Patareitoitega veekoguja tasemeandur: 7 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

Meie majal on katusele sadanud vihmast toidetud veepaak, mida kasutatakse tualettruumi, pesumasina ja aias asuvate taimede kastmiseks. Viimased kolm aastat olid suved väga kuivad, seega hoidsime paagis veetasemel silma peal. Siiani kasutasime puupulka, mille panime paaki ja märkisime taseme. Kuid kindlasti peab olema võimalik seda parandada!

See on koht, kus see projekt tuleb. Idee on kinnitada paagi ülaossa ultraheli kaugusandur. See andur töötab sonarina, mis kiirgab helilaineid, mida seejärel veepind peegeldab. Aega, mis kulub lainete tagasitulekule ja helikiirusele, saate arvutada kauguse veepinnani ja määrata paagi täituvuse.

Kuna mul pole paagi lähedal toiteühendust, on oluline, et kogu seade töötaks patareidega. See tähendab, et pidin olema teadlik kõigi osade energiatarbimisest. Andmete saatmiseks otsustasin kasutada ESP8266 mikrokiibi sisseehitatud Wifi-d. Kuigi Wifi on üsna energiavaene, on sellel eelis teist tüüpi raadioühenduse ees: saate otse luua ühenduse oma kodu traadita ruuteriga, ilma et peaksite ehitama teist seadet, mis toimib releena.

Energia säästmiseks panen ESP8266 enamiku ajast sügavasse unne ja mõõdan iga tund. Vee taseme jälgimiseks piisab sellest. Andmed saadetakse ThingSpeakile ja neid saab seejärel rakenduse kaudu nutitelefonist lugeda.

Veel üks detail! Kauguse mõõtmiseks hädavajalik heli kiirus sõltub temperatuurist ja vähemal määral niiskusest. Täpsete väliste mõõtmiste jaoks aastaaegade jooksul kasutame BME280 andurit, mis mõõdab temperatuuri, niiskust ja rõhku. Boonuseks on meie veetaseme andurist ka väike ilmajaam.

Osad:

• 1x ESP8266 ESP-12F.
• 1x ESP-12F adapterplaat.
• 1x FT232RL FTDI: USB ja jadaadapter.
• 1x HC-SR04-P: ultraheli kauguse mõõtmise moodul. Pange tähele, et P on oluline, kuna sellel versioonil on madal minimaalne tööpinge 3 V.
• 1x BME280 3.3V versioon: temperatuuri-, rõhu- ja niiskusandur.
• 1x IRL2203N: n-kanaliga MOSFET-transistor.
• 1x MCP1700-3302E 3.3V versioon: pingeregulaator.
• 3x laetav AA patarei, nt. 2600 mAh.
• 1x akupesa 3 patarei jaoks.
• 1x leivalaud.
• Takistid: 1x 470K, 1x 100K, 4x 10K.
• Kondensaatorid: 2x keraamiline 1uF.
• 3x lülituslüliti.
• U-kujulised leivaplaadi juhtmed.
• Jumper juhtmed.
• Plastist supimahuti 1l.
• Kinnitusrõngas konteineri jaoks.

Tegin koodi GitHubis kättesaadavaks.

Samm: tutvuge ultraheli kaugusanduriga

Mõõdame kaugust veepinnast ultraheli anduriga HC-SR04-P. Nagu nahkhiir, kasutab see andur kajaloodi: see saadab inimkõrva jaoks liiga kõrge sagedusega helipulsi, seega ultraheli, ja ootab, kuni see tabab objekti, peegeldub ja naaseb. Seejärel saab kaugust arvutada kaja vastuvõtmiseks kuluva aja ja helikiiruse põhjal.

Konkreetselt, kui Trig -tihvti tõmmatakse kõrgele vähemalt 10 μs, saadab andur 8 impulsi purske sagedusega 40 Hz. Seejärel saadakse vastus Echo tihvtilt impulsi kujul, mille kestus on võrdne ultraheli impulsi saatmise ja vastuvõtmise vahelise ajaga. Siis peame jagama 2-ga, kuna ultraheli impulss liigub edasi-tagasi ja vajame ühesuunalist sõiduaega ning korrutame helikiirusega, mis on umbes 340 m/s.

Aga oota hetk! Tegelikult sõltub heli kiirus temperatuurist ja vähemal määral niiskusest. Kas ma nokitsen või on see asjakohane? Arvutusvahendit kasutades leiame, et talvel (-5 ° C) võib meil olla 328,5 m/s ja suvel (võttes 25 ° C) 347,1 m/s. Oletame, et leiame ühesuunalise sõiduaja 3 ms. Talvel tähendaks see 98,55 cm ja suvel 104,13 cm. See on päris suur vahe! Nii et kogu hooaja ja isegi päeval ja öösel piisava täpsuse saavutamiseks peame oma seadistusse lisama termomeetri. Otsustasin lisada BME280, mis mõõdab temperatuuri, niiskust ja rõhku. Koodis, mida kasutasin funktsioonis speedOfSound, valem, mis arvutab helikiiruse kõigi kolme parameetri järgi, kuigi temperatuur on tõesti kõige olulisem tegur. Niiskus mõjutab endiselt vähem, kuid rõhu mõju on tühine. Võiksime kasutada lihtsamat valemit, võttes arvesse ainult temperatuuri, mille rakendasin rakenduses speedOfSoundSimple.

HC-SR04 kohta on veel üks oluline punkt. Saadaval on kaks versiooni: standardversioon töötab 5 V, samas kui HC-SR04-P võib töötada pingevahemikus 3 V kuni 5 V. Kuna 3 laetavat AA patareid pakuvad umbes 3x1,25V = 3,75V, on oluline hankida P-versioon. Mõned müüjad võivad saata vale. Nii et kui ostate, vaadake pilte. Need kaks versiooni näevad nii taga kui ka ees erinevad, nagu sellel lehel selgitatud. P-versiooni tagaküljel on kõik kolm kiipi horisontaalsed, tavaversioonil aga vertikaalsed. Esiküljel on standardversioonil hõbedane lisakomponent.

Elektroonilises vooluringis kasutame transistorit lülitina, et lülitada ultrahelianduri toide välja, kui meie seadistus läheb sügava unerežiimi, et säästa aku kasutusaega. Muidu kulutaks see ikkagi umbes 2mA. Seevastu BME280 tarbib passiivses olekus ainult umbes 5 μ, seega ei ole vaja seda transistoriga välja lülitada.

Samm: ESP8266 juhatuse valimine

Anduri võimalikult kauaks akuga töötamiseks peame säästma energiatarbimist. Kuigi ESP8266 Wifi pakub väga mugavat viisi meie anduri ühendamiseks pilvega, on see ka üsna energiavaene. Töötades tarbib ESP8266 umbes 80 mA. Seega, kui aku on 2600 mAh, saaksime oma seadet kasutada ainult kuni 32 tundi, enne kui see tühjaks saab. Praktikas on seda vähem, kuna me ei saa kasutada täisvõimsust 2600 mAh enne, kui pinge langeb liiga madalale.

Õnneks on ESP8266-l ka sügava une režiim, kus peaaegu kõik on välja lülitatud. Seega on plaan panna ESP8266 enamus ajast sügavasse unne ja äratada see nii tihti üles, et teha mõõtmisi ja saata andmed Wifi kaudu ThingSpeakile. Selle lehe andmetel oli maksimaalne sügava une aeg umbes 71 minutit, kuid alates ESP8266 Arduino tuumast 2.4.1 on see suurenenud umbes 3,5 tunnini. Oma koodis leppisin tund aega.

Esmalt proovisin mugavat NodeMCU arendusplaati, kuid bummer, sügavas unes kulutas see siiski umbes 9 mA, mis annab meile maksimaalselt 12 päeva puhast sügavat und, isegi ärkamisintervalle arvestamata. Oluline süüdlane on pingeregulaator AMS1117, mis kasutab energiat isegi siis, kui proovite sellest mööda minna, ühendades aku otse 3,3 V kontaktiga. Sellel lehel selgitatakse, kuidas eemaldada pingeregulaator ja USB UART. Kuid ma ei suutnud seda kunagi teha ilma oma lauda hävitamata. Pealegi ei saa pärast USB UART eemaldamist enam ESP8266 -ga ühendust luua, et välja selgitada, mis valesti läks.

Enamik ESP8266 arendusplaate näib kasutavat raiskavat pingeregulaatorit AMS1117. Üks erand on WEMOS D1 mini (pilt vasakul), mis on kaasas säästlikuma ME6211 -ga. Tõepoolest, ma leidsin, et WEMOS D1 mini kasutab sügavas unes umbes 150 μA, mis on rohkem sarnane. Suurem osa sellest on tõenäoliselt tingitud USB UART -st. Selle plaadi abil peate aga jootma tihvtide päised ise.

Siiski saame palju paremini hakkama, kasutades palja kondiga tahvlit nagu ESP-12F (pilt paremal), millel pole USB UART-i ega pingeregulaatorit. Toitesin 3.3V pinni, leidsin sügava une tarbimise ainult 22 μA!

Kuid selleks, et ESP-12F tööle saada, valmistuge jootmiseks ja selle programmeerimiseks natuke rohkem vaeva! Lisaks, kui patareid ei anna otse õiget pinget, mis jääb vahemikku 3V kuni 3,6V, peame varustama oma pingeregulaatori. Praktikas osutub raskeks leida akusüsteemi, mis tagaks pinge selles vahemikus kogu tühjendustsükli jooksul. Pidage meeles, et peame andma toite ka HC-SR04-P andurile, mis teoreetiliselt võib töötada kuni 3 V pingega, kuid kõrgema pinge korral toimib täpsemalt. Veelgi enam, minu diagrammil lülitab HC-SR04-P sisse transistor, mis kutsub esile väikese lisapingelanguse. Kasutame pingeregulaatorit MCP1700-3302E. Maksimaalne sisendpinge on 6 V, seega toidame seda kuni 4 AA patareiga. Otsustasin kasutada 3 AA patareid.

Samm: looge ThingSpeak -kanal

Kasutame oma andmete salvestamiseks asjade Interneti pilveteenust ThingSpeak. Minge saidile https://thingspeak.com/ ja looge konto. Kui olete sisse loginud, klõpsake kanali loomiseks nuppu Uus kanal. Kanali seadetes sisestage nimi ja kirjeldus, nagu soovite. Seejärel nimetame kanaliväljad ja aktiveerime need, klõpsates paremal asuvatel märkeruutudel. Kui kasutate minu koodi muutmata kujul, on väljad järgmised:

• 1. väli: veetase (cm)
• 2. väli: aku tase (V)
• 3. väli: temperatuur (° C)
• 4. väli: niiskus (%)
• 5. väli: rõhk (Pa)

Tuleviku jaoks kirjutage üles kanali ID, lugemis -API -võti ja kirjutamis -API -võti, mille leiate menüü API -võtmetest.

Rakenduse abil saate oma nutitelefonist ThingSpeaki andmeid lugeda. Oma Android -telefonis kasutan vidinat IoT ThingSpeak Monitor. Peate selle konfigureerima kanali ID ja Read API võtmega.

Samm 4: ESP-12F programmeerimine

Aku kestvuse säästmiseks vajame palja kondiga tahvlit, kuid negatiivne külg on see, et seda on natuke raskem programmeerida kui sisseehitatud USB UART-iga arendusplaati.

Kasutame Arduino IDE -d. On ka teisi juhendeid, mis selgitavad selle kasutamist, nii et ma teen siin lühidalt. Selle valmistamiseks ESP8266 jaoks on järgmised sammud:

• Laadige alla Arduino IDE.
• Installige ESP8266 plaadi tugi. Lisage menüüsse Fail - Eelistused - Seaded lisahalduri täiendavatele URL -idele URL https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json. Järgmisena installige menüüs Tööriistad - Juhatus - Laudade haldur kogukonna esp8266 by esp8266 installimine.
• Valige pardal: üldine ESP8266 moodul.

ESP-12F käsitsemiseks kasutasin adapterplaati, mis on tavaliselt veebipoodides saadaval. Jootsin kiibi plaadi külge ja siis jootsin päised plaadi külge. Alles siis avastasin, et adapterplaat on tavalise leivalaua jaoks liiga lai! See ei jäta külgedele vaba nööpnõelasid ühenduste loomiseks.

Lahendus, mille poole ma läksin, on enne ESP8266 koos paneelplaadile panekuga kasutada U-kujulisi juhtmeid ja ühendada need nagu paremal oleval pildil. Seega on GND ja VCC ühendatud leivaplaadi rööbastega ja ülejäänud tihvtid on saadaval leivaplaadi all. Puuduseks on see, et pärast kogu vooluringi lõppu on teie leivaplaat juhtmetest üsna ülerahvastatud. Teine lahendus on paigaldada kaks leivaplaati kokku, nagu on näidatud selles videos.

Järgmisena vajame ESP-12F programmeerimiseks arvuti USB-pordi kaudu USB-jadaadapterit. Kasutasin FT232RL FTDI programmeerijat. Programmeerijal on hüppaja, mille vahel valida 3.3V või 5V. ESP8266 jaoks peaks see olema 3,3 V. Ärge unustage seda, kuna 5 V võib teie kiibi praadida! Draiverite installimine peaks olema automaatne, kuid kui programmeerimine ei tööta, võite proovida neid sellelt lehelt käsitsi installida.

ESP8266 -l on programmeerimisrežiim välkmälule uue püsivara üleslaadimiseks ja välgurežiim praeguse püsivara käivitamiseks välkmälust. Nende režiimide vahel valimiseks peavad mõned tihvtid alglaadimise ajal võtma teatud väärtuse:

• Programmeerimine: GPIO0: madal, CH-PD: kõrge, GPIO2: kõrge, GPIO15: madal
• Välk: GPIO0: kõrge, CH-PD: kõrge, GPIO2: kõrge, GPIO15: madal

Adapterplaat hoolitseb juba CH-PD üles tõmbamise ja 10K takistitega GPIO15 alla tõmbamise eest.

Seega peame oma elektroonilises vooluringis GPIO2 üles tõmbama. Pakume ka lülitit ESP8266 programmeerimiseks või välgurežiimi lülitamiseks ja lülitit selle lähtestamiseks, mis toimub RST ühendamisega maaga. Lisaks veenduge, et ühendate FT232RL TX-tihvti ESP8266 RXD-tihvtiga ja vastupidi.

Programmeerimisjärjestus on järgmine:

• Seadke programmeerimislüliti sulgedes GPIO2 madalaks.
• Lähtestage ESP8266, sulgedes ja seejärel uuesti avades lähtestuslüliti. ESP8266 käivitub nüüd programmeerimisrežiimis.
• Seadke GPIO2 tagasi kõrgele, avades programmeerimislüliti.
• Laadige uus püsivara üles Arduino IDE -st.
• Lähtestage ESP8266 uuesti, sulgedes ja uuesti avades lähtestuslüliti. ESP8266 käivitub nüüd välgurežiimis ja käivitab uue püsivara.

Nüüd saate testida, kas programmeerimine töötab, laadides üles kuulsa Blinki visandi.

Kui see kõik töötab, on vähemalt GND, VCC, GPIO2, RST, TXD ja RXD tihvtid õigesti joodetud ja ühendatud. Milline kergendus! Kuid enne jätkamist soovitaksin testida ka teisi tihvte oma multimeetriga. Mul endal oli ühe tihvtiga probleem. Saate kasutada seda visandit, mis seab kõik nööpnõelad ükshaaval kõrgele 5 sekundiks ja seejärel paneb ESP8266 20 sekundiks sügavasse unne. Et võimaldada ESP8266 pärast sügavat und ärgata, peate ühendama RST GPIO16 -ga, mis annab äratussignaali.

Samm: visandi üleslaadimine

Olen koodi GitHubis kättesaadavaks teinud, see on vaid üks fail: Level-Sensor-Deepsleep.ino. Lihtsalt laadige see alla ja avage see Arduino IDE -s. Või võite valida Fail - Uus ja lihtsalt koodi kopeerida/kleepida.

Faili algusesse tuleb sisestada teatud teave: kasutatava WLAN -i nimi ja parool, staatilised IP -andmed ning ThingSpeak -kanali kanali ID ja Write API võti.

Selle ajaveebi näpunäiteid järgides kasutame DHCP asemel, kus ruuter määrab dünaamiliselt IP, staatilist IP -d, kus määrame ESP8266 IP -aadressi ise. See osutub palju kiiremaks, seega säästame aktiivset aega ja seega ka aku energiat. Seega peame pakkuma saadaoleva staatilise IP -aadressi, samuti ruuteri (lüüsi), alamvõrgu maski ja DNS -serveri IP -aadressi. Kui te pole kindel, mida täita, lugege ruuteri kasutusjuhendist staatilise IP seadistamise kohta. Käivitage Windowsiga arvutis Wifi kaudu teie ruuteriga ühendatud kest (Windowsi nupp-r, cmd) ja sisestage ipconfig /all. Enamiku vajalikust teabest leiate jaotisest WiFi.

Koodi uurides näete, et erinevalt teistest Arduino koodidest toimub enamik toiminguid silmuse funktsiooni asemel seadistusfunktsioonis. Selle põhjuseks on asjaolu, et ESP8266 läheb pärast seadistusfunktsiooni lõpetamist sügavale unele (kui me pole alustanud OTA -režiimis). Pärast ärkamist on see nagu uus taaskäivitus ja käivitab uuesti seadistamise.

Siin on koodi olulised omadused:

• Pärast äratamist seab kood switchPin (vaikimisi GPIO15) kõrgele. See lülitab sisse transistori, mis omakorda lülitab sisse anduri HC-SR04-P. Enne sügavasse uinumist lülitab see tihvti tagasi madalale, lülitades transistori ja HC-SR04-P välja, tagades, et see ei kuluta rohkem väärt akut.
• Kui modePIN (vaikimisi GPIO14) on madal, läheb kood mõõtmisrežiimi asemel OTA -režiimi. OTA (üle õhu värskendamise) abil saame püsiprogrammi uuendada jadaporti asemel Wifi kaudu. Meie puhul on see üsna mugav, kuna edasiste värskenduste jaoks ei pea me enam jada USB -adapteriga ühendama. Lihtsalt seadke GPIO14 madalaks (OTA -lülitiga elektroonilises vooluringis), lähtestage ESP8266 (lähtestuslülitiga) ja see peaks olema saadaval Arduino IDE -s üleslaadimiseks.
• Analoog -PIN -koodi (A0) abil mõõdame aku pinget. See võimaldab meil oma seadme ehk aka sügava une välja lülitada, kui pinge langeb liiga madalale, alla minVoltage, et kaitsta patareisid ülelaadimise eest. Analoogmõõtmine ei ole väga täpne, me teeme numMeasuresBattery (vaikimisi 10) mõõtmisi ja võtame täpsuse parandamiseks keskmist.
• HC-SR04-P anduri kauguse mõõtmine toimub funktsioonis distanceMeasurement. Täpsuse parandamiseks korratakse mõõtmist numMeasuresDistance (vaikimisi 3) korda.
• SpeedOfSoundi saab arvutada temperatuuri, niiskuse ja rõhu mõõtmise abil BME280 anduri abil. BME280 vaike -I2C -aadress on 0x76, kuid kui see ei tööta, peate võib -olla muutma selle väärtuseks 0x77: bool bme280Started = bme280.begin (0x77);
• Kasutame BME280 sundrežiimis, mis tähendab, et see võtab ühe mõõtmise ja lülitub energia säästmiseks uuesti magama.
• Kui määrate mahutavuse (l), täisdistantsi (cm) ja pindala (m2), arvutab kood kaugusemõõtmise järgi veepaagi järelejäänud mahu: kahekordne järelejäänudKogus = maht+10,0*(täielik kaugus)*ala; ja laadige see üles ThingSpeaki. Kui säilitate vaikeväärtused, laadib see veepinna kauguse cm -des üles.

6. samm: elektroonilise vooluahela ehitamine

Ülal on elektroonilise vooluahela skeem. See on ühe leivaplaadi jaoks üsna suur, eriti suurte mõõtmetega adapterplaadi ja U-kujuliste juhtmetega. Mingil hetkel soovisin kindlasti, et oleksin kasutanud kahe leivalaua ühendamise võimalust, kuid lõpuks sain hakkama.

Siin on ahela olulised omadused:

• Rolli mängivad kaks pinget: aku sisendpinge (umbes 3,75 V) ja 3,3 V, mis toidab ESP8266 ja BME280. Panin 3,3 V murdlaua vasakule rööpale ja 3,75 V paremale rööpale. Pingeregulaator muudab 3,75 V 3,3 V pingeks. Andmelehe juhiseid järgides lisasin stabiilsuse suurendamiseks pingeregulaatori sisendisse ja väljundisse 1 μF kondensaatoreid.
• ESP8266 GPIO15 on ühendatud transistori väravaga. See võimaldab ESP8266 -l aktiveerida transistori ja seeläbi ultraheli anduri ning lülitada selle sügavasse unne minnes välja.
• GPIO14 on ühendatud lülitiga, OTA -lülitiga. Lüliti sulgemine annab signaali ESP8266-le, mida soovime järgmisena OTA-režiimis käivitada, s.t pärast seda, kui vajutame (sulgeme ja avame) lülitit RESET ja laadime eetrisse uue visandi.
• RST ja GPIO2 tihvtid on ühendatud nagu programmeerimisskeemil. RST -tihvt on nüüd ühendatud ka GPIO16 -ga, et ESP8266 saaks sügavast unest ärgata.
• Ultraheli anduri tihvtid TRIG ja ECHO on ühendatud GPIO12 ja GPIO13, BME280 tihvtid SCL ja SDA aga GPIO5 ja GPIO4.
• Lõpuks on analoogtapp ADC sisendpingega ühendatud pingejaguri kaudu. See võimaldab mõõta sisendpinget, et kontrollida akude laetust. ADC tihvt saab mõõta pinget vahemikus 0V kuni 1V. Pingejaguriks valisime takistid 100K ja 470K. See tähendab, et pinge ADC tihvti juures on antud: V_ADC = 100K/(100K+470K) V_in. Võttes V_ADC = 1V, tähendab see, et saame mõõta sisendpingeid kuni V_in = 570/100 V_ADC = 5,7V. Mis puutub energiatarbimisse, siis voolab läbi pingejaguri ka vool. Kui V_in = 3,75V patareidest, leiame I_leak = 3,75V/570K = 6,6 μA.

Isegi kui vooluahel töötab patareidest, on võimalik USB ühendada jadaadapteriga. Eemaldage lihtsalt adapteri VCC ja ühendage GND, RX ja TX nagu programmeerimisskeemil. See võimaldab avada Arduino IDE -s jadamonitori, et lugeda silumissõnumeid ja veenduda, et kõik töötab ootuspäraselt.

Kogu vooluahela jaoks mõõtsin patareidest töötades sügavas unes voolutarbimist 50 μA. Siia kuuluvad ESP8266, BME280, ultraheliandur (transistori poolt välja lülitatud) ja leke läbi pingejaguri ning võib -olla ka muud lekked. Nii et see pole väga halb!

Leidsin, et kogu aktiivne aeg on umbes 7 sekundit, millest 4,25 sekundit Wifi -ga ühenduse loomiseks ja 1,25 sekundit andmete saatmiseks ThingSpeakile. Nii et aktiivse vooluga 80 mA leidsin aktiivse aja jaoks 160 μAh tunnis. Lisades sügava une olekusse 50 μAh tunnis, on meil kokku 210 μAh tunnis. See tähendab, et 2600 mAh akud kestavad teoreetiliselt 12400 tundi = 515 päeva. See on absoluutne maksimum, kui saaksime kasutada akude täisvõimsust (mis pole nii) ja pole lekkeid, mida ma oma praeguste mõõtmistega ei leidnud. Nii et ma pean veel vaatama, kas see tõesti välja kukub.

Samm 7: Anduri viimistlemine

Panin anduri 1 -liitrisesse plastmahutisse, kus varem oli supp. Allosas tegin kaks auku, et need sobiksid HC-SR04-P anduri "silmadega". Peale aukude peaks konteiner olema veekindel. Seejärel kinnitatakse see veepaagi seina külge ümmarguse rõngaga, mida tavaliselt kasutatakse vihmavee äravoolutoru jaoks.

Lõbutsege projektiga!