P: Hladinomer - Monitor výšky hladiny - Arduino + ultrazvuk

Ponúkam mnou navrhnutý a naprogramovaný SOFTVÉR - webaplikáciu pre projekt Hladinomer. Ten umožňuje merať výšku hladiny vody (alebo podobnej kvapaliny) v studni. Princíp merania ultrazvukových senzorov je vyslanie signálu Trigger o určitej dĺžke, ktorý sa od hladiny odrazí a vráti sa do prijímača - Echo. Na základe prepočtu času vzhľadom na rýchlosť šírenia zvuku je možné určiť vzdialenosť medzi senzorom a hladinou vody (ktorá je dodatočnou konštantou prepočítaná na výšku hladiny vody od dna a takto vyjadrený aj objem).

Projekt využíva ultrazvukový senzor vzdialenosti HC-SR04 (detekčný uhol 15°), prípadne vodotestný senzor JSN-SR04T (detekčný uhol je až 60°).
Ako riadiaci mikrokontróler je možné využiť Arduino s Ethernet modulom Wiznet W5100 alebo W5500, prípadne WiFi platformy ESP8266 (NodeMCU, Wemos D1 Mini), alebo ESP32 (Devkit). Softvér obsahuje schému zapojenia pre všetky tieto platformy. Spomenuté platformy ESP8266 a ESP32 je možné prevádzkovať aj v režime Deep Sleep, ktorý dramaticky zníži ich spotrebu. Taktiež v režime StandBy existuje aj implementácia pre Over The Air (OTA) aktualizáciu firmvéru prostredníctvom LAN siete. Arduino s Ethernetom podporuje iba HTTP konektivitu!

Pre prevádzku projektu je nutné vlastniť webserver na verejnej IP adrese, alebo v LAN sieti, kam daná platforma odosiela dáta z ultrazvukového senzora. Na webserveri beží aplikácia, ktorá používateľovi ukáže v monitore posledné údaje, ale taktiež aj výšku hladiny vody za mesiac, týždeň, deň v prehľadných grafoch, či tabuľkovom vyhotovení. Web rozhranie obsahuje aj záznam rekordov - maximálna, minimálna hodnota hladiny vody za 24 hodín, 7 dní, 30 dní.

Webaplikácia má aj rôzne meniteľné údaje - výška celej studne (slúži ako kalibračná hodnota pre merania), nakoľko vyššia hladina = menšia hodnota medzi hladinou a senzorom, ktorý je umiestnený na vrchu studne. Preto sa touto hodnotou očítava meranie, aby sa zistila skutočná výška hladiny vody. Druhým meniteľným parametrom je priemer studne, ktorým je možné vykonať prepočet objemu studne v litroch s aktuálnou výškou hladiny a taktiež obsahuje aj odhad maximálnej hĺbky studne pri danom priemere pre čo najpresnejšie merania bez odrazov. Tento odhad maximálnej hĺbky studne sa realizuje trigonometriou.

Zdrojové kódy pre všetky tieto platformy, schéma zapojenia, knižnice pre senzor HC-SR04 sú obsiahnuté priamo vo webaplikácii. Dáta sú do webového rozhrania odosielané po HTTP / HTTPS protokole s POST payloadom. Vhodné aj pre laikov, stačí iba nahodiť webové rozhranie a upraviť cestu pre odosielanie dát. Programy pre Arduino obsahujú integrovaný watchdog, ktorý Arduino reštartuje pri záseku programu.

PONÚKAM IBA SOFTVÉR, HARDVÉR JE NUTNÉ ZAOBSTARAŤ SI SAMOSTATNE!

Projekt je možné vopred vyskúšať zdarma na mojej doméne s vašim hardvérom: https://arduino.php5.sk/studna/
Pri záujme o kúpu / vyskúšanie: martinius96@gmail.com
Cena: 30€ za komplet

Fotogaléria webaplikácie a hardvéru:








Detekčná charakteristika HC-SR04 (1,2 metra pri 4,5m hĺbke):

Detekčná charakteristika JSN-SR04T (6 metrov pri 4,5m hĺbke):

Ponuka stále aktuálna.

Do projektu bola pridaná podpora pre využitie prenosu dát cez IoT sieť Sigfox s kompatibilným WISOL UART modemom. Hodí sa predovšetkým do oblastí bez pevného internetu pre prevádzku projektu. Sigfox má pokrytie skoro na 90% Slovenska. Vhodné použitie najmä pre projekt prevádzkovaný na batériu, spotreba pri vysielaní je tretinová v porovnaní s vysielaním ESP32 cez jeho WiFi modem. Samotný modul podporuje režimy spánku soft/deep. Komunikuje cez AT príkazy cez UART.

Modul odošle cez bázové stanice payload (HEX) do Sigfox backendu, kde je potrebné vytvoriť callback, ktorý dáta spracuje, odošle vo formáte, aký očakáva webserver pre zápis - podporuje HTTP i HTTPS request. Nakoľko má testovací freehosting iba podporu HTTP, je nutné pre testovanie callbacku použiť iba prenosový protokol HTTP. Vytvorené programové implementácie je možné ihneď otestovať s kompatibilným hardvérom. Nakoľko je Sigfox limitovaný aj počtom správ / deň, odosiela dáta každých 11 minút. Maximálne je možné posiela 12B. Projekt Hladinomer má iba 4B payload, Hladinomer rozšírený o zrážkomer 8B payload. Payload je možné doplniť o systémové info - geolokačné dáta, číslo správy, RSSI a iné... Nastavenie callbacku je popísané v programovej implementácii pre Sigfox dostupnej na Githube. Možno vyskúšať.

Programové implementácie pre mikrokontroléry (rozdelené podľa projektu):
https://github.com/martinius96/hladinomer-studna-scripty/tree/master/examples
URL projektu Hladinomer pre vyskúšanie:
http://arduino.clanweb.eu/studna_s_prekladom/
URL projektu Hladinomer rozšírený o zrážkomer RG-11 (pracuje v režime preklápacieho vedra s 0.01mm rozlíšením):
http://arduino.clanweb.eu/studna/

Update:
Vývoj projektu bol ukončený finálnou verziou.

Doplnené HTTP Auth pre prihlásenie k:

náhľadu zdrojového kódu

zmene a zobrazeniu nastavení rozmerov a názvu studne

vymazaniu existujúceho záznamu

Pridané SW vyhladenie meraní z dôvodu častého výsledku (desiatich) priemerovaných meraní +- 1 cm predchádzajúceho výsledku.
SW vyhladenie zapisuje do MySQL starú hodnotu v prípade, že namerané nie je o +2 cm vyššia alebo o -2 cm nižšia od pôvodnej hodnoty výšky hladiny.

Cca od polovice grafu viditeľná aplikovaná zmena (SW vyhladenie):


Projekt dostal vlastné ikony lokálne linkované, vylepšené zdrojové kódy pre mikrokontroléry s watchdogom, využité direktívy, ktoré podmienene kompilujú program na základe mikrokontrolérovej architektúry. Existuje jeden zdrojový kód pre všetky tri podporované architektúry mikrokontrolérov. Pre prenosovú technológiu Ethernet podporované celkom 4 typy modulov a shieldov: Wiznet W5100, W5500 W5500 V2 (USR-ES1), MicroChip ENC28J60. Možno využiť ultrazvukové senzory HC-SR04 / JSN-SR04T, alebo aj iné z rady RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, ktoré majú Trigger a Echo signál samostatne, prípade kombinovaný (Transceiver) v prípade senzora Parallax PING)))™.

Aktuálna verzia projektu umožňuje využiť aj iné typy senzorov (nutné vytvoriť vlastný firmvér):

Laserové (LiDAR)

Hydrostatické (ponorné)

Elektrostatické (kapacitné / indukčné)

Tlakové (diferenčné / s kompenzačným senzorom atmosférického tlaku)

Optické

Mechanické (plavák)

Magnetické (Hall)

Mikrovlnné (radarové)

Ultrazvukové - iný typ výstupu (UART, RS-232, prúdová slučka, Modbus TCP / RTU, M-bus, RS-485, PROFINET, CAN)

Poznámka: Ak sa vykonáva prepočet výšky hladiny vody od dna na strane mikrokontroléra, je nutné na webovom rozhraní nastaviť hĺbku studne na 0 cm.

Projekt má aj vlastnú stránku, kde je možné nájsť súpis podporovaného hardvéru (mikrokontroléry, ultrazvukové senzory, shieldy a moduly prenosových technológii Ethernet / Sigfox):
https://martinius96.github.io/hladinomer-studna-scripty/

K dispozícii sú aj implementácie pre ESP32 s využitím operačného systému reálneho času FreeRTOS.
Využíva tasky (úlohy), ktoré sú priradené k jadrám procesora Xtensa. Používa mechanizmus výmeny dát inter-task komunikáciu cez Queue FIFO buffer - mechanizmus blokovania úloh po dobu prijatia dát.
Implementácia existuje v Arduino Core (Wiring), ale aj vo frameworku ESP-IDF od Espressif Systems.