Электроприводы для рулонных штор своими руками

Умные шторы своими руками

Однажды, после тяжелого рабочего дня, я пришел домой и понял, что хочу отдохнуть, а не ходить и закрывать шторы. Хочется увидеть их закрытыми вечером и открытыми утром, при этом не выделывать танцы перед окном. Погуглив разные решения, было принято решение сделать все самому.

По многочисленным просьбам, выкладываю все свои наработки по переделке обычных рулонных штор в автоматизированные с удаленным управлением. Осторожно, много фотографий!

Для начала про рулонные шторы:

• Плюсы: рулонные шторы визуально расширяют пространство, красивые и недорогие. Очень простой монтаж. Можно каждым окном управлять отдельно. Высвобождается место на подоконнике.
• Сложности: вручную открывать 5 окон уже занимает долго времени. Открыть полностью угловое окно мешает сам механизм (пример: механизм вверху балконной двери упирается в стену и не дает открыть проход полностью). Из-за этого необходимо вешать шторы с наружной стороны окна. Цена даже на китайские моторизированные шторы начинаются от 2000 рублей, умножаем на 5 и уже сразу же думаем, как сделать все подручными средствами.

Немного про задачи:

Необходимо добавить к обычным рулонным шторам из строительного магазина удаленное управление и подключить к умному дому на openSource платформе Home Assistant. И еще необходимо сохранить обычное управление за веревочку.

Если все автоматизировать, то скорость не играет роли, поэтому можно применять двигатели с редуктором. Коллекторные двигатели дешевые, но не самая надежная вещь для ежедневного применения. Сервомашинки тоже имеют коллекторные двигатели и плюс не стабильные при постоянном вращении. Отличным вариантом выглядят шаговые двигатели. Бесшумные, можно контролировать положение, стоят копейки. В итоге, комплект из 5 двигателей 28BYJ-48 с драйвером ULN2003 обошелся мне в 10$

Про двигатель 28BYJ-48:

Подробно о нем можно почитать здесь.

Были вопросы о мощности этого двигателя. Опасения что он будет слабым, не оправдались. Вернее так — если использовать полношаговый режим, то двигатель очень хилый, если использовать полушаговый, то вал уже голыми руками не остановить. Кому будет мало мощности, в интернете много статей как приподнять напряжение, превратить его в биполярный и прочие улучшения.

Так как у нас осталось ручное управление, и мы не хотим впустую гонять двигатель, то необходимы датчики положения штор. Минимум необходим один датчик на одном конце, но лучше два. Можно использовать любой концевой, оптический и т.д., но я лично выбрал герконовый, т.к. приклеить неодимовый магнитик с другой стороны очень просто и работать должен стабильно и долговечно. Сами герконы я выбрал для эстетики уже в корпусе. Плюс предусмотрел настройку по расстоянию от вала. По высоте можно регулировать проставками.

Про конструкцию крепления:

Задача была спроектировать корпус максимально простой для изготовления на 3д принтере с минимальными доработками. Моделировал в Fusion 360. Комплектное крепление цепляется за верх окна, но такую конструкцию на FDM принтере будет трудно сделать с нужными требованиями по прочности, поэтому была придумана конструкция с одним винтом для регулировки.

Итого получилось три детали для 3д-печати. Ссылка для скачивания 3д-моделей.
thingiverse
Основная часть для двигателя, платы управления на ULM2003, креплением герконов, двигателей, лески для стабилизации штор, и регулировочного винта.

Крышка для закрытия всего этого безобразия. Зажим или по-другому крюк.

Сама конструкция штор содержит несколько пружин, которые работают как тормоз если тянуть за шторы(пружина затягивается) или отпускает если крутить за веревку.

При сборке надо сделать одну доработочку: кусачками сломать ободок, который прикрывает веревку, т.к. теперь у нас есть свой неподвижный ободок, который не дает выпасть веревочке.

Управлять шаговым двигателем будет NodeMCU на ESP8266. Он выбран из-за дешевизны, наличия резервного канала wi-fi и на нем достаточно легко написать нужные скрипты. Если нужно больше чем две шторы или дополнительные датчики, то ножек микроконтроллера уже не хватит, можно посмотреть в сторону ESP32. (на фото esp32 не приведена, т.к. она в распределительной коробке)

Среда разработки может быть любая. ESP32 может программироваться через Arduino IDE. Но я для себя выбрал Visual Studio Code из-за скорости, модульности и бесплатности. В этой среде можно разрабатывать почти под любые платформы (не только железо). Можно даже подключить IAR ARM.(но это уже совсем другая тема)

Задача программы простая:

Подключиться по Wi-fi
Подключиться к MQTT брокеру
Подписаться на топик
Управлять скоростью двух моторов
Следить за состоянием концевых датчиков
Отправлять брокеру текущие шаги

Исходники можно взять отсюда.(осторожно это самый первый быдлокод для пробы штор). В коде надо указать свой логин и пароль от wi-fi. А также параметры MQTT-брокера.

Заливаем программу и пробуем отправить первые данные через MQTTBox. Все работает! Как добавить шторы в систему home-assistant я напишу отдельную статью, если будет интересно всем.

Небольшое видео как это делалось:

Плюс выступление на какой стадии находится у меня умный дом.

Всем пожелаю расслабиться дома!
UPD: Ссылка на скачивание файлов для печати на 3д-принтере

Источник

Изготовление и установка электропривода на рулонные шторы

Электропривод выполнен на базе миниатюрного 4-х фазного шагового двигателя 28BYJ-48-12V . Двигатель имеет редуктор с передаточным числом приблизительно 64:1, что обеспечивает достаточно приличный крутящий момент для такого размера двигателя и скорость вращения

• Схема фаз двигателя 28BYJ-48-12V
• Передаточное число редуктора двигателя 28BYJ-48-12V составляет примерно 64:1.

Контроллер

В качестве мозга электропривода использован микроконтроллер Atmega328. Он общается с внешним миром через шину RS485, по протоколу ModBus, шина выполнена на микросхеме MAX485. Шаговый двигатель подключается через транзисторную сборку Дарлингтона — ULN2003. В качестве датчика нулевой точки использован датчик Холла A3144, он служит для определения верхней нулевой точки (Zerro) положения шторы. Еще один датчик Холла (Mode) припаян непосредственно на самой плате и выполняет следующие функции:

• Активация режима обучения
• Аварийный останов двигателя
• Сброс контроллера на заводские установки

Дополнительно на плате контроллера предусмотрены входы для фоторезистора (например vt90n) и герконового датчика открытия окна.

Схема электрическая принципиальная электропривода рулонных штор на шаговом двигателе 28byj-48

Код прошивки микроконтроллера написан в среде Arduino IDE и находится в открытом доступе на моей странице GitHub.

Принцип работы

После подачи питания устройство несколькими миганиями светодиода, установленного на плате, сигнализирует о включении. После включения питание на двигатель не подается, штора находится в неподвижном состоянии.

Для того чтобы контроллер знал текущее положение шторы его необходимо обучить. Для этого в ручную опускаем штору в нижнее положение на необходимую длину, подносим кратковременно магнит к датчику Mode на контроллере (датчик установлен в районе светодиода), при этом светодиод начнет мигать, сигнализируя активацию режима обучения, на двигатель подается управляющий сигнал и штора начинает двигаться вверх до верхней нулевой точки где останавливается по сигналу от датчика Холла установленного в креплении корпуса контроллера. Контроллер при этом запоминает количество шагов двигателя и сохраняет это значение в энергонезависимой памяти EEPROM микроконтроллера.

Если к датчику Mode поднести кратковременно магнит во время движения шторы, то контроллер сразу остановит движение.

Для сброса контроллера на заводские установки необходимо поднести магнит к датчику Mode не менее чем на 5 секунд, при этом светодиод начнет быстро мигать, контроллер перезагрузится и установит все значения параметров на заводские.

Для управления положением шторы используется регистр set_position, положение задается значением от 0 до 100, где 0 — открыто, штора находится в верхней точке, а 100 — полностью закрыто, штора находится в нижнем положении.

Если в конфигурации контроллера активировать функцию «Определение текущего положения шторы после подачи питания» — регистр check pos flag (0- выключено, 1 — включено), то сразу после подачи напряжения на контроллер, штора начнет движение вверх до верхней точки, в этот момент контроллер запоминает количество шагов и по достижении верхней нулевой точки, штора возвращается в положение в котором находилась до момента подачи питания. Эта функция служит для определения положения шторы например когда отключили электричество. Если эта функция отключена, то при подачи питания штора остается в текущем положении до момента подачи команды set_position, как только контроллер получит первую, после подачи питания, команду он сначала запустит функцию определения текущего положения шторы и только после этого выставит положение шторы поступившее командой set_position.

Таблица данных регистров ModBus

Стандарт ModBus предусматривает отдельную таблицу для каждого типа данных, в контроллере же все данные хранятся в одном массиве в виде перекрывающихся таблиц. Значение всех регистров и адресов представлены в таблице:

Корпус контроллера

Корпус для устройства был спроектирован в программном комплексе Autodesk Fusion 360 и распечатан на 3D принтере из ABS пластика. Точность печати меня не устроила, поэтому детали корпуса были зашпатлеваны, отшлифованы, загрунтованы и окрашены акриловой краской из баллончика, это скрыло все изъяны 3D печати. После чего была изготовлена силиконовая форма и корпуса были отлиты из жидкого полиуретана. Про изготовление корпусов методом литья жидкого полиуретана в силиконовые формы постараюсь описать отдельной статьей.

Корпус спроектировал в программе Autodesk Fusion 360

Доработка механизма рулонной шторы

• Внешний вид механизма рулонной шторы. Нам необходимо обрезать козырек над шестерней цепочки
• Нажимаем плоскогубцами защелку
• Снимаем верхнюю втулку
• Выступ во втулке служит механизмом стопора, при попытке размотать штору за полотно, выступ упирается в пружины и тем самым сжимает их на валу не позволяя втулке вращаться.
• Полностью разобранный механизм
• Сначала откусываем козырек бокорезами
• Зажимаем в патрон шуруповерта
• На крупнозернистой наждачной бумаге немного стачиваем край по окружности до нужного диаметра
• Должно получиться примерно вот так
• Примеряем, проворачиваем вал и смотри чтобы ничего не задевало и не подклинивало
• Собираем все в обратной последовательности
• Идеально

Немного про организацию моего подключения контроллеров электропривода рулонных штор

У меня в каждом окне стоит «комнатный» контроллер построенный на Arduino UNO + Ethernet Shield W5100, в задачи которого входит сбор показаний температуры воздуха в приточном клапане вентиляции, температуры радиаторов отопления (DS18B20), температуры и влажности помещения (DHT22), передача сигнала датчика движения (DSC LC-101) и датчика открытия окна (геркон), а так же управление сервоприводом приточной вентиляции.

Я решил добавить в него еще и функцию прослойки между шиной RS485 рулонных штор и сервером IoBroker, данные в который передаются по протоколу MQTT. Таким образом у меня на этот «комнатный» контроллер легли функции мастера сети ModBus. Все контроллеры штор одного окна подключены по шине RS485 к мастеру, он с периодом 2 секунды опрашивает подчиненных (контроллеры штор) и отдает текущие данные по протоколу MQTT на сервер умного дома IoBroker.

Так же мастер принимает команды по MQTT от сервера и отправляет их подчиненным. Так как подчиненных несколько и мастер не может одновременно отправить управляющие команды сразу всем, а по MQTT практически одновременно может поступить несколько команд (например команда открыть 1,2 и 3 штору) то мастер отработает только первую. Чтобы команды не терялись на мастере был организован буфер, что то подобное FIFO (англ. first in, first out — «первым пришёл — первым ушёл»). пришедшие данные по MQTT записываются в массив после чего мастер по в общем цикле программы проверяет свободность шины RS485 и отправляет команду ModBus из нулевого элемента массива очереди, сдвигает данные команд массива влево и цикл повторяется пока в массиве очереди есть данные.

Подключение электропривода

Для подключения контроллера используется всего 4 провода, 2 из них это +-12 В — питание контроллера и двигателя, и 2 провода для шины RS485.

Верхняя плата (левый) Нижняя плата контроллера (левый)

Источник