Растения

Пришла зима, короткий день, домашней пальме мало света. Нужно организовать подсветку. Готовую лампу покупать как-то неловко, да и надо ж чем-то заняться долгими зимними вечерами. Поехали ;)

1. Купил на Али мощные светодиоды с питанием в 220В. Вот такие:

Отзывы оказались верными: греются, и очень сильно. Нужно огранизовать охлаждение. Пассивного (прикрутил к дюралевому профилю) недостаточно, значит, нужно придумать что-то активное. Например, радиатор с кулером от старого процессора - это недорого, и их как грязи. Правда, где кулер - там питание 12В. Ок, это тоже несложно. Но при питании от 12 В кулер (особенно недорогой бу) будет достаточно громко шуметь.

2. Регулятор оборотов кулера.

Пусть это будет step-down конвертор. Хороший КПД, меньше помех в цепях питания.

Ключевой транзистор и диод выпаял из покойной материнской платы, дроссель оттуда же. Оригинальную обмотку из толстого провода срезал, намотал свою проводом 0.3мм - сколько поместилось. Транзистор Q1 - какой-то маломощный npn из закромов. Подаем на вход импульсы разной скважности - на выходе получаем напряжение от 0 до 12В. Удобно, но нужен генератор импульсов с достаточно высокой частотой (десятки кГц и выше).

3 . Как сделать генератор импульсов со скважностью от 0 до 100%? Причем с возможностью автоматической регулировки? Проще всего взять микроконтроллер, который умеет в PWM. Я склоняюсь к AtMega8 - простой, отлично документированный и дешевый. Но использовать микроконтроллер только для вращения кулера - это из пушки по воробьям. Можно на этом же железе решить и дополнительные задачи.

Подсветку неплохо автоматически включать и выключать. Напрашивается функция часов/будильника, но делать часы (и усложнять простое устройство) не хочется. В часах нужен индикатор (или веб-интерфейс), нужен способ синхронизации (ручной или через интернет), нужен резервный источник питания. Но в лампе всего этого не нужно. Поэтому алгоритм будет такой :

• подсветка работает 8 часов и отключается по таймеру или кнопкой;

• включается подсветка по кнопке или с наступлением рассвета;

• рассвет детектируется светодиодом. Для этого функционала достаточно фоторезистора и АЦП.

Кулер желательно крутить помедленнее, но не допуская ни полной остановки, ни перегрева светодиода. Для детектирования скорости вращения у кулера есть встроенный датчик, для измерения температуры возьмем терморезистор. Мне попался NTC MF52A1, с сопротивлением при 25С 10кОм. В даташите есть таблица с зависимостью сопротивления от температуры; так что можно сделать простой и очень дешевый измеритель температуры с приемлемой точностью. Итого, от контроллера нужно:

• АЦП - 2 входа

• PWM - 1 выход

• прерывание датчика вращения кулера - 1 вход

• кнопка вкл/выкл - 1 вход

• управление подсветкой - 1 выход

• UART - удобно для диагностики в железе

4. Конфигурирование микроконтроллера

Fuse bits.

Чтобы не получить окирпиченный МК, проще всего воспользоваться готовым калькулятором fuse битов. Например, таким. Главное, что нужно - выбрать синхронизацию от внешнего кварца. Остальные биты можно не трогать ;) У меня получилось

Таймеры.

Во первых, PWM. Для этого пригодны 2 таймера: 16-битный Timer1 и 8-битный Timer2. Timer1 будет считать системное время (об этом позже), Timer2 (с 256 уровнями PWM) - отлично подходит для регулятора напряжения. При тактовой частоте 16 МГц максимальная частота PWM будет

Длительность самого короткого импулься

Думаю, это приемлемо. В даташите на ключевой транзистор есть Rise Time 33 nS. В окончательном варианте устройства можно использовать встроенный генератор на 8МГц - это тоже сработает.

// PWM// Выход жестко приколочен к пину PB3#define PWM_FAN_PIN _BV(PB3)DDRB |= PWM_FAN_PIN;OCR2 = 255;    // set PWM for 100% duty cycle    TCCR2 |= (1 << COM21);    TCCR2 |= (1 << COM20);    // set inverting mode    TCCR2 |= (1 << WGM21) | (1 << WGM20);    // set fast PWM Mode    TCCR2 |= (1 << CS20);    // set prescaler to 0 and starts PWM

Измерение времени.

В Arduino принято измерять время в миллисекундах - с такой частотой тикает таймер. Такая точность для наших целей не нужна, да и миллисекундный счетчик переполняется через 49 суток. Мы будем считать интервалы по 100 мС, этот счетчик переполнится очень не скоро.

Чтобы получить такие временные интервалы с кварцем 16 МГц, нужен предделитель 256 и счетчик до 6250. Прекрасно.

// 16000000/256/6250 = 10 hz// timer 1, CTC, 256 prescalerTCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << WGM12);TIMSK |= (1 << OCF1A); // enable interrupt OCR1A = 6250;

uint32_t uptime_x_0_1s = 0;ISR (TIMER1_COMPA_vect){    // action to be done every 0.1 sec    uptime_x_0_1s++;}

Переполнится счетчик через

Больше чем достаточно ;)

Измерение частоты вращения кулера

В кулере есть встроенный датчик, который замыкается на землю 1 раз (или 2 раза - разные источники пишут разное) за оборот. Для измерения частоты вращения подключим датчик к пину, умеющему генерировать прерывания, сконфигурируем его как вход с внутренним pull-up резистором.

// FAN interrupt  #define TAHO_FAN_PIN _BV(PD3)SREG |= (1<<7);PORTD |= TAHO_FAN_PIN; // pull-upGIMSK |= _BV(INT1);MCUCR |= _BV(ISC11); // Прерывание вызывается по возрастающему фронту сигнала на входе INT

uint16_t ts_fan_interrupt;ISR (INT1_vect){    /* interrupt code here */    // убираем дребезг - на совсем малых оборотах     // он почему-то наблюдался    if (TCNT1 - ts_fan_interrupt <10) return;    ts_fan_interrupt = TCNT1;    fan_cnt ++;}

unsigned int rps = 0;void do_fan_rps(){static uint32_t rps_ts;unsigned int fan_cnt_;int dt = uptime_x_0_1s - rps_ts;if ( dt < 10) return;cli();fan_cnt_ = fan_cnt;fan_cnt = 0;sei();rps = fan_cnt_ * 10 /dt ;rps_ts = uptime_x_0_1s;}

АЦП будем использовать для измерения температуры и освещенности. АЦП в AtMega 10-разрядный, и он может измерять 1024 уровня от 0 до опорного напряжения Vref. 2 младших разряда можно отбросить, и работать с результатом в uint8_t - это экономит немного памяти. Имеется также встроенный источник опорного напряжения 2.56 В.

 ADCSRA |= (1<<ADEN);  // Разрешение использования АЦПADCSRA |=(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0);//Делитель 128 = 125 кГц ADMUX  |= (1<<REFS1)|(1<<REFS0)|(1<<ADLAR); //Внутренний Источник ОН 2,56в, adc0, use high 8b (ADCH)

uint8_t ADC_read(uint8_t channel){ADMUX &= ~7;ADMUX |= (channel & 7);ADCSRA |= (1<<ADSC); //Начинаем преобразованиеwhile((ADCSRA & (1<<ADSC))); //проверим закончилось ли аналого-цифровое преобразованиеreturn ADCH; }

uint8_t adc_measures_base24[] = { 255, 250, 245, 239, 234, 228, 223, 218, 213, 207, 202, 197, 192, 188, 183, 178, 173, 169, 164, 160, 156, 151, 147, 143, 139, 135, 132, 128, 124, 121, 117, 114, 111, 108, 105, 102, 99, 96, 93, 90, 88, 85, 83, 80, 78, 76, 73, 71, 69, 67, 65, 63, 61, 60, 58, 56, 55, 53, 52, 50, 49, 47, 46, 45, 43, 42, 41, 40, 39, 38, 36, 35, 34, 33, 33, 32, 31, 30, 29, 28, 28, 27, 26, 25, 25, 24, 23, 23, 22, 22, 21, 20, 20, 19, 19, 18, 18, 18, 17, 17, 16, 16};

UART. Как оказалость, здесь тоже имеются свои тонкости. Передача данных через UART требует высокой точности временных интервалов; поэтому использовать UART без внешнего кварца не стоит. Также, не любую частоту передачи можно получить с помощью встроенных делителей частоты. Очень удобно, что есть готовая таблица, из которой можно найти скорость с минимальной погрешностью. У меня увереннно заработала передача на 38400bps.

#define BAUD 38400#define MY_UBRR (F_CPU/16/BAUD - 1)// UARTUBRRH = (unsigned char) ((MY_UBRR) >> 8);UBRRL = (unsigned char) (MY_UBRR);UCSRB = (1<<TXEN);UCSRC = (1<<URSEL)|(1<<UCSZ0)|(1<<UCSZ1);  

PID-регулятор

Что ж за самоделка без PID-регулятора? ;) Здесь из 2. Нужно поддерживать температуру около 40С, и обороты около 30 rps. 2 датчика (цифровой и аналоговый), и одно управляющее воздействие - скважность PWM.

#define GOAL_T 40#define GOAL_RPS 30// K_T = 1/2 #define K_T_A 1#define K_T_B 2// K_RPS = 1/5#define K_RPS_A 1#define K_RPS_B 5 void do_pid(){static uint32_t pid_ts;if (uptime_x_0_1s-pid_ts < 10) return; // не чаще 1 раз/секpid_ts = uptime_x_0_1s;int pwm_val = OCR2;int dt = t1 - GOAL_T;int d_rps = GOAL_RPS - rps;int d_pwm_t = (dt * K_T_A ) / K_T_B;if (d_pwm_t < -5) {d_pwm_t = -5;};int d_pwm_rps = (d_rps * K_RPS_A) / K_RPS_B;int pwm_val_t = pwm_val + d_pwm_t;int pwm_val_rps = pwm_val + d_pwm_rps;int d_pwm;if (pwm_val_t > pwm_val_rps){d_pwm = d_pwm_t;} else {d_pwm = d_pwm_rps;};pwm_val += d_pwm;if (pwm_val > 255) pwm_val = 255;if (pwm_val <0 ) pwm_val = 0;OCR2 = pwm_val;}

Про обработку кнопки с подавлением дребезга и прочее мигание светодиодом, пожалуй, писать не нужно ;)

В результате получилась вот такая конструкция на макетной плате.

Выводы.

Поставленная задача решается: светодиод светится, кулер крутится, температура 40С держится с достаточно низкими оборотами кулера; можно брать и более мощные светодиоды.

Код прошивки и схема устройства выложены на github.

TODO:

• Научиться разводить платы в KiCad и сделать более изящную конструкцию.

• Избавиться от кварца; точности встроенного генератора должно хватить для измерения интервала 8ч.

• Вместо step-down конвертора использовать источник питания 5В и step-up конвертор.

З: Пожалуй, нужно упомянуть о использованном софте. При работе над устройством ни один правообладатель не пострадал.

ОС - Ubuntu 18

Компилятор - avr-gcc

IDE - geany

Программатор - Arduino Uno с прошивкой ArduinoISP

Схема электрическая принципиальная рисовалась в KiCad

Прототип паялся на макетной плате.

Пришла весна, а с ней и мысль собрать что-нибудь старшему поколению для дачной рассады.

Сначала думал ограничиться готовой фитолампой с авито, но ознакомившись с местными публикациями один, два и три за авторством @iva2000 и @Fenyx_dml решил повторить расчеты и прикинуть, что можно сделать своими руками. Для максимальной простоты решил использовать светодиодные лампочки 4000К в патроне Е27 из Леруа:

Подберем площадь элементарной ячейки, которую наша лампа сможет осветить таким образом, чтобы плотность освещения на м² была не менее 300 эфф.мкмоль/с/м².

Для этого воспользуемся сначала формулой из этой публикации и рассчитаем энергетическую ценность света одной ламы (YPF) :

световая отдача, Лм/Вт

= Световой поток одной лампы / Мощность одной лампы = 900/10 = 90 Лм/Вт.

Ra общий индекс цветопередачи = 80

CCT - коррелированная цветовая температура в градусах Кельвина или, как пишут в Леруа, Температура цвета (в K) = 4000 K

Подставляем все в формулу:

Энергетическая ценность света одной лампы (YPF) = 1.134 эфф.мкмоль/Дж.

Далее, как и в публикации умножаем YPF на мощность: 1.134*10 = 11.34 эфф.мкмоль/с.

Теперь вычислим, для какой площади плотность освещения на 1 м² будет не менее 300 эфф.мкмоль/с/м²:

11.34 / 300 = 0.0378 м²

Если округлить, то получим квадрат 0.194 х 0.194 м.

Возьмем с запасом 350 эфф.мкмоль/с/м², тогда нашей лампочки будет хватать на квадрат 0.18 х 0.18 м. В итоге получили элементарную ячейку, с помощью которой уже можно собрать как сам осветитель, так и grow box.

Пусть grow box будет из фанеры, обшитой алюминиевой фольгой. Тогда возьмем стандартный лист 1525 х 1525 мм и прикинем, как на его половинке разместятся элементарные ячейки.

Вполне не плохо. Таким образом, чтобы в достаточной мере осветить площадь 1.44 х 0.72 = 1.036 м² нам понадобится 32 лампочки.

Теперь можно прикинуть, сколько будет стоить что-то подобное:

Освещение будет собираться на лампах в патронах Е27 (простая замена и 220В). Питание через розетку с таймером (автоматизация включения/выключения).

Ящик из фанеры и брусков. На внутреннюю поверхность предусмотрим монтаж обычной пищевой фольги (степлером или клеем).

Также можно добавить возможность перемещать потолок со светильниками ближе/дальше от растений, но пока обойдемся самым простым решением. Ниже приведен расчет самого бюджетного варианта, когда потолок просто зафиксирован.

Учитывая количество задействованных лампочек, видится разумным добавить охлаждение с помощью вентиляторов.

Кстати, ради интереса глянул на aliexpress, что предлагают соседи по планете и наткнулся на вполне красивые изделия. Вот, например, примерно под ту же площадь (бокс 100x100x200cm) и уже в заводском исполнении предлагается такой набор.

Подводя итог, сложно сказать, получается ли экономия. Если сравнивать с готовыми решениями, то на первый взгляд, экономия присутствует. Но при добавлении в расчеты стоимость выполнения самих работ (съездить закупить, доставить, нарезать, насверлить, соединить проводами), ответ уже не столь кажется столь очевидным.

p.s.: для энтузиастов прикладываю файлы расчета (excel) и 3D модельки (sketchup)

3D модель, код извлечения: s8g9

Расчет, код извлечения: 6exn

Вступление с отступлениями. Задача первой итерации

Долго ли, коротко ли, решено было сделать шайтан-машину для полива растений, которая будет сама выращивать представителей флоры. Кавычки тут подразумеваются уместными в силу, на первый (а может и более) взгляд, необъятности задачи автономности подобных устройств (впрочем, любых роботов, начиная от пылесосов, заканчивая андроидами, которые, как известно, неизвестно, думают ли об электроовцах). Вобщем, для первой итерации было задумано дать растниям воду по расписанию, да не из бака куда её предусмотрительно налил пользователь, а прямо из водопровода (следует заметить, это требование, само по себе оказалось, по сложности реализации, сопоставимым с остальными функциями. Но об этом позже). Чтобы присматривать и корректировать поведение машины, был задуман интерфейс. Сначала локальный (дисплей 16х2, да кнопки), а затем удалённый, в браузере (интернет, локальная сеть).

В этой статье рассмотрена история развития материальной части комплекса - исполнительные устройства, аппаратное обеспечение.

За дело

Были приобретены компоненты в виде ардуины, твердотельных реле, монтажной коробки, розеток, шарового клапана для полива с таймером (таковой оказался первым, в доступе из местного строительного магазина) и прочей мелочёвки, вроде отладочной плашки и проводков. Был приобретён шуруповёрт, которым достаточно быстро, в ходе сборки начинки в монтажной коробке, был засверлен недешевый стол в арендованой квартире. Это, во всехх смыслах, ознаменовало переход от работы головой к работе руками. Было решено, что полностью уходить от работы мозгами не следует и лучше бы думать заранее, да использовать жертвенные подкладки и прочие средства защиты, когда используется ручной инструмент и вообще.

Первый результат

Спустя несколько дней от твердотельного реле заработал (по расписанию) фен для сушки волос. Не то, чтобы это был оглушительный успех, но шум от фена присутствовал и я был доволен результатом. Встал вопрос о том, как теперь подключить тот клапан, что уже имелся. Разобравшись с его устройством (шаровый клапан с актуатором, приводящим шар в движение, и микропереключателем, сменяющим состояние в момент полного открытия или закрытия клапана) я вынул из него всю штатную электронику и подключил к своему контроллеру через полевой транзистор.

Отложим ардуину

Примерно тут случился поворот судьбы, в ходе которого, помимо прочего, был утерян компьютер с исходниками прошивки. Этого показалось достаточным, чтобы перейти с ардуины на STM32.

STM32

Была приобретена STM32VL-Discovery и уже на ней был запущен тот шаровый клапан. Это был ещё один момент ликования. Работает мотор, щёлкает микрик, мотор останавливается, вода идёт. После годов работы в офисе с монитором, мышкой, да клавиатурой, эти новые звуки мотора, воды были настоящей музыкой.

Потом прошло ещё немало времени, чтобы вновь написать то, что было ранее написано для ардуины, только уже на STM32. По завершению такого портирования наступил новый виток развития.

Плата

К моменту разработки удалённого интерфейса устройство уже было оформлено в виде печатной платы. Последняя была отрисована в Eagle и был получен первый опыт производства своих плат на заводе. Это был тот ещё опыт. Одним из запомнившихся моментов стал лак паяльной маски, "внезапно" оказавшийся в местах пайки. Пришлось его скоблить ножом, чтобы припаять компоненты. В целом, плата была без слёз не взглянешь (если понимать в этом деле хоть каплю).

Удалённый интерфейс

Для реализации удалённого управления было решено использовать Raspberry Pi. А связать Pi с STM32 через UART. Писать простенькие сайтики к тому моменту я уже умел, опыт PHP и JS небольшой был.

Задачей посложней оказалось работать с последовательным портом как под Linux, так и на STM32. Под Linux для начала были использованы какие-то стандартные средства (типа, cat /dev/tty > dumpfile и echo -e "data" > /dev/tty), плюс на PHP написан парсер самодельных пакетов, идущих с STM32. Так появился первый протокол устройства. Одновременно с этим я узнал, что PHP годится не только для разовой отрисовки сайтов, но и для работы в бесконечном цикле, в стиле демона. Позже для решения этой задачи был написан демон на C. Разумеется, последний работает на порядки быстрей, прямей и весит меньше.

Поскольку опыт написания сайтов уже какой-то был, смастерить простейший интерфейс для управления железкой на STM32 теперь было не сложней версии с дисплейчиком 16x2. В этом интерфейсе появились кнопки ВКЛ/ВКЛ для ряда твердотельных реле, кнопки Открыть/Закрыть для четырёх клапанов и формочки для четырёх дозаторов удобрений, с длительностью работы оных и кнопкой запуска дозирования. Для визуального контроля результатов работы контроллера была использована веб-камера, подключенная в USB порт Raspberry Pi. Картинки выводились в тот же интерфейс

Дозаторы

Первыми были опробованы самые дешевые перильстатические насосы из Китая. Два вида.

В ходе испытаний они показали себя с не лучшей стороны. Их клинило, дозирование было неравномерным. Следом за ними были опробованы дозаторы японского производителя Welco. Эти устройства оказались значительно более качественными. Настолько, что используются и по сегодняшний день. Меняются только трубки, как расходный материал.

Клапаны

Тот шаровый клапан с мотором-актуатором со временем достаточно плотно сросся с контроллером STM32 и в итоге, вкупе с дальномером HC-SR04 получилось устройство, которое стало исправно поставлять чистую воду в систему полива. Клапан открывал подачу воды из водопровода в фильтр обратного осмоса, наполняя буферный (накопительный) бак. Затем, система полива брала воду уже из накопительного бака.

Тем временем, в деле были опробованы клапаны соленоидного типа. Самые дешёвые, китайские. Такие, которые повсеместно используются в стиральных машинах.

Главными отличительными особенностями клапанов-соленоидов от шаровых стали более высокое потребление электричества (около 0.4А при 12В, пока открыт) и необходимость создавать на входе повышенное давление воды, чтобы происходило их открывание. Вместе с этими клапанами были найдены более дорогие (тоже соленоидные, тоже пластик, нейлон), не менее китайские, так называемые чёрные клапаны.

Они потребляли ещё больше тока (до 2А, 12В), но открывались уже без внешнего давления. Чёрные клапаны ставились, к примеру, на входе из накопительного бака в систему полива.

Mixtank. Бак для смешивания растворов

Чтобы получить питательный раствор, системе полива потребовался промежуточный бак, куда сначала наливалась вода, в которую, затем, при помощи дозаторов, примешивались удобрения. Назовём этот бак - микстанк. Таким образом, система полива обзавелась штатным входом из микстанка и штатным выходом в него же. Сначала система полива набирала воду в микстанк, открыв клапан забора воды из буферного бака и клапан возврата воды в микстанк. Затем, клапан забора воды закрывался и открывался клапан забора воды из микстанка и, вода, прокачиваемая насосом через магистраль смешивания удобрений, обогащалась удобрениями, которые дозировались перистальтическими насосами.

Магистраль смешивания

Первые прототипы включали в себя гибкие шланги, выполняющие функции проводников воды. С появлением дозаторов шланги были заменены на жесткие трубки из ПВХ. Так появилась первая зафиксированная сначала на бумаге, а затем и в первом корпусе система трубопроводов. В этой системе трубопроводов одной из частей оказалась магистраль смешивания удобрений. Это был кусок ПВХ трубки диаметром 20мм, в котором были насверлены отверстия около 5мм и с усилием вставлены соединители для ирригационных трубочек 4/6мм. В месте стыка трубы и переходника была применена эпоксидная смола для герметизации стыка.

Вода, подаваемая насосом из микстанка в него же, по замкнутому контуру, проходила через магистраль смешивания. Дозаторы, подключенные в торчащие концы соединителей, подавали в этот поток воды удобрения. Так происходило насыщение раствора жидкими удобрениями.

Системный насос

Насос, который использовался на начальных стадиях развития системы полива был самый простой, дешёвый, обязательным было только условие вход и выход имеют резьбу в пол-дюйма. Он выдавал в лучшем случае 0.3 атмосферы давления на выходе.

В ходе экспериментов с поливами выяснилось, что подводить трубочки из системы полива и поливать растения таким образом, без обратной связи по влажности почвы получается не очень качественно. Малейшее засорение, изгиб или различная длина трубок от системы полива к растению приводили к неравномерности полива. Один горшок получал больше воды, чем другой, за равное количество времени работы полива. Было найдено решение в виде компенсированных капельниц, которые используются в системах капельного полива. Это такие устройства, которые пропускают через себя фиксированный объём воды, при условии подачи последней под давлением в заданном диапазоне (типичный диапазон рабочих давлений составляет от 1 до 4 атмосфер). Для обеспечения такого давления используются принципиально иные насосы, нежели тот, который имелся. Потому был приобретён мембранный насос высокого давления. Сначала, тоже самый дешёвый, китайский. Он работал от 12В и потреблял до 5 ампер и при работе шумел и вибрировал так, что невольно, система полива, в числе прочих тестов, стала проходить вибрационные тесты, а соседи - тесты терпимости. Тем не менее, тот насос дал требуемое давление и даже с лихвой до 5 атмосфер до срабатывания механической отсечки. Отсечка, к слову, регулируемая винтом, но на тот момент я дополнительно взял датчик давления воды и сделал отсечку программную.

Датчики давления воды

Не сразу нашлись подходящие. Сначала был датчик из нержавейки, с метрической резьбой, в сантехнику никак не подходящий (сейчас, имея опыт работы с токарным станком, это вообще не выглядит проблемой, а тогда стало серьёзным препятствием). Такие используются в автомобилях. Он был, с применением силы, вкручен в высверленное отверстие сантехнического переходника из мягкого полипропилена и на десятой попытке даже не подтекал.

После стального был хромированный, с резьбой на четверть дюйма.

Этот ожидаемо стал ржаветь (соли в растворах не жалеют обычное железо). И уже после него, спустя часы поисков вариантов на алиэкспрессе, был найден пластиковый датчик с резьбой на четверть дюйма. Они оказались долговечными.

Опять насос

Самый дешевый мембранный насос в плане производительности был слабоват. В виду этого, входы и выходы доступных его вариантов имели максимальный размер резьбы 3/8 дюйма. Из которых, полезное сечение для прохода воды и того меньше. А трубки ПВХ и детали к ним имели диаметр 20мм и резьбы в пол-дюйма. Насос был однозначно слабоват. В результате были найдены варианты насосов покрупней и среди них выбран с минимальными шумами, тоже мембранный. Стоил он уже в несколько раз дороже. Такие используются, к примеру, в водопроводе домиков на колёсах, или в лодках для откачивания морской воды. Сам насос покрупней, потяжелей и, в соответствии с ценой, выглядит тоже внушительно.

Прокачиваемый поток воды с прежних 4-5 поднялся до 10-12 литров в минуту. И насос, действительно, стал работать гораздо тише, с меньшими вибрациями.

Логика и силовая часть. Разделение

Уже на первых порах, при работе с шаровыми клапанами, иногда случались проблемы в виде зависаний контроллера. С внедрением мембранного насоса стало наглядным влияние наводок от мощных нагрузок на работу логики. Тогда у меня ещё не было осциллографа, чтобы увидеть это воочию. Но частота зависаний и сбоев стала невыносимой. То о чём я только читал, подозревал и предполагал, стало закономерным.

Итак, было решено сделать отдельно контроллер, где будет работать логика устройства вкупе с частью измерительных приборов и, отдельно, систему управления силовой частью насосами, дозаторами удобрений, клапанами. Силовую систему предполагалось сделать модульной, расширяемой. Чтобы если понадобится изменить количество исполнительных компонентов в аппарате, можно было бы их добавлять/убавлять без переделки схемотехники. Дабы исключить проникновение электрических помех из силовой части в логику, была задумана гальваническая изоляция.

Покумекав над требованиями, набросал первую версию силового модуля и новый контроллер.
В первой версии силового модуля для управления нагрузками была неудачно выбрана микросхема L293. Неудачной она оказалась потому, что в её составе использованы биполярные ключи. Это даёт немалое собственное потребление (и, соответственно, тепловыделение) микросхемы в моменты работы нагрузок. Радиаторы, установленные на микросхемах работали на пределе. В следующем варианте схемы были выбраны драйверы L6205PD. Они выполнены на полевых транзисторах и грелись уже существенно меньше. При этом, позволяли нагружать на каждый канал значительно больше тока. Кроме того, корпус микросхем с окончанием PD в названии микросхемы имеет хорошее теплоотводящее основание, которое позволяет отводить тепло прямо в плату. В результате, в дизайн платы были заложены приличные площади меди как раз для этой функции. Испытания показали удовлетворительные результаты, без использования дополнительных радиаторов, в условиях пассивного охлаждения. Следует заметить, что крепилась плата управления нагрузками внутри пластикового короба, вместе с основным контроллером и Raspberry Pi. Последняя, справедливости ради, в таких условиях, в жаркие дни, в теплице, перегревалась до состояния зависания, в отличие от остальной электроники.

Поскольку разделение силовой и логической частей делалось ради снижения влияния помех от мощных нагрузок на логику, то здесь была применена гальваническая развязка. Выполнена она была на ADUM1250. Соответственно, на плате силового драйвера был поставлен I2C-декодер (экспандер) MCP23017. Рядом с ADUM разместилась сдвоенная оптопара, которая одним каналом делала декодеру сброс и вторым каналом включала/выключала питание на микросхемы драйверов через мощный полевой транзистор. Для питания MCP23017 изначально использовался MINI360, который впоследствии был заменен на LM317. Схема драйвера может работать начиная с около 10 вольт и выше. Потолок не проверял, но оценочно можно смело утверждать 24В, может 36В (теоретически, это разумный предел для LM317). Для L6205 заявлены вообще 50В. На практике вся система проверялась в работе на 12В.

На 4 микросхемы L6205, установленных на одной плате, получается 16 каналов управления для исполнительны устройств. Модульность позволяет подключать несколько плат. Для этого необходимо задать разные I2C адреса для MCP23017 при помощи трёх резисторов, предусмотренных на плате. Одиночные L6205 каналы можно сдваивать (согласно аппноту), чтобы получить больше пропускной способности. Именно так и были запитаны чёрные клапаны (наиболее прожорливые), на минимальной конфигурации системы полива, где одной платы управления нагрузками хватает в самый раз.

Что касается основного контроллера, то его крепежные отверстия были расположены так, чтобы можно было механически и электрически соединить его сразу с силовым драйвером, расположив один над другим, с расстоянием между плат в пару сантиметров. Были сомнения, относительно электромагнитных наводок с одной платы на другую, по воздуху. Но на практике они не оправдались (или просто не были зафиксированы в течение нескольких циклов тестов с однолетними растениями).

На основной, системный насос, поскольку он имеет приличную инерцию и мощность, в паре-другой сантиметров от мотора был поставлен ультрабыстрый диод в обратной полярности, чтобы гасить обратное напряжение (fly back diode). Насос, ввиду хорошего потребляемого тока, был запитан не напрямую в силовой драйвер, а через полевой транзистор, затвор которого уже подключен к силовому драйверу.

На клапанах и дозаторах, подключенных напрямую к L6205PD силового драйвера проводились эксперименты с быстрым (десятки раз в секунду) включением и выключением, без обратных диодов. Ничего не погорело, несмотря на опасения (особенно по части соленоидов клапанов).

Измерительная техника

Поскольку аппарат сам готовит растворы, то одним из самых важных (после датчика уровня воды) приборов для измерений стал кондуктометр (он же, EC-метр, он же TDS-метр). В список измерительной техники так же попал измеритель кислотности (он же pH-метр), датчик давления воды и термометр. Таким был первоначальный и основной список сенсоров, поддерживаемых логикой основного контроллера.

EC-метр

Не мудрствуя лукаво, был опробован ряд схем, найденных в поисковике. Самая первая страдала недостаточной повторяемостью (половина собранных модулей почему-то не работала). Вторая схема не заработала в железе вообще. Третья заработала, четвертая была дорогая. Выбор пал на третий вариант, которым стал модуль на таймере 555. Суть проста измеряем частоту меандра, которая задаётся парой конденсатор плюс сопротивление. Сопротивление раствор воды с удобрениями. Датчики электропроводности поначалу были сделаны самопальные. Чтобы снизить коррозию электродов, последние были сделаны из позолоченных пинов. Весь датчик был сделан из эпоксидной смолы, что позволило залить сразу в него термодатчик. В роли последнего был выбран DS18B20.

Впоследствии эта конструкция заливалась в деталь из ПВХ - переход с трубы 20мм на резьбу пол-дюйма.

Это позволяет вкручивать его в остальную гидросистему аппарата.

Чтобы снизить скорость налипание ионов удобрений на электрод, была сделана схема управления питанием модуля измерения. Включение производилось программно, перед самим измерением. После чего модуль уходил в спячку.

pH-метр

Тут, поначалу, пробовалась схема на CA3420, которая в ходе экспериментов зарекомендовала себя как весьма надёжная и легко повторяемая. На первые аппараты она ставилась весьма уверенно. Причиной отказа от неё стала сложность с экранированием.

В итоге, была найдена микросхема LMP91200. Этот кандидат требовал минимальной обвязки, в виде того же АЦП и развязки, что и в варианте выше. В качестве ADC был поставлен ADS1110, для развязки - ADUM1250 и всё сразу заработало. Показания с модуля, при свежем сенсоре кислотности обладали завидной стабильностью.

Питание модуля гальванически развязал недорогими (около доллара за штуку) DC-DC преобразователями, типа 0505, на 1 ватт.

Опять EC

Отсутствие развязки по EC модулю на таймере 555 не давали спать спокойно. Кроме того, вода проникала в под эпоксидку и иногда достигала встроенного датчика DS18B20. Это приводило к печальным последствиям в виде ржавчины и почернения проводов датчика температуры. Иногда металл позолоченных пинов съедался вовсе. Помогала их лакировка.

Тем не менее, к тому времени в загашниках уже имелся модуль EVAL-0349.

В испытаниях он неплохо себя зарекомендовал. Присутствует изоляция питания и сигнала, достаточная точность измерений, помимо входа для сенсора EC есть и вхход для резистивного термодатчика. Но не очень нравилось то, что он в виде отдельного модуля.

В очередной итерации схемы и платы контроллера был заменен блок измерения EC со старого (с таймером 555) на примерно тот, который предлагался в EVAL-0349. Добавлена та же ADUM1250 для изоляции сигнала, 0505 по питанию и показания электропроводности воды вместе с её температурой стали электрически отделены от контроллера. Вместе с этим были испробованы относительно дешевые сенсоры EC из Китая. За два цикла испытаний нареканий не обнаружено.

По ходу дела был также обнаружен весьма экзотический способ измерения солей в воде - индуктивный. Это когда наматывается катушка, изолированная от воды, а в роли сердечника выступает измеряемая вода. Индуктивность получившейся системы, очевидно, зависит от электропроводности воды-сердечника. Таким образом осуществляется измерение. Такие сенсоры обладают повышенной (в сравнении с традиционными, контактными) долговечностью. На али был обнаружен карманный экземпляр за 70 долларов, однако пределы измерений и точность годятся для морской воды, нежели слабых растворов, применяемых в растениеводстве. Мои мимолётные эксперименты намотать катушку на трубу с водой пока не дали положительных результатов.

Влажность субстрата

Скорость, с которой растения потребляют залитый под корень объём жидкости, кроме прочего, зависит от погодных условий (температура, влажность, количество света на листьях). Влажность почвы (или иного субстрата) влияет на состояние корней и, следовательно, также влияет на скорость потребления раствора растением. Перелив плохо, недолив тоже не очень. Чтобы учитывать этот фактор, было решено добавить датчиков. Чтобы минимизировать переделки платы контроллера и оставить её размеры в разумных пределах, было решено использовать беспроводные датчики влажности. Поначалу были интегрированы Bluetooth датчики Xiaomi. Спустя некоторое время по почте пришла ещё пара этих датчиков, с иной прошивкой. Шаманства с версиями прошивок не оставили равнодушным было решено сделать самодельные датчики. В очередной версии платы контроллера был добавлен беспроводной трансивер NRF24.

Беспроводные датчики, которые подключались далее, в гальванической изоляции, разумеется, уже не нуждаются. Питание NRF24 и измерительных модулей сделано через полевые транзисторы, чтобы иметь возможность программно отключать измерительную технику. Полезно иметь возможность измерений кислотности при выключенном измерителе солей и наоборот, дабы не происходило влияния одного на другой.

Беспроводные датчики влажности почвы

Подглядев, как китайцы делают за доллар датчики, в которых сенсором является часть платы (Capacitive soil moisture sensor на алиэкспресс), покрытой лаком, сделал аналогичный сенсор. В качестве контроллера был взят уже знакомый STM32, на 20 пинов, только серия уже F0. В качестве измерителя был взят уже знакомый таймер 555. И теперь сенсор стал не сопротивлением (как в EC измерителе), а ёмкостью. На практике изучая вопрос скорости опустошения получившимся датчиком батарейки CR2032, узнал, что есть версия таймера 555, построенная на полевых транзисторах, что означает меньшее энергопотребление (привет L293 и L6205). Называется LMC555.

Помимо этого на плате датчика был добавлен TMP100 I2C термодатчик. Он был запланирован, чтобы узнавать температуру воздуха вокруг датчика. По правде, в STM32 уже встроен термодатчик. Но я решил, что на испытательных образцах, второй датчик лишним не будет. Также добавлен светодиод, для индикации работы и, возможно, определения освещённости датчика.

Первые испытания таких датчиков показали, что генерируемая таймером 555 частота (которая расценивается как влажность субстрата) сильно зависит от температуры почвы/датчика. Справедливости ради, аналогичная ситуация и с датчиками кислотности и электропроводности, где для более корректных считываний значений аналогично применяются алгоритмы температурной компенсации показаний. Именно поэтому, подавляющее большинство датчиков EC уже снабжены термодатчиком.

В датчиках от Xiaomi показания выдаются как по влажности субстрата, так и по его насыщенности солями. Подозреваю, что соли измеряются двумя стальными пиптиками на концах лепестков, позволяя скорректировать ёмкостные измерения с лепестков. Но это неточно.

Следует также упомянуть, что существуют датчики влажности почвы, выполненные на принципе поверхностного натяжения воды - тензиометры. В керамический конус (типа, blumat) помещается датчик давления. С него и берутся показания, переводимые позже в показания влажности. Такой способ считается более точным, нежели способ измерения ёмкости. В качестве датчиков давления здесь можно применить достаточно чувствительные датчики измерения кровяного давления.

На этом, думаю, хватит. Ежели будут вопросы - отвечу в комментариях или допишу ещё часть.

В вводной части повествования речь вкратце пошла об общем развитии системы. В этой части, более подробный рассказ об измерительной технике, с которой довелось познакомиться по ходу развития проекта, электронике и, конечно же, о падениях в грязь лицом.

Уровень воды

Сначала был дискретный сенсор, сделанный из двух пластин нержавейки.

Через некую (давно было, не сыскать уже исходников) схему сигнал поступал на контроллер. Дискретность его заключалась в том, что он показывал лишь наличие или отсутствие погружения сенсора в воду. Планировалось также мониторить уровень линейно в зависимости от степени погружения пластин в раствор, меняется сопротивление на таком сенсоре. Но данный метод был быстро забракован ввиду накопления осадка на пластинах (даже если не брать в расчёт налёт возникающий на пластинах вследствие электрического осаждения элементов раствора, оставался налёт, возникающий из-за высыхания раствора на воздухе) и, со временем, изменяющегося оттого сопротивления. Калибровка сбивалась.

Далее были опробованы различные ультразвуковые датчики: HY-SRF05, HC-SR04, JSN-SR04T, US-025. Наиболее приемлемыми (по измеряемому диапазону) и стабильными (с точки зрения показаний и выносливости) были были выбраны HC-SR04.

Ультразвуковой датчик справлялся достаточно хорошо, тем более, что контроллер поддерживает два таких датчика. На случай аварий, приводящих к потопу, вся система проектировалась таким образом, чтобы перелив происходил в аварийный слив, который прорабатывался таким образом, дабы справляться с потоком воды, переливающимся через край. То есть, в баке, чуть ниже уровня установки ультразвукового датчика ставился дополнительный слив в дренаж. Учитывая, что вода в бак часто поступает под давлением, а через аварийный дренаж сливается самотёком, сечение аварийного дренажа выбирается покрупней, с диаметром, определяемым опытным путём. Такой аварийный дренаж периодически проверяется тестовым переливом через край, на предмет засорения. Тем не менее, опция установки поплавка с аварийным клапаном (аварийная отсечка), остаётся.

Этот поплавок ставится вместе с дополнительным клапаном, как отдельная система, перекрывающая подачу воды в систему вообще. Но эта опция, в ряде случаев, помогает только тогда, когда есть пассивный аварийный дренаж, упомянутый выше. И вот кейс, который наглядно демонстрирует необходимость аварийного дренажа, даже в случае с опцией перекрытия ввода воды по переполнению бака: представим реверсивную систему, в которой, скажем, маты из минеральной ваты насыщаются раствором. Поскольку система реверсивная, то слив из матов происходит обратно в бак. Из матов вода сливается достаточно продолжительное время и уровень раствора в баке постепенно нарастает. Если в течение времени, пока раствор возвращается в бак, произойдёт долив воды (чего не запретишь пользователю сделать в ручном режиме) со срабатыванием аварийной отсечки, то уже и без того заполненный бак продолжит наполняться раствором из матов. Это зачастую означает перелив. Поэтому пассивный аварийный дренаж должен присутствовать в любом случае.

Слышал про использование лазерного датчика уровня. В комментариях подсказывают ставится в бак трубка с поплавком и на поплавок наводим лазер. С ним я пока не имел дел. Будет датчик попробую.

С трубкой есть ещё один способ, подобный лазерному поплавку та же самая трубка, без поплавка и лазера, верхний конец герметично закрывается и в этот же конец ставится достаточно чувствительный датчик давления воздуха. Чем больше уровень, тем выше давление. В трубке.

Какие проблемы возникали при использовании ультразвуковых сенсоров? Первое, самое очевидное это колебания воды, при заполнении бака. Решается такое усреднением показаний, считываемых с датчика, в прошивке контроллера. Второе иногда бывают показания вообще за пределами диапазона пустой-полный бак. Подозреваю, что такое случается вследствие помех, наведённых на провод от датчика к контроллеру. Решается использованием провода не более двух-трёх метров и опять же программным способом если значение, уже усреднённое, достаточно долго находится выше верхней границы бака (а это значение мы задаём в момент настройки, калибровкой датчика по баку), то программа долива приостанавливается, закрывая клапан забора воды. Если же значение, читаемое с датчика, выше уровня в течение времени больше некоторого таймаута (назовём его TO1), то останавливаем забор воды, поднимая флаг соответствующей ошибки.

Третья проблема датчик залип на некотором значении внутри диапазона верх-низ бака. Такое, как правило, происходит по причине попадания воды на сенсор уровня. Для подобного рода ситуаций предусмотрен ещё один таймаут TO2. Это время, подбираемое опытным путём, устанавливает пользователь во время первичной настройки. Подбирается обычно так, чтобы быть чуть больше времени, затрачиваемого системой на заполнение бака с нуля до самого верха. Если этот таймаут превышен, то отключам автоматику долива, поднимая флаг ошибки. Вернуться к работоспособности автоматики можно после сброса пользователем данной ошибки.
Кто-то может удивиться, мол, зачем такие сложности? Если у вас теплица на земле, действительно, может статься так, что часть мер излишняя. Но если под вами есть соседи, то я бы порекомендовал проверить в тестовом прогоне все варианты аварий, приводящих к потопу.

Температура

Тут можно измерять температуры воды, воздуха. Изначально опыты проводились на обычных резистивных датчиках, типа, PT100. Далее были освоены датчики DHT11/22. И ещё позже DS18B20. Резистивным датчикам необходим аналоговый вход на контроллере. По входу на каждый датчик. DHT тоже хотят по входу на каждый, но уже можно использовать цифровые входы (коих, обычно, больше). В DHT плюсом идёт измерение влажности. DS18B20 хорош тем, что на один пин контроллера можно подключить несколько датчиков разом. По-итогу, на сегодня, в самом устройстве ставится один DS18B20, измеряющий температуру воды в районе магистрали смешивания удобрений. Это становится излишним, когда в сенсор EC уже встроен резистивный термодатчик, измерения с которого снимаются AD5934, входящим в состав блока для измерения EC.

DS18B20 подключается с резистором 10к между питанием и линией данных.

EC (ака TDS, ака солемер)

Для измерения количества солей были также перепробованы несколько способов:

1. По этой ссылке была найдена следующая схема

Далее была разведена плата и фоторезистивным методом собственноручно (то было во времена, когда JLCPCB был мне неизвестен, если существовал вообще) изготовлена, с применением хлорного железа и прочими шаманствами. Подозреваю, что руки мои на тот момент росли значительно ниже плеч, что попрепятствовало успеху с данной схемой. На самом деле, один модуль даже работал и весьма неплохо. А вот ещё парочка-другая, почему-то заводиться отказалась.

2. Была ещё одна схема на TL074, но сейчас, к сожалению, не вспомню откуда и какая. Учитывая только память о том, что была пробная сборка на макетке, видимо она не заработала.

3. Самой простой и очевидной оказалась схема измерения влажности на таймере 555.

Это натолкнуло меня на изучение данного таймера и в итоге я собрал нечто похожее, что даже заработало. Погрешность была, мягко говоря, так себе. Однако воспроизводимость была 100%. Достаточно долго этот вариант меня вполне устраивал, пока не появилась необходимость сделать более точный. Так появился следующий вариант с применением...

4. AD5934 который водит в состав демонстрационной платы EVAL-0349, от Analog.

Тут уже всё стало более чем серьёзно (на самом деле есть варианты ещё более точные, с более широким диапазоном измерений и более кусачей ценой, но наврядли они пригодятся в растениеводстве). Шутка ли два диапазона измерений (первый: от 25S до 2500S, второй: от 0.2mS до 200mS) с относительной погрешностью измерений 0.5% для первого диапазона и 1% (после программной коррекции. Если без неё, то 3%) для второго. Вообще, AD5934, насколько я сегодня понимаю, был придуман больше для измерения качества проводной сети (типа, проверять затухание сигнала в витой паре). Но CN0349 рассказывает удивительные вещи и про растворы солей. Рекомендую изучить сей circuit note, для общего образования.

Если вкратце, то работает эта штука следующим образом: есть микросема ADG715, которая делает выбор между одним из двух пределов измерений EC или термодатчиком. Есть сам AD5934, который измеряет сопротивление с сенсора EC или резистивного термодатчика через операционный усилитель AD8606. Всё это дело заведено через изолятор питания ADuM5000 и изолятор данных ADuM1250. Чтобы всё это собрать и запустить на своей плате, пришлось изрядно покурить даташиты по всем этим компонентам. В итоге, когда всё заработало, измерения электропроводности воды стали максимально достоверными за всю историю проекта. Сами сенсоры, после самодельных, были взяты с aliexpress, с сантехнической резьбой пол-дюйма, со встроенным резистивным термодатчиком. Константа сенсора 1.0.

Для внедрения этого, достаточно длинного сенсора, в уже имеющуюся гидросистему, пришлось сделать небольшой удлинитель.

Сенсоры давления воды

Были опробованы стальные из нержавейки, потом из некого иного металла, покрытого хромом и уже потом нашлись пластиковые. Первый был с метрической резьбой и найти готовый переходник на сантехническую резьбу оказалось проблемой. Второй и третий уже были с резьбой BSP на четверть дюйма. Перейти на требуемые пол-дюйма уже не составило труда (с помощью найденного в продаже полипропиленового переходника). Во времена попыток с первым сенсором из нержавейки, мне даже не пришло в голову, что можно взять метчик и нарезать метрическую резьбу нужного размера в любой подходящей заглушке на пол-дюйма, предварительно лишь засверлив её.

Все эти сенсоры расчитаны на 5В питание. Выдают, соответственно, напряжение, линейно зависящее от давления, в диапазоне от 0.5В до 4.5В. АЦП контроллера STM32 запитан от 3.3В, следовательно в схему подключения привносится самый простой делитель напряжения резистивный.

Измерение кислотности раствора

Измерение кислотности раствора происходит обычным сенсором pH, которые также продают на aliexpress.

Как уже упоминалось, первый, достаточно добротный вариант удалось собрать на операционном усилителе CA3240. Схема была взята тут.

Первая версия, собранная своими руками выглядела как-то так

Следующим стал модуль на специализированном решении (LMP91200 от Texas Instruments), заточенном под измерение кислотности стандартными сенсорами pH.

Типичная схема из даташита незамысловата, её и взял.

там же в даташите нарисовано как надо разводить плату.

По схеме из даташита, как видим, выход с LMP91200 подаётся на вход АЦП контроллера, я же направил этот выход на вход отдельного АЦП ADS1110. Этот АЦП уже передаёт данные на STM32 по I2C, через гальваническую развязку в лице ADuM1250 (данные) и дешевого изолятора питания на 1 ватт B0505S-1W (питание).

Можно, конечно, как в EVAL-0349 использовать ADuM5000, но этот товарищ имеет одно неприятное свойство достаточно сильные помехи (про это можно почитать в даташите на данный изолятор и сопутствующие аппноты про EMI considerations), требующие разводить плату соответствующим образом.

RTC

Хоть это и не сенсор, но тоже важная периферия, поскольку в системе активно используются различные таймеры. Дело в том, что многочисленные проблемы с RTC, идущим вместе с STM32 прилично утомили. Среди этих проблем были некачественные blue-pill (да, именно на них была разведена основная масса версий плат), криво припаянные кварцы, невидимые сопли на контактах кварца или пинах (PC14, PC15), самого чипа контроллера, куда подключаются кварцы. Однажды я заметил, что часы идут, пока blue-pill не вставлена в разъёмы платы контроллера. Как только вставляешь не идут. Достаёшь опять идут. Отрезал от пилюли пины (PC14, PC15), которые вонзались в разъёмы часы пошли в любом положении. Не любят эти выводы лишних емкостей. Можно было бы как следует чистить платы, разъёмы, отрезать пины, покрывать лаком... да вот один случай совсем расстроил в один из аппаратов забрался таракан и прилёг погреться на чип STM32. Что за дискотеку он там устроил не очень понятно, да вот только напачкал прилично, прям на чипе и вокруг. Встроенный RTC встал. Чистка помогла, но было принято решение дублировать часы при помощи DS3221.

Что было опробовано, но пока не вошло в обиход в силу тех или иных причин

Счётчик воды

В числе прочих тестированию подверглись две модели счётчиков воды. Однако, эти измерительные приборы для выдачи верных показаний требуют полное отсутствие пузырей в жидкости. Любые изгибы, смены диаметров водонесущих трубок и прочие мелочи вызывают появление пузырей в воде. Когда пузырь проходит по счётчику, последний норовит посчитать воздух за воду, да ещё и в бОльшем объёме.

На практике достичь такой однородности, чтобы не было существенных отклонений показаний от действительности у меня не получилось, поэтому развёрнуто говорить на эту тему у меня пока не получается.

СО2

Эксперимента ради был также испробован сенсор концентрации углекислого газа MG811. Сенсор представляет из себя устройство, типа батарейки, с электролитом внутри. Судя по даташиту, ЭДС такой батарейки связан через уравнение Нернста с концентрацией углекислого газа в измеряемой атмосфере. Генерируемые токи такого элемента в районе единиц пикоампер, поэтому часто можно в продаже встретить MG811 в составе шилда, на котором расположен операционный усилитель для поднятия столь мизерных токов. Испольуется такой сенсор не сразу, типа, включил и измеряешь, а в условиях прогретого сенсора. Для этого в MG811 встроен нагревательный элемент, который запитывается по двум (из шести всего) отдельным пинам и потребляет пару сотен миллиампер. И эти миллиамперы, зачастую, несмотря на шилды со встроенными усилителями, требуется подавать с напряжением 6В. Не сказать, чтобы большая проблема поставить дополнительный повышающий преобразователь с 3.3 или 5 вольт, но учитывать этот момент всё же приходится. Вероятно, есть в природе шилды со встроенным повышающим преобразователем напряжения, но мне попадались без него. Времени на разогрев требуется около минуты, отзывчивость тоже не такая резкая, что подышал и увидел броски показаний. За неимением газового обрудования и возможности его применять в полной мере, отложил сей сенсор пока на полку. Кстати, для полноценной работы с ним будет нелишним обзавестись смесями калибровочных газов, что иногда затруднительно и доставляет хлопот поболее, чем с теми же калибровочными жидкостями для pH сенсоров.

Из известных мне, есть ещё инфракрасные сенсоры углекислоты, так называемые NDIR. Их есть несколько моделей. Отличаются скоростью отклика, диапазонами измерений, погрешностью и, разумеется, ценой. В качестве примера, на который в своё время посматривал, могу назвать MH-Z14A. Рекомендовать или отговаривать не могу, ибо не имею в наличии и не проверял. На Хабре есть те, кто держал подобные в руках (раз и два).

Датчик освещённости

Хороший пример описан тут

Системы, способы контроля и предотвращения нештатных ситуаций. Электроника

Различные нежелательные эффекты, возникающие при эксплуатации устройства привели к разработке ряда ухищрений, среди которых следует отметить следующие.

Watchdog

В контроллерах STM32 имеется встроенный независимый вочдог таймер именуемый IWDG (Independent WatchDoG). Он хорошо справляется с подавляющим числом зависаний контроллера, на большинстве контроллеров позволяет даже просыпаться из глубокого сна. Однако, как показала практика (особенно на сырых версиях электроники, да простят меня олдовые), в реальных условиях, даже он не всегда справляется. Поэтому был установлен дополнительный, аппаратный сторожевой таймер. С усовершенствованием схемотехники и прошивок, толку от него становится меньше. Тем не менее, для страховки он остался по сей день. Я использовал MAX6369. Для тех кто не в курсе, поясню вкратце у аппаратного сторожевого таймера выход WDO подключается на вход RESET контроллера, а вход WDI заводится на одну из ног контроллера. Когда всё работает, прошивка периодически генерирует импульс на WDI, чтобы дать понять сторожевому таймеру, что всё впорядке. Если в течение продолжительного времени на WDI такого импульса не приходит, сторожевой таймер даёт импульс на WDO, что приводит к аппаратному (как от кнопки) перезапуску контроллера. Можно такой сторожевик собрать и на таймере 555 (чем я тоже баловался в качестве эксперимента), но он занимает прилично места, по сравнению со специализированными решениями.

Неопредённые состояния во время старта

Неопредённые состояния во время старта больше всего досаждают на исполнительных устройствах. Пока контроллер не загрузился, на выходах творится непонятное, что приводит к нежелательным срабатываниям всего, что управляется этими выводами (управление питанием измерительной техники, клапана, дозаторы...). Чтобы устранить эти явления, на контроллере можно железно подтянуть управляющие выходы к земле (или питанию. В зависимости от полярности управляющего сигнала) резистором. В данном случае так сделано, например, для полевых транзисторов, которые управляют питанием измерительных модулей и Raspberry Pi.

Поскольку у меня исполнительными устройствами усправляет отдельный драйвер, где управляющие сигналы создаёт экспандер MCP23017, то подтянуть все 16 линий, вероятно (следует заглянуть в даташит на L6205 и/или протестировать в железе, чтобы уточнить однозначно), можно на нём. Однако, чтобы получить результат наверняка и с меньшим числом точек запайки я выбрал установку достаточно мощного полевого P-канального транзистора на питание всех L6205. В результате, этим полевиком управляет основной контроллер STM32 через оптопару. Логика прошивки сначала инициализирует все входы/выходы на выход, пишет в регистры выходов нули (всё выключено), зачитвает обратно содержимое этих регистров, сверяет с тем, что только что было записано и, если все биты совпадают, то старт считается успешным. Если старт определился как неуспешный, поднимается соответствующий флаг ошибки и работа всей силовой части блокируется (основной контроллер не станет открывать полевик до устранения проблемы). Если же старт засчитан успешным, то полевик всё ещё будет закрыт. До тех пор, пока не будет выдана команда на запуск одной из нагрузок, которая (команда) отправит на экспандер драйвера последовательность бит (где как минимум один из битов будет отличаться от нуля) и не прочитает обратно такую же последовательность. Когда все эти условия выполнятся, основной контроллер открывает MOSFET и только тогда драйвер начинает питать нагрузку. По завершении работы нагрузки/нагрузок, основной контроллер вновь отключает питание силовой части драйвера, закрывая полевик до следующих мероприятий. Если происходит физический обрыв проводов (скажем, отгрызла внезапная мышь), то линия управления полевым транзистором ложится в ноль (для P-канального, на самом деле, в 1) и нагрузки не сдвинутся с места (как минимум, до тех пор, пока не будет отгрызен подтягивающий резистор).

Кстати, о силовом драйвере. Однажды, пришёл ко мне один молодой человек и попросил дать ему попрактиковаться в сборке. Было ему выделено место, даны компоненты, паяльник, платы, схемы, тестовый аппарат. Собрал он пару таких драйверов и стал их тестировать. Не получается. Звонит мне, рассказывает невероятные вещи. Приехать на место и проверить лично в чём там дело непросто - я в другой стране. В драйвере этом, в роли экспандера, использовалась 74HC595. Он тычет в неё и говорит, мол, то ли микросема отстой, то ли прошивка твоя не важнецкая. Дело дрянь, вобщем. Я проверяю прошивку на своём девайсе, перепроверяю все подключения у себя, шлю ему видео. И у него всё-равно не работает. Ну, думаю, что с микросхемами-то может быть. Я же не DI HALT, который всё-всё видывал в силу огроменного опыта и может писать про подделки, в которых нет кристаллов или ещё что похуже. Мне чисто по теории вероятности левак достанется крайне наврядли - думал я. А вариант с прошивкой не подтверждался в моих тестах.
Микрухи, действительно, оказались леваком. Об этом я узнал, когда прибыл на место событий. Чувак к тому моменту пропал за горизонтом. Так что, если ты вдруг это читаешь, дядька, знай - ты был прав, микрухи оказались шляпой. А я ошибся.

Малина

Иногда Raspberry Pi может перестать подавать признаки жизни. Как сказано выше, основной контроллер может управлять её питанием. И в таких случаях тишины он именно это и делает. Причин тишины от малины может быть несколько. Наиболее частые из них: перегрев малины или износ карты памяти. Для нивелирования зависаний по перегреву основной контроллер выжидает заданный промежуток времени, после чего перезапускает питание Raspberry Pi. То же самое происходит и в случае с износом карты памяти, только здесь, как несложно догадаться, рестарт уже не помогает. Специальный счётчик даёт несколько попыток рестарта. Если они не помогли, то, как это уже стало традицией, поднимается соответствующий флаг ошибки и малина оставляется в покое.

Чтобы износ карт памяти происходил как можно реже, используется как минимум две карты. Одна из них монтируется в режиме только для чтения. С неё происходит загрузка системы. Логи, данные, графики пишутся на отдельную карту, смонтированную для чтения/записи. Кроме этого, в ходе испытаний были испробованы различные карты памяти и из них выбраны наиболее долговечные. Разница в жизнеспособности разных представителей карт памяти измеряется порядками. Некоторые карты перестают записываться, а некоторые даже читаться. Чтобы не просрать все полимеры логи, написана функция, запускающая телеграм-бота, который периодически шлёт пользователю графики логов.

Питание

Питание системы также отметилось в статистике отказов. Наиболее частой проблемой стали излом проводов и раскручивания клемм на блоках питания. Это нормальная ситуация на аппаратах, нагруженных вибрацией. Чтобы хоть как-то минимизировать этот эффект, было решено закручивать в клеммы не просто концы проводов, а делать на концах колечки. Это улучшает зажим. Плюс к этому, закручивать следует изо всех сил. Несмотря на силу закручивания, пользователю рекомендуется иногда приносить аппарат на профилактику, в ходе которой, среди прочего, делается протяжка клемм.

Кстати, о клеммах

Есть такие клеммы, очень популярные, вы, скорей всего, их видели, зажимные с винтами.

Они были использованы в первых версиях аппаратов на проводах основного насоса. Сначала ставились рядом с мотором, чтобы удобно было поставить обратный диод. Когда принесли аппарат с погоревшими клеммами, диод я стал запаивать, а клеммы вынес подальше, сантиметров на 10-15. Это не изменило ровным счётом ничего. Больше я их там не использую вообще, только запайка. А вот разём GX16 справляется и не чернеет даже (хотя, лет через 10, кто его знает).

Пара историй про химические фэйлы

Один раз банку с органическими удобрениями разорвало давлением изнутри (загадочные процессы в самом удобрении, происходящие, скорей всего, из-за несоблюдения чистоты на обратной стороне крышки банки) и содержимое оказалось на мраморном полу. Взял бы да вытер, но нет. Не было меня на месте этого происшествия несколько недель. Удобрению понравился мрамор и оно проело в нём пару миллиметров верхнего слоя.

Второй аналогичный случай произошёл на бетонном полу. Бетон тоже пришёлся органике по вкусу. Никакая перекись не смогла справится со следами после уборки. Спустя время, в этом месте, на бетоне продолжилась жизнь в лице зелёной плесени.

Ещё один случай связан с кислотой. Там была азотная кислота, около 35% концентрации, подключенная в дозатор. На КДПВ из первой части видно, как штатные светло-кремовые шланги дозаторов переходят через черные соединители в коричневые (бывают черные) ПВХ. Это был тот самый случай. Как выяснилось (да простят меня химики), так делать категорически не следует. ПВХ за считанные дни задубел, соединители превратились в сопли-порошок, система потекла (хорошо, что аварийный дренаж был в наличии). Теперь только шланги, рекомендованные производителем под эти кислоты, с регламентом снятия/замены. И кислоты разводить в воде.

Давайте начнём с азов, если брать определение из всем известной и всеми любимой Википедии, то L-система (или же система Линденмайера) это параллельная система переписывания и вид формальной грамматики.

Если говорить простым языком, то L-система состоит из алфавита символов, которые могут быть использованы для создания строк, набора порождающих правил, которые задают правила подстановки вместо каждого символа, начальной строки ( аксиомы ), с которой начинается построение, и механизм перевода образованной строки в геометрические структуры. Самым простым примером L-системы может служить задача построения дерева.

Вводные данные:

Строка (далее Аксиома): A B

Переменные (которые мы можем задействовать в построении дерева): A B C

Правило (правило по которому каждая переменная на последующие строке меняется):

• A - > AB

• B - > AC

• C - > A

Получаются такие преобразования:

Основным направлением, в котором применяются L-системы, это моделирование процессов роста как живых организмов, так и неживых объектов (кристаллов, раковин моллюсков или пчелиных сот).

Пример:

Для моделирования подобных процессов, мы с вами будем использовать такой язык программирования как Python, в нём есть встроенная библиотека turtle.

Итак, приступим:

1. Здесь мы импортируем библиотеку Turtle в наш проект:

   import turtle

2. Далее мы подключаем все необходимые конфигурации для нашей черепашки:

   turtle.hideturtle()

   turtle.tracer(1)

   turtle.penup()

   turtle.setposition(-300,340)

   turtle.pendown()

   turtle.pensize(1)

3. Далее мы задаём значение непосредственно самой аксиомы и сопутствующих параметров, необходимых для задания последовательности:

   axiom = "F+F+F+F"

   tempAx = ""

   itr = 3

   (itr- значения итераций цикла, оно нам понадобится в следующем шаге при написании нашей программы)

4. В данном цикле, где как раз нам и понадобится переменная itr-, мы занимаемся обработкой и "выращиванием" непосредственно генома нашего фрактала/растения:

   for k in range(itr):

   for ch in axiom:

   if ch == "+":

   tempAx = tempAx + "+"

   elif ch == "-":

   tempAx = tempAx + "-"

   elif ch == "F": #F

   tempAx = tempAx + "F+F-f-F+F"

   else:

   tempAx = tempAx + "f"

   axiom = tempAx

   tempAx = " "

   print(axiom)

   Если мы с вами пробежимся по циклу, то сразу же в первом условии мы увидим фильтр на символ "+":

   if ch == "+":

   tempAx = tempAx + "+"

   Здесь мы ищем в аксиоме (изначальной строке) знак + и при его появлении мы добавляем символ + в последующую строчку. Так же происходит и с символом - и f, мы просто добавляем в последующую строчку символы - и f соответственно. Но при появлении в нашей аксиоме символа F, мы поступим немного иначе и добавим в последующую строчку уже последовательность символов F + F f F + F, для увеличения длины каждой последующей строки. Данное действие в принципе не принципиально, но для быстроты генерации генома, я решил поступить именно так. В конце мы обязательно приравниваем аксиому к нашему геному и обнуляем его:

   axiom = tempAx

   tempAx = " "

   Результат (значение аксиомы):

   

5. Ну что, вроде по генерации генома всё понятно, давайте уже приступим непосредственно к визуализации. Для этого нам понадобиться простенький цикл, который будет переводить встречающиеся в геноме символы в движения черепашки:

   for ch in axiom:

   if ch == "+":

   turtle.right(45)

   turtle.forward(10)

   turtle.right(45)

   elif ch == "-":

   turtle.left(45)

   turtle.forward(10)

   turtle.left(45)

   else:

   turtle.forward(20)

   Сразу можно заметить, что по аналогии с предыдущим пунктом, мы детектируем символы "+", "-", "F" и "f". Только теперь в момент, когда мы встречаем символ "+":

   if ch == "+":

   turtle.right(45)

   turtle.forward(10)

   turtle.right(45)

   Мы поворачиваем сначала на право, на 45 градусов, потом проезжаем расстояние, равное 10, и потом мы снова поворачиваем на право, на 45 градусов. Когда же мы встречаем символ "-":

   elif ch == "-":

   turtle.left(45)

   turtle.forward(10)

   turtle.left(45)

   Мы делаем все те же самые действия, что и при символе "+", только на этот раз поворачиваем уже не вправо, а уже влево. Но если же мы встретим символы "F" или "f", то мы просто буем проезжать вперёд на 20 пикселей:

   else:

   turtle.forward(20)

   В итоге мы получаем вот такой фрактал-снежинку:

   

6. Если же мы захотим раскрасить наш фрактал-снежинку, то нам понадобиться перед циклом из предыдущего пункта добавить строчки:

   turtle.fillcolor("#99BBFF")

   turtle.begin_fill()

   Где #99BBFF - это кодировка цвета (RGB: 153, 187, 255), а begin_fill() это начало заполнения цветом. И в конце, уже после цикла, добавить строчки:

   turtle.end_fill()

   turtle.update()

   turtle.done()

   А end_fill() означает конец заполнения. Далее мы обновляем и выключаем нашу "черепашку". И на выходе мы получаем вот такой фрактал-снежинку:

   

Вы так же можете посмотреть, "потыкать" код, изменяя параметры и данные в нём.

В конце, хочу также добавить, что мне очень понравилось работать и писать по данной тематике, возможно, в будущем, я напишу ещё ряд статей по теме "L-системы", но а пока, хочу представить вам результаты моего тыканья творчества: