Batériový snímač hladiny kolektora vody: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Náš dom má nádrž na vodu napájanú z dažďa dopadajúceho na strechu a používanú na toaletu, práčku a polievanie rastlín v záhrade. Posledné tri roky boli letá veľmi suché, a tak sme sledovali hladinu vody v nádrži. Doteraz sme používali drevenú palicu, ktorú sme vložili do nádrže a označili hladinu. Ale určite to musí byť možné zlepšiť!

Toto je miesto, kde tento projekt prichádza. Cieľom je pripevniť ultrazvukový snímač vzdialenosti na vrch nádrže. Tento senzor funguje ako sonar vysielajúci zvukové vlny, ktoré sú potom odrážané vodnou hladinou. Od času, keď sa vlny vrátia, a od rýchlosti zvuku môžete vypočítať vzdialenosť od vodnej hladiny a určiť, ako je nádrž plná.

Pretože nemám v blízkosti nádrže sieťové pripojenie, je nevyhnutné, aby celé zariadenie fungovalo na batérie. To znamená, že som si musel byť vedomý spotreby energie všetkých dielov. Na odoslanie údajov som sa rozhodol použiť vstavané Wifi mikročipu ESP8266. Aj keď je Wifi pomerne nenáročná na energiu, má výhodu oproti inému typu rádiového pripojenia: môžete sa priamo pripojiť k domácemu bezdrôtovému smerovaču bez toho, aby ste museli budovať ďalšie zariadenie, ktoré funguje ako relé.

Aby som šetril energiu, ESP8266 väčšinu času uspím a každú hodinu vykonám meranie. Na môj účel sledovať hladinu vody to viac než stačí. Údaje sa odošlú do ThingSpeak a potom sa dajú odčítať na smartfóne prostredníctvom aplikácie.

Ešte jeden detail! Rýchlosť zvuku, dôležitá pre meranie vzdialenosti, závisí od teploty a v menšej miere od vlhkosti. Na presné vonkajšie meranie v rôznych ročných obdobiach použijeme snímač BME280, ktorý meria teplotu, vlhkosť a tlak. Ako bonus to robí z nášho senzora hladiny vody aj mini meteorologickú stanicu.

Diely:

• 1x ESP8266 ESP-12F.
• 1x adaptačná doska ESP-12F.
• 1x FT232RL FTDI: Adaptér USB na sériový port.
• 1x HC-SR04-P: modul na meranie vzdialenosti ultrazvukom. Všimnite si toho, že P je dôležitý, pretože toto je verzia, ktorá má nízke minimálne prevádzkové napätie 3V.
• 1x verzia BME280 3,3 V: snímač teploty, tlaku a vlhkosti.
• 1x IRL2203N: n-kanálový tranzistor MOSFET.
• 1x Verzia MCP1700-3302E 3,3 V: regulátor napätia.
• 3x nabíjateľná batéria AA, napr. 2 600 mAh.
• 1x držiak batérie na 3 batérie.
• 1x chlebník.
• Rezistory: 1x 470K, 1x 100K, 4x 10K.
• Kondenzátory: 2x keramický 1uF.
• 3x prepínač.
• Drôtené dosky v tvare U.
• Prepojovacie vodiče.
• Plastová nádoba na polievku 1l.
• Upevňovací krúžok pre nádobu.

Kód som sprístupnil na GitHub.

Krok 1: Zoznámte sa s ultrazvukovým snímačom vzdialenosti

Vzdialenosť od hladiny vody zmeráme ultrazvukovým senzorom HC-SR04-P. Rovnako ako netopier, aj tento senzor používa sonar: vysiela zvukový impulz s príliš vysokou frekvenciou pre ľudské ucho, preto je ultrazvukový, a čaká, až zasiahne predmet, odrazí sa a vráti sa. Vzdialenosť je potom možné vypočítať z času potrebného na prijatie ozveny a rýchlosti zvuku.

Konkrétne, ak je kolík Trig vytiahnutý vysoko najmenej 10 μs, senzor vyšle sériu 8 impulzov s frekvenciou 40 Hz. Odpoveď sa potom získa na kolíku Echo vo forme impulzu s trvaním rovnajúcim sa času medzi odoslaním a prijatím ultrazvukového impulzu. Potom musíme rozdeliť na 2, pretože ultrazvukový impulz ide tam a späť a potrebujeme jednosmerný cestovný čas a vynásobiť ho rýchlosťou zvuku, ktorá je asi 340 m/s.

Ale počkajte chvíľu! V skutočnosti rýchlosť zvuku závisí od teploty a v menšej miere od vlhkosti. Vyberám nitrát alebo je to relevantné? Pomocou výpočtového nástroja zistíme, že v zime (pri -5 ° C) by sme mohli mať 328,5 m/s, a v lete (pri 25 ° C) 347,1 m/s. Predpokladajme, že nájdeme jednosmerný cestovný čas 3 ms. V zime by to znamenalo 98,55 cm a v lete 104,13 cm. To je celkom rozdiel! Aby sme získali dostatočnú presnosť v priebehu ročných období a dokonca aj vo dne v noci, musíme do svojho nastavenia pridať teplomer. Rozhodol som sa zahrnúť BME280, ktorý meria teplotu, vlhkosť a tlak. V kóde, ktorý som vo funkcii speedOfSound použil, je vzorec, ktorý vypočítava rýchlosť zvuku z hľadiska všetkých troch parametrov, aj keď teplota je skutočne najdôležitejším faktorom. Vlhkosť má stále menší vplyv, ale vplyv tlaku je zanedbateľný. Mohli by sme použiť jednoduchší vzorec berúc do úvahy iba teplotu, ktorú som implementoval v speedOfSoundSimple.

Na HC-SR04 je ešte jeden dôležitý bod. K dispozícii sú dve verzie: štandardná verzia pracuje pri 5V, zatiaľ čo HC-SR04-P môže pracovať pri rozsahu napätí od 3V do 5V. Pretože 3 nabíjateľné batérie AA poskytujú približne 3 x 1,25 V = 3,75 V, je dôležité zaobstarať si verziu P. Niektorí predajcovia môžu odoslať zlý. Ak si ich teda kúpite, pozrite sa na obrázky. Tieto dve verzie vyzerajú odlišne vzadu aj vpredu, ako je vysvetlené na tejto stránke. Vzadu vo verzii P sú všetky tri čipy horizontálne, zatiaľ čo v štandardnej verzii je jeden vertikálny. Vpredu má štandardná verzia extra strieborný komponent.

V elektronickom obvode použijeme tranzistor ako spínač na vypnutie napájania ultrazvukového senzora, keď naše nastavenie prejde do hlbokého spánku, aby sa šetrila životnosť batérie. V opačnom prípade by stále spotreboval asi 2 mA. BME280 na druhej strane spotrebuje iba asi 5 μ, keď je neaktívny, takže nie je potrebné ho vypínať tranzistorom.

Krok 2: Voľba dosky ESP8266

Aby senzor fungoval čo najdlhšie na batérii, musíme šetriť energiou. Aj keď Wifi ESP8266 ponúka veľmi pohodlný spôsob pripojenia nášho senzora k cloudu, je tiež dosť energeticky náročný. Pri prevádzke spotrebuje ESP8266 asi 80 mA. S batériami s kapacitou 2 600 mAh by sme teda mohli zariadenie nechať bežať maximálne 32 hodín, kým sa nevybijú. V praxi to bude menej, pretože nebudeme môcť využiť plnú kapacitu 2 600 mAh, kým napätie neklesne na príliš nízku úroveň.

Našťastie má ESP8266 aj režim hlbokého spánku, v ktorom je takmer všetko vypnuté. Plánuje sa preto ESP8266 väčšinu času uviesť do hlbokého spánku a často ho prebúdzať, aby ste vykonali meranie a odoslali údaje cez Wifi do ThingSpeak. Podľa tejto stránky bol maximálny čas hlbokého spánku asi 71 minút, ale od jadra ESP8266 Arduino 2.4.1 sa zvýšil na asi 3,5 hodiny. Vo svojom kóde som sa usadil na jednu hodinu.

Najprv som vyskúšal praktickú vývojovú dosku NodeMCU, ale bohužiaľ, v hlbokom spánku stále spotrebovával asi 9 mA, čo nám dáva najviac 12 dní čistého hlbokého spánku bez ohľadu na intervaly prebúdzania. Dôležitým vinníkom je regulátor napätia AMS1117, ktorý využíva energiu, aj keď sa ho pokúšate obísť pripojením batérie priamo na 3,3V kolík. Táto stránka vysvetľuje, ako odstrániť regulátor napätia a USB UART. To sa mi však nikdy nepodarilo bez toho, aby som zničil svoju dosku. Navyše, po odpojení USB UART sa už nemôžete pripojiť k ESP8266, aby ste zistili, čo sa stalo.

Zdá sa, že väčšina vývojových dosiek ESP8266 používa nehospodárny regulátor napätia AMS1117. Výnimkou je WEMOS D1 mini (obrázok vľavo), ktorý sa dodáva s úspornejším ME6211. Skutočne som zistil, že WEMOS D1 mini používa v hlbokom spánku asi 150 μA, čo sa mu viac podobá. Väčšina je pravdepodobne spôsobená USB UART. S touto doskou však musíte spájkovať záhlavia pre kolíky sami.

Ale môžeme to urobiť oveľa lepšie pomocou dosky s holými kosťami, ako je ESP-12F (obrázok vpravo), ktorý nemá USB UART ani regulátor napätia. Pri napájaní kolíka 3,3 V som zistil spotrebu v hlbokom spánku iba 22 μA!

Aby však ESP-12F fungoval, pripravte sa na určité spájkovanie a trochu náročnejšie programovanie! Ďalej, pokiaľ batérie priamo nedodávajú správne napätie, ktoré je medzi 3 V až 3,6 V, musíme zabezpečiť vlastný regulátor napätia. V praxi je ťažké nájsť batériový systém, ktorý počas celého cyklu vybíjania poskytuje napätie v tomto rozsahu. Pamätajte si, že potrebujeme tiež napájať snímač HC-SR04-P, ktorý teoreticky môže fungovať s napätím až 3 V, ale funguje presnejšie, ak je napätie vyššie. Navyše v mojom diagrame je HC-SR04-P zapnutý tranzistorom, ktorý indukuje malý dodatočný pokles napätia. Použijeme regulátor napätia MCP1700-3302E. Maximálne vstupné napätie je 6V, napájame ho teda až 4 batériami AA. Rozhodol som sa použiť 3 batérie AA.

Krok 3: Vytvorte kanál ThingSpeak

Na ukladanie našich údajov použijeme ThingSpeak, cloudovú službu IoT. Prejdite na https://thingspeak.com/ a vytvorte si účet. Po prihlásení vytvorte kanál kliknutím na tlačidlo Nový kanál. V nastaveniach kanála zadajte meno a popis, ako sa vám páči. Ďalej pomenujeme polia kanála a aktivujeme ich kliknutím na začiarkavacie políčka vpravo. Ak použijete môj kód nezmenený, polia budú nasledujúce:

• Pole 1: hladina vody (cm)
• Pole 2: úroveň batérie (V)
• Pole 3: teplota (° C)
• Pole 4: vlhkosť (%)
• Pole 5: tlak (Pa)

Pre budúce použitie si zapíšte ID kanála, kľúč rozhrania API na čítanie a kľúč rozhrania API na zápis, ktoré nájdete v kľúčoch ponuky API.

Údaje ThingSpeak môžete odčítať na svojom smartfóne pomocou aplikácie. V telefóne s Androidom používam miniaplikáciu IoT ThingSpeak Monitor. Musíte ho nakonfigurovať pomocou ID kanála a kľúča API na čítanie.

Krok 4: Ako naprogramovať ESP-12F

Aby sme ušetrili na výdrži batérie, potrebujeme dosku s holými kosťami, ale nevýhodou je, že programovanie je o niečo ťažšie ako vývojová doska so vstavaným USB UART.

Budeme používať Arduino IDE. Existujú aj ďalšie pokyny, ktoré vysvetľujú, ako ich používať, takže tu budem stručný. Kroky, aby bol pripravený na ESP8266, sú tieto:

• Stiahnite si Arduino IDE.
• Nainštalujte podporu pre dosku ESP8266. V ponuke Súbor - Predvoľby - Nastavenia pridajte adresu URL https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json na dodatočné adresy URL správcu tabule. Ďalej v ponuke Nástroje - Doska - Správca dosiek nainštalujte esp8266 od komunity esp8266.
• Vybrať ako dosku: generický modul ESP8266.

Na ovládanie ESP-12F som použil adaptér, bežne dostupný v internetových obchodoch. Čip som spájkoval s doskou a potom som spájkoval hlavičky s doskou. Až potom som zistil, že doska adaptéra je na štandardnú dosku na pečenie príliš široká! Nenecháva na strane žiadne voľné kolíky, aby sa prepojili.

Riešenie, pre ktoré som išiel, je použiť drôty v tvare U a prepojiť ich ako na obrázku vpravo pred umiestnením ESP8266 s doskou adaptéra na dosku na chlieb. GND a VCC sú teda spojené s koľajničkami nepájivej dosky a zvyšné kolíky sú k dispozícii ďalej v spodnej časti dosky. Nevýhodou je, že po dokončení celého obvodu bude váš doska na pečenie veľmi preplnená drôtmi. Ďalším riešením je prepojenie dvoch dosiek dohromady, ako ukazuje toto video.

Ďalej na naprogramovanie ESP-12F cez port USB vášho počítača potrebujeme adaptér USB na sériový port. Použil som programátor FT232RL FTDI. Programátor má prepojku na výber medzi 3,3 V alebo 5 V. Pre ESP8266 by malo byť uvedené na 3,3 V. Nezabudnite na to, pretože 5V môže váš čip usmažiť! Inštalácia ovládačov by mala byť automatická, ale ak programovanie nefunguje, môžete sa pokúsiť ich nainštalovať ručne z tejto stránky.

ESP8266 má režim programovania na nahranie nového firmvéru na blesk a režim blesku na spustenie aktuálneho firmvéru z pamäte Flash. Aby ste si vybrali medzi týmito režimami, niektoré piny musia mať pri štarte určitú hodnotu:

• Programovanie: GPIO0: nízky, CH-PD: vysoký, GPIO2: vysoký, GPIO15: nízky
• Flash: GPIO0: high, CH-PD: high, GPIO2: high, GPIO15: low

Doska adaptéra sa už stará o vytiahnutie CH-PD a stiahnutie GPIO15 s 10K odpormi.

Takže v našom elektronickom obvode stále potrebujeme vytiahnuť GPIO2. Poskytujeme tiež prepínač, ktorý prepne ESP8266 do programovania alebo do zábleskového režimu, a spínač, ktorý ho resetuje, čo sa robí pripojením RST k zemi. Ďalej sa uistite, že ste pripojili kolík TX FT232RL k kolíku RXD na ESP8266 a naopak.

Postup programovania je nasledujúci:

• Zatvorením prepínača programovania nastavte GPIO2 na minimum.
• Resetujte ESP8266 zatvorením a opätovným otvorením vypínača. ESP8266 sa teraz spustí v režime programovania.
• Nastavte GPIO2 späť na vysokú hodnotu otvorením prepínača programovania.
• Nahrajte nový firmvér z Arduino IDE.
• Resetujte ESP8266 znova zatvorením a opätovným otvorením vypínača. ESP8266 sa teraz spustí v režime Flash a spustí nový firmvér.

Teraz môžete otestovať, či programovanie funguje, nahraním známej skice Blink.

Ak to všetko funguje, piny GND, VCC, GPIO2, RST, TXD a RXD sú správne spájkované a prepojené. Aká úľava! Predtým, ako budete pokračovať, by som však chcel vyskúšať aj ostatné kolíky pomocou vášho multimetra. Sám som mal problém s jedným z pinov. Môžete použiť tento náčrt, ktorý nastaví všetky piny jeden po druhom na 5 sekúnd a potom ESP8266 prepne do hlbokého spánku na 20 sekúnd. Aby sa ESP8266 mohol prebudiť po hlbokom spánku, musíte pripojiť RST k GPIO16, ktorý dáva signál prebudenia.

Krok 5: Odovzdanie náčrtu

Sprístupnil som kód na GitHub, je to len jeden súbor: Level-Sensor-Deepsleep.ino. Stačí si ho stiahnuť a otvoriť v Arduino IDE. Alebo môžete vybrať Súbor - Nový a skopírovať/prilepiť kód.

Na začiatku súboru je potrebné vyplniť niekoľko informácií: názov a heslo siete WLAN, ktorú chcete použiť, podrobnosti o statickej IP adrese a kľúč API kanála ID a zápis kanála ThingSpeak Channel.

Podľa tipu na tomto blogu namiesto DHCP, kde router dynamicky priraďuje IP, používame statickú IP, kde si IP adresu ESP8266 nastavujeme sami. Ukazuje sa to oveľa rýchlejšie, takže šetríme aktívny čas a tým aj energiu batérie. Musíme teda poskytnúť dostupnú statickú IP adresu, ako aj IP smerovača (brány), masky podsiete a servera DNS. Ak si nie ste istí, čo vyplniť, prečítajte si o nastavení statickej adresy IP v príručke k smerovaču. Na počítači so systémom Windows pripojenom prostredníctvom smerovača Wifi k smerovaču spustite shell (tlačidlo Windows-r, cmd) a zadajte príkaz ipconfig /all. Väčšinu potrebných informácií nájdete v sekcii Wi-Fi.

Pri skúmaní kódu vidíte, že na rozdiel od iného kódu Arduino sa väčšina akcií deje vo funkcii nastavenia namiesto vo funkcii slučky. Dôvodom je, že ESP8266 prejde do hlbokého spánku, keď dokončí funkciu nastavenia (pokiaľ sme nespustili v režime OTA). Keď sa prebudí, je to ako nový reštart a znova spustí inštaláciu.

Tu sú hlavné vlastnosti kódu:

• Po prebudení kód nastaví switchPin (predvolený GPIO15) na vysoký. Zapína sa tranzistor, ktorý zase zapína snímač HC-SR04-P. Pred hlbokým spánkom prepne kolík späť na minimum, vypne tranzistor a HC-SR04-P a uistí sa, že nespotrebováva žiadnu vzácnejšiu energiu batérie.
• Ak je modePIN (predvolený GPIO14) nízky, kód prejde do režimu OTA namiesto režimu merania. Vďaka OTA (over-the-air update) môžeme aktualizovať firmvér cez Wifi namiesto sériového portu. V našom prípade je to celkom výhodné, pretože na ďalšie aktualizácie už nemusíme pripájať sériový adaptér k USB. Stačí nastaviť GPIO14 na nízky (s prepínačom OTA v elektronickom obvode), resetovať ESP8266 (pomocou resetovacieho spínača) a mal by byť dostupný v Arduino IDE na odoslanie.
• Na analógovom PIN (A0) merame napätie batérie. To nám umožňuje vypnúť zariadenie, alias trvalý hlboký spánok, ak je napätie príliš nízke, pod min. Napätie, aby sme chránili batérie pred nadmerným vybitím. Analógové meranie nie je príliš presné, robíme opatrenia numMeasuresBattery (predvolených 10) a na zvýšenie presnosti berieme priemer.
• Meranie vzdialenosti snímača HC-SR04-P sa vykonáva vo funkcii meranie vzdialenosti. Na zvýšenie presnosti sa meranie opakuje numMeasuresDistance (predvolene 3) krát.
• Existuje funkcia na výpočet speedOfSound z teploty, vlhkosti a tlaku meraných snímačom BME280. Predvolená adresa I2C modulu BME280 je 0x76, ale ak nefunguje, možno ho budete musieť zmeniť na 0x77: bool bme280Started = bme280.begin (0x77);
• BME280 použijeme v nútenom režime, čo znamená, že zaberie jedno meranie a vráti sa do režimu spánku, aby šetrilo energiou.
• Ak nastavíte kapacitu (l), plnú vzdialenosť (cm) a plochu (m2), kód vypočíta zostávajúci objem nádrže na vodu z merania vzdialenosti: dvojnásobný zvyšný objem = kapacita+10,0*(plná vzdialenosť-vzdialenosť)*plocha; a nahrajte to na ThingSpeak. Ak ponecháte predvolené hodnoty, odovzdá vzdialenosť k vodnej hladine v cm.

Krok 6: Budovanie elektronického obvodu

Hore je schéma elektronického obvodu. Je to dosť veľké na jednu dosku, najmä s príliš veľkou doskou adaptéra a trikom s drôtmi v tvare U. V určitom okamihu som si určite želal, aby som použil alternatívu spojenia dvoch breadboardov, ale nakoniec som to zvládol.

Tu sú dôležité vlastnosti obvodu:

• Rolu hrajú dve napätia: vstupné napätie z batérie (približne 3,75 V) a 3,3 V napájajúce ESP8266 a BME280. 3,3 V som dal na ľavú koľajnicu dosky a 3,75 V na pravú koľajnicu. Regulátor napätia prevádza 3,75 V na 3,3 V. Podľa pokynov v technickom liste som na zvýšenie stability pridal na vstup a výstup regulátora napätia kondenzátory 1 μF.
• GPIO15 ESP8266 je pripojený k bráne tranzistora. To umožňuje ESP8266 zapnúť tranzistor a tým aj ultrazvukový senzor, keď je aktívny, a vypnúť ho, keď idete do hlbokého spánku.
• GPIO14 je pripojený k prepínaču, prepínaču OTA. Zatvorením prepínača získate signál pre ESP8266, ktorý chceme začať v režime OTA, t. J. Potom, čo stlačíme (zatvoríme a otvoríme) prepínač RESET a nahráme novú skicu bezdrôtovo.
• Kolíky RST a GPIO2 sú prepojené podľa schémy programovania. Kolík RST je teraz tiež pripojený k GPIO16, aby sa ESP8266 mohol prebudiť z hlbokého spánku.
• Piny TRIG a ECHO ultrazvukového senzora sú pripojené k GPIO12 a GPIO13, zatiaľ čo kolíky SCL a SDA BME280 sú pripojené k GPIO5 a GPIO4.
• Nakoniec je analógový kolík ADC cez delič napätia pripojený k vstupnému napätiu. To umožňuje zmerať vstupné napätie a skontrolovať nabitie batérií. Kolík ADC môže merať napätie medzi 0V a 1V. Pre delič napätia sme vybrali odpory 100K a 470K. To znamená, že napätie na kolíku ADC je dané vzorcom: V_ADC = 100K/(100K+470K) V_in. Ak vezmeme V_ADC = 1 V, znamená to, že môžeme merať vstupné napätie až do V_in = 570/100 V_ADC = 5,7 V. Pokiaľ ide o spotrebu energie, cez rozdeľovač napätia uniká aj určitý prúd. Pri V_in = 3,75 V z batérií nájdeme I_leak = 3,75 V/570 K = 6,6 μA.

Aj keď je obvod napájaný z batérií, je možné pripojiť USB k sériovému adaptéru. Nezabudnite odpojiť VCC adaptéra a pripojiť GND, RX a TX podľa schémy programovania. To umožňuje otvoriť sériový monitor v Arduino IDE, aby si prečítal správy o ladení a uistil sa, že všetko funguje podľa očakávania.

Pre celý obvod som v hlbokom spánku pri behu z batérií nameral spotrebu prúdu 50 μA. Patria sem ESP8266, BME280, ultrazvukový snímač (vypnutý tranzistorom) a únik cez delič napätia a možno aj ďalšie úniky. Takže to nie je také zlé!

Zistil som, že celkový aktívny čas je asi 7 sekúnd, z toho 4,25 sekundy na pripojenie k Wifi a 1,25 sekundy na odoslanie údajov do ThingSpeak. Takže s aktívnym prúdom 80mA som za aktívny čas našiel 160 μAh za hodinu. Pripočítaním 50 μAh za hodinu pre stav hlbokého spánku máme celkovo 210 μAh za hodinu. To znamená, že 2 600 mAh batérie teoreticky vydržia 12 400 hodín = 515 dní. Toto je úplné maximum, ak by sme mohli využiť celú kapacitu batérií (čo nie je prípad) a nedošlo by k žiadnym únikom, ktoré som pri svojich súčasných meraniach nenašiel. Takže ešte musím zistiť, či to naozaj funguje.

Krok 7: Dokončenie senzora

Senzor som vložil do plastovej 1 -litrovej nádoby, v ktorej sa kedysi nachádzala polievka. V spodnej časti som urobil dva otvory, aby sa zmestili do "očí" senzora HC-SR04-P. Okrem otvorov by mal byť kontajner vodotesný. Potom je pripevnený k stene nádrže na vodu pomocou kruhového prstenca, ktorý sa bežne používa pre odtokové potrubie dažďovej vody.

Bavte sa s projektom!