Senzor de nivel al colectorului de apă alimentat cu baterie: 7 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Casa noastră are un rezervor de apă alimentat de ploaia care cade pe acoperiș și este folosit pentru toaletă, mașină de spălat și udarea plantelor din grădină. În ultimii trei ani, verile au fost foarte uscate, așa că am urmărit nivelul apei din rezervor. Până acum, am folosit un băț de lemn, pe care l-am pus în rezervor și am marcat nivelul. Dar cu siguranță trebuie să fie posibil să îmbunătățim acest lucru!

Aici intervine acest proiect. Ideea este să atașați un senzor de distanță cu ultrasunete în partea superioară a rezervorului. Acest senzor funcționează ca un sonar care emite unde sonore, care sunt apoi reflectate de suprafața apei. Din timpul necesar pentru revenirea undelor și a vitezei sunetului, puteți calcula distanța până la suprafața apei și puteți determina cât de plin este rezervorul.

Deoarece nu am o conexiune la rețea aproape de rezervor, este esențial ca dispozitivul complet să funcționeze pe baterii. Aceasta înseamnă că a trebuit să fiu conștient de consumul de energie al tuturor pieselor. Pentru a trimite datele înapoi, am decis să folosesc Wifi-ul încorporat al unui microcip ESP8266. În timp ce Wifi este destul de înfometat, are un avantaj față de un alt tip de conexiune radio: vă puteți conecta direct la routerul fără fir de acasă fără a fi nevoie să construiți un alt dispozitiv care să acționeze ca un releu.

Pentru a economisi energie, voi pune ESP8266 în somn profund de cele mai multe ori și voi lua o măsurătoare la fiecare oră. Pentru scopul meu de a urmări nivelul apei, acest lucru este mai mult decât suficient. Datele vor fi trimise către ThingSpeak și pot fi apoi citite pe un smartphone printr-o aplicație.

Încă un detaliu! Viteza sunetului, esențială pentru măsurarea distanței, depinde de temperatură și într-o măsură mai mică de umiditate. Pentru o măsurare exterioară precisă în timpul anotimpurilor, vom arunca un senzor BME280, care măsoară temperatura, umiditatea și presiunea. Ca bonus, acest lucru face din senzorul nostru de nivel al apei și o mini stație meteo.

Părți:

• 1x ESP8266 ESP-12F.
• 1x placa adaptor ESP-12F.
• 1x FT232RL FTDI: adaptor USB la serie.
• 1x HC-SR04-P: modul de măsurare a distanței cu ultrasunete. Rețineți că P este important, deoarece aceasta este versiunea care are o tensiune minimă de funcționare de 3V.
• 1x versiune BME280 3.3V: senzor de temperatură, presiune și umiditate.
• 1x IRL2203N: tranzistor MOSFET cu canale n.
• 1x MCP1700-3302E 3.3V versiune: regulator de tensiune.
• 3x baterie reîncărcabilă AA, de ex. 2600mAh.
• 1x suport baterie pentru 3 baterii.
• 1x panou de masă.
• Rezistoare: 1x 470K, 1x 100K, 4x 10K.
• Condensatoare: 2x ceramică 1uF.
• 3x comutator de comutare.
• Sârme de panouri în formă de U.
• Sârme de jumper.
• Recipient pentru supă de plastic 1l.
• Inel de fixare pentru recipient.

Am pus codul la dispoziție pe GitHub.

Pasul 1: Cunoașterea senzorului de distanță cu ultrasunete

Vom măsura distanța până la suprafața apei cu un senzor cu ultrasunete, HC-SR04-P. La fel ca un liliac, acest senzor folosește sonar: trimite un impuls sonor cu o frecvență prea mare pentru urechea umană, deci cu ultrasunete, și așteaptă ca acesta să lovească un obiect, să reflecte și să revină. Distanța poate fi apoi calculată din timpul necesar pentru a primi ecoul și viteza sunetului.

Concret, dacă pinul Trig este ridicat cel puțin 10 μs, senzorul trimite o explozie de 8 impulsuri cu o frecvență de 40 Hz. Răspunsul este apoi obținut pe pinul Echo sub forma unui impuls cu durata egală cu timpul dintre trimiterea și primirea impulsului ultrasonic. Apoi, trebuie să împărțim la 2, deoarece pulsul cu ultrasunete merge înainte și înapoi și avem nevoie de timpul de deplasare într-un sens și se înmulțește cu viteza sunetului, care este de aproximativ 340 m / s.

Dar așteaptă un minut! De fapt, viteza sunetului depinde de temperatură și într-o măsură mai mică de umiditate. Mă descurc sau este relevant? Folosind un instrument de calcul, constatăm că iarna (luând -5 ° C) am putea avea 328,5 m / s, iar vara (luând 25 ° C) 347,1 m / s. Deci, să presupunem că găsim un timp de călătorie într-un singur sens de 3 ms. Iarna, aceasta ar însemna 98,55 cm, iar vara 104,13 cm. Este o diferență! Deci, pentru a obține o precizie suficientă de-a lungul anotimpurilor și chiar ziua și noaptea, trebuie să adăugăm un termometru la configurarea noastră. Am decis să includ BME280, care măsoară temperatura, umiditatea și presiunea. În codul pe care l-am folosit în funcția speedOfSound, o formulă care calculează viteza sunetului în funcție de toți cei trei parametri, deși temperatura este într-adevăr cel mai important factor. Umiditatea are încă un efect mai mic, dar impactul presiunii este neglijabil. Am putea folosi o formulă mai simplă ținând cont doar de temperatura pe care am implementat-o în speedOfSoundSimple.

Există un alt punct important pe HC-SR04. Există două versiuni disponibile: versiunea standard funcționează la 5V, în timp ce HC-SR04-P poate funcționa la o gamă de tensiuni de la 3V la 5V. Deoarece cele 3 baterii reîncărcabile AA oferă aproximativ 3x1.25V = 3.75V, este important să obțineți versiunea P. Unii vânzători ar putea să-l trimită pe cel greșit. Așadar, aruncați o privire la fotografii dacă cumpărați una. Cele două versiuni arată diferit atât în spate, cât și în față, așa cum se explică pe această pagină. În partea din spate a versiunii P, toate cele trei jetoane sunt orizontale, în timp ce în versiunea standard unul este vertical. În partea din față, versiunea standard are o componentă argintie suplimentară.

În circuitul electronic, vom folosi un tranzistor ca întrerupător pentru a opri alimentarea senzorului cu ultrasunete atunci când configurarea noastră intră în adâncime pentru a economisi durata de viață a bateriei. În caz contrar, ar consuma în continuare aproximativ 2mA. Pe de altă parte, BME280 consumă aproximativ 5 μ atunci când este inactiv, deci nu este necesar să-l opriți cu tranzistorul.

Pasul 2: Alegerea plăcii ESP8266

Pentru a acționa senzorul cât mai mult timp pe o baterie, trebuie să economisim consumul de energie. În timp ce Wifi-ul ESP8266 oferă un mod foarte convenabil de a conecta senzorul nostru la cloud, este, de asemenea, destul de înfometat. În funcțiune, ESP8266 consumă aproximativ 80mA. Deci, cu baterii de 2600 mAh am putea să ne pornim dispozitivul doar cel mult 32 de ore înainte ca acestea să fie goale. În practică, va fi mai puțin, deoarece nu vom putea folosi întreaga capacitate de 2600 mAh înainte ca tensiunea să scadă la un nivel prea scăzut.

Din fericire, ESP8266 are și un mod de somn profund, în care aproape totul este oprit. Așadar, planul este de a pune ESP8266 în somn profund de cele mai multe ori și de a-l trezi atât de des pentru a face o măsurare și a trimite datele prin Wifi la ThingSpeak. Conform acestei pagini, timpul maxim de somn profund era de aproximativ 71 de minute, dar de la ESP8266 Arduino core 2.4.1 a crescut la aproximativ 3,5 ore. În codul meu m-am stabilit pentru o oră.

Am încercat mai întâi placa convenabilă de dezvoltare NodeMCU, dar, în somn profund, a consumat încă aproximativ 9 mA, ceea ce ne oferă cel mult 12 zile de somn profund profund, fără a lua în considerare nici măcar intervalele de trezire. Un vinovat important este regulatorul de tensiune AMS1117, care folosește energie chiar dacă încercați să o ocoliți conectând bateria direct la pinul de 3,3V. Această pagină explică cum să scoateți regulatorul de tensiune și USB UART. Cu toate acestea, nu am reușit niciodată să fac asta fără să-mi distrug tabloul. Mai mult, după ce ați eliminat USB UART, nu vă mai puteți conecta la ESP8266 pentru a afla ce a mers prost.

Majoritatea plăcilor de dezvoltare ESP8266 par să folosească regulatorul de tensiune AMS1117 risipitor. O excepție este WEMOS D1 mini (imaginea din stânga) care vine cu ME6211 mai economic. Într-adevăr, am constatat că WEMOS D1 mini folosește aproximativ 150 μA în somn profund, ceea ce seamănă mai mult cu el. Cea mai mare parte se datorează probabil USB UART. Cu această placă trebuie să lipiți singur anteturile pentru știfturi.

Cu toate acestea, ne putem descurca mult mai bine folosind o placă cu oase goale, cum ar fi ESP-12F (imaginea din dreapta), care nu are un UART USB sau un regulator de tensiune. Alimentând pinul de 3,3V, am găsit un consum de somn profund de doar 22 μA!

Dar, pentru ca ESP-12F să funcționeze, pregătește-te pentru o lipire și o programează puțin mai mult. Mai mult, cu excepția cazului în care bateriile furnizează direct tensiunea corectă, care este între 3V și 3,6V, trebuie să furnizăm propriul nostru regulator de tensiune. În practică, se dovedește a fi dificil să găsești un sistem de baterii care să furnizeze o tensiune în acest interval pe parcursul ciclului său complet de descărcare. Amintiți-vă că trebuie să alimentăm și senzorul HC-SR04-P, care teoretic poate funcționa cu o tensiune de până la 3V, dar funcționează mai precis dacă tensiunea este mai mare. Mai mult, în diagrama mea HC-SR04-P este pornit de un tranzistor, ceea ce induce o mică cădere de tensiune suplimentară. Vom folosi regulatorul de tensiune MCP1700-3302E. Tensiunea maximă de intrare este de 6V, așa că o alimentăm cu până la 4 baterii AA. Am decis să folosesc 3 baterii AA.

Pasul 3: Creați un canal ThingSpeak

Vom folosi ThingSpeak, un serviciu cloud IoT, pentru a stoca datele noastre. Accesați https://thingspeak.com/ și creați un cont. Odată conectat, faceți clic pe butonul Canal nou pentru a crea un canal. În Setările canalului, completați numele și descrierea după cum doriți. Apoi numim câmpurile canalului și le activăm dând clic pe casetele de selectare din dreapta. Dacă utilizați codul meu neschimbat, câmpurile sunt următoarele:

• Câmpul 1: nivelul apei (cm)
• Câmpul 2: nivelul bateriei (V)
• Câmpul 3: temperatura (° C)
• Câmpul 4: umiditate (%)
• Câmpul 5: presiune (Pa)

Pentru referințe viitoare, notați ID-ul canalului, Citirea cheii API și Scrierea cheii API, care pot fi găsite în meniul API chei.

Puteți citi datele ThingSpeak de pe smartphone folosind o aplicație. Pe telefonul meu Android folosesc widget-ul IoT ThingSpeak Monitor. Trebuie să-l configurați cu ID-ul canalului și cu cheia API Citire.

Pasul 4: Cum se programează ESP-12F

Avem nevoie de o placă cu oase goale pentru a economisi viața bateriei, dar dezavantajul este că este puțin mai dificil de programat decât o placă de dezvoltare cu USB UART încorporat.

Vom folosi ID-ul Arduino. Există și alte instructabile care explică modul de utilizare, așa că voi fi scurt aici. Pașii pentru a-l pregăti pentru ESP8266 sunt:

• Descărcați IDE-ul Arduino.
• Instalați suport pentru placa ESP8266. În meniul Fișier - Preferințe - Setări adăugați adresa URL https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json la adresele URL suplimentare ale administratorului de bord. Apoi în meniul Instrumente - Board - Boards Manager instalați comunitatea esp8266 de către esp8266.
• Selectați ca placă: modul ESP8266 generic.

Pentru a manipula ESP-12F am folosit o placă de adaptor, disponibilă în mod obișnuit în magazinele online. Am lipit cipul pe placă și apoi am lipit anteturile pe placă. Abia atunci am descoperit că placa adaptorului este prea largă pentru o placă standard! Nu lasă pini liberi pe lateral pentru a vă face conexiunile.

Soluția pe care am căutat-o este să folosesc fire în formă de U și să le conectez ca în imaginea din dreapta, înainte de a pune ESP8266 cu placa adaptorului pe panou. Deci, GND și VCC sunt conectate la șinele panoului, iar pinii rămași sunt disponibili mai jos pe panou. Dezavantajul este că placa dvs. de calcul va fi destul de aglomerată de fire după ce terminați circuitul complet. O altă soluție este de a potrivi două panouri împreună așa cum se arată în acest videoclip.

Apoi, pentru a programa ESP-12F prin portul USB al computerului, avem nevoie de un adaptor USB la serial. Am folosit programatorul FT232RL FTDI. Programatorul are un jumper pentru a selecta între 3,3V sau 5V. Ar trebui să fie pus la 3,3V pentru ESP8266. Nu uitați, deoarece 5V ar putea să vă prăjească cipul! Instalarea driverelor ar trebui să fie automată, dar dacă programarea nu funcționează, puteți încerca să le instalați manual din această pagină.

ESP8266 are un mod de programare pentru încărcarea noului firmware pe bliț și un mod bliț pentru a rula firmware-ul curent din memoria flash. Pentru a alege între aceste moduri, unii pini trebuie să ia o anumită valoare la momentul pornirii:

• Programare: GPIO0: scăzut, CH-PD: ridicat, GPIO2: ridicat, GPIO15: scăzut
• Bliț: GPIO0: ridicat, CH-PD: ridicat, GPIO2: ridicat, GPIO15: redus

Placa adaptorului se ocupă deja de tragerea CH-PD în sus și de tragerea GPIO15 în jos cu rezistențe de 10K.

Deci, în circuitul nostru electronic, trebuie să preluăm GPIO2. De asemenea, oferim un comutator pentru a pune ESP8266 în programare sau în modul bliț și un comutator pentru a-l reseta, care se face prin conectarea RST la masă. Mai mult, asigurați-vă că conectați pinul TX al FT232RL la pinul RXD al ESP8266 și invers.

Secvența de programare este următoarea:

• Setați GPIO2 la scăzut închizând comutatorul de programare.
• Resetați ESP8266 închizând și apoi redeschizând comutatorul de resetare. ESP8266 pornește acum în modul de programare.
• Setați GPIO2 înapoi la maxim deschizând comutatorul de programare.
• Încărcați noul firmware din ID-ul Arduino.
• Resetați ESP8266 din nou închizând și redeschizând comutatorul de resetare. ESP8266 pornește acum în modul bliț și rulează noul firmware.

Acum puteți testa dacă programarea funcționează încărcând faimoasa schiță Blink.

Dacă toate acestea funcționează, cel puțin pinii GND, VCC, GPIO2, RST, TXD și RXD sunt lipiți și conectați corect. Ce ușurare! Dar înainte de a continua, vă recomand să testați și ceilalți pini cu multimetrul. Am avut și eu o problemă cu unul dintre ace. Puteți utiliza această schiță, care setează toate pinii la maxim unul câte unul timp de 5 secunde, iar apoi pune ESP8266 în somn profund timp de 20 de secunde. Pentru a permite ESP8266 să se trezească după somn profund, trebuie să conectați RST la GPIO16, care oferă semnalul de trezire.

Pasul 5: încărcarea schiței

Am făcut codul disponibil pe GitHub, este doar un fișier: Level-Sensor-Deepsleep.ino. Doar descărcați-l și deschideți-l în ID-ul Arduino. Sau puteți selecta Fișier - Nou și doar copiați / lipiți codul.

Există câteva informații pe care trebuie să le completați la începutul fișierului: numele și parola WLAN de utilizat, detalii IP statice și ID-ul canalului și Scrierea cheii API a canalului ThingSpeak.

Urmând sfatul de pe acest blog, în loc de DHCP unde routerul atribuie în mod dinamic un IP, folosim IP static, unde setăm singuri adresa IP a ESP8266. Acest lucru se dovedește a fi mult mai rapid, așa că economisim timp activ și, astfel, energie din baterie. Deci, trebuie să furnizăm o adresă IP statică disponibilă, precum și IP-ul routerului (gateway-ului), al măștii de subrețea și a unui server DNS. Dacă nu sunteți sigur ce să completați, citiți despre configurarea unui IP static în manualul routerului. Pe un computer Windows conectat prin Wifi la router, porniți un shell (butonul Windows-r, cmd) și introduceți ipconfig / all. Veți găsi cele mai multe informații de care aveți nevoie în secțiunea Wi-Fi.

Examinând codul, vedeți că, spre deosebire de alte coduri Arduino, cea mai mare parte a acțiunii se întâmplă în funcția de configurare în loc de funcția de buclă. Acest lucru se datorează faptului că ESP8266 se oprește profund după ce termină funcția de configurare (cu excepția cazului în care am început în modul OTA). După ce se trezește, este ca o repornire proaspătă și rulează din nou setarea.

Iată caracteristicile principale ale codului:

• După trezire, codul setează switchPin (GPIO15 implicit) la ridicat. Aceasta pornește tranzistorul, care la rândul său pornește senzorul HC-SR04-P. Înainte de a dormi adânc, pune pinul la loc, oprind tranzistorul și HC-SR04-P, asigurându-se că nu consumă mai multă energie a bateriei.
• Dacă modePIN (implicit GPIO14) este scăzut, codul intră în modul OTA în loc de modul de măsurare. Cu OTA (actualizare over-the-air) putem actualiza firmware-ul prin Wifi în loc de portul serial. În cazul nostru, acest lucru este destul de convenabil, deoarece nu mai trebuie să conectăm serialul la adaptorul USB pentru actualizări ulterioare. Doar setați GPIO14 la scăzut (cu comutatorul OTA în circuitul electronic), resetați ESP8266 (cu comutatorul de resetare) și ar trebui să devină disponibil în Arduino IDE pentru încărcare.
• Pe PIN-ul analogic (A0), măsurăm tensiunea bateriei. Acest lucru ne permite să oprim dispozitivul nostru, adică somn profund, dacă tensiunea scade prea mult, sub tensiunea minimă, pentru a proteja bateriile de supra-descărcare. Măsurarea analogică nu este foarte precisă, facem măsuri numMeasuresBattery (implicit 10) și luăm media pentru a îmbunătăți precizia.
• Măsurarea distanței senzorului HC-SR04-P se face în funcția Măsurare distanță. Pentru a îmbunătăți precizia, măsurarea se repetă de câte ori NumMeasuresDistance (implicit 3).
• Există o funcție pentru a calcula speedOfSound din măsurarea temperaturii, umidității și a presiunii de către senzorul BME280. Adresa implicită I2C a BME280 este 0x76, dar dacă nu funcționează, poate fi necesar să o schimbați la 0x77: bool bme280Started = bme280.begin (0x77);
• Vom folosi BME280 în modul forțat, ceea ce înseamnă că durează o singură măsurare și se întoarce în repaus pentru a economisi energie.
• Dacă setați capacitatea (l), FullDistance (cm) și suprafața (m2), codul calculează volumul rămas al rezervorului de apă din măsurarea distanței: volumul dublu rămas = capacitate + 10,0 * (fullDistance-distance) * zona; și încărcați acest lucru pe ThingSpeak. Dacă păstrați valorile implicite, acesta încarcă distanța până la suprafața apei în cm.

Pasul 6: Construirea circuitului electronic

Deasupra este diagrama circuitului electronic. Este destul de mare pentru o singură placă, în special cu placa de adaptor supradimensionată și trucul cu firele în formă de U. La un moment dat mi-aș fi dorit cu siguranță să fi folosit alternativa de conectare a două panouri, dar în cele din urmă am reușit.

Iată caracteristicile importante ale circuitului:

• Există două tensiuni care joacă un rol: tensiunea de intrare de la baterie (în jur de 3,75V) și 3,3V care alimentează ESP8266 și BME280. Am pus 3,3V pe șina stângă a breakboard-ului și 3,75V pe șina dreaptă. Regulatorul de tensiune convertește 3.75V în 3.3V. Urmând instrucțiunile din foaia tehnică, am adăugat condensatori de 1 μF la intrarea și ieșirea regulatorului de tensiune pentru a crește stabilitatea.
• GPIO15 al ESP8266 este conectat la poarta tranzistorului. Acest lucru permite ESP8266 să pornească tranzistorul și, astfel, senzorul cu ultrasunete atunci când este activ și să îl oprească când merge în somn profund.
• GPIO14 este conectat la un comutator, comutatorul OTA. Închiderea comutatorului dă semnalul către ESP8266 pe care vrem să-l pornim în modul OTA în continuare, adică după ce apăsăm (închideți și deschidem) comutatorul RESET și încărcăm o nouă schiță în aer.
• Pinii RST și GPIO2 sunt conectați ca în diagrama de programare. Pinul RST este acum conectat și la GPIO16 pentru a permite ESP8266 să se trezească din somn profund.
• Pinii TRIG și ECHO ai senzorului cu ultrasunete sunt conectați la GPIO12 și GPIO13, în timp ce pinii SCL și SDA ai BME280 sunt conectați la GPIO5 și GPIO4.
• În cele din urmă, pinul analogic ADC este printr-un divizor de tensiune conectat la tensiunea de intrare. Acest lucru permite măsurarea tensiunii de intrare pentru a verifica încărcarea bateriilor. Pinul ADC poate măsura tensiuni între 0V și 1V. Pentru divizorul de tensiune am ales rezistențe de 100K și 470K. Aceasta înseamnă că tensiunea la pinul ADC este dată de: V_ADC = 100K / (100K + 470K) V_in. Luând V_ADC = 1V acest lucru înseamnă că putem măsura tensiuni de intrare de până la V_in = 570/100 V_ADC = 5,7V. În ceea ce privește consumul de energie, există, de asemenea, scurgeri de curent prin divizorul de tensiune. Cu V_in = 3.75V din baterii găsim I_leak = 3.75V / 570K = 6.6 μA.

Chiar și atunci când circuitul rulează de la baterii, este posibil să conectați USB-ul la adaptorul serial. Asigurați-vă că deconectați VCC-ul adaptorului și conectați GND, RX și TX ca în diagrama de programare. Acest lucru face posibilă deschiderea Serial Monitor în ID-ul Arduino pentru a citi mesajele de depanare și pentru a vă asigura că totul funcționează conform așteptărilor.

Pentru circuitul complet, am măsurat un consum de curent de 50 μA în somn profund când funcționam de la baterii. Acestea includ ESP8266, BME280, senzorul cu ultrasunete (oprit de tranzistor) și scurgerile prin divizorul de tensiune și poate alte scurgeri. Deci nu este prea rău!

Am constatat că timpul activ total este de aproximativ 7 secunde, dintre care 4,25 secunde pentru a vă conecta la Wifi și 1,25 secunde pentru a trimite datele la ThingSpeak. Deci, cu un curent activ de 80mA, am găsit 160 μAh pe oră pentru timpul activ. Adăugând 50 μAh pe oră pentru starea de somn profund, avem în total 210 μAh pe oră. Aceasta înseamnă că bateriile de 2600 mAh durează teoretic 12400 de ore = 515 zile. Acesta este maximul absolut dacă am putea folosi întreaga capacitate a bateriilor (ceea ce nu este cazul) și nu există scurgeri pe care nu le-am găsit cu măsurătorile mele actuale. Așa că încă nu am văzut dacă acest lucru se stinge cu adevărat.

Pasul 7: Finalizarea senzorului

Am pus senzorul într-un recipient de plastic de 1 litru, care obișnuia să conțină supă. În partea de jos am făcut două găuri pentru a se potrivi „ochilor” senzorului HC-SR04-P. În afară de găuri, recipientul trebuie să fie impermeabil. Apoi este atașat la peretele rezervorului de apă cu un inel circular care este utilizat în mod normal pentru o conductă de scurgere a apei de ploaie.

Distrează-te cu proiectul!