Hladinomer - webaplikácia - Arduino / ESP8266 / ESP32 / Sigfox

Projekt je možné vyskúšať s vašim hardvérom zdarma na: http://arduino.clanweb.eu/studna_s_prekl...
Viac informácii k projektu Hladinomer je možné nájsť na: https://martinius96.github.io/hladinomer...

Projekt hladinomer je tvorený centrálnym webovým rozhraním, ktoré slúži na vizualizáciu nameraných údajov o výške hladiny vody v reálnom čase, ale aj historicky v čase cez tabuľkovú / grafickú reprezentáciu čiarovými grafmi. Webové rozhranie je responzíve, dokáže sa prispôsobiť každej obrazovke a rozlíšeniu zariadenia. Dáta sú tak čitateľné na hodinkách, smartfónoch, počítačoch, Smart TV a iných zariadeniach. Webové rozhranie projektu využíva backend napísaný v jazyku PHP, ktorý dokáže spracovať prichádzajúce dáta z požiadavky metódy HTTP POST. Následne vykonáva korekciu nameranej výšky hladiny na skutočnú na základe známej hĺbke studne. Vypočíta aj objem studne pre dané meranie na základe známeho priemeru studne studne. Hĺbku a priemer studne do systému vkladá používateľ na základe jeho studne. Dáta sa na webserver odosiela mikrokontróler, ktorý vykonáva merania každých 300 sekúnd - t.j. 5 minút, respektíve v prípade prenosu cez IoT sieť Sigfox sa dáta odosielajú každých 11 minút. Meranie výšky hladiny vody sa realizuje s využitím ultrazvukových senzorov - HC-SR04, alebo jeho vodotesnej varianty JSN-SR04T, prípadne UART senzorom URM07 (SKU SEN0153) - dostupný iba v špeciálnej verzii projektu Hladinomer. Dokáže merať vzdialenosť až 750 cm, z dôvodu veľkého detekčného uhla sa nehodí do veľkého množstva studní... Princíp merania ultrazvukových senzorov je vyslanie signálu Trigger s dĺžkou 10μs (mikrosekúnd) a na základe času, kedy sa signál vráti do prijímača - Echo je možné dopočítať vzdialenosť medzi senzorom a hladinou. Dôležitým parametrom u oboch ultrazvukových senzorov je šírka lúča, inými slovami detekčná charakteristika. Senzor HC-SR04 má 15° detekčnú charakteristiku. Lúč je relatívne úzky a senzor je tak vhodný aj pre užšie studne a nádrže, avšak nie je vodotesný a má vysoké riziko korózie (oxidácie). Z toho dôvodu je ho vhodné umiestniť nad studňu. Vodotesný senzor JSN-SR04T má detekčnú charakteristiku 60 až 75°, čo ho nedovoľuje použiť v úzkych studniach, nakoľko sa lúč so vzdialenosťou veľmi rozširuje a je potrebná studňa s priemerom niekoľko jednotiek metrov (6 metrov pri 4,5 hĺbke studne). Meranie ultrazvukovou metódou je vhodné pre meranie výšky hladiny pitnej, úžitkovej i odpadovej vody. Systém a ultrazvukové senzory sú bezúdržbové. Stačí zapojiť, nahrať programovú implementáciu a prevádzkovať. Ultrazvukové senzory je možné využiť aj pre meranie výšku materiálu v rôznych aplikáciách. V prípade štvrcovej studne sa do priemeru dosádza priemer vpísanej kružnice, ktorá bude tvoriť referenčnú hodnotu vodného valca a objem studne. Maximálna merateľná výška hladiny (úrovne) senzormi je cca 400 až 450cm (známe z datasheetu).

Ultrazvukové senzory sú vhodné do:
Kopaných studní
Septikov a žúmp
Plastových nádrží na dažďovú vodu
Zásobníkov

Ultrazvukové senzory NIE sú vhodné do:
Vŕtaných studní
Potrubí a rúr
Do studní s neustálenou hladinou

Webové rozhranie využíva trigonometriu pre odhad merateľnej maximálnej hĺbky studne pri známom priemere studne (ďalší parameter pre výpočet objemu studne). Používateľovi vie tak webové rozhranie dopočítať, do akej maximálnej hĺbky studne je každý zo senzorov vhodný na základe jeho charakteristiky. Projekt je tak jednoduchý na použitie aj pre laikov, ktorí nevedia, ktorý senzor je pre aplikáciu v ich studni vhodnejší. Dôležitú úlohu v systéme zohráva aj použitý mikrokontróler.
Pre projekt sa využila platforma Arduino (Uno) spojená s Ethernet modulom / shieldom z rady Wiznet model W5100, respektíve W5500, ktorý zabezpečoval HTTP konektivitu a umožnil mikrokontroléru prenos dát do vzdialeného webového rozhrania na internete. Nakoľko je hladinomer exteriérovým projektom, mnoho používateľov by si obľúbilo aj možnosť využitia WiFi platformy bez nutnosti pritiahnutia Ethernet konektivity až k studni. WiFi platformy od Espressif Systems - ESP8266 a ESP32, ktoré sú v projekte použité umožňujú prevádzku v rôznych režimoch - StandBy, Deep Sleep (hlboký spánok s vypnutým WiFi modemom), StandBy + OTA - umožňuje vzdialene prostredníctvom LAN siete nahrať do dosky nový firmvér priamo z prostredia Arduino IDE. Na vyžiadanie možno vytvoriť aj Remote OTA aktualizáciu, ktorá je distribuovaná vzdialene cez internet z webservera, možno využiť Github repozitár, ktorý dokáže v RAW formáte .bin aktualizáciu distribuovať klientovi. Pre Deep Sleep prevádzkový režim existuje pri platformy ESP8266 upravená schéma zapojenia, ktorá využíva pre prebudenie mikrokontroléru WAKE signál, ktorý je privedený na RST. Zároveň toto zapojenie neumožňuje aktualizáciu programu bez odpojenia tejto prepojky. Pre ESP32 sa využíva Deep Sleep režim s využitím RTC timera, ktorý ESP prebudí po určitom čase. Platformy dokážu s webovým rozhraním komunikovať po HTTP, ale aj HTTPS protokole. Pre lokality, kde sa nenachádza pokrytie pevným internetom je možné využiť aj IoT sieť Sigfox, ktorá pokrýva takmer 90% Slovenska, vysielacie stanice má hlavne na Towercome vysielačoch.