Senzor nivoja zbiralnika vode na baterije: 7 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Naša hiša ima rezervoar za vodo, ki se napaja iz dežja, ki pada na streho, in se uporablja za stranišče, pralni stroj in zalivanje rastlin na vrtu. Zadnja tri leta so bila poletja zelo suha, zato smo spremljali nivo vode v rezervoarju. Doslej smo uporabljali leseno palico, ki smo jo dali v rezervoar in označili nivo. Vsekakor pa je treba to izboljšati!

Tu prihaja ta projekt. Ideja je, da se na vrh rezervoarja pritrdi ultrazvočni senzor razdalje. Ta senzor deluje kot sonar, ki oddaja zvočne valove, ki jih nato odbija vodna površina. Od časa, ko se valovi vrnejo, in hitrosti zvoka lahko izračunate razdaljo do vodne površine in ugotovite, kako poln je rezervoar.

Ker nimam omrežnega priključka blizu rezervoarja, je nujno, da celotna naprava deluje na baterije. To pomeni, da sem se moral zavedati porabe energije vseh delov. Za pošiljanje podatkov sem se odločil uporabiti vgrajen Wifi mikročipa ESP8266. Čeprav je Wi-Fi precej lačen energije, ima prednost pred drugo vrsto radijske povezave: lahko se neposredno povežete z domačim brezžičnim usmerjevalnikom, ne da bi morali zgraditi drugo napravo, ki deluje kot rele.

Zaradi varčevanja z energijo bom ESP8266 večino časa spal v globok spanec in meril vsako uro. Za moj namen spremljanja vodostaja to več kot dovolj. Podatki bodo poslani v ThingSpeak, nato pa jih lahko prek aplikacije odčitamo na pametnem telefonu.

Še ena podrobnost! Hitrost zvoka, ki je bistvena za merjenje razdalje, je odvisna od temperature in v manjši meri od vlažnosti. Za natančne zunanje meritve v letnih časih bomo vnesli senzor BME280, ki meri temperaturo, vlažnost in tlak. Kot bonus to naredi iz našega senzorja vodostaja tudi mini vremenska postaja.

Deli:

• 1x ESP8266 ESP-12F.
• 1x adapterna plošča ESP-12F.
• 1x FT232RL FTDI: USB -serijski adapter.
• 1x HC-SR04-P: ultrazvočni modul za merjenje razdalje. Upoštevajte, da je P pomemben, saj je to različica z nizko minimalno delovno napetostjo 3V.
• 1x BME280 3.3V različica: senzor temperature, tlaka in vlažnosti.
• 1x IRL2203N: n-kanalni MOSFET tranzistor.
• 1x MCP1700-3302E 3.3V različica: regulator napetosti.
• 3x polnilna baterija AA, npr. 2600 mAh.
• 1x držalo za 3 baterije.
• 1x plošča.
• Upori: 1x 470K, 1x 100K, 4x 10K.
• Kondenzatorji: 2x keramični 1uF.
• 3x preklopno stikalo.
• Žice v obliki črke U
• Mostične žice.
• Plastična posoda za juho 1l.
• Pritrdilni obroč za posodo.

Kodo sem dal na voljo na GitHubu.

1. korak: Spoznajte ultrazvočni senzor razdalje

Razdaljo do vodne površine bomo izmerili z ultrazvočnim senzorjem HC-SR04-P. Tako kot netopir, ta senzor uporablja sonar: pošilja zvočni impulz s frekvenco, ki je previsoka za človeško uho, torej ultrazvočno, in čaka, da zadene predmet, se odseva in se vrne. Razdaljo lahko nato izračunamo iz časa, ki je potreben za sprejem odmeva, in hitrosti zvoka.

Konkretno, če sprožilec sproži visoko za vsaj 10 μs, senzor pošlje rafal 8 impulzov s frekvenco 40 Hz. Odgovor nato dobimo na odseku Echo v obliki impulza, ki je enak času med pošiljanjem in sprejemom ultrazvočnega impulza. Nato moramo deliti z 2, saj ultrazvočni impulz teče naprej in nazaj in potrebujemo enosmerni čas potovanja ter pomnožimo s hitrostjo zvoka, ki je približno 340 m/s.

Ampak počakaj malo! Pravzaprav je hitrost zvoka odvisna od temperature in v manjši meri od vlažnosti. Ali špikam ali je to pomembno? Z računskim orodjem ugotovimo, da bi lahko pozimi (ob -5 ° C) imeli 328,5 m/s, poleti (pri 25 ° C) pa 347,1 m/s. Recimo, da najdemo enosmerni čas potovanja 3 ms. Pozimi bi to pomenilo 98,55 cm, poleti pa 104,13 cm. To je velika razlika! Da bi dobili dovolj natančnosti v vseh letnih časih in celo podnevi in ponoči, moramo v našo nastavitev dodati termometer. Odločil sem se vključiti BME280, ki meri temperaturo, vlažnost in tlak. V kodi, ki sem jo v funkciji speedOfSound uporabil formulo, ki izračuna hitrost zvoka glede na vse tri parametre, čeprav je temperatura res najpomembnejši dejavnik. Vlažnost ima še vedno manjši učinek, vendar je vpliv tlaka zanemarljiv. Lahko bi uporabili enostavnejšo formulo, pri čemer bi upoštevali le temperaturo, ki sem jo izvedel v speedOfSoundSimple.

Obstaja še ena pomembna točka pri HC-SR04. Na voljo sta dve različici: standardna različica deluje pri 5V, medtem ko lahko HC-SR04-P deluje pri različnih napetostih od 3V do 5V. Ker 3 polnilne baterije AA zagotavljajo približno 3x1.25V = 3.75V, je pomembno, da dobite različico P. Nekateri prodajalci lahko pošljejo napačnega. Zato si oglejte slike, če jih kupite. Obe različici izgledata različno tako zadaj kot spredaj, kot je razloženo na tej strani. Na zadnji strani različice P so vsi trije čipi vodoravni, pri standardni različici pa ena navpična. Spredaj ima standardna različica dodatno srebrno komponento.

V elektronskem vezju bomo uporabili tranzistor kot stikalo za izklop napajanja ultrazvočnega senzorja, ko naša nastavitev preide v globok spanec, da se prihrani življenjska doba baterije. V nasprotnem primeru bi še vedno porabil približno 2 mA. Po drugi strani pa BME280 porabi le 5 μ, ko je neaktiven, zato ga s tranzistorjem ni treba izklopiti.

2. korak: Izbira plošče ESP8266

Za čim daljše delovanje senzorja na bateriji moramo prihraniti pri porabi energije. Čeprav Wi-Fi ESP8266 ponuja zelo priročen način za povezavo našega senzorja z oblakom, je tudi precej lačen energije. Med delovanjem ESP8266 porabi približno 80 mA. Tako bi z baterijami s kapaciteto 2600 mAh lahko napravo uporabljali največ 32 ur, preden se izpraznijo. V praksi bo to manj, ker ne bomo mogli uporabiti celotne kapacitete 2600 mAh, preden napetost pade na prenizko raven.

Na srečo ima ESP8266 tudi način globokega spanja, v katerem je skoraj vse izklopljeno. Zato je načrt, da večino časa spravite ESP8266 v globok spanec in ga tako pogosto prebudite, da izvede meritev in podatke pošlje prek Wi -Fi -ja na ThingSpeak. Po tej strani je bil največji čas globokega spanja približno 71 minut, od jedra ESP8266 Arduino 2.4.1 pa se je podaljšal na približno 3,5 ure. V svoji kodi sem se usedel eno uro.

Najprej sem preizkusil priročno razvojno ploščo NodeMCU, vendar hudo, v globokem spanju je še vedno porabila približno 9 mA, kar nam daje največ 12 dni čistega globokega spanca, ne da bi upoštevali tudi intervale prebujanja. Pomemben krivec je regulator napetosti AMS1117, ki porablja moč, tudi če jo poskušate zaobiti tako, da baterijo priključite neposredno na 3,3V pin. Na tej strani je razloženo, kako odstranite regulator napetosti in USB UART. Vendar mi tega nikoli ni uspelo, ne da bi uničili tablo. Poleg tega po odstranitvi USB UART ne morete več vzpostaviti povezave z ESP8266, da ugotovite, kaj je šlo narobe.

Zdi se, da večina razvojnih plošč ESP8266 uporablja potraten regulator napetosti AMS1117. Ena izjema je WEMOS D1 mini (slika na levi), ki prihaja z bolj ekonomičnim ME6211. Dejansko sem ugotovil, da WEMOS D1 mini v globokem spanju porabi približno 150 μA, kar je bolj podobno. Večina je verjetno posledica USB UART. S to ploščo morate sami spajkati glave za zatiče.

Vendar pa lahko naredimo veliko bolje z uporabo plošče z golimi kostmi, kot je ESP-12F (slika na desni), ki nima USB UART ali regulatorja napetosti. Ko sem napajal pin 3.3V, sem ugotovil, da je globok spanec porabil le 22 μA!

Toda, da bi ESP-12F deloval, se pripravite na nekaj spajkanja in malce več težav pri programiranju! Poleg tega, če baterije neposredno ne oddajajo pravilne napetosti, ki je med 3V in 3.6V, moramo zagotoviti lasten regulator napetosti. V praksi se izkaže, da je težko najti akumulatorski sistem, ki v tem območju zagotavlja napetost v celotnem ciklu praznjenja. Ne pozabite, da moramo napajati tudi senzor HC-SR04-P, ki teoretično lahko deluje z napetostjo do 3 V, vendar deluje natančneje, če je napetost višja. Poleg tega je v mojem diagramu HC-SR04-P vklopljen s tranzistorjem, ki povzroči majhen dodaten padec napetosti. Uporabili bomo regulator napetosti MCP1700-3302E. Največja vhodna napetost je 6V, zato jo napajamo z največ 4 baterijami AA. Odločil sem se, da bom uporabil 3 baterije AA.

3. korak: Ustvarite kanal ThingSpeak

Za shranjevanje podatkov bomo uporabili ThingSpeak, storitev v oblaku IoT. Pojdite na https://thingspeak.com/ in ustvarite račun. Ko ste prijavljeni, kliknite gumb Nov kanal, da ustvarite kanal. V nastavitvah kanala vnesite ime in opis, kot želite. Nato poimenujemo polja kanala in jih aktiviramo s klikom na potrditvena polja na desni. Če uporabljate mojo kodo nespremenjeno, so polja naslednja:

• Polje 1: nivo vode (cm)
• Polje 2: raven baterije (V)
• Polje 3: temperatura (° C)
• Polje 4: vlažnost (%)
• Polje 5: tlak (Pa)

Za prihodnjo uporabo zapišite ID kanala, ključ API za branje in ključ API za pisanje, ki jih najdete v menijskih ključih API.

Podatke ThingSpeak na pametnem telefonu lahko preberete z aplikacijo. V telefonu Android uporabljam gradnik IoT ThingSpeak Monitor. Konfigurirati ga morate z ID -jem kanala in ključem za branje API -ja.

4. korak: Kako programirati ESP-12F

Za varčevanje z življenjsko dobo baterije potrebujemo golo ploščo, a slaba stran je, da je programiranje nekoliko težje kot razvojna plošča z vgrajenim USB UART.

Uporabili bomo Arduino IDE. Obstajajo še drugi navodili, ki pojasnjujejo, kako ga uporabljati, zato bom tukaj kratek. Koraki za pripravo na ESP8266 so:

• Prenesite Arduino IDE.
• Namestite podporo za ploščo ESP8266. V meniju Datoteka - Nastavitve - Nastavitve dodajte URL https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json na dodatne URL -je upravitelja plošč. Naprej v meniju Orodja - deska - upravitelj plošč namestite esp8266 skupnosti esp8266.
• Izberite kot ploščo: Splošni modul ESP8266.

Za rokovanje z ESP-12F sem uporabil adapter ploščo, ki je običajno na voljo v spletnih trgovinah. Spajal sem čip na ploščo, nato pa sem spajal glave na ploščo. Šele takrat sem odkril, da je adapter plošča preširoka za standardno mizo! Na strani ne pušča prostih zatičev za vzpostavitev povezave.

Rešitev, za katero sem se odločil, je, da uporabim žice v obliki črke U in jih povežem, kot je prikazano na sliki na desni, preden ESP8266 s ploščico adapterja postavite na ploščo. Tako sta GND in VCC povezana z vodili na plošči, preostali zatiči pa so na voljo spodaj. Pomanjkljivost je, da bo vaša plošča precej napolnjena z žicami, ko končate celotno vezje. Druga rešitev je, da dve plošči združite skupaj, kot je prikazano v tem videoposnetku.

Nato za programiranje ESP-12F prek vrat USB v računalniku potrebujemo USB-serijski adapter. Uporabil sem programer FT232RL FTDI. Programer ima mostiček za izbiro med 3.3V ali 5V. Za ESP8266 ga je treba nastaviti na 3,3 V. Ne pozabite, ker lahko 5V prepraži vaš čip! Namestitev gonilnikov mora biti samodejna, če pa programiranje ne deluje, jih lahko poskusite ročno namestiti s te strani.

ESP8266 ima način programiranja za nalaganje nove vdelane programske opreme v bliskavico in način bliskavice za zagon trenutne vdelane programske opreme iz pomnilnika flash. Za izbiro med temi načini morajo nekateri zatiči med zagonom imeti določeno vrednost:

• Programiranje: GPIO0: nizko, CH-PD: visoko, GPIO2: visoko, GPIO15: nizko
• Bliskavica: GPIO0: visoka, CH-PD: visoka, GPIO2: visoka, GPIO15: nizka

Adapterna plošča že skrbi za dvig CH-PD in povlečenje GPIO15 z 10K upori.

Zato moramo v našem elektronskem vezju še vedno potegniti GPIO2. Ponujamo tudi stikalo za vklop ESP8266 v programiranje ali v način bliskavice ter stikalo za ponastavitev, kar se izvede s priključitvijo RST na ozemljitev. Nadalje povežite priključek TX FT232RL z zatičem RXD ESP8266 in obratno.

Zaporedje programiranja je naslednje:

• Z zapiranjem programskega stikala nastavite GPIO2 na nizko.
• Ponastavite ESP8266 tako, da zaprete in nato znova odprete stikalo za ponastavitev. ESP8266 se zdaj zažene v načinu programiranja.
• Z odpiranjem stikala za programiranje nastavite GPIO2 na visoko.
• Naložite novo vdelano programsko opremo iz Arduino IDE.
• Ponovno ponastavite ESP8266 tako, da zaprete in znova odprete stikalo za ponastavitev. ESP8266 se zdaj zažene v načinu bliskavice in zažene novo vdelano programsko opremo.

Zdaj lahko preizkusite, ali programiranje deluje, tako da naložite znamenito skico Blink.

Če vse to deluje, so vsaj zatiči GND, VCC, GPIO2, RST, TXD in RXD pravilno spajkani in povezani. Kakšno olajšanje! Preden pa nadaljujete, priporočam, da preizkusite tudi druge zatiče z multimetrom. Tudi sam sem imel problem z enim zatičem. To skico lahko uporabite za nastavitev vseh zatičev enega za drugim za 5 sekund, nato pa ESP8266 v globokem spancu za 20 sekund. Če želite, da se ESP8266 zbudi po globokem spanju, morate priključiti RST na GPIO16, ki daje signal za bujenje.

5. korak: Nalaganje skice

Kodo sem dal na voljo na GitHubu, to je samo ena datoteka: Level-Sensor-Deepsleep.ino. Prenesite ga in odprite v Arduino IDE. Lahko pa izberete Datoteka - Novo in samo kopirajte/prilepite kodo.

Na začetku datoteke morate vnesti nekaj podatkov: ime in geslo WLAN -a za uporabo, podrobnosti o statičnem IP -ju ter ID kanala in ključ API za pisanje kanala ThingSpeak.

Po nasvetu na tem spletnem dnevniku namesto DHCP, kjer usmerjevalnik dinamično dodeli IP, uporabljamo statični IP, kjer sami nastavimo naslov IP ESP8266. To se izkaže za veliko hitrejše, zato prihranimo pri aktivnem času in s tem pri energiji baterije. Zato moramo zagotoviti razpoložljiv statični naslov IP, pa tudi IP usmerjevalnika (prehod), masko podomrežja in strežnik DNS. Če niste prepričani, kaj vnesti, preberite o nastavitvi statičnega IP v priročniku usmerjevalnika. V računalniku z operacijskim sistemom Windows, ki je prek usmerjevalnika Wi-Fi povezan z usmerjevalnikom, zaženite lupino (gumb Windows-r, cmd) in vnesite ipconfig /all. Večino informacij, ki jih potrebujete, boste našli v razdelku Wi-Fi.

Ko pregledate kodo, vidite, da se za razliko od druge kode Arduino večina dejanj zgodi v namestitveni funkciji namesto v funkciji zanke. To je zato, ker ESP8266 preklopi v globok spanec, ko konča namestitveno funkcijo (razen če smo začeli v načinu OTA). Ko se zbudi, je kot nov ponovni zagon in znova zažene namestitev.

Tu so glavne značilnosti kode:

• Po prebujanju koda nastavi switchPin (privzeto GPIO15) na visoko. S tem se vklopi tranzistor, ki pa vklopi senzor HC-SR04-P. Pred globokim spanjem nastavi pin na najnižjo vrednost, izklopi tranzistor in HC-SR04-P ter poskrbi, da ne porabi več dragocene energije baterije.
• Če je modePIN (privzeti GPIO14) nizek, gre koda v način OTA namesto v način merjenja. Z OTA (posodobitev po zraku) lahko namesto serijskih vrat posodobimo vdelano programsko opremo prek Wi-Fi-ja. V našem primeru je to zelo priročno, saj nam za nadaljnje posodobitve ni treba več priključiti serijskega vmesnika USB. Samo nastavite GPIO14 na nizko vrednost (s stikalom OTA v elektronskem vezju), ponastavite ESP8266 (s stikalom za ponastavitev) in mora biti na voljo v Arduino IDE za nalaganje.
• Na analognem PIN -u (A0) izmerimo napetost akumulatorja. To nam omogoča, da izklopimo napravo, imenovano trajno globoko spanje, če napetost postane prenizka, pod minVoltage, da zaščitimo baterije pred prekomernim praznjenjem. Analogna meritev ni zelo natančna, naredimo meritve numMeasuresBattery (privzeto 10) in za izboljšanje natančnosti vzamemo povprečje.
• Merjenje razdalje senzorja HC-SR04-P se izvede v funkciji DistanceMeasurement. Za večjo natančnost se meritev ponovi numMeasuresDistance (privzeto 3) krat.
• Obstaja funkcija za izračun speedOfSound iz meritve temperature, vlažnosti in tlaka s senzorjem BME280. Privzeti naslov I2C BME280 je 0x76, če pa ne deluje, ga boste morda morali spremeniti v 0x77: bool bme280Started = bme280.begin (0x77);
• BME280 bomo uporabljali v prisilnem načinu, kar pomeni, da opravi eno meritev in gre nazaj v stanje spanja, da prihrani energijo.
• Če nastavite prostornino (l), polno razdaljo (cm) in površino (m2), koda izračuna preostalo prostornino rezervoarja za vodo iz meritve razdalje: dvojni preostali volumen = prostornina+10,0*(razdalja na polni razdalji)*območje; in naložite to v ThingSpeak. Če ohranite privzete vrednosti, naloži razdaljo do vodne površine v cm.

6. korak: Izdelava elektronskega vezja

Zgoraj je diagram elektronskega vezja. Za eno ploščo je precej velika, še posebej s preveliko adapterno ploščo in trikom z žicami v obliki črke U. V nekem trenutku sem si vsekakor zaželel, da bi uporabil alternativo za povezavo dveh plošč, a na koncu mi je uspelo.

Tu so pomembne značilnosti vezja:

• Pri tem igrata vlogo dve napetosti: vhodna napetost iz baterije (okoli 3,75 V) in 3,3 V, ki napaja ESP8266 in BME280. 3.3V sem postavil na levo tirnico omarice in 3.75V na desno tirnico. Regulator napetosti pretvori 3,75 V v 3,3 V. Po navodilih v podatkovnem listu sem dodal 1 μF kondenzatorje na vhod in izhod regulatorja napetosti za večjo stabilnost.
• GPIO15 ESP8266 je priključen na vrata tranzistorja. To omogoča, da ESP8266 vklopi tranzistor in s tem ultrazvočni senzor, ko je aktiven, in ga izklopi, ko gre v globok spanec.
• GPIO14 je povezan s stikalom, stikalom OTA. Zapiranje stikala daje signal ESP8266, ki ga želimo naslednjič zagnati v načinu OTA, to je, potem ko pritisnemo (zapremo in odpremo) stikalo RESET in naložimo novo skico po zraku.
• Zatiči RST in GPIO2 so povezani, kot je prikazano na shemi programiranja. Pin RST je zdaj priključen tudi na GPIO16, da se lahko ESP8266 prebudi iz globokega spanca.
• Zatiči TRIG in ECHO ultrazvočnega senzorja so povezani z GPIO12 in GPIO13, medtem ko sta nožici SCL in SDA BME280 povezana z GPIO5 in GPIO4.
• Končno je analogni pin ADC preko delilnika napetosti priključen na vhodno napetost. To omogoča merjenje vhodne napetosti za preverjanje napolnjenosti baterij. Zatič ADC lahko meri napetosti med 0V in 1V. Za napetostni delilnik smo izbrali upore 100K in 470K. To pomeni, da je napetost na zatiču ADC podana z: V_ADC = 100K/(100K+470K) V_in. Če vzamemo V_ADC = 1V, to pomeni, da lahko merimo vhodne napetosti do V_in = 570/100 V_ADC = 5.7V. Kar zadeva porabo energije, skozi razdelilnik napetosti pušča tudi nekaj toka. Z V_in = 3,75 V iz baterij najdemo I_leak = 3,75 V/570K = 6,6 μA.

Tudi če vezje deluje od baterij, je mogoče USB priključiti na serijski adapter. Ne pozabite izključiti VCC adapterja in priključiti GND, RX in TX, kot je prikazano na diagramu za programiranje. To omogoča, da odprete serijski monitor v Arduino IDE, da preberete sporočila o odpravljanju napak in se prepričate, da vse deluje po pričakovanjih.

Za celotno vezje sem izmeril porabo toka 50 μA v globokem spanju pri delovanju iz baterij. To vključuje ESP8266, BME280, ultrazvočni senzor (izklopil ga je tranzistor) in puščanje skozi delilnik napetosti in morda druga puščanja. Torej to ni tako hudo!

Ugotovil sem, da je skupni aktivni čas približno 7 sekund, od tega 4,25 sekunde za povezavo z Wifi in 1,25 sekunde za pošiljanje podatkov v ThingSpeak. Tako sem z aktivnim tokom 80mA za aktivni čas našel 160 μAh na uro. Če v stanje globokega spanja dodamo 50 μAh na uro, imamo skupaj 210 μAh na uro. To pomeni, da baterije 2600 mAh teoretično zdržijo 12400 ur = 515 dni. To je absolutni maksimum, če bi lahko uporabili polno kapaciteto baterij (kar pa ne drži) in ni puščanja, ki ga s svojimi trenutnimi meritvami nisem odkril. Tako da še moram videti, ali se to res uresniči.

7. korak: Dokončanje senzorja

Senzor sem dal v plastično 1 -litrsko posodo, v kateri je bila včasih juha. Na dnu sem naredil dve luknji, ki ustrezata "očem" senzorja HC-SR04-P. Poleg lukenj mora biti posoda vodotesna. Nato je s krožnim obročem pritrjen na steno rezervoarja za vodo, ki se običajno uporablja za odtočno cev za deževnico.

Uživajte v projektu!