Доступный Zigbee-дверной звонок за $20 — Умное аудио-оповещение для умного дома

Компоненты и материалы

Arduino Nano R3	1 шт.
Умная лампа Cree Connected LED (Zigbee, диммируемая)	1 шт.

Приложения и онлайн-сервисы

• Arduino IDE

О проекте

Моя установка

У меня довольно обширная сеть Zigbee/Z-Wave для системы домашней автоматизации (через SmartThings), которая управляет освещением, мониторит потребление электроэнергии, оповещает об экстремальных погодных условиях и напоминает покормить собак.

Весь интерфейс работает через приложение на смартфоне, оповещения приходят пуш-уведомлениями или SMS. Однако одной полезной функции не хватало — приятного звукового сигнала (звонка) при изменении состояния в доме: открытии дверей/окон/сейфов/ворот, приближении бури или превышении температуры в детской.

Проблема

Существуют решения для включения громкой сирены при срабатывании датчиков движения или открытия дверей/окон, но простых дверных звонков я не нашел. Это базовая функция практически любой системы безопасности, поэтому её отсутствие удивило. Я рассматривал взлом пульта беспроводного дверного звонка, но сложной и дорогой частью было подключение его к моей Zigbee/Z-Wave сети. SmartThings имеет API для колонок Sonos (дорого), а также видел цепочки интеграций: SmartThings → IFTTT → Twitter → Wi-Fi Arduino (слишком сложно и медленно).

Любое из этих решений стоило бы более $40, а я хотел получить ту же функциональность с лучшей производительностью за менее $20.

Появляется лампа Cree Connected LED

В Home Depot лампа Cree Connected стоит $15 и является моей любимой умной лампой. Ничто другое до $50 не сравнивается по световому выходу, цветовой температуре, диапазону диммирования, долговечности или радиусу беспроводной связи.

Я уже заменил все старые умные лампы на эти и у меня осталось несколько штук, поэтому решил найти им другое применение. Другие уже разбирали лампы и обнаружили, что все компоненты Zigbee находятся на одной плате и питаются от 3.3 В — мои «Arduino-чутья» заработали.

Оказалось, что плата Zigbee содержит микроконтроллер Atmel SAMR21 — 32-битный ARM Cortex с 256 КБ флеш-памяти. Отдельная отладочная плата SAMR21 стоит $42, так что покупка за $15 — настоящая находка.

Доказательство концепции с SmartThings

Вот быстрый прототип, использующий мониторинг изменения состояния на Arduino для запуска тонального сигнала «звонка» на пьезо-зуммере. Выходы диммирования и вкл/выкл лампы продолжают работать, а с помощью движка приложений SmartThings можно реализовать любую логику.

Даже без Arduino можно подключить цифровой вывод напрямую к реле для управления чем угодно: LED-лентами, воротами гаража, моторами/насосами и т.д.

Поскольку один из выводов выдает PWM, его можно подключить к аналоговому входу Arduino для чтения значений 1–100%. В SmartThings они разбиты на интервалы по 10%, что вместе с вкл/выкл дает 11 различных выходных сигналов через плату Zigbee. Это позволяет запускать разные оповещения в зависимости от того, какая дверь/окно открыто.

Это расширяется далеко за рамки простого оповещения. Другой мой проект — Arduino-управляемый IR-бластер для оконных кондиционеров, и теперь, благодаря этому методу интеграции с SmartThings, он будет учитывать датчики присутствия/заполненности и состояние дома.

Также, поскольку всё работает от 3.3 В, это идеальный случай для ATtiny85 и Li-Ion аккумулятора 3.7 В — сверхкомпактный и портативный пакет. Я также сохранил блок питания лампы, который понижает 120 В переменного тока до 3.3 В постоянного — пригодится для будущих проектов.

Уверен, сообщество придумает другие применения — комментируйте, как бы вы это использовали, или создавайте свои версии и публикуйте проекты!

Код

Скетч DoorChime (C/C++)

#include <Tone.h> 
#include "pitches.h"
/* Быстрый скетч как PoC для проверки возможности использования платы Zigbee лампы Cree 
   для управления другими устройствами (в данном случае — динамиком).
   Модифицировал Buddy Crotty — март 2015, версия 0.1.2
   Полностью основан на примерах Тома Айго:
   State change detection (edge detection) — https://arduino.cc/en/Tutorial/ButtonStateChange
   toneMelody — https://arduino.cc/en/Tutorial/Tone
   Плата Zigbee из лампы Cree Connected LED:
   pin 1 — ground
   pin 2 — 3.3Vin
   pin 3 — PWM Out
   pin 4 — Digital Out
   Схема:
   * 8-омный динамик на цифровом pin 8
   * Pin 2 подключен к pin 4 платы Zigbee
*/
const int buttonPin = 2;    // пин, к которому подключена кнопка (сигнал от Zigbee)
const int speakerPin = 8;   // пин динамика

int buttonPushCounter = 0;  // счетчик нажатий
int buttonState = 0;        // текущее состояние
int lastButtonState = 0;    // предыдущее состояние

// Ноты мелодии (7nationArmy):
int melody[] = { NOTE_GS2, NOTE_GS2, NOTE_B2, NOTE_GS2, NOTE_FS2, NOTE_E2, NOTE_DS2 };
// Длительности нот: 4 = четверть, 8 = восьмая и т.д.:
int noteDurations[] = { 4, 8, 8, 8, 8, 3.5, 3 };

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  pinMode(speakerPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  buttonState = digitalRead(buttonPin);
  if (buttonState != lastButtonState) {
    if (buttonState == HIGH) {
      buttonPushCounter++;
      // воспроизводим мелодию
      for (int thisNote = 0; thisNote < 8; thisNote++) {
        int noteDuration = 10000 / noteDurations[thisNote];
        tone(speakerPin, melody[thisNote], noteDuration);
        int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.32;
        delay(pauseBetweenNotes);
        noTone(speakerPin);
      }
    } else {
      Serial.println("off");
    }
    delay(50); // антидребезг
  }
  lastButtonState = buttonState;
  // Звонок каждые два изменения состояния (только при открытии двери)
  if (buttonPushCounter % 2 == 0) {
    digitalWrite(speakerPin, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(speakerPin, LOW);
  }
}

Библиотека pitches.h (C/C++)

/*************************************************
 * Публичные константы — частоты нот
 *************************************************/
#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

Схемы

Fritzing-схема DoorChime с кодом скетча: DoorChime.fzz