Riadiaci hardvér - kompatibilné mikrokontroléry AVR / ESP

Riadiaci mikrokontróler Arduino UNO
Arduino UNO
Kúpiť Techfun.sk
Riadiaci mikrokontróler Arduino Nano
Arduino Nano
Kúpiť Techfun.sk
Riadiaci mikrokontróler Arduino Mega 1280/25
Arduino Mega 1280/2560
Kúpiť Techfun.sk
Riadiaci mikrokontróler NodeMCU v2 / v3 Lolin - ESP8266-12E / ESP8266-12F
NodeMCU 0.9 / 1.0
Kúpiť Techfun.sk
Riadiaci mikrokontróler Wemos D1 Mini - ESP8266-12E / ESP8266-12F
Wemos D1 Mini
Kúpiť Techfun.sk
Riadiaci mikrokontróler ESP32 Devkit V1 - ESP-WROOM-32 / ESP32-S
ESP32 DevKit
Kúpiť Techfun.sk

Moduly prenosových technológii - Ethernet

Ethernet shield Wiznet W5100
Ethernet shield Wiznet W5100
Kúpiť Techfun.sk
Ethernet modul Wiznet W5500
Ethernet modul Wiznet W5500
Kúpiť Techfun.sk
Ethernet modul LAN 8720 PHY Ethernet
Ethernet modul PHY LAN8720
Kúpiť Techfun.sk
Ethernet modul MicroChip ENC28J60
Ethernet modul ENC28J60
Kúpiť Techfun.sk

Kompatibilné ultrazvukové senzory vzdialenosti

Ultrazvukový senzor vzdialenosti HC-SR04
HC-SR04
Kúpiť Techfun.sk
Ultrazvukový senzor vzdialenosti HY-SRF05
HY-SRF05
Kúpiť Techfun.sk
Ultrazvukový vodotesný senzor vzdialenosti JSN-SR04T
JSN-SR04T
Kúpiť Techfun.sk
Ultrazvukový senzor vzdialenosti Parallax PING)))™
Parallax PING)))™
Ultrazvukový senzor vzdialenosti DYP-ME007
DYP-ME007

Hladinomer - monitor výšky hladiny vody v studni

IoT Dashboard pre hladinomer pozostáva z webového rozhrania, ktoré je celým mozgom vizualizácie meraní. Webaplikácia umožňuje zaznamenávať údaje o výške hladiny vody v kopanej studni zo senzorového uzla - mikrokontroléra. Meranie výšky hladiny vody sa realizuje s využitím ultrazvukových senzorov - HC-SR04, alebo jeho vodotesnej varianty JSN-SR04T. Možno využiť aj iné senzory so signálmi Trigger / Echo z rady RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, Parallax PING)))™ v aktuálnej programovej implementácii. Senzorový uzol v každých 5 minút vykonáva 10 meraní ultrazvukovým senzorom, ktoré spriemeruje. Výsledná hodnota sa posiela serveru cez použité rozhranie (WiFi / Ethernet / IoT sieť LoRaWAN / NB-IoT). Aktuálne dáta o výške hladiny vody sú reprezentované používateľovi v dashboarde spolu s prepočtom na objem studne a tendenciou hladiny. Historické dáta o výške hladiny vody má používateľ k dispozícii aj v tabuľkovej, alebo grafickej vizualizácii čiarovými grafmi. Webové rozhranie je responzíve a dokáže sa prispôsobiť obrazovke smartfónu, počítaču, tabletu, aj Smart TV. Backend pri prijatí dát vykonáva korekciu nameranej výšky hladiny na skutočnú na základe známej hĺbky studne, keďže senzor zasiela len rozdielovú výšku hladiny vody. Na základe reálnej výšky hladiny vody dokáže určiť aj objem studne v litroch. Hĺbku a priemer studne (konfiguračné dáta) do systému vkladá používateľ na základe proporcií jeho studne.

Hladinomer - dashboard - automatická obnova aktuálne nameraných dát cez jQuery

Princíp merania ultrazvukových senzorov je vyslanie signálu Trigger s dĺžkou 10 μs (mikrosekúnd), ktorý sa od hladiny vody odrazí a vráti sa do prijímača - Echo. Využíva sa metóda Time-of-Flight pre prepočet času medzi vyslaním a prijatím signálu na určenie vzdialenosti hladiny vody od senzora, ktorý je umiestnený na vrchu studne. Vzorec prepočtu počíta s rýchlosťou zvuku 343 m/s pri teplote 20 °C. Niektoré ultrazvukové senzory majú aj teplotný senzor, ktorý môže vykonať korekciu meraní (napr. US-100 so zabudovaným termistorom). Dôležitým parametrom ultrazvukových senzorov je šírka lúča, inými slovami detekčná charakteristika. Senzor HC-SR04 má 15° detekčnú charakteristiku. Lúč je relatívne úzky a senzor je tak vhodný aj pre užšie studne a nádrže, avšak nie je vodotesný a má vysoké riziko korózie vo vlhkých podmienkach studne. Z toho dôvodu je tento ultrazvukový senzor vhodné umiestniť nad studňu pre zníženie účinkov vlhkosti v danom prostredí. Vodotesný senzor JSN-SR04T má detekčnú charakteristiku 60°, čo ho značne limituje a zamedzuje jeho použitiu v úzkych studniach, nakoľko sa lúč so vzdialenosťou veľmi rozširuje a je potrebná studňa s priemerom niekoľko metrov (6 metrov priemer pri hĺbke studne 4,5 metra). Ultrazvukové senzory sú plne bezúdržbové. Senzor JSN-SR04T má riadiacu elektronickú dosku, ktorá nesmie byť vystavená vlhkosti a vode. Maximálna merateľná výška hladiny (úrovne) senzormi je cca 400 až 450cm na základe údajov z katalógových listov (datasheetov).

Iné typy senzorov pre záznam výšky hladiny vody, ktoré je možné integrovať (nutné vytvoriť vlastný firmvér):
  • Laserové (LiDAR) - (Garmin LIDAR-Lite v3HP, TFMini ...)
  • Hydrostatické (ponorné) - (LMK307, DPT200, PT20eco, HDL300 ...)
  • Elektrostatické (kapacitné / indukčné)
  • Tlakové (diferenčné / s kompenzačným senzorom atmosférického tlaku)
  • Optické - (GP2Y0A02YK0F, YD-02F, FS-IR02 ...)
  • Mechanické (plavák)
  • Magnetické (Hall) - (VCL9, Sen-Hz41wa ...)
  • Mikrovlnné (radarové) - (CS476, CS475A-L, SP69, WLR 8/15/30 ...)
  • Ultrazvukové - iný typ výstupu (UART, RS-232, RS-485, prúdová slučka 4-20 mA, Modbus TCP / RTU, M-bus, PROFINET, CAN, DQ)
  • Poznámka: Ak sa vykonáva prepočet výšky hladiny vody od dna na strane mikrokontroléra, je nutné na webovom rozhraní nastaviť hĺbku studne na 0 cm.

    • Video demonštrácia webového rozhrania - Hladinomer:

    Ultrazvukové senzory sú vhodné do:

  • Kopaných studní
  • Septikov a žúmp
  • Potokov a jazier
  • Plastových nádrží na dažďovú vodu
  • Silá (meranie naplnenia sypkými materiálmi)
  • Kontajnery (monitoring odpadu, naplnenia zbernej nádoby)
  • Kotolne (monitoring zásoby dreva, peliet, uhlia, štiepky)
  • Šachty a pivnice (monitoring vytopenia - výšky spodnej vody)

    • Ultrazvukové senzory nie sú vhodné do:

  • Vŕtaných studní (z dôvodu detekčnej charakteristiky - široký lúč)
  • Potrubí a rúr (z dôvodu detekčnej charakteristiky - široký lúč)
  • Do studní so spádovým prítokom (rozbúrená hladina utlmí ultrazvuk, meranie je nemožné / skokovité)
  • Do miest s náhlou zmenou teplôt (teplota ovplyvňuje čas šírenia zvuku, teda aj stacionárna hladina sa javí ako kolísavá)
  • Vákuových nádrží (meranie je nemožné, zvuk sa nešíri)
    • Detekčná charakteristika ultrazvukových senzorov vzdialenosti - MATLAB scripty pre vizualizáciu:
  • HC-SR04.m stiahnuť
  • JSN-SR04T.m stiahnuť

    • Plug n play firmware - Ultra Low Power / StandBy

    Skompilovaný firmvér dostupný pre okamžité nahratie do mikrokontroléra (nevyžaduje inštaláciu knižníc).
    Názov firmvéru Funkcia firmvéru ESP8266 ESP32
    Ultra Low Power

    Firmvér pre ULP aplikácie s nízkym prúdovým odberom (viz. schéma zapojenia). Firmvér sa nahráva cez pribalený nástroj ESPTOOL automatizovane, ktorý je spustený s .bat scriptom (v scripte nutné zmeniť COM port vašej ESP dosky). Po nahratí firmvéru a za predpokladu, že ESP nemá uložené SSID a heslo z predchádzajúceho projektu, spustí sa WiFiManager, ktorý slúži pre konfiguráciu existujúcej WiFi siete. ESP začne vysielať v režime AP otvorenú WiFi sieť s SSID --> Hladinomer_AP. Po pripojení klienta (Windows / Android / iOS) sa spustí Captive portál na 192.168.4.1 (klient by mal byť presmerovaný automaticky). WiFiManager umožní vo web rozhraní vybrať WiFi sieť v dosahu, nastaviť heslo. Po úspešnom pripojení ESP na zadanú WiFi sieť a pridelení IPv4 z daného rozsahu sa Captive Portal vypne, ESP zostáva v móde STA - Station. Následne senzorový uzol začne prenášať dáta do web rozhrania Hladinomera. Pri následnom spustení senzorového uzla sa už Captive Portal a WiFiManager nespustí, nakoľko je konfigurácia WiFi siete permanetne uchovaná. Mikrokontróler po odoslaní dát prechádza do režimu hlbokého spánku - Deep Sleep. V režime spánku je vypnutý hlavný procesor Xtensa. ESP8266 je prebudené cez WAKE timer (vyžaduje sa prepojka medzi GPIO16 a RST), ESP32 cez RTC Timer.

    		ESP8266 firmvér ESP32 firmvér
    StandBy

    Firmvér pre StandBy režim mikrokontroléra, ktorý odosiela v pravidelných intervaloch (5 min) meranie o výšky hladiny vody na webserver a zároveň udržuje konektivitu s AP v LAN sieti. Firmvér sa nahráva cez pribalený nástroj ESPTOOL automatizovane, ktorý je spustený s .bat scriptom (v scripte nutné zmeniť COM port vašej ESP dosky). Po nahratí firmvéru a za predpokladu, že ESP nemá uložené SSID a heslo z predchádzajúceho projektu, spustí sa WiFiManager, ktorý slúži pre konfiguráciu existujúcej WiFi siete. ESP začne vysielať v režime AP otvorenú WiFi sieť s SSID --> Hladinomer_AP. Po pripojení klienta (Windows / Android / iOS) sa spustí Captive portál na 192.168.4.1 (klient by mal byť presmerovaný automaticky). WiFiManager umožní vo web rozhraní vybrať WiFi sieť v dosahu, nastaviť heslo. Po úspešnom pripojení ESP na zadanú WiFi sieť a pridelení IPv4 z daného rozsahu sa Captive Portal vypne, ESP zostáva v móde STA - Station. Následne senzorový uzol začne prenášať dáta do web rozhrania Hladinomera. Pri následnom spustení senzorového uzla sa už Captive Portal a WiFiManager nespustí, nakoľko je konfigurácia WiFi siete permanetne uchovaná.

    		ESP8266 firmvér ESP32 firmvér

    Konfigurácia WiFi siete cez WiFiManager - Plug n play firmware

    WiFi sieť Hladinomer_AP, Captive Portal a webové rozhranie WiFiManagera v systéme Android

    Princíp fungovania hladinomera - Bloková schéma

    Hladinomer do žumpy, septiku, studne, princíp merania - ultrazvukový senzor vzdialenosti

    Webové rozhranie (IoT dashboard) využíva trigonometriu pre odhad merateľnej maximálnej hĺbky studne pri známom priemere studne (ďalší parameter pre výpočet objemu studne). Používateľovi vie tak webové rozhranie dopočítať, do akej maximálnej hĺbky studne je každý zo senzorov vhodný na základe jeho charakteristiky. Projekt je tak jednoduchý na použitie aj pre laikov, ktorí nevedia, ktorý senzor je pre aplikáciu v ich studni vhodnejší. Dôležitú úlohu v systéme zohráva aj použitý mikrokontróler. Pre projekt je možné využiť platformu Arduino (Uno / Mega) v revízii R3 s identickým pinoutom, ktorú je možné spojiť s Ethernet shieldom, ktorý komunikuje cez ICSP rozhranie. Taktiež je možné využiť aj Ethernet moduly a pripojiť ich priamo na hardvérové SPI piny mikrokontroléra. Podporované sú Ethernet moduly od výrobcu Wiznet W5100, W5500, USR-ES1. Od výrobcu MicroChip je podporovaný Ethernet modul ENC28J60. Všetky Ethernet moduly zabezpečujú HTTP konektivitu s webserverom. Podporované sú aj WiFi mikrokontroléry od Espressif Systems - ESP8266 a ESP32. Mikrokontroléry majú viacero prevádzkových režimov: StandBy, StandBy + OTA s možnosťou vzdialeného uploadu firmvéru cez LAN sieť a režim hlbokého spánku pre ULP aplikácie - Deep Sleep. V režime spánku pre mikrokontróler ESP8266 je nutné pridať fyzickú prepojku medzi GPIO16 (WAKE) a RST - pozri Schému zapojenia. Mikrokontroléry ESP umožňujú implementovať aj šifrovanú komunikáciu s webserverom cez HTTPS protokol. ESP32 je možné použiť aj s PHY Ethernet modulom LAN8720, podporuje HTTP i HTTPS spojenie. Platforma ESP8266 i ESP32 využíva certifikát koreňovej certifikačnej autority (Root CA), ktorá pre doménu webservera vydala certifikát (Issuer). Certifikát je vložený do zdrojového kódu mikrokontrolérov v .pem formáte. Aby certifikát nezaberal miesto v RAM pamäti mikrokontroléra, je vložený do flash pamäte mikrokontroléra - PROGMEM. Certifikát certifikačnej autority platí v rozmedzí 10 až 20 rokov, nevyžaduje tak častý renew certifikátu. Dáta o aktuálnej výške hladiny vody a objeme vody v studni sú z webového rozhrania dostupné v JSON formáte. Projekt Hladinomer je možné integrovať cez MQTT do domácej automatizácie (Hassio, Domoticz, Loxone) pre zobrazenie výšky hladiny vody vo vlastnom dashboarde napr. Grafana. Následne je možné v podsystéme vykonávať aj ovládanie periférii (zavlažovanie, polievanie, aktivácia domácej vodárne) na základe dát o výške hladiny vody v studni z web rozhrania.

    Operačný mód StandBy StandBy + Over The Air (OTA) Ultra Low Power (ULP) FreeRTOS
    Mikrokontróler - - - -
    Arduino + Ethernet ✓ × × ×
    ESP8266 ✓ ✓ ✓ ×
    ESP32 ✓ ✓ ✓ ✓
    Programové implementácie pre Arduino, ESP8266, ESP32 (vyžadujú doinštalovanie knižníc): Dostupné tu

    Dostupné knižnice pre mikrokontroléry (Arduino / ESP)

    Archív knižnice (.zip) rozbaliť do C:/Používatelia/[Používateľ]/Dokumenty/Arduino/libraries
    Názov knižnice Funkcia knižnice Stiahnuť
    NewPing

    Knižnica pre AVR mikrokontroléry (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Umožňuje vykonávať meranie ultrazvukovými senzormi vzdialenosti RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, Parallax PING)))™.

    		Stiahnuť
    NewPingESP8266

    Knižnica pre ESP8266 a ESP32 mikrokontroléry. Umožňuje vykonávať meranie ultrazvukovými senzormi vzdialenosti RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, Parallax PING)))™.

    		Stiahnuť
    Ethernet2

    Knižnica pre AVR mikrokontroléry (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Umožňuje komunikáciu s Ethernet modulom Wiznet W5200 až W5500 cez SPI rozhranie.

    		Stiahnuť
    Ethernet3

    Knižnica pre AVR mikrokontroléry (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Umožňuje komunikáciu s Ethernet modulom Wiznet W5500 V2 - USR-ES1 cez SPI rozhranie.

    		Stiahnuť

    Screenshoty webového rozhrania pre projekt Hladinomer

    Hlavný prehľad - Hladinomer - výška hladiny vody v studni Historický prehľad nameraných údajov s časovou značkou - Hladiomer Grafická vizualizácia výšky hladiny vody za deň, 7 dní, 30 dní, rok - Hladinomer Maximálne a minimálne hodnoty výšky hladiny vody v studni za 24 hodín, 7 dní, 30 dní ESP32 - FreeRTOS - ESP-IDF - meranie a prenos dát na webserver cez HTTPS, POST metóda prenosu

    Kompatibilný hardvér pre projekt hladinomer

     Podporovaný hardvér pre projekt Hladinomer - Arduino - Ethernet - WiFi - ESP8266 - ESP32 Senzorový uzol ESP32 s PHY Ethernet modulom LAN7820 a ultrazvukovým senzorom JSN-SR04T