Примеры исходных кодов Arduino, ESP8266, ESP32 (Ethernet/WiFi/LoRaWAN): Репозиторий проекта Github
Панель управления IoT с вашим оборудованием можно попробовать здесь: HTTP IoT Dashboard HTTPS IoT Dashboard
Если вас интересуют исходные коды веб-приложения, свяжитесь с автором проекта на АНГЛИЙСКОМ языке по адресу: martinius96@gmail.com

Измерение высоты уровня воды в колодце ультразвуковым методом

Поддержка QR-сканера для визуализации данных датчиков
Дополненная реальность - веб-приложение для Android, iOS, данные панели IoT

Аппаратное обеспечение - совместимые микроконтроллеры AVR / ESP

Микроконтроллер управления Arduino UNO
Arduino UNO
Микроконтроллер управления Arduino Nano
Arduino Nano
Микроконтроллер управления Arduino Mega 1280/25
Arduino Mega 1280/2560
Микроконтроллер управления NodeMCU v2 / v3 Lolin - ESP8266-12E / ESP8266-12F
NodeMCU (ESP8266)
Микроконтроллер управления Wemos D1 Mini - ESP8266-12E / ESP8266-12F
Wemos D1 / D1 Mini (ESP8266)
Микроконтроллер управления ESP32 Devkit V1 - ESP-WROOM-32 / ESP32-S
ESP32 DevKit

Модули технологии передачи - Ethernet

Ethernet shield Wiznet W5100
Ethernet экран Wiznet W5100
Ethernet modul Wiznet W5500
Ethernet модуль Wiznet W5500
Ethernet modul LAN 8720 PHY Ethernet
Ethernet модуль LAN8720
Ethernet modul MicroChip ENC28J60
Ethernet модуль ENC28J60

Совместимые ультразвуковые датчики расстояния

Ультразвуковой датчик расстояния - HC-SR04
HC-SR04
Ультразвуковой датчик расстояния - HC-SR05
HC-SR05
Ультразвуковой датчик расстояния - JSN-SR04T
JSN-SR04T
Ультразвуковой датчик расстояния - HY-SRF05
HY-SRF05
Ультразвуковой датчик расстояния - Parallax PING)))™
Parallax PING)))™
Ультразвуковой датчик расстояния - DYP-ME007
DYP-ME007

Уровнемер - монитор уровня воды в колодце

Интернет-приборная панель для измерителя уровня воды включает в себя веб-интерфейс, который служит основой для визуализации измерений. Веб-приложение позволяет регистрировать данные о высоте уровня воды в скважине с использованием сенсорного узла - микроконтроллера. Измерение уровня воды производится с использованием ультразвуковых датчиков, таких как HC-SR04 или его водонепроницаемая версия JSN-SR04T. В текущей реализации программы также могут использоваться другие датчики с сигналами триггера/эха серий RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, Parallax PING)))™. Сенсорный узел регулярно выполняет 10 усредненных измерений ультразвуковым датчиком каждые 5 минут. Полученное значение передается на сервер через выбранный интерфейс (WiFi/Ethernet/IoT-сеть LoRaWAN/NB-IoT/Sigfox). Текущие данные о высоте уровня воды отображаются пользователю на приборной панели вместе с преобразованием в объем скважины и тенденцией уровня по сравнению с предыдущим измерением. Исторические данные о высоте уровня воды также доступны пользователю в табличной или графической визуализации с линейными графиками. Веб-интерфейс отзывчив и может адаптироваться к экранам смартфонов, компьютеров, планшетов и Smart TV. При получении данных бэкенд корректирует измеренный уровень воды на фактический на основе известной глубины скважины, поскольку датчик отправляет только дифференциальный уровень воды. С учетом реальной высоты уровня воды и известного диаметра скважины веб-интерфейс также может определить объем скважины в литрах.

Принцип работы ультразвуковых датчиков заключается в отправке триггерного сигнала длиной 10 мкс (микросекунд), который отражается от поверхности воды и возвращается в приемник - эхо. Метод "Time-of-Flight" используется для расчета времени между отправкой и получением сигнала с целью определения расстояния уровня воды от датчика, размещенного сверху колодца. Формула преобразования учитывает скорость звука, которая составляет 343 м/с при температуре 20 °C. Важным параметром ультразвуковых датчиков является ширина луча, или характеристика обнаружения. Например, датчик HC-SR04 обладает характеристикой обнаружения в 15°. Этот датчик имеет узкий луч, что делает его подходящим для более узких колодцев и резервуаров. Однако, он не является водонепроницаемым и имеет высокий риск коррозии в условиях влажных колодцев. По этой причине рекомендуется размещать данный ультразвуковой датчик над колодцем, чтобы уменьшить влияние влажности. Водонепроницаемый датчик JSN-SR04T, с другой стороны, обладает характеристикой обнаружения в 60°. Это существенно ограничивает его использование в узких колодцах, поскольку с увеличением расстояния луч расширяется, и необходима скважина с большим диаметром (например, диаметр скважины 6 метров, глубина 4,5 метра для гарантированного измерения без отражений). Ультразвуковые датчики не требуют регулярного обслуживания. Датчик JSN-SR04T оборудован электронной платой управления, которая защищена от воздействия влаги и воды. Максимальная измеряемая высота поверхности (уровня) варьируется от 400 до 450 см в соответствии с каталожными данными.

Другие типы датчиков регистрации уровня воды, которые можно интегрировать (необходимо для создания собственной прошивки):
  • Лазер (LiDAR) - (DFRobot DTOF LD19 LIDAR, DFRobot ToF Laser ...)
  • Гидростатические (погружные) - (LMK307, DPT200, PT20eco, HDL300...)
  • Электростатический (емкостный/индуктивный) - XKC-Y25-NPN
  • Давление (перепад/с датчиком компенсации атмосферного давления)
  • Оптический — (GP2Y0A02YK0F, YD-02F, FS-IR02 ...)
  • Механический (плавающий)
  • Магнитный (Холл) - (VCL9, Sen-Hz41wa ...)
  • Микроволновая печь (радар) - (CS476, CS475A-L, SP69, WLR 15.08.30...)
  • Ультразвуковой - (A01NYUB, URM37) или другой, вариант промышленной шины для вывода (RS-485, токовая петля 4-20 мА, Modbus RTU, M-bus, PROFINET)
  • Примечание: Если пересчет высоты уровня воды от дна производится на стороне микроконтроллера, то на веб-интерфейсе необходимо установить глубину колодца 0 см.

    • Видео демонстрация веб-интерфейса - измеритель уровня:

    Ультразвуковые датчики подходят для:

  • Выкопанные колодцы
  • Септики и выгребные ямы
  • Ручьи и озера
  • Пластиковые резервуары для дождевой воды.
  • Прочность (измерение объемного наполнения)
  • Контейнеры (мониторинг отходов, наполнение сборных контейнеров)
  • Котлы (мониторинг древесины, пеллет, угля, щепы)
  • Шахты и подвалы (контроль отопления - уровень грунтовых вод)

    • Ультразвуковые датчики не подходят для:

  • Пробуренные скважины (по детектирующим характеристикам - широкий луч)
  • Трубы и трубки (из-за характеристик обнаружения - широкий луч)
  • К скважинам с притоком (турбулентная поверхность ослабляет ультразвук, измерение невозможно / поэтапно)
  • В местах с резким изменением температуры (температура влияет на время распространения звука, поэтому кажется, что даже стационарный уровень колеблется)
  • Вакуумные баки (измерение невозможно)

    • Plug n play firmware - Ultra Low Power / StandBy

    Скомпилированная прошивка доступна для немедленной загрузки в микроконтроллер (не требует установки библиотеки).
    Название прошивки Функция прошивки ESP8266 ESP32
    Ultra Low Power

    Прошивка для приложений ULP с низким потреблением тока (см. Схему подключения). Прошивка загружается автоматически с помощью прилагаемого инструмента ESPTOOL, который запускается со скриптом .bat (в скрипте необходимо изменить COM-порт вашей платы ESP). После загрузки прошивки и предположения, что ESP не хранит SSID и пароль из предыдущего проекта, запустится WiFiManager, который используется для настройки существующей сети Wi-Fi. ESP начнет транслировать открытую сеть Wi-Fi с SSID в режиме AP --> Hladinomer_AP. После подключения клиента (Windows / Android / iOS) Captive-портал запустится на 192.168.4.1 (клиент должен быть перенаправлен автоматически). WiFiManager позволяет выбрать сеть Wi-Fi в радиусе действия в веб-интерфейсе, установить пароль. После успешного подключения ESP к указанной сети Wi-Fi и назначения IPv4 из указанного диапазона Captive Portal будет отключен, ESP останется в режиме STA-Station. Впоследствии сенсорный узел начнет передавать данные в веб-интерфейс измеритель уровня . В следующий раз, когда вы запустите сенсорный узел, Captive Portal и WiFiManager больше не запустятся, поскольку конфигурация сети Wi-Fi постоянно сохраняется. После отправки данных микроконтроллер переходит в режим глубокого сна. Главный процессор Xtens выключен в спящем режиме. ESP8266 активируется с помощью таймера WAKE (требуется перемычка между GPIO16 и RST), ESP32 с помощью таймера RTC.

    		ESP8266 прошивка ESP32 прошивка
    StandBy

    Прошивка для режима ожидания микроконтроллера, который отправляет через регулярные интервалы (5 мин) измерения уровня воды на веб-сервер и в то же время поддерживает соединение с точкой доступа в сети LAN. Прошивка загружается автоматически с помощью прилагаемого инструмента ESPTOOL, который запускается со скриптом .bat (в скрипте необходимо изменить COM-порт вашей платы ESP). После загрузки прошивки и предположения, что ESP не хранит SSID и пароль из предыдущего проекта, запустится WiFiManager, который используется для настройки существующей сети Wi-Fi. ESP начнет транслировать открытую сеть Wi-Fi с SSID в режиме AP --> Hladinomer_AP. После подключения клиента (Windows / Android / iOS) Captive-портал запустится на 192.168.4.1 (клиент должен быть перенаправлен автоматически). WiFiManager позволяет выбрать сеть Wi-Fi в радиусе действия в веб-интерфейсе, установить пароль. После успешного подключения ESP к указанной сети Wi-Fi и назначения IPv4 из указанного диапазона Captive Portal будет отключен, ESP останется в режиме STA-Station. Впоследствии сенсорный узел начнет передавать данные в веб-интерфейс измеритель уровня . При следующем запуске сенсорного узла Captive Portal и WiFiManager больше не запустятся, поскольку конфигурация сети Wi-Fi постоянно сохраняется.

    		ESP8266 прошивка ESP32 прошивка

    Принцип работы измерителя уровня - Блок-схема

    Уровнемер для выгребной ямы, септика, колодца, принцип измерения - ультразвуковой датчик расстояния

    Веб-интерфейс (панель IoT) использует тригонометрию для оценки максимальной измеряемой глубины скважины при известном диаметре скважины, что является дополнительным параметром для расчета объема скважины. Это позволяет веб-интерфейсу вычислять максимальную глубину скважины для каждого из датчиков на основе их характеристик. Проект разработан с учетом простоты использования даже для непрофессионалов, которые не знают, какой датчик лучше всего подходит для их конкретной скважины. Микроконтроллер, используемый в проекте, играет также важную роль. Для этого проекта можно использовать платформу Arduino (Uno/Mega) ревизии R3 с идентичной распиновкой, которую можно подключить к Ethernet-шилду для связи через интерфейс ICSP. Можно также использовать модули Ethernet, подключая их напрямую к аппаратным контактам SPI микроконтроллера. Поддерживаются Ethernet-модули производителя Wiznet W5100, W5500, USR-ES1, а также модуль Ethernet ENC28J60 от MicroChip. Все эти модули обеспечивают соединение HTTP с веб-сервером. Также поддерживаются микроконтроллеры WiFi от Espressif Systems - ESP8266 и ESP32. У них есть несколько режимов работы, такие как StandBy, StandBy + OTA с возможностью удаленной загрузки прошивки по локальной сети, и режим глубокого сна для приложений ULP - Deep Sleep. В спящем режиме для микроконтроллера ESP8266 необходимо добавить физическую перемычку между GPIO16 (WAKE) и RST. Микроконтроллеры ESP также позволяют осуществлять зашифрованную связь с веб-сервером по протоколу HTTPS. ESP32 можно использовать с модулем PHY Ethernet LAN8720, который поддерживает соединения HTTP и HTTPS. Платформы ESP8266 и ESP32 используют сертификат корневого центра сертификации (CA), встроенный в исходный код микроконтроллеров в формате .pem и сохраненный во флэш-памяти. Сертификат удостоверяющего центра действителен от 10 до 20 лет, что устраняет необходимость частого продления сертификата. Данные о текущей высоте уровня воды и объеме воды в скважине доступны из веб-интерфейса в формате JSON. Проект уровнемера может быть интегрирован через MQTT в систему домашней автоматизации (Hassio, Domoticz, Loxone) для отображения уровня воды на приборной панели, например, Grafana. В будущем также возможно управление периферией в подсистеме (орошение, полив, включение ГВС) на основе данных об уровне воды в скважине из веб-интерфейса.

    Программные реализации для Arduino, ESP8266, ESP32 (требуется установка библиотеки): Доступно здесь

    Доступные библиотеки для микроконтроллеров (Arduino / ESP)

    Архив библиотеки (.zip) развернуть до C:/Users/[User]/Documents/Arduino/libraries
    Название библиотеки Библиотечная функция Скачать
    NewPing

    Библиотека для микроконтроллеров AVR (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Он позволяет проводить измерения с помощью ультразвуковых датчиков расстояния US-02X, IOE-SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, JSN-SR0XT, DYP-ME007.

    		Скачать
    NewPingESP8266

    Библиотека для микроконтроллеров ESP8266 и ESP32. Он позволяет проводить измерения с помощью ультразвуковых датчиков расстояния US-02X, IOE-SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, JSN-SR0XT, DYP-ME007.

    		Скачать
    Ethernet2

    Библиотека для микроконтроллеров AVR (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Он обеспечивает связь с модулем Ethernet от Wiznet W5200 до W5500 через интерфейс SPI.

    		Скачать
    Ethernet3

    Библиотека для микроконтроллеров AVR (ATmega) Arduino Uno / Nano / Mega. Он обеспечивает связь с Ethernet-модулем Wiznet W5500 V2 - USR-ES1 через интерфейс SPI.

    		Скачать

    Скриншоты веб-приложения монитора уровня воды

    Общий обзор измеренных данных в веб-интерфейсе проекта уровнемера Исторический обзор измеренных данных с отметкой времени в табличной визуализации - Измеритель уровня Тревожные представления максимального и минимального уровня воды в колодце Графическая визуализация уровня воды за сутки, 7 дней, 30 дней, год - измеритель уровня ESP32 - FreeRTOS - ESP-IDF - измерение ультразвуковым датчиком и передача данных на веб-сервер через HTTP, метод передачи POST ESP32 - FreeRTOS - ESP-IDF - измерение ультразвуковым датчиком и передача данных на веб-сервер через HTTPS, метод передачи POST Поддерживаемое оборудование для проекта измерителя уровня - Arduino - Ethernet - WiFi - ESP8266 - ESP32 Сенсорный узел ESP32 с модулем PHY Ethernet LAN7820 и ультразвуковым датчиком JSN-SR04T