Hladinomer do kopanej studne - Arduino / ESP8266 / ESP32

Ponúkam mnou naprogramovanú webaplikáciu pre projekt Hladinomer. Webaplikácia umožňuje zaznamenávať údaje zo senzorového uzla, ktorý v pravidelných intervaloch (5 min) posiela informácie o výške hladiny vody v studni / nádrži. Údaje sú vizualizované používateľovi vo webovom rozhraní v dashboarde, či historicky v čase v grafoch, tabuľkách.

Využíva sa ultrazvukové meranie. 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 získanie rozdielovej výšku hladiny vody od senzora.

Po odoslaní dát do webového rozhrania sa vykoná korekcia, kedy sa vypočíta reálna výška hladiny od dna studne, ktorá je zapísaná do databázy. Korekcia sa vykoná na základe známej hĺbky studne a prijatej rozdielovej výšky hladiny vody z ultrazvukového senzora. Webové rozhranie v dashboarde vizualizuje aj aktuálny objem studne v litroch na základe známeho priemeru studne. Obe hodnoty sú vizualizované aj s tendenciou od predchádzajúceho merania t.k. stúpa, klesá, ustálená o XY cm / o XY litrov.

Ultrazvukové senzory SÚ vhodné do:

Kopaných studní[/list:u:2s2778r6]
Septikov a žúmp[/list:u:2s2778r6]
Potokov a jazier[/list:u:2s2778r6]
Plastových nádrží na dažďovú vodu[/list:u:2s2778r6]
Silá (meranie naplnenia sypkými materiálmi)[/list:u:2s2778r6]
Kontajnery (monitoring odpadu, naplnenia zbernej nádoby)[/list:u:2s2778r6]
Kotolne (monitoring zásoby dreva, peliet, uhlia, štiepky)[/list:u:2s2778r6]
Šachty a pivnice (monitoring vytopenia / spodnej vody)[/list:u:2s2778r6]

Ultrazvukové senzory NIE SÚ vhodné do:

Vŕtaných studní (z dôvodu detekčnej charakteristiky - široký lúč) [/list:u:2s2778r6]
Potrubí a rúr (z dôvodu detekčnej charakteristiky - široký lúč) [/list:u:2s2778r6]
Do studní so spádovým prítokom (rozbúrená hladina utlmí ultrazvuk, meranie je nemožné) [/list:u:2s2778r6]
Do miest s náhlou zmenou teplôt (teplota ovplyvňuje čas šírenia zvuku, teda aj stacionárna hladina sa javí ako kolísavá)[/list:u:2s2778r6]
Do vákuových nádrží (meranie je nemožné)[/list:u:2s2778r6]

Projekt využíva ultrazvukový senzor vzdialenosti HC-SR04 - (detekčný uhol 15°), prípadne vodotestný senzor JSN-SR04T (detekčný uhol je až 60°). Taktiež je možné použiť aj obdobné senzory s rovnakým spôsobom merania a signálmi Trigger, Echo: US-02X, IOE-SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-ME007. Detekčný uhol reprezentuje šírku lúča. Merať je možné výšku hladiny až do 400 resp. 450 cm (na základe údajov z katalógového listu jednotlivých senzorov).

Pre obsluhu projektu je možné využiť mikrokontróler Arduino (Uno / Mega) s Ethernet modulom Wiznet W5100 alebo W5500, prípadne jeho novšiu verziu USR-ES1. Pre prenos dát vzduchom je možné použiť WiFi platformy od Espressif Systems - ESP8266 (NodeMCU, Wemos D1 Mini, Generic Board), alebo ESP32 (Devkit, prípadne samostatný modul napr. ESP32-WROOM-32). Schéma zapojenia pre všetky platformy je dostupná priamo vo webaplikácii spolu so zdrojovými kódmi v jazyku Wiring (.ino app), resp. pre ESP32 dostupná aj experimentálna implementácia vo frameworku ESP-IDF s operačným systémom reálneho času - FreeRTOS s mechanizmom blokovania úloh Queue.

Mikrokontrolérové platformy ESP8266 a ESP32 (Wiring implementácie) je možné prevádzkovať aj v režime ULP (Ultra-Low Power), ktorý dramaticky zníži ich spotrebu na úroveň desiatok mikroampérov. Vhodné pre prevádzku na batériu aj niekoľko rokov (nutné použiť aj tranzistor pre spínanie napájania pre senzor, vyžaduje úpravu zdrojového kódu).

Druhým prevádzkovým režimom je StandBy, kedy platforma beží v štandardnom režime a môže byť rozšírená o implementáciu Over The Air (OTA), ktorá ponúka aktualizáciu firmvéru prostredníctvom LAN siete priamo z rozhrania ArduinoIDE, využíva sa espota.py pre upload process. Arduino s Ethernetom podporuje iba HTTP konektivitu a nepodporuje OTA aktualizáciu, ani režim Low-power (Režim hlbokého spánku)! Pre platformy ESP8266 a ESP32 je možné využiť HTTP i HTTPS šifrované spojenie s webserverom.

V prípade, že nie je na danom mieste dostupný pevný internet, je možné využiť aj prenos dát cez IoT sieť Sigfox, ktorá pokrýva 90% Slovenska a aj väčšinou štátov EÚ a je tak vhodnou alternatívou pre oblasti bez pokrytia internetom. Kompatibilný je UART modem SIGFOX WISOL 868MHz (SFM10R1), ktorý komunikuje s mikrokontrolérom cez AT príkazy cez UART.

Modem je vhodný pre IoT aplikácie s nízkym prúdovým odmerom. Limit správy 12B (používajú sa 4B pre výšku hladiny vody UINT_32), custom callback zo Sigfox backendu vykonáva HTTP / HTTPS POST request pre zápis dát do webového rozhrania. Nakoľko má sieť Sigfox obmedzený počet správ za deň (140), meranie a odosielanie dát sa vykonáva každých 11 minút. V prípade licencie na 140 správ je možné využiť aj iné - systémové dáta pre prenos napríklad GPS súradnice zo systému Sigfox ATLAS (nutné upraviť súbor pre zápis do databázy, + zmena polí tabuľky).

Pre prevádzku projektu je nutné vlastniť webserver s podporou Apache/Nginx (pre .php scripty) na verejnej IP adrese, alebo v LAN sieti, kam daná platforma odosiela dáta z ultrazvukového senzora. POZOR, v prípade Sigfox prevádzky musí byť server dosiahnuteľný z internetu, inak nie je možné zapísať dáta! Na webserveri beží aplikácia, ktorá používateľovi vizualizuje v dynamickom prehľade posledné údaje s indikátorom konektivity mikrokontroléra.

Web rozhranie obsahuje aj záznam rekordov - maximálna, minimálna hodnota hladiny vody za 24 hodín, 7 dní, 30 dní. Tieto údaje sú vizualizované v budíkovej reprezentácii. Maximá a minimá indikujú priebežnú výdatnosť studne.

Webaplikácia má aj rôzne konfigurovateľné údaje, ktoré sú potrebné pre správne určenie výšky hladiny vody - hĺbka studne po dno (slúži ako kalibračná hodnota pre merania). Ultrazvukový senzor vracia výšku hladiny vody od vrchu studne, nie od dna.

Preto sa touto kalibračnou hodnotou odčítava meranie, aby sa zistila skutočná výška hladiny vody od dna. Druhým meniteľným parametrom je priemer studne. Nastavenie priemeru studne je dôležité pre prepočet výšky hladiny na litre bojem studne. Podstránka nastavenia obsahuje aj odhad maximálnej hĺbky studne pri danom priemere pre čo najpresnejšie merania bez odrazov - zohľadňuje detekčnú charakteristiku senzora.

Tento odhad maximálnej hĺbky studne sa realizuje trigonometriou a umožňuje používateľovi lepšie vybrať senzor pre jeho požiadavky vzhľadom na rozmery jeho studne.

Dáta sú do webového rozhrania odosielané po HTTP / HTTPS protokole s POST payloadom. Mikrokontróler je autentizovaný cez parameter v POST requeste. Akcie vo webovom rozhraní (zmazanie záznamu, konfigurácia nastavení, zobrazenie zdrojového kódu pre mikrokontróler) sú za loginom cez HTTP Auth Basic - menom a heslom (odporúča sa používať web rozhranie pod HTTPS).

Projekt je vhodný aj pre laikov, pre implementáciu webového rozhrania je dostupný .pdf dokument s inštruktážou, ktorý krok po kroku vysvetľuje nastavenie a spustenie projektu na webhosting / lokálny webserver.
Projekt je možné vopred vyskúšať s vašim hardvérom na testovacom webovom rozhraní (odkaz zašlem v správe). Posledné prepočítané namerané údaje z webového rozhrania je možné prenášať na MQTT Broker (s iným mikrokontrolérom, ktorý funguje ako JSON klient - programové implementácie sú dostupné). Tieto dáta sú na .php podstránke distribuované v JSON formáte. Možno integrovať do vlastnej automatizácie (Domoticz, Hassio, Loxone a pod.) a vizualizovať dáta z hladinomera aj v inej vizualizácii, napr. Grafana. Možné následne vytvoriť vlastné automatizácie pre polievanie záhrady, zavlažovanie a pod. na základe údajov o výške hladiny vody.

Na vyžiadanie možno vyskúšať vopred webaplikáciu s plnou funkcionalitou (okrem HTTP Auth na podstránkach nastavení a zobrazenia zdrojového kódu) s vašim hardvérom. Dodávam výhradne softvérové riešenie. Hardvér, ani jeho montáž neponúkam!

Iné typy senzorov pre záznam výšky hladiny vody, ktoré je možné integrovať (nutné vytvoriť vlastný firmvér):

Laserové (LiDAR)[/list:u:2s2778r6]
Hydrostatické (ponorné)[/list:u:2s2778r6]
Elektrostatické (kapacitné / indukčné)[/list:u:2s2778r6]
Tlakové (diferenčné / s kompenzačným senzorom atmosférického tlaku)[/list:u:2s2778r6]
Optické[/list:u:2s2778r6]
Mechanické (plavák)[/list:u:2s2778r6]
Magnetické (Hall)[/list:u:2s2778r6]
Mikrovlnné (radarové)[/list:u:2s2778r6]
Poznámka: Ak sa vykonáva prepočet výšky hladiny vody od dna na strane mikrokontroléra, je nutné na webovom rozhraní nastaviť hĺbku studne na 0 cm.[/list:u:2s2778r6]

Webové rozhranie je dostupné v slovenskom, nemeckom, ruskom a anglickom jazyku. Slovenský jazyk je predvolený.

Cena je pevná, 50€za zdrojové kódy webového rozhrania.

Viac informácii o projekte s možnosťou vyskúšania projektu s Vašim hardvérom na: https://martinius96.github.io/hladinomer-studna-scripty/

K projektu existuje aj skompilovaný plug n' play firmware pre ESP8266 a ESP32. Firmvér je dostupný pre prevádzkový režim Standby a Ultra-Low-Power. Firmvér je tak možné nahrať do mikrokontroléra bez potreby inštalácie knižníc. Projekt sa tak dá okamžite vyskúšať s vašim hardvérom na testovacom webovom rozhraní.

Firmvér sa nahráva do mikrokontroléra cez ESPTOOL (súčasť .zip archívu testovacieho firmvéru). Konfigurácia na domácu WiFi sieť sa realizuje cez WiFiManager. Pokým ESP nemá platnú konfiguráciu, vysiela svoju SSID Hladinomer_AP s vlastným web rozhraním WiFiManagera s Captive Portalom, kde sa konfiguruje SSID a heslo.

Ukážkové DEMO webaplikácie dostupné na Youtube: