Отопление загородного дома на arduino с передачей данных в internet. Автоматика для пивоварни BeerDuino на базе arduino mega
Всем привет!
С момента, когда я решил построить свою автоматизированную пивоварню прошло много времени. Вот первый пост .
Сегодня контроллер полностью готов, осталось сделать само варочно-фильтровальное устройство. Все делалось моими собственными руками. Прошу не судить строго, у меня нет инженерного образования, я простой гуманитарий! Расскажу по-порядку, как и из чего это делалось. Внимание, траффик, много фоток! Коротко о разработке. Выполнено на Arduino. Звуковая, световая индикация, индикация тока и напряжения (т.к. аппарат отладочный, мне необходимо следить за этими показателями). Аварийное отключение. Вся система на полупроводниковых реле. Силовая часть развязана с цифровой. Управление 4 нагрузками 25-40А (масштабируется), память рецептов на 8 штук. 8 температурных пауз. Интуитивно понятный интерфейс. Полностью ручной или полностью автоматический режим. Автоматическая CIP мойка. 2 температурных датчика с точностью 0,1гр. Датчик жидкости в котле. Датчик жидкости при перекачке. Производительность - от 20л до 1000л. Управление аэрацией, вирпулом, помпой, резервный выход. Настраиваемый PID, под разные емкости (beta), USB для обновления софта, в скором будущем - дистанционное управление с iPhone/iPad. Сейчас можно управлять с компа, с экрана монитора, даже через интернет.
Начнем. Сначала я выбрал в магазине корпус. Цены очень разные. Выбрал приемлемый по размеру и цене, забегая вперед, скажу, что начинка влезла на пределе, в меньший корпус не поместилась бы:
Сложная работа по разметке управляющих элементов. Все начинка, кроме корпуса, проводов и контактора, были куплены за рубежом. В этой стране по внятной цене ничего не купить.
С конфигурацией определился, нижний ряд кнопок оставлен на будущее, под расширение возможностей:
Наклеил малярный скотч и нарисовал карандашом разметку.
Дело за малым. Вырезать отверстия. Прямоугольные делались электролобзиком, пилкой с самым мелким зубом. Круглые - ступенчатым сверлом-ёлочкой. Мелкие круглые - дрелью. 
Все отверстия обрабатывались напильником.
И покрасил. Замечу, сделал я это зря, краска нещадно откалывается при любом контакте. Красил на 3-4 слоя. Грунт не использовал.
Подождал сутки, когда высохнет краска и разместил элементы.
Радиатор я купил по объявлению, он с местного телецентра, стоял на ТВ передатчике на местной телевышке, пришлось отпилить, отдавал на завод, т.к. лобзик не берет, он тяжеленный из неведомого сплава.
С обратной стороны.
Внутри.
В сборе.
Проверка электроники.
Набросал очень сложную схему, без схемы - никуда!
Подключил все и припаял. Пошагово не снимал, не до этого было.
Еще один вид. Каждую компрессионною клемму я пропаиваю.
Розетки на исполнительные устройства.
SSR реле. Использовал двух номиналов и разных производителей, так интереснее.
Вот, что получилось. Кнопки выбора поставил другие, более удобные и зеленые, так, я думаю выглядит красивее, а то красного слишком много:) 
Немного прибрался на столе и на тест! Вместо ТЭН, нагрузкой и нагревающим элементом является винтажная настольная лампа. 
Наклеил таблички на Момент Кристалл. Таблички специальные, заказанные в фирме. Бывают двух видов Гравертон и Гедаколор, отличаются по цене, качеству и стойкости. Какие у меня, уже и не помню. И все готово!
А тем временем, на столе уже ждет новый мозг с новыми возможностями для новейшей разработки! :)
Следующий этап, подбор компонентов для варочника и окончательная постройка. Но об этом в следующей части
Чтобы я сделал, по-другому, не стал бы красить, на фотках видны многочисленные сколы. Но блок предназначен к настенной стационарной установке, поэтому краска не будет так отбиваться. На данный момент все работает как положено, осталось доделать варочник со всей обвязкой. Вопрос времени и денег.
Мое пожелание начинающим пивоварам, не пытайтесь сразу строить автомат, не выйдет. Нужно сначала, вникнуть во все детали, выбросите деньги и время.
По договоренности с автором кода, код не выкладывается в открытый доступ по нескольким причинам: программа заточена под мою конкретную разработку, под конкретный цикл, и возможно, в дальнейшем, превратится в коммерческий продукт. Я лишь показал пример.
Попрошу прощение за качество фоток, все делалось на телефон. Спасибо всем, кто дочитал до конца!
Для тех, кого заинтересовало домашнее пивоварение,
В 2014 году я наткнулся на видео где мужик делает пиво из концентрата пивного сусла. Я загорелся идеей пивоварения и тут понеслось…
Варка пива из консервов мне стала не интересной после 2-го раза и я решил перейти на all-grain. Раз сварил пиво на газу и понял, что это не мой метод. Решил сделать автоматику. Вечера стали интересней. Я так втянулся в программирование, что кодил аж до 2-3 часов ночи. Нужны были испытания в реальных условиях. В закромах откопал кипятильник и граненый стакан.
И вот, что в итоге у меня получилось
А теперь расскажу как сделать такую автоматику.
Для начала нам понадобятся следующие детали. Я их купил в Китае.
ssd1289 или ili9341.
Твердотельное реле для управления ТЭНом (или схема на )
Твердотельное реле для управления насосом (для насоса на переменном токе) или (на постоянном токе)
Термодатчик или или
Блок питания 7.5-9В 1А. Например
Разьемы для подключения термодатчика и насоса и
(еще )
(buzzer)
Резистор на 4.7кОм
Схема низкого напряжения
Силовая схема. Будьте осторожны. Не уверены — доверьте профессионалам.
Сечение проводов берем в зависимости от суммарной мощности насоса и ТЭНа. Для твердотелки ТЭНа нужен радиатор т.к. греется он не слабо. Запихиваем все это в коробок. Заливаем прошивку,настраиваем и варим пиво.
(инструкция внутри)
Но базовых функций мне было мало. И я решил прикрутить wifi. Прикупил на aliexpress модуль ESP8266 . Заодно заказал модуль т.к. ребята с форума ну очень просили внедрить его в проект (можно и без него) . И подключил по следующей схеме
Для питания wifi модуля нам нужен источник питания 5В. Использовать arduino нельзя. Можно использовать отдельный источник питания либо преобразовать 9В в 5В. Для этого можно собрать простенькую схему со стабилизатором напряжения или купить готовый у китайцев. Например (есть еще куча других вариантов).
Следующим шагом будет прошивка нашего модуля прошивкой NodeMCU. Скачиваем . Запускаем. Нажимаем Start и ждем окончания заливки прошивки. Прошили? Вот и отлично. Теперь загружаем скрипт. Для этого нам понадобится . Есть конечно другие программы типа . Но у меня не получилось их заставить работать с моим модулем. В ESPlorer-е создаем новый файл init.lua с следующим содержанием:
Меняем имя wifi сети и пароль на свои. Ставим скорость 9600. Жмем кнопку «Open»(если не конектится может помочь нажатие кнопки reset на модуле). И жмем «Save to ESP». После загрузки скрипта, модуль должен подключится к вашему роутеру. Это можно проверить зайдя в роутер и посмотреть клиентов DHCP. Если вашего модуля там не видно, то что-то пошло не так.
В web-интерфейсе присутствуют следующие функции.
1. Мониторинг процессов. Можно следить за температурой, состоянием насоса, показателями затирания и варки. Веб интерфейс снабжен звуковым сигнализатором.
2. Загружать рецепты в память контроллера и на флешку.
3. Построение глобального графика всей варки.
Вход в web-интерфейс
Для чего же мне понадобилась автоматика?
Автоматика нужна для облегчения процесса , т.к. этот контроллер сам будет следить за температурой, поддерживать ее и поднимать до необходимой температурной паузы. Так же сигнализировать звуковым сигналом о необходимом вмешательстве, например, нужно засыпать солод или сделать йодную пробу.
Делать я свою автоматику решил из готового проект . Работает она на arduino, к нему подключается датчик температуры, два реле, дисплей и кнопки. Первое реле управляет ТЭНом, второе реле насосом. Насос для затирания очень удобен, т.к. отпадает необходимость за весь процесс затирания перемешивать затор (подробнее как варить пиво, рекомендую прочитать в моих ранних )
Первую автоматику я собрал с помощью модулей:
- Arduino mini- Блок из двух реле на 15А
- Дисплей 2004
- Температурный датчик
- 4 кнопки
- БП на 5 вольт
Удобство модульной сборки, только состоит в том, что достать все детали не составит труда и паять практически ничего не нужно. Но самый большой минус - это огромное количество проводов, а дешевое китайское реле создавало помехи на дисплее, по этому механическое реле пришлось заменить твердотельным.
Со временем я пришел к выводу, что надо собрать свою автоматику на чипе с 64кб памяти (у arduino mini всего 32 кб) на одной плате. Готового решения я не нашел, по этому сам стал создавать схему и в последующем плату для своей поделки.
Схема:
Схему разработал и рисовал так сказать на коленке и для себя, по этому возможны кое-какие недочеты, но схема полностью рабочая:
Плата:
Схему нарисовал, далее осталось нарисовать плату, сначала рисовал с помощью программы Sprint-Layout 6 , очень удобная, но маловато в ней функционал, по этому решил от нее уйти в сторону программы DipTrace и вот что у меня получилось:
Скачать исходники можно .
Как видно свою пивоварню я назвал QRBeer и это уже версия 0.5…
Плата готова, осталось ее как-то изготовить. Для этого я решил использовать . Почему именно им, а не ЛУТ? Просто решил испробовать для себя такую новую технологию, ЛУТ я уже испробовал, так сказать пощупал, не скажу, что мне она понравилась…
Фоторезист:
Для изготовления печатных плат с помощью фоторезиста понадобится:- Пленка для принтера
-
- УФ лампа
- Сода кальцинированная
УФ лампа
Для начала поделюсь информацией как я делал свою УФ лампу . Сначала хотел использовать готовую лампу, а потом решил собрать ее на шести 3Вт светодиодах:и куплены так же на тао:
Светодиоды приклеил на радиатор , хотя можно было их собрать на текстолите, сомневаюсь, что они перегрелись бы.
Вот что у меня получилось:
Изготовление платы
1. Итак, шаблон я подготовил, осталось его только распечатать на пленке. Как я писал выше нужна пленка для принтера, я испробовал пленку как для лазерного принтера, так и для струйного, лучший вариант получается только на пленке для струйной печати. Печатать нужно в негативе и в зеркальном отражении:
Шаблон я сразу заламинировал, что бы отпечатки пальцев и мусор легко можно был смыть.
2. Далее нужно зашкурить нашу будущую плату (фальгированный стеклотекстолит). Для этого подойдет слегка смоченная обычная губка или меламиновая губка:
3. После этой процедуры, медь ещё нужно обезжирить ацетоном:
Как видно на моем фото обезжиривал я обычной салфеткой, а ацетон я перелил в бутылочку от перекиси, так удобнее брать…
4. Следующим шагом нужно обрезать фоторезист под свою будущую плату слегка с запасом и аккуратно снять верхнюю защитную пленку, что бы не повредить его. Если фоторезист отечественный, отклеивать нужно матовую сторону, если китайский, то тут разницы нет…
5. Далее наклеиваем фоторезист на текстолит, что бы под фоторезистом не появились воздушные пузыри, иначе в таких местах дорожки не проявятся, обрезаем лишнее…
Процесс наклеивания фоторезиста напоминает наклеивание защитной пленки на телефон.
6. Когда фоторезист наклеен, текстолит с ним нужно пропусить через ламинатор 2-3 раза или воспользоваться теплым утюгом и проглаживать через лист бумаги сложенным в два раза:
Главное фоторезист не перегреть, а то получится вот так:
Если при наклеивании фоторезиста получился «косяк», то лучше его убрать (смыть или соскоблить) и заново наклеить, а то после травления платы будет печально… Я же убирать этот фоторезист не буду, покажу конечный результат.
7. Накладываем на текстолит с фоторезистом шаблон и прижимаем стеклом (я взял его от старой фоторамки), а на стекло устанавливаем груз:
8. Засвечиваем фоторезист с помощью УФ лампы. Моей лампы хватает примерно 2 минуты:
Как видно фоторезист который засветился поменял цвет со светло-синего до темно-синего, причем засвеченный фоторезист очень хрупкий.
9. Убираем стекло и шаблон. Лишний фоторезист можно (не обязательно) обрезать и аккуратно отделить пинцетом:
10. Следующим шагом следует щелочью смыть непроявившийся фоторезист, для этого берем 2 стакана воды и столовую ложку кальцинированной соды, хорошенько размешиваем. Отклеиваем верхнюю защитную пленку у фоторезиста и опускаем в щелочной раствор наш текстолит.
11. Берем кисточку и трем по фоторезисту в щелочи, постепенно непроявленный фоторезист смывается:
Щелочь можно не выливать, а оставить на следующую плату или для смывания фоторезиста после травления, но об этом чуть позже…
12. Травление платы:
Тут два способа доступнее всего: травление хлорным железом или перекисью+лимонная кислота и соль. Про хлорное железо писать не буду, а вот с помощью перекиси пожалуй опишу:
- 100 мл. перекиси водорода 3% - продается она в аптеке за 7-12 рублей
- 30 гр. лимонной кислоты (есть в любом продуктовом магазине)
- 1 ст. ложка соли (подойдет как мелкая так и каменная)
Все это смешивается в емкости и погружается туда плата с готовым фоторезистом, через некоторое время на плате появляются пузыри:
А через некоторое время «голая медь» полностью протравится:
Кстати, если травить в более высокой температуре, например у лампы накаливания или в водяной ванне, то тремя травления уменьшится, главное не переусердствовать, иначе лишнее протравится…
13. Убирать фоторезист удобнее всего в этой же щелочи, в которой смывали непротравленный фоторезист, минут через 20 он сам отпадет и ничего тереть не надо…
А вот и мои «косяки»:
Хоть и не значительные, но все же, а во всем виновата невнимательность, не заметил пузырьки воздуха под фоторезистом или перегрел…
Следующая плата у меня получилась «чистая»:
14. Далее сверлим отверстия и лудим плату:
15. Припаиваем все детали и отмываем от лишнего флюса:
Припаивал SMD компоненты китайской инфракрасной паяльной станцией, очень удобно:
Вот и все, самое сложное позади, осталось прозвонить дорожки на предмет короткого замыкания и приступить к программирования чипа.
Программирование atmega644
1. Для начала программирования нужно загрузить в него bootloader. Делается это не сложно с помощью Arduino UNO, но для начала нужно скачать и установить программу .2. Следующим шагом в установленную программу добавить или взять сразу готовую сборку:
3. Заливаем на UNO скетч ArduinoISP:
4. И подключаем к UNO нашу плату:
В соответствии инструкции скетча:
// pin name // slave reset: 10: // MOSI: 11: // MISO: 12: // SCK: 13:
Получается по моей схеме так:
5. Далее устанавливаем в настройках нашу плату и загружаем bootloader:
Если все удачно прошло, то увидим сообщение: «Запись загрузчика завершена»
На этом загрузка bootloader"a завершена, можно подключать дисплей, кнопки, датчик температуры и заливать
Мне хотелось бы представить очередной пример использования Arduino в реальных задачах. Тут я представлю максимально простой, но реально работающий проект регулировки отопления дома с помощью электрокотла на базе Arduino. Я очень надеюсь, что эта статья поможет кому-то отбросить страхи и попробовать самостоятельно применить свои руки по назначению, это очень здорово тренирует руки, мозги и даёт редкое чувство удовлетворения созданием чего-то интересного. Начав работать с этим контроллером, я до сих пор нахожусь в некотором замешательстве от возможностей, открывающихся при его использовании.
История
Почему, собственно, Arduino? Простота, доступность, масса документации и библиотек. Как, наверное, многие, я долго присматривался к Arduino, с детства люблю всякие батарейки и моторчики, а тут новый уровень, полноценный язык программирования и куча возможностей ввода-вывода. Когда его начали выпускать наши “наиболее вероятные экономические партнёры”, цены на него упали до приемлемого уровня. В результате купил старт кит и, вдоволь наморгавшись светодиодами и индикаторами, поимел желание применить его где-то по хозяйству.
Что отапливаем
У меня бабушка живёт в деревенском доме под Москвой, там нет ни нормального водоснабжения, ни газа, ни отопления, а решение всех этих задач требует больших капиталовложений либо приложения рук. Вот тут и виделось место, где можно полноценно использовать arduino, есть где развернуться. Самый большой плюс деревенского дома в том, что он традиционно не большой и очень простой. Так и мой - типичный дом крестьянской семьи середины 20-го века, представляет из себя бревенчатый сруб с одной большой комнатой и кухней. Других отапливаемых помещений нет, что для нас плюс, достаточно поддерживать и контролировать температуру в единственной комнате.Отопление
Оборудование для отопления. Традиционно в доме было печное отопление. Одна “немецкая” печь в комнате (греет за счёт длинной извилистой трубы), вторая “русская” на кухне (греет за счёт больших размеров самой топки). Если кто-то витает в киношных представлениях, что печь это классно и к тому же натурально и романтично, то беру на себя смелость предположить, что эти люди никогда не жили в доме с печным отоплением. На самом деле, это не очень комфортно, неудобно и пожароопасно. Поэтому лет 5 назад был заказан и осуществлён проект по разводке простейшего двухтрубного отопления с газовым котлом. Питать котёл предполагалось из газовых баллонов.Впоследствии решено было систему модернизировать, добавить насос для принудительной рециркуляции теплоносителя и небольшой 2-киловаттный электрокотёл, чтобы не мучиться с разжиганием газа, когда ещё не очень холодно. Вся автоматизация сводилась к наличию большого рубильника на стене, когда становилось холодновато, его включали, а когда жарковато - выключали. Двух киловатт хватало где-то до температуры 0°C, дальше приходилось зажигать газ или печь, что было крайне неудобно.
Экономическая целесообразность
Перед тем как что-либо менять, естественно, было решено посчитать, имеет ли вообще вся эта задумка смысл. Просчитав по опыту расход газа из баллонов, прикинув ожидаемый расход дизтоплива, я пришёл к выводу, что в таких типах отопления нет никакого смысла при наличии достаточного количества электроэнергии. По цене баллоны выходили где то 6-7 тыс в месяц, дизтопливо, если покупать что-то палёное или летнее зимой, можно наэкономить до расхода 5 тысяч в месяц, при этом на чистой электроэнергии получалось 7 тыс. Прибавим сюда стоимость котла, постоянные таскания баллонов и запах от саляры, и станет ясно, что электричество куда проще и вовсе не дороже. Ещё, конечно, есть модные в последнее время пеллетные горелки, но они мне не подходили, так как они не умеют зажигаться сами и потому имеют минимальную мощность, при том совсем не малую (порядка 5кВт), которую 90% времени просто некуда девать, и требуют хотя бы 2 раза в неделю засыпать топливо, что иногда делать некому. Да и стоимость самих котлов на порядок больше предыдущих вариантов, поэтому они подходят для больших домов, где нужна большая мощность и большие затраты, а не в моём случае.Heavy hardware
Попытался прикинуть требуемую мощность исходя из расхода газа и других прикидок, получилось, что надо 4-5 кВт, с запасом 6. Обзор рынка показал, что существует модель электрокотла, аналогичная уже установленному, но с 3-мя нагревательными элементами по 2 кВт каждый. При том продавалась она без управления, что мне было даже удобнее и дешевле. Вообще, сам котёл это крайне простая конструкция, металлический цилиндр с входной и выходной трубами, сверху притянутая болтами крышка, в которой закреплены ТЭНы. Дополнительно в корпус врезаны 2 датчика, резистивный датчик температуры и датчик, замыкающийся при перегреве, оба от системы охлаждения авто. Теперь встал вопрос о электроэнергии. Моя ситуация упрощалась тем, что рядом с домом находится мастерская, к которой подведены 3 фазы (в народе - 380). Естественно, возник соблазн питать каждый ТЭН от своей фазы, поэтому был куплен и проложен в котельную специализированный 4-жильный кабель в металлической оплётке для подземной укладки. Кабель введён в щиток с последовательно включенными УЗО и блоком из 3-х автоматов по 10А. Далее кабель шёл уже непосредственно в щиток с arduino и уже оттуда к элетрокотлу.
Light hardware
Понятно, что управлять ТЭНами будем с arduino, вопрос - как? Придерживаясь принципа - чем проще, тем надежнее, будем их просто включать или выключать с помощью реле безо всяких переходных вариантов. Облазив алиэкспресс, нашёл блок реле для ардуино, который может управлять сразу 5-ю силовыми линиями. Одна беда, максимальный ток, который эти реле могут выдерживать - 10А, а у меня получается 2кВт / 220В ~ 9А. То есть практически максимум, а желательно иметь запас хотя бы 25%. Однако решил рискнуть. Реле честно продержались почти неделю, затем просто начали плавиться. Надо было что-то решать и быстро, ибо была зима и останавливать отопление было нельзя. Потому были прикуплены 30А реле, правда, с обмотками на 12В. Поэтому быстренько припаял к каждому реле по транзистору, чтобы включать их от 5В ардуино.Схема неплохо работала почти месяц, а потом я заметил, что дома как-то слишком жарко. Проверка показала, что одно реле “запало” в включенном положении. Постучал по нему - заработало опять, но хватило на несколько дней. Поменял его в надежде, что это брак, но уже через неделю то же самое случилось со 2-м реле. Поставив последнее запасное, отправился опять на али. Там были обнаружены специализированные реле для ардуино на 40А! Этих-то должно хватить наверняка, подумал я. Пара-тройка недель ожидания, и вот опять выкидываю транзисторы и ставлю новые реле с уже готовой обвязкой и индикацией. Радость была недолгой, недели через 2-3 опять залипшее реле. Начал изучать вопрос, оказывается, чтобы уменьшить нагрузку на реле и убрать искрение контактов, реле надо включать не как попало, а в момент, когда синусоида напряжения проходит через 0. Ну, в теории это можно сделать с помощью нашего же ардуино, только на подключить через делить все три фазы и смотреть напряжение. Проблема ещё и в том, что реле имеет некоторое время реагирования и, собственно, нам ещё надо его установить опытным путём. В общем, задачка не такая простая.
И тут я наталкиваюсь на так называемые Solid State Relay, проще говоря - электросхемка, собранная на мощном тиристоре, в корпусе, похожем на обычное реле. Из его плюсов - нет механики, ничего не залипнет. Не создаёт мощных ЭМ-помех, что важно для ethernet’a, о котором ниже. Они уже содержат схему, которая включает и отключает реле при проходе нуля. На реле есть индикатор включения. Ну и ещё они беззвучные, хотя для нашего случае это не так и актуально. После изучения инструкций и характеристик были заказаны SSR-40DA, что по-русски означает - твёрдотельное реле с постоянным управляющим током 3-5В и током нагрузки до 40А. Заодно решил немного отойти от принципа «проще-лучше» и сделать ещё контроль тока в ТЭНах. Это позволило бы узнать о перегоревшем ТЭНе/реле или отключении питания на одной из фаз. Добавил в заказ модуль контроля тока на 20А, хотя выглядели они хлипковато для такого тока (2.5 квадрата кабель даже не лез в их зажим). Когда реле и модули измерения тока пришли, оказалось, что реле достаточно громоздкие, поэтому было решено перенести всё, что связано с высоковольтной частью в новый ящик, а ардуино оставить в старом.
После первых экспериментов оказалось, что я совершенно забыл, что эти реле, так как собраны на тиристорах, довольно сильно греются. Через сутки работы реле нагревались так, что я не мог терпеть, держа на них палец, то есть градусов 60C, а это уже близко к критическим 80C. Опять полез на али, прикидывая, какие радиаторы приспособить, и тут узнал, что для этих SSR есть штатные радиаторы! На момент установки радиаторов также обнаружил, что один модуль контроля тока сам ток больше не пропускает, а со стороны платы видна подгорелая дорожка. Ещё один модуль также не вызывал уверенности, решил снять их все. В таком виде они всё же слабоваты и опасны, а толку от них не так и много. Проблему отключения фаз или ТЭНов пока отложил как не очень актуальную, за 3 года ни первого, ни второго не случалось не разу.
Теперь о ПО
Arduino
Сразу же в примерах был найден кусок, который позволял управлять средней мощностью, имея двоичное управление - вкл и выкл. Смысл простой, берём некое окно времени, скажем, 1 минута, и в цикле включаем либо выключаем нагрузку в зависимости от пройденного времени. То есть, если нам надо 50% мощности, то включаем нагрузку в первые 30 сек и выключаем в последние 30, затем цикл повторяется. Быстренько переделал это под 3 независимых реле, если мощность больше 33%, то включаю второе реле, если больше 66% - то третье, а первое включаю и выключаю по основному алгоритму. Теперь встаёт главный вопрос, а по какому алгоритму подбирать мощность? Будучи программистом по профессии сначала решил, что задачка довольно простая, холодно - добавляй, тепло - отбавляй, и попытался прикинуть всё это в уме.Оказалось, не так и просто. Полез смотреть, как это делают в продаваемых системах, оказалось, там всё либо максимально просто, как в утюге - +1C = выкл, -1 = вкл. Но тогда мы получаем почти 4C колебаний из-за инертности системы! Это слишком грубо, ибо мы можем получать данные с точностью до десятой доли градуса. Также посмотрел алгоритмы работы с использованием температуры уличного воздуха, они оказались достаточно простые и работали на готовых таблицах, которые были заранее зашиты и просто менялись в зависимости от теплопотерь дома. Копая глубже и глубже, я докопался до промышленных установок, в них повсеместно использовали алгоритмы PID-регуляторов. И, о слава популярности, оказывается, у Arduino есть бесплатная PID-библиотека!
Пару слов о том, что такое PID применительно к нашему случаю. Смысл алгоритма в том, что мы сообщаем ему требуемое значение некоторого параметра (температура внутри дома) и в цикле передаём текущее значение, а он выдаёт нам необходимое воздействие (мощность, которую надо подать на котёл). Не вдаваясь в подробности математической модели, как же он работает с точки зрения программиста. Итак, мы имеем температуру в комнате, пусть 20C, желательную температуру 22С, и даём их нашему PID-алгоритму.
Сам алгоритм имеет 3 независимые части, по имени P, I и D. Первая часть работает крайне просто, смотрит на разницу между желательной температурой и текущей температурами. То есть чем холоднее, тем большую мощность нам даст алгоритм. Вроде бы, этого и достаточно, но ведь у нас есть постоянные теплопотери дома, то есть, чтобы держать нужную температуру, нам надо постоянно давать какую-то мощность. То есть даже если температура в комнате равна заданной, нельзя отключать котёл, а надо как-то искать какую-то мощность, равную теплопотерям. А теплопотери меняются в зависимости от температуры на улице. Вот этим и занимается вторая часть под именем I. Алгоритм пытается подобрать мощность, при которой наша температура будет постоянной. И вроде тут-то уже точно всё, но нет.
Дело в том, что сам котёл, теплоноситель, а тем более дом имеют очень большую инертность. И если вы врубили котёл на 100%, то снижать мощность нужно куда раньше, чем температура достигнет желательной, иначе даже при полном отключении мы всё равно успеем перегреть комнату градуса на 2. То же самое при понижении температуры, добавлять мощность надо ещё до того, как температура дошла до нужной. Вот этим и занимается третья часть алгоритма D. Ну теперь, конечно, всё, осталось только понять, какой части давать какой вес, а вот этим занимаются множители каждой части, которые и надо подбирать. Кстати, подбор этих множителей - отдельная и довольно сложная математическая задача, я подбирал их “на глаз”, вспоминая сказанное выше. Сначала ставил все нули, кроме P, и подбирал его так, чтобы не началось само возбуждение. Потом добавлял I, а в конце и D.
Меряем температуру
Для измерения температуры всё на том же волшебном сайте были заказаны цифровые датчики температуры на базе DS18B20. Датчик сам по себе просто замечательный, его не надо ни калибровать, ни как-то настраивать, при этом он может мерить температуру с заданной точностью, а общается с Arduino по протоколу OneWier. То есть на 3 провода длиной до 50 метров можно вешать практически неограниченное число датчиков. При желании их можно даже не питать, а работать только по 2-м проводам (на самом деле, они питаются, но от провода с сигналом), но работают медленнее. В моём случае датчики я заказал в герметичном корпусе, а соединял обычной витой парой. Я поставил 3 датчика, один в котельной, один в доме, в комнате, и один на чердаке под потолком, чердак никак не отапливается и там я получаю температуру на улице.
Список закупленного железа
- Плата arduino. Я использовал UNO r3. Цена около 350 р.- Ethernet Shield, около 500 р.
- Витая пара (смотря сколько надо), бухта в 305м обойдётся около 4 тыс.
- Датчики температуры, около 200 р.
- Блок питания на 110-240 - 12В 2А, 420 р.
- Стабилизатор LM7805, где-то 20 р.
- Реле SSR-40DA 3 шт. по 330 р.
- Радиаторы для реле по 200 р.
То есть, не считая витой пары и самого котла, весь проект укладывается в 4 тысячи рублей.
Складываем данные в базу и показываем.
Но всё это, конечно, хорошо, но не стоять же постоянно с компьютером рядом с котлом, всё же хотелось бы знать о том, что происходит дома, удалённо через инет. У меня давно уже был самый простенький VPS сервер от majordomo для чего попало. На нём создал базу данных на MySQL для хранения данных о температуре.
Теперь нам надо как-то положить данные из arduino в эту базу. Для этого, естественно, понадобится как минимум связать arduino с интернетом, это не просто, а очень просто. Для этого нам и понадобится Ethernet Shield и его библиотека. В доме давно уже установлен простенький роутер со “свистком” сначала от megafon, а потом от yota. Тянем стандартную витую пару к роутеру и добавляем в программу передачу данных. Передача идёт через вызов странички на PHP с параметрами - данными. Создаём страничку с именем temp.php на нашем инет-сервере
Data upload error!
";} else {echo "";} mysql_close($connect); ?>После этого мы имеем данные о температурах и мощности работы котла, чтобы каждый раз не лазить в базу, а посмотреть последние данные, написал “временный” скриптик на php, но, как известно, нет ничего более постоянного, чем временные вещи, так им и пользуюсь.
gettemp.php
\n"; while ($line = mysql_fetch_array($result, MYSQL_NUM)) { echo "
Что хочется добавить в будущем
Конечно, это, в принципе, минимум, который однако позволяет сделать полноценное и достаточно удобное управление отоплением в небольшом доме. Хотя с некоторыми переделками его можно использовать и в многокомнатных и вообще строениях любой сложности, arduino может тут очень многое, если не всё. Именно в этом проекте хотелось бы добавить в будущем:- регулятор температуры. Хотя практика показала, что 22.5 это вполне оптимальное значение и в принципе не требует корректировки. Опять же, регулятор хотелось бы сделать удалённо от основного arduino, но для этого надо либо сложную схему, либо ещё один arduino. В общем, есть о чём подумать.
- Хотелось бы возможность не только читать температуру, но и менять параметры PID на лету. Возможно, сделать отдельно режим “первоначального прогрева”, а то параметр I долго нормализуется после каждого перезапуска программы.
- Хочется простенькое приложение под android, чтобы на телефоне не тыкать в мелкий браузер. Это самое простое и уже в процессе.
- Всё же подключить датчик температуры теплоносителя и передавать его данные, как и другие данные температуры.
- Сигнализация аварийных случаев. То есть автоматически определять потерю напряжения на линиях, отказ реле или ТЭНов.
- Сделать “карусель”, менять местами назначения ТЭНов. Иначе получается, что один ТЭН работает всегда больше других, и он в теории должен отказать первым. Надо просто время от времени менять PIN’ы в программке. Вроде просто, но никак не дойдут руки добавить.
#include
-
17 апреля 2015Как подключиться к компьютеру по локальной сети? -
17 апреля 2015Обновление прошивки смартфонов Samsung Galaxy
