Содержание статьи
Содержание

Главная / Проекты с Arduino / Автоматический "умный" замок и Arduino

Автоматический "умный" замок и Arduino

Прогресс не стоит на месте и "Умные замки" все чаще появляются на дверях квартир, гаражей и домов. Открывается подобный замок при нажатии на кнопку на смартфоне. Благо, смартфоны и планшеты уже вошли в наш обиход. В некоторых случаях, "умные замки" подключают к "облачным сервисам" вроде гугл диска и открывают удаленно. Кроме того, подобный вариант дает возможность давать доступ к открытию двери другим людям.

В этом проекте будет реализована DIY версия умного замка на Arduino, управлять которым можно удаленно из любой точки Земли.

Кроме того, в проект добавлена возможность открывать замок после опознания отпечатка пальца. Для этого будет интегрирован датчик отпечатка пальца. Оба варианта открытия дверей будут работать на базе Adafruit IO платформы.

Подобный замок может стать отличным первым шагом в проекте вашего "Умного дома".

Настройка датчика отпечатка пальца

Для работы с датчиком отпечатка пальцев, есть отличная библиотека для Arduino, которая значительно облегчает процесс настройки датчика. В этом проекте используется Arduino Uno. Для подключения к интернету используется плата Adafruit CC3000.

Начнем с подключения питания:

Переходим к подключению датчика отпечатка пальца:

Теперь займемся модулем CC3000:

Ну и в конце надо обеспечить питание: Vin - к Arduino 5V (красная рельса на вашей монтажной плате), а GND к GND (синяя рельса на макетке).

Фотография полностью собранного проекта показана ниже:

Датчик отпечатка пальцев и Arduino

Перед разработкой скетча, который будет подгружать данные на Adafruit IO, надо передать данные о вашем отпечатке пальца сенсору. Иначе в дальнейшем он вас не опознает ;). Рекомендуем откалибровать датчик отпечатка пальца, используя Arduino отдельно. Если вы работаете с этим сенсором впервые, рекомендуем ознакомиться с процессом калибровки и детальной инструкцией по работе с датчиком отпечатка пальца.

Если вы еще не сделали этого, то заведите аккаунт на Adafruit IO.

После этого можем перейти к следующему этапу разработки "умного замка" на Arduino: а именно, разработка скетча, который будет передавать данные на Adafruit IO. Так как программа достаточно объемная, в статье мы выделим и рассмотрим только ее основные части, а после дадим ссылку на GitHub, где вы сможете скачать полный скетч.

Скетч начинается с подгрузки всех необходимых библиотек:

>#include <Adafruit_SleepyDog.h>

#include <Adafruit_CC3000.h>

#include <SPI.h>

#include "Adafruit_MQTT.h"

#include "Adafruit_MQTT_CC3000.h"

#include <Adafruit_Fingerprint.h>

#include <SoftwareSerial.h>>

После этого надо немного подкорректировать скетч, вставив параметры вашей WiFi сети, указав SSID и пароль (password):

>#define WLAN_SSID "ваш_wifi_ssid"

#define WLAN_PASS "ваш_wifi_пароль"

#define WLAN_SECURITY WLAN_SEC_WPA2>

Кроме этого, необходимо ввести имя и AIO ключ (key) для входа в ваш аккаунт Adafruit IO:

>#define AIO_SERVER "io.adafruit.com"

#define AIO_SERVERPORT 1883

#define AIO_USERNAME "adafruit_io_имя"

#define AIO_KEY "adafruit_io_ключ">

Следующие строки отвечают за взаимодействие и обработку данных с датчика отпечатка пальца. Если датчик был активирован (отпечаток совпал), будет '1':

const char FINGERPRINT_FEED[] PROGMEM = AIO_USERNAME "/feeds/fingerprint";

Adafruit_MQTT_Publish fingerprint = Adafruit_MQTT_Publish(&mqtt, FINGERPRINT_FEED);

Кроме того, надо создать экземпляр объекта SoftwareSerial для нашего сенсора:

SoftwareSerial mySerial(3, 4);

После этого мы можем создать объект для нашего сенсора:

Adafruit_Fingerprint finger = Adafruit_Fingerprint(&mySerial);

Внутри скетча мы указываем какой fingerID должен активировать замок в дальнейшем. В данном примере используется 0, который соответствует ID первого отпечатка пальцев, который используется датчиком:

int fingerID = 0;

После этого инициализируем счетчик и задержку (delay) в нашем проекте. По сути мы хотим, чтобы замок автоматически срабатывал после открытия. В данном примере используется задержка в 10 секунд, но вы можете подстроить это значение под собственные потребности:

int activationCounter = 0;

int lastActivation = 0;

int activationTime = 10 * 1000;

В теле функции setup() мы инициализируем датчик отпечатка пальцев и обеспечиваем подключение чипа CC3000 к вашей WiFi сети.

В теле функции loop() подключаемся к Adafruit IO. За это отвечает следующая строка:

MQTT_connect();

После подключения к платформе Adafruit IO, проверяем последний отпечаток пальца. Если он совпадает, а замок не активирован, мы отсылаем '1' для обработки в Adafruit IO:

if (fingerprintID == fingerID && lockState == false) {

Serial.println(F("Access granted!"));

lockState = true;

state = 1;

if (! fingerprint.publish(state)) {

Serial.println(F("Failed"));

} else {

Serial.println(F("OK!"));

}

lastActivation = millis();

}

Если же в пределах функции loop() замок активирован и мы достигли значения задержки, которое указывали выше, отсылаем '0':

if ((activationCounter - lastActivation > activationTime) && lockState == true) {

lockState = false;

state = 0;

if (! fingerprint.publish(state)) {

Serial.println(F("Failed"));

} else {

Serial.println(F("OK!"));

}

}

Последнюю версию кода вы можете скачать на GitHub.

Пришло время тестировать наш проект! Не забудьте скачать и установить все необходимые библиотеки для Arduino!

Убедитесь, что вы внесли все необходимые изменения в скетч и загрузите его на ваш Arduino. После этого откройте окно серийного монитора.

Когда Arduino подключится к WiFi сети, сенсор отпечатка пальца начнет мигать красным цветом. Прислоните палец к датчику. В окне серийного монитора должен отобразится ID номер. Если он совпадет, появится сообщение, 'OK!'. Это значит, что данные были отправлены на сервера Adafruit IO.

Схема и скетч для дальнейшей настройки замка на примере светодиода

Теперь займемся той частью проекта, которая непосредственно отвечает за управление дверным замком. Для подключения к беспроводной сети и активации/деактивации замка понадобится дополнительный модуль Adafruit ESP8266 (модуль ESP8266 не обязательно должен быть от Adafruit). На примере, который рассмотрим ниже, вы сможете оценить насколько легко обеспечить обмен данными между двумя платформами (Arduino и ESP8266) с использованием Adafruit IO.

В этом разделе мы не будем работать непосредственно с замком. Вместо этого мы просто подключим светодиод к контакту, на котором в дальнейшем будет подключен замок. Это даст возможность протестить наш код, не углубляясь в особенности конструкции замка.

Схема достаточно простая: сначала установите ESP8266 на breadboard. После этого установите светодиод. Не забывайте, что длинная (позитивная) нога светодиода подключается через резистор. Вторая нога резистора подключается к контакту 5 на модуле ESP8266. Вторая (катод) светодиода подключаем к пину GND на ESP8266.

Полностью собранная схема показана на фото ниже.

ESP8266 и светодиод

Теперь давайте разберемся со скетчем, который используем для этого проекта. Опять-таки, код достаточно объемный и сложный, поэтому мы рассмотрим только его основные части:

Начинаем с подключения необходимых библиотек:

#include <ESP8266WiFi.h>

#include "Adafruit_MQTT.h"

#include "Adafruit_MQTT_Client.h"

Настраиваем параметры WiFi:

#define WLAN_SSID "ваш_wifi_ssid"

#define WLAN_PASS "ваш_wifi_пароль"

#define WLAN_SECURITY WLAN_SEC_WPA2

Также настраиваем параметры Adafruit IO. Так же, как и в предыдущем разделе:

#define AIO_SERVER "io.adafruit.com"

#define AIO_SERVERPORT 1883

#define AIO_USERNAME "adafruit_io_имя_пользователя"

#define AIO_KEY "adafruit_io_ключ"

Указываем, к какому пину мы подключили светодиод (в дальнейшем это будет наш замок или реле):

int relayPin = 5;

Взаимодействие с датчиком отпечатка пальцев, как и в предыдущем разделе:

const char LOCK_FEED[] PROGMEM = AIO_USERNAME "/feeds/lock";

Adafruit_MQTT_Subscribe lock = Adafruit_MQTT_Subscribe(&mqtt, LOCK_FEED);

В теле функции setup() указываем, что пин, к которому подключен светодиод, должен работать в режиме OUTPUT:

pinMode(relayPin, OUTPUT);

В пределах цикла loop() сначала проверяем, подключились ли мы к Adafruit IO:

MQTT_connect();

После этого проверяем, какой сигнал поступает. Если передается '1', активируем контакт, который мы объявили раньше, к которому подключен наш светодиод. Если мы получили '0', переводим контакт в состояние 'low':

Adafruit_MQTT_Subscribe *subscription;

while ((subscription = mqtt.readSubscription(1000))) {

if (subscription == &lock) {

Serial.print(F("Got: "));

Serial.println((char *)lock.lastread);

// Сохраняем команду в данные типа строка

String command = String((char *)lock.lastread);

command.trim();

if (command == "0") {

digitalWrite(relayPin, LOW);

}

if (command == "1") {

digitalWrite(relayPin, HIGH);

}

}

}

Найти последнюю версию скетча вы можете на GitHub.

Пришло время тестировать наш проект. Не забудьте загрузить все необходимые библиотеки для вашего Arduino и проверьте, верно ли вы внесли изменения в скетч.

Для программирования чипа ESP8266 можно использовать простой USB-FTDI конвертер.

Загрузите скетч на Arduino и откройте окно серийного монитора. На данном этапе мы просто проверили, удалось ли подключиться к Adafruit IO: доступный функционал мы рассмотрим дальше.

Тестируем проект

Теперь приступаем к тестированию! Перейдите в меню пользователя вашего Adafruit IO, в меню Feeds. Проверьте, созданы или нет каналы для отпечатка пальцев и замка (на принт-скрине ниже это строки fingerprint и lock):

Adafruit IO интерфейс

Если их нет, то придется создать вручную.

Теперь нам надо обеспечить обмен данными между каналами fingerprint и lock. Канал lock должен принимать значение '1', когда канал fingerprint принимает значение '1' и наоборот.

Для этого используем очень мощный инструмент Adafruit IO: триггеры. Триггеры - это по-сути условия, которые вы можете применять к настроенным каналам. То есть, их можно использовать для взаимосвязи двух каналов.

Создаем новый reactive trigger из раздела Triggers в Adafruit IO. Это обеспечит возможность обмениваться данными между каналами датчика отпечатка пальцев и замка:

Создаем триггер

Вот как это должно выглядеть, когда оба триггера настроены:

Оба триггера настроены

Все! Теперь мы действительно можем тестить наш проект! Прикладываем палец к сенсору и видим как Arduino начал подмигивать светодиодом, который соответствует передаче данных. После этого должен начать мигать светодиод на модуле ESP8266. Это значит, что он начал получать данные через MQTT. Светодиод на монтажной плате в этот момент должен тоже включиться.

После задержки, которую вы установили в скетче (по умолчанию это значение равно 10 секундам), светодиод выключится. Поздравляем! Вы можете управлять светодиодом с помощью отпечатка пальца, находясь в любой точке мира!

Настраиваем электронный замок

Мы добрались до последней части проекта: непосредственное подключение и управление электронным замком с помощью Arduino и датчика отпечатка пальца. Проект непростой, вы можете использовать все исходники в том виде, в котором они изложены выше, но вместо светодиода подключить реле.

Для непосредственного подключения замка вам понадобятся дополнительные компоненты: источник питания на 12 В, джек для подключения питания, транзистор (в данном примере используется IRLB8721PbF MOSFET, но можно использовать и другой, например, биполярный транзистор TIP102. Если вы используете биполярный транзистор, вам надо будет добавить резистор.

Ниже показана электрическая схема подключения всех компонентов к модулю ESP8266:

Электрическая схема

Обратите внимание, что если вы используете MOSFET транзистор, вам не понадобится резистор между пином 5 модуля ESP8266 и транзистором.

Полностью собранный проект показан на фото ниже:

Собранный проект автоматического замка

Запитайте модуль ESP8266 с использованием FTDI модуля и подключите источник питания 12 В к джеку. Если вы использовали рекомендованные выше пины для подключения, в скетче ничего менять не придется.

Теперь можете прислонить палец к сенсору: замок должен сработать, отреагировав на ваш отпечаток пальца. На видео ниже показан проект автоматического "умного" замка в действии:

Дальнейшее развитие проекта «Умный замок»

В нашем проекте релизовано дистанционное управление дверным замком с помощью отпечатка пальца.

Можете смело экспериментировать, модифицировать скетч и обвязку. Например, можно заменить дверной электронный замок на реле для управления питанием вашего 3D принтера, манипулятора или квадрокоптера...

Можно развивать ваш "умный дом". Например, удаленно активировать систему полива на Arduino или включать свет в комнате... При этом не забывайте, что вы одновременно можете активировать практически неограниченное количество устройств, используя Adafruit IO.

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!