не все зоны нужно автоматизировать — только проблемные
• Осознанно нет подключения к интернету: надежность, умные термостаты уже дают удаленный доступ

Код

Основной скетч: ProjectCV.ino

/*
 * Floor Unit heating controller for multiple Rooms/Zones v1.0
 * GPL-3.0, Eric Kreuwels, 2017
 * Use cases: Peter Kreuwels
 * Tested >1 year on ground floor. No liability. Test before use.
 */

#include <avr/wdt.h>

// #define FAST_MODE  // для тестов: loop в 50x быстрее. НЕ для реального насоса!

#define VALVE_TIME 3000L        // 5 мин на открытие/закрытие клапана
#ifdef FAST_MODE
#define PUMP_MAINTENANCE_TIME 108000L   // 3 часа в быстром режиме
#else
#define PUMP_MAINTENANCE_TIME 1300000L  // 36 часов в норме
#endif
#define PUMP_ACTIVATION_TIME 5000L      // 8 мин работы насоса
#define COOLDOWN_TIME 18000L            // 30 мин обогрева после отключения

#include "./Devices.h"

struct Zone {
  String name;
  Valve valve;
  Thermostat thermostat;
};

////////////////////////////////////////////////////
// КОНФИГУРАЦИЯ (перепишите под свои пины)
#define HEATER_PIN      4   // реле → термостат котла
#define FU_PUMP_PIN     5   // реле → насос теплого пола
#define LIVING_VALVE    7   // зона 1: клапан
#define KITCHEN_VALVE   6   // зона 2: клапан
#define DINING_VALVE    3   // зона 3: клапан
#define LIVING_THERMO   8   // зона 1: термостат (вход)
#define KITCHEN_THERMO  9   // зона 2: термостат
#define DINING_THERMO   11  // зона 3: термостат
#define NO_ZONE_THERMO  10  // опционально: термостаты радиаторов без теплого пола
#define HEATING_LED     12  // индикация отопления
#define INDICATION_LED  13  // heartbeat (можно убрать, освободив пин)

#define NR_ZONES 3
Zone Zones[NR_ZONES] = {
  {"Living Room", Valve(LIVING_VALVE, "Living Valve"), Thermostat(LIVING_THERMO, "Living Thermostat")},
  {"Kitchen Area", Valve(KITCHEN_VALVE, "Kitchen Valve"), Thermostat(KITCHEN_THERMO, "Kitchen Thermostat")},
  {"Dining Room", Valve(DINING_VALVE, "Dining Valve"), Thermostat(DINING_THERMO, "Dining Thermostat")}
};
// КОНЕЦ КОНФИГУРАЦИИ
////////////////////////////////////////////////////

LED iLED(INDICATION_LED, "Indicator LED");
LED hLED(HEATING_LED, "Heating LED");
Manipulator CV(HEATER_PIN, "CV Heater");
Pump FUPump(FU_PUMP_PIN, "Floor Unit Pump");
Thermostat ZonelessThermo(NO_ZONE_THERMO, "Zoneless Thermostat");

void printConfiguration() {
  Serial.println("------ Board Configuration: ---------");
  iLED.Print(); hLED.Print(); CV.Print(); FUPump.Print(); ZonelessThermo.Print();
  for (int i=0; i0) cooldownCount--; return cooldownCount>0; }
  bool checkCoolDownNeeded() { return cooldownCount>0; }
  void printState(states s) { if(s==idle)Serial.print("idle"); else if(s==on)Serial.print("on"); else Serial.print("cooldown"); }
};

State CVState;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  printTimeStamp(); Serial.print(": ");
#ifdef FAST_MODE
  Serial.println("CV Zone Controller started in TestMode!\n - Board time runs ca 50 times faster\n - Pump maintenance cycle runs ever 4 min instead of 36 hours");
#else
  Serial.println("CV Zone Controller started. Time stamps (dd:hh:mm:ss)");
#endif
  Serial.println(" - Time stamps format (dd:hh:mm:ss)");
  printConfiguration();
  wdt_enable(WDTO_1S);
}

void loop() {
#ifdef FAST_MODE
  delay(2);
#else
  delay(100);
#endif
  iLED.Alternate();
  FUPump.Update();
  for (int i=0; i

// Базовый класс IODevice
class IODevice {
protected: bool _IsOn; int _Pin; String _Name;
public:
  IODevice(int pin, String name) : _IsOn(false), _Pin(pin), _Name(name) {}
  virtual bool IsOn() = 0;
  bool IsOff() { return !IsOn(); }
  void DebugPrint() { printTimeStamp(); Serial.print(": "); Print(); }
  void Print() { Serial.print(_Name); Serial.print(" on pin("); Serial.print(_Pin); Serial.println(_IsOn ? ") = On" : ") = Off"); }
};

// Thermostat — цифровой вход с антидребезгом (5 согласованных чтений)
class Thermostat : public IODevice {
  int _Counter;
public:
  Thermostat(int pin, String name) : IODevice(pin, name), _Counter(0) { pinMode(_Pin, INPUT_PULLUP); }
  bool IsOn() {
    if (digitalRead(_Pin)==HIGH && _IsOn) { if(++_Counter>5) { _IsOn=false; DebugPrint(); _Counter=0; } }
    else if (digitalRead(_Pin)==LOW && !_IsOn) { if(++_Counter>5) { _IsOn=true; DebugPrint(); _Counter=0; } }
    else _Counter=0;
    return _IsOn;
  }
};

// Manipulator — базовое цифровое выходное устройство
class Manipulator : public IODevice {
public:
  Manipulator(int pin, String name) : IODevice(pin, name) { pinMode(_Pin, OUTPUT); digitalWrite(_Pin, HIGH); }
  void On() { if(!_IsOn) { _IsOn=true; digitalWrite(_Pin, LOW); onSwitch(); } }
  void Off() { if(_IsOn) { _IsOn=false; digitalWrite(_Pin, HIGH); onSwitch(); } }
  virtual void onSwitch() { DebugPrint(); }
  bool IsOn() { return _IsOn; }
};

// Valve — клапан с учетом времени перехода (3-5 мин)
class Valve : public Manipulator {
  long transitionCount;
public:
  Valve(int pin, String name) : Manipulator(pin, name), transitionCount(0) {}
  bool ValveIsOpen() { return IsOn() && transitionCount >= VALVE_TIME; }
  void Update() { if(IsOn()) { if(transitionCount0) transitionCount--; } }
};

// Pump — насос с периодическим профилактическим запуском
class Pump : public Manipulator {
  long counter; bool doMaintenance;
public:
  Pump(int pin, String name) : Manipulator(pin, name), counter(0), doMaintenance(false) {}
  bool doMaintenanceRun() { return doMaintenance; }
  void onSwitch() { Manipulator::onSwitch(); counter=0; }
  void Update() {
    if (IsOn()) {
      if (counter < PUMP_ACTIVATION_TIME) counter++;
      else if (doMaintenance) { printTimeStamp(); Serial.println(": Pump Maintenance cleared"); doMaintenance=false; }
    } else {
      if (counter < PUMP_MAINTENANCE_TIME) counter++;
      else if (!doMaintenance) { printTimeStamp(); Serial.println(": Pump Maintenance needed"); doMaintenance=true; }
    }
  }
};

// LED с миганием 1 Гц (вызывать Alternate() в loop)
class LED : public Manipulator {
  long counter;
public:
  LED(int pin, String name) : Manipulator(pin, name), counter(0) {}
  void onSwitch() {} // без дебаг-вывода
  void Alternate() {
#ifdef FAST_MODE
    if (counter++ > 250) { counter=0; IsOn()?Off():On(); }
#else
    if (counter++ > 5) { counter=0; IsOn()?Off():On(); }
#endif
  }
};