Meranie výšky hladiny vody v studni ultrazvukovou metódou

---

Riadiaci hardvér - kompatibilné mikrokontroléry AVR / ESP

---

---

Moduly prenosových technológii - Ethernet

---

---

Kompatibilné ultrazvukové senzory vzdialenosti

---

---

Hladinomer - monitor výšky hladiny vody v studni

---

IoT Dashboard pre monitorovanie hladiny vody v kopanej studni ponúka webové rozhranie ako centrálny nástroj pre vizualizáciu meraní. Táto webaplikácia umožňuje presné zaznamenávanie údajov o výške hladiny pomocou ultrazvukových senzorov, ako napríklad HC-SR04 alebo jeho vodotesnej varianty JSN-SR04T. Okrem vyššie uvedených senzorov je možné integrovať aj ďalšie z rady RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, Parallax PING)))™, v závislosti na konkrétnej implementácii. Senzorový uzol vykonáva každých 5 minút 10 priemerovaných meraní ultrazvukovým senzorom. Namerané hodnoty sa následne odosielajú serveru prostredníctvom dostupného rozhrania (WiFi / Ethernet / IoT sieť LoRaWAN / NB-IoT). Aktuálne údaje o výške hladiny sú názorne prezentované v dashboardi spolu s prepočtom na objem studne a trendom voči predchádzajúcim meraniam. Pre používateľa je k dispozícii nielen aktuálny stav, ale aj historické dáta o výške hladiny, ktoré môže zobrazovať prostredníctvom tabuliek alebo grafickej vizualizácie pomocou čiarových grafov. Webové rozhranie je plne responzívne a prispôsobuje sa rôznym typom zariadení, vrátane smartfónov, počítačov, tabletov a Smart TV. Pri prijatí údajov backend vykonáva korekciu nameranej výšky hladiny na reálnu hodnotu na základe známej hĺbky studne, keďže senzor poskytuje len rozdielovú výšku hladiny. Na základe tejto korekcie a známeho priemeru studne dokáže webové rozhranie určiť aj objem studne v litroch.

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.. 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 pre garanciu merania bez odrazov). 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).

---

Video demonštrácia webového rozhrania - Hladinomer:

---

---

Ultrazvukové senzory sú vhodné do:

---

---

Ultrazvukové senzory nie sú vhodné do:

---

---

Plug n' play firmware - Ultra Low Power / StandBy

---

---

Princíp fungovania hladinomera - Bloková schéma

---

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.

---

Dostupné knižnice pre mikrokontroléry (Arduino / ESP)

---

---

Screenshoty webového rozhrania pre projekt Hladinomer

---

---

Kompatibilný hardvér pre projekt hladinomer

---

---