В начале 2016 года возникла острая необходимость управления устройствами жилых домов и дворовой территории через компьютер. Поиск толковых контроллеров, позволяющих «подружить» аналоговые датчики и реле с компьютером, в магазинах нашего города не увенчался успехом. Поэтому пришлось копать Интернет. К моему удивлению, готовых автономных контроллеров, выполняющих такую задачу не оказалось. Было рассмотрено множество статей по самостоятельной сборке и программированию контроллеров AVR и PIC и я уже готов был изучать литературу по программированию. Однако, вскоре моему вниманию подвернулась страница сайта KernelChip, где предлагались готовые решения, отвечающие моим требованиям.

Выбор остановился на usb-модулях Ke-USB24A и Ke-USB24R, которые полностью отвечали моим требованиям. Поскольку каждый модуль позволяет подключать 24 линии ввода-вывода, было принято решение строить аппаратную часть на них. Но позже выявилось неудобство - 24 линий ввода-вывода одного контроллера не хватит, чтобы осуществлять мониторинг и управление двумя домами.


С учетом того, что расстояние между домами составляло порядка 50 метров, подключить второй контроллер по USB-кабелю не представлялось возможным. Поэтому было принято решение использовать иную модель - Jerome, дополняющую богатый функционал моделей-предшественников сетевым интерфейсом.


Из представленной линейки модулей Jerome показался наиболее оптимальным по соотношению цена-качество. В сравнении с моделями-предшественниками, он обладает Eithernet-интерфейсом, 22 настраиваемыми линиями ввода-вывода, из которых 4 выполняют роль счетчиков. Помимо дискретных линий ввода-вывода, Jerome имеет и 4 АЦП-входа, которые можно использовать например, для изменения температур, влажности, напряжения и других параметров, значения которых изменяются в заданном диапазоне. Также присутствует ШИМ-выход, позволяющий регулировать плавность подачи напряжения. Помимо возможности управления модулем через WEB-интерфейс, предусмотрена его автономная работа по условиям и таймерам. Такие функции выполняет САТ-система внутри модуля.

Очень подробная инструкция с разъяснениями, а также наличие конструктора интерфейса (SDK) поставили окончательную точку в моем выборе и контроллер был приобретен.
Перед развертыванием «боевой» системы был собран испытательный стенд, на котором тестировался функционал приобретенного изделия. На мой взгляд, одним из недостатков модуля является его «незаконченность»: все контакты выполнены в виде штырей, к которым необходимо подключать соответствующие разъемы. Отсутствие клеммных соединителей и оптических развязок компенсируется сравнительно невысокой ценой. Учитывая количество линий, для меня такая «паутина» была неприемлема, поэтому для более наглядной и эффективной работы был собрана плата с посадочными разъемами под сам модуль, винтовыми клеммами для подключения входных датчиков, светодиодами-индикаторами и кнопками для тестирования входов.

Оптимизированный вариант такой платы (без кнопок и индикаторов входов) представлен на рисунке. Проект платы в формате Sprint Layout прилагается.


Типовое питающее напряжение модуля - 5 вольт (хотя по инструкции допускается разброс в пределах полутора вольт).
Поскольку изначально предполагалось использование в качестве исполнительных устройств 12-и вольтовые реле и один блок питания на 12 вольт, то для получения 5 вольт был применен линейный стабилизатор 7809. Однако вследствие сильного нагрева стабилизатора он был заменен китайским DC-DC преобразователем. Последнее решение оказалось более удачным.


При подключении модуля следует учесть тот факт, что изначально входные линии допускают напряжения от 0 до 3,3 вольт (отдельные линии до 5 вольт), что неудобно при использовании датчиков, работающих от иного напряжения. По инструкции заявлено, что превышение напряжение может вывести контроллер из строя. В моем случае превышение вызывало «зависание» контроллера, после чего приходилось его физически перезагружать. Для решения проблем превышения напряжения первоначально были применены резистивные делители (их описание и схема присутствуют в документации на контроллер).
Однако в будущем я стал замечать неоднократные зависания контроллера при срабатывании датчиков. Связано это было с тем, что длинные линии принимают наводки от рядом проходящих электрических сетей, что негативно сказывается на напряжении, приходящем на вход контроллера.

Поэтому для того, чтобы окончательно избежать вероятности выхода контроллера из строя, а также не мудрить с резисторами и экранированием проводов были поставлены Оптопары. Их применение позволяет вообще не обращать внимания на входное напряжение, поскольку разделяет датчики и входы оптическим элементом: при появлении напряжения внутри оптопары появляется свет, который вызывает срабатывание контакта на другой её стороне.


Поскольку контроллер довольно чувствителен даже к малейшему изменению входного напряжения, на входные линии были подсоединены подтягивающие резисторы на 10 кОм. Это устранило дребезг контактов и избавило от ложных срабатываний.
Дребезг контактов также касался и счетчиков импульсов. Поскольку внутренний генератор опрашивает линии с очень высокой скоростью, физическое касание линии-счетчика часто расценивается контроллером как неоднократное (особенно если контакт или провод имеют окисления). Поэтому для избавления от ложных срабатываний помимо подтягивающих резисторов параллельно контактам счетчиков (IO 1...4) были установлены навесным монтажом конденсаторы на 1 мкф, что решило поставленную задачу.

При использовании выходных линий Джерома при срабатывании появляется напряжение 3,3 вольта. Очевидно, что такого напряжения, да еще и при малом токе, недостаточно даже для коммутации реле. Поэтому были установлены ключевые транзисторы BC547 (схема их включения также присутствует в документации). Использование транзисторов позволило коммутировать разные напряжения током до 100мА, а при необходимости коммутации больших нагрузок использовались реле.
При использовании выходов с коллекторов транзисторов следует учитывать, что в случае открывания транзистора, на коллекторе появляется минус, а не плюс. В остальном подключение типовое и не вызывает затруднений.
При использовании Джерома также интересно наличие четырех АЦП-входов. Каждый из них позволяет измерять напряжение от 0 до 3,3 вольт, выдавая цифровое значение в диапазоне от 0 до 1023. Это позволило подключить аналоговый термометр на микросхеме LM335. При использовании вместе со стабилизатором LM334 её требуемое напряжение составляет от 5 до 35 вольт, а на выходе присутствует от 0 до 5 вольт в зависимости от измеряемой температуры. Учитывая, что входное напряжение АЦП по верхней границе составляет 3,3В, был использован резистивный делитель из документации, что позволило решить задачу измерения температуры.


Джером имеет ШИМ-выход, использование которого удобно в совокупности с мощным полевым транзистором для коммутации. Такая связка позволила управлять оборотами двигателя или мощностью накаливания лампы через веб-интерфейс джерома.

После сборки аппаратной части была выполнена настройка условия срабатывания - САТ-система. Наличие такой системы во многом позволяет выполнять автоматизацию без участия оператора. Так например, при срабатывании какого-либо датчика на входной линии возможно настроить автоматический запуск исполнительного устройства на выходной линии. Это может быть применимо к области контроля за протечками: срабатывание датчика воды включает электровентиль, перекрывающий её подачу. Кроме того, САТ-система позволяет запускать устройства на определенное время, используя таймеры. Замеченный недостаток при использовании таймеров - периодическое несоответствие заданного времени срабатывания реальному. По остальным параметрам и функциям САТ-система полностью отвечала моим требованиям и выполняла заявленные функции.


Также была выполнена настройка маршрутизации для управления Джеромом из Интернет. Наличие белого IP-адреса и роутера позволило выполнить проброс портов из внешней сети на джером в ЛВС, в результате чего появился доступ к управлению этим контроллером через Интернет.

Следует иметь в виду, что если в одной локальной сети находятся два и более джеромов, для корректной их работы необходимо сделать разными не только их IP, но и МАС-адреса (в настройках веб-интерфейса).

При подключении к Джерому через мобильный телефон веб-страница на экране выглядела слишком мелкой, а при увеличении приходилось скроллить её в разные стороны. Задача решилась с использованием SDK, взятого с сайта разработчика. Все изменения, которые необходимо было произвести для оптимизации отображения информации на мобильном устройстве, содержались в файле index.html. В нем была изменена не только ширина окна, но и размер отображаемых таблиц, порядок отображения входных и выходных линий, присвоены имена линиям, АЦП-значениям и счетчикам. В этом же файле есть возможность изменить формулу преобразования цифрового значения АЦП в измеряемую температуру или другой показатель в зависимости от того, что следует измерять.
Измененная веб страница Джерома на мобильном телефоне выглядела как пульт управления, позволяя оперативно управлять исполнительными устройствами и контролировать состояние датчиков.


При работе модуль ощутимо греется, однако в процессе эксплуатации сбоев вследствие перегреваний не выявилось. Джером критичен к халатности подключений: все устройства, так или иначе связанные с сетью 220 вольт должны быть обязательно заземлены. Наводки в электрической сети вызывают зависание устройства, возобновление работы в этом случае возможно только после ручной перезагрузки.

Применение данного контроллера на практике полностью оправдало мои ожидания и позволило решить задачи по автоматизации и управлению устройствами жилого дома. Модель Jerome обладает богатым функционалом при достаточной простоте управления и настройки. Возможность внедрять такой контроллер в существующие охранно-пожарные комплексы и сети значительно расширяет области его применения.
Впоследствии на основе Джерома был создан Веб-сайт, объединивший несколько таких контроллеров, выполняющий функцию централизованного мониторинга и управления жилым комплексом. Анализ состояний каналов происходит за счет парсинга выходного XML-файла джерома, а посылка команд - через GET запросы.

Более подробное описание работы и команд контроллера Jerome описаны в документации, в данной статье рассмотрены лишь некоторые возможности такого устройства.
Из всей линейки продуктов KernelChip рассматриваемая модель является единственной с настраиваемыми входами-выходами и при этом имеющей сетевой интерфейс, что отличает её гибкостью и универсальностью.