Meranie výšky hladiny vody v studni ultrazvukovou metódou
Riadiaci hardvér - kompatibilné mikrokontroléry AVR / ESP
Arduino UNO
Arduino Nano
Arduino Mega 1280/2560
NodeMCU 0.9 / 1.0
Wemos D1 Mini
ESP32 DevKit
Moduly prenosových technológii - Ethernet
Ethernet shield Wiznet W5100
Ethernet modul Wiznet W5500
Ethernet modul PHY LAN8720
Ethernet modul ENC28J60
Kompatibilné ultrazvukové senzory vzdialenosti
HC-SR04
HY-SRF05
JSN-SR04T
Parallax PING)))™
DYP-ME007
Hladinomer - monitor výšky hladiny vody v studni
IoT Dashboard Watmonitor je moderné riešenie na monitorovanie hladiny vody v kopaných studniach. Táto webová aplikácia ponúka prehľadné rozhranie na vizualizáciu údajov o výške hladiny vody. Využíva presné ultrazvukové senzory, ako napríklad HC-SR04 a vodotesnú verziu JSN-SR04T, a umožňuje integráciu ďalších senzorov, ako sú RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX alebo Parallax PING)))™, podľa potreby.
Každých 5 minút vykonáva senzorový uzol 10 priemerovaných meraní, pričom namerané hodnoty sú odosielané na server prostredníctvom WiFi, Ethernet, LoRaWAN alebo NB-IoT. Tieto údaje sú okamžite spracované a prezentované v IoT dashboarde, ktorý zobrazuje aktuálnu výšku hladiny, prepočítaný objem studne a trendy zmien.
Používatelia môžu sledovať nielen aktuálne dáta, ale aj historické merania, zobrazené v prehľadných tabuľkách alebo grafickej vizualizácii pomocou čiarových grafov. Rozhranie je plne responzívne, čo znamená, že sa bez problémov prispôsobí smartfónom, tabletom, počítačom aj Smart TV.
Backend systému vykonáva korekciu nameraných údajov na základe známej hĺbky studne a priemeru, čím zabezpečuje presný výpočet objemu studne v litroch. Watmonitor je ideálny nástroj pre všetkých, ktorí potrebujú spoľahlivé a real-time monitorovanie hladiny vody v studniach s možnosťou využitia pokročilých IoT technológií.
Princíp merania ultrazvukových senzorov spočíva vo vyslaní signálu Trigger s dĺžkou 10 μs (mikrosekúnd), ktorý sa od hladiny vody odrazí a vráti do prijímača – Echo. Táto metóda, známa ako Time-of-Flight, počíta čas medzi vyslaním a prijatím signálu na určenie vzdialenosti hladiny vody od senzora, umiestneného na vrchu studne. Vzorec prepočtu používa rýchlosť zvuku 343 m/s pri teplote 20 °C.
Dôležitým parametrom ultrazvukových senzorov je šírka lúča, známa aj ako detekčná charakteristika. Senzor HC-SR04 má 15° detekčnú charakteristiku, čo znamená, že lúč je relatívne úzky. Tento senzor je vhodný pre užšie studne a nádrže, no nie je vodotesný a má vysoké riziko korózie vo vlhkých podmienkach. Preto je ideálne ho umiestniť nad studňu, aby sa minimalizovali účinky vlhkosti.
Vodotesný senzor JSN-SR04T má širšiu detekčnú charakteristiku 60°, čo obmedzuje jeho použitie v úzkych studniach. Lúč sa so vzdialenosťou veľmi rozširuje, a preto je vhodný iba pre širšie studne s priemerom aspoň 6 metrov (pri hĺbke 4,5 metra), aby sa predišlo odrazom signálu. Elektronická doska tohto senzora nie je odolná voči vode, a preto musí byť chránená pred vlhkosťou.
Ultrazvukové senzory sú však plne bezúdržbové a poskytujú spoľahlivé meranie. Maximálna merateľná výška hladiny týmito senzormi je približne 400 až 450 cm, podľa údajov uvedených v katalógových listoch (datasheetoch).
Video demonštrácia webového rozhrania - Hladinomer:
Ultrazvukové senzory sú vhodné do:
Ultrazvukové senzory nie sú vhodné do:
Plug n' play firmware - Ultra Low Power / StandBy
| 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 |
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 (Watmonitor) 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 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
Dostupné knižnice pre mikrokontroléry (Arduino / ESP)
| 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 |
| UIPEthernet |
Knižnica pre AVR mikrokontroléry (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Umožňuje komunikáciu s Ethernet modulom ENC28J60 od Microchipu cez SPI rozhranie. |
Stiahnuť |
Screenshoty webového rozhrania pre projekt Hladinomer
Kompatibilný hardvér pre projekt hladinomer
