:: wr blog :: Physical Computing & more

Der von unserer Gartenbaufirma erstellte Teich verliert Wasser. Der Teichpegel sinkt binnen einiger Stunden vom Maximum um einige cm ab. Zur Dokumentation und um herauszufinden auf welchem Niveau sich der Pegel stabilisiert wurde ein Pegelmesser gebaut, welcher mittels Ultraschallmessung die Distanz zur Wasseroberfläche mißt und über die Laufzeit des Schalls den Pegelstand errechnet.

Für erste Tests wurde dazu ein Ultraschallsensor der Firma Seeedstudio verwendet. Der Sensor gibt nach dem initialisieren einen Puls aus (5V High), welcher der Zeit des Schalls zum Messobjekt und zurück entspricht. Durch Mittelung mehrerer Messwerte sind hier recht gute Ergebnisse im mm-Bereich zu erreichen.

Als Hardware zur Pulsauswertung und Weiterleitung an den Computer kommt ein Arduino-Board zum Einsatz, welches alle 10 Minuten die Messdaten auswertet, die Schalllaufzeit auf die Distanz umrechnet und das Ergebnis über ein XBee-Modul an einen zentralen Rechner weiterleitet, welcher die Messwerte in eine Datenbank abspeichert. In der Zwischenzeit wird das Arduino-Board zum Stromsparen in den Sleep-Modus versetzt.

In einer Tabellenkalkulation werden die Daten aus der MySQL-Datenbank verknüpft und der Wasserverlust in einer Liniengrafik visualisiert. Es zeigte sich, dass der Teich offensichtlich mehrere Undichtheiten aufweist. Eine im oberen Bereich, in dem das Wasser extrem schnell ausläuft (Verlust ca. 100 Liter pro Stunde) und eine weitere kleinere, tiefer liegende Undichtheit wo der Verlust dann flacher vonstatten geht. (Durchschnittswert ~140 Liter / Tag)

Update 2012-07-22: Der Ultraschallsensor der Firma Seeedstudio ist aufgrund seines Aufbaus natürlich nicht wetterfest und nur für trockene Umgebung geeignet. Für die Langzeitmessung musste also ein wetterfester Sensor her. Ich wurde bei der amerikanischen Firma MaxBotix fündig und bestellte mir einen MB7380 Outdoor Sensor. Es wurde eine Platine mit einem ATMega 328P entwickelt, welche in einem wasserdichten Gehäuse verbaut wurde und über einen Anschluss für ein GPRS-Modem verfügt. Über das GPRS-Modul werden die Daten mittels Handynetz an den Server übermittelt. Ein Akku in Verbindung mit einer Solarzelle macht das Gerät Strom- und Positionsunabhängig.

Diese neuen HRXL Sensoren haben eine Auflösung von 1mm und sind Spannungs- sowie Temperaturstabilisiert, was eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.

[Show as slideshow]

Um die Leistung messen zu können, welche von meinem 100W-Solarpanel (Peak-Power) in einen 12V/20Ah-Akku eingespeist wird, habe ich eine kleine Elektronik gebastelt, welche mittels Hall-Sensor den Strom erfasst und über einen Operationsverstärker (TL072 – siehe Schaltplan) den Pegel für ein XBee-Modul anpasst,  welches dann die Daten zum Hausserver überträgt. Die Operationsverstärkerschaltung ist ein Differenzverstärker der das Signal des ACS714, welches bei 0 Ampere 2.5V liefert, auf eine Spannung zwischen 0V (für 0 Ampere) und 1.2V einstellt. Nach dem OPV Signal ist zum Entrauschen noch ein Tiefpassfilter eingebaut, welches die Signalqualität verbessert. Zum Erfassen der Messwerte werden die Analogen I/O Eingänge des XBee-Modules verwendet, welches alle 5 Minuten aufwacht und die Daten übermittelt. Übertragen werden die aktuelle Spannung des Akkus, sowie der Ladestrom. Am Hausserver werden die Daten in eine MySQL-Datenbank geschrieben und alle 15 Minuten mit einer Grafik visualisiert.

Die Spannungsversorgung erfolgt direkt vom Akku, wobei die ca. 12V mittels eines Pololu-Step-Down-Wandlers auf 5V für den Hallsensor vermindert werden, danach werden diese noch mittels eines LM1117-3.3 auf 3.3V für das XBee-Modul reduziert.

Als Hallsensor kommt ein ACS714 zum Einsatz. Da mir der 8 pin SOIC Chip für den Aufbau zu klein war habe ich mich für das Break-Out-Board von Pololu entschieden (http://www.pololu.com/catalog/product/1187)

Das Ergebnis sind die Grafiken im Anhang. Bei Interesse gerne mehr Informationen!

[Show as slideshow]

Ich hatte im Wintergarten immer das Problem, dass je nach Sonneneinstrahlung, und der damit verbundenen Erwärmung, der Abstand zwischen dem Bewässern der Pflanzen sehr stark schwankte. Also sollten die Pflänzchen sich am Besten selbst melden, wenn sie durstig sind.

Umgesetzt wurde das Projekt mit einem MEGA-328P Microprozessor, welcher 8 Analoge Eingänge zur Verfügung stellt. Als Sensoren dienen Fühler der Firma Seeedstudio ( -> Link ). Die Datenübermittlung an den Hausserver erfolgt mittels eines XBee-Moduls. Am Hausserver läuft ein kleines Java Programm, welches die Daten des XBee Moduls empfängt und in eine MySQL-Datenbank überträgt. Aus dieser Datenbank werden die Werte ausgelesen, ausgewertet und Visualisiert. Auf meinem Hausserver läuft alle 10 Minuten ein Programm welches diese Auswertung erledigt und im Fall von Trockenheit eine SMS, sowie eine Email an mich versendet.

Ein Problem, welches mit den Fühlern auftrat ist, dass das Kupfer auf diesen nach ca. 3-4 Wochen auf der Plus-Pol-Seite wegoxidiert sind. Eine Möglichkeit wäre die Kontakte zu vergolden. Ich habe jetzt allerdings testweise in den Plus-Pol einen Niro-Schrauben eingebaut (Bild), der als Messsonde dienen soll. Es wird sich zeigen, ob dieser seine Funktion länger erfüllen kann.

Interessant war, zu beobachten, dass die Substratfeuchte bei Erwärmung (Sonneneinstrahlung) deutlich zu steigen begann und am Abend wieder abklingt. Dies ergibt über die Zeitspanne von mehreren Tagen eine wellenförmige Abwärtsbewegung in der Grafik. Umso stärker die Erwärmung, desto ausgeprägter dieser Effekt, den ich auf die Oberflächenverdunstung zurückführe.

[Show as slideshow]

Programmcode für Arduino:

Programmcode anzeigen

byte DEBUG = 0;
 
int i;
 
// Includes und defines für Sleep-Modus
#include <avr /sleep.h>
#include </avr><avr /wdt.h>
 
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif
 
// Globale Variable Sleep Modus
volatile boolean f_wdt=1;
int sleepcount;
 
const byte XBee_Sleep_Pin = 2;  // Sleep Pin für Powersavemode XBee
 
void setup() {
 
  Serial.begin(9600); 
  Setup_Sleep();
 
  pinMode(13, OUTPUT);  
  pinMode(XBee_Sleep_Pin, OUTPUT);
 
  digitalWrite(XBee_Sleep_Pin, LOW);  // XBee aus Schlafmodus wecken  
 
  for (i=0;i&lt;10;i++) {          // Warteschleife, damit sich XBee verbinden kann
    digitalWrite(13, HIGH);   // set the LED on
    delay(50);              // wait for a second
    digitalWrite(13, LOW);    // set the LED off
    delay(50);              // wait for a second
  }
 
  //delay(15000);             // 5 Sekunden warten, bis XBee sicher da ist
}
 
 
 
 
void loop() {
 
  digitalWrite(XBee_Sleep_Pin, HIGH);  // XBee aus Schlafmodus wecken  -> Transistormodus, mit Widerständen LOW
 
  digitalWrite(13, HIGH);             // set the LED on  
  delay (18000);
 
  SendData("A0",A0);        // Fikus klein
  SendData("A1",A1);        // Bonsai
  SendData("A2",A2);        // Fikus groß
  SendData("A3",A3);        // Chilli
  SendData("A4",A4);        // Banane
 
 
  Serial.print("VCC=");
  Serial.print(readInternVcc());
  Serial.print(";EOL"); 
 
  delay (500);  
  digitalWrite(13, LOW);    // set the LED off  
  digitalWrite(XBee_Sleep_Pin, LOW);
 
  // Go to sleep
sleeploop_start:
  if (f_wdt==1) {  // wait for timed out watchdog / flag is set when a watchdog timeout occurs
    f_wdt=0;       // reset flag
    sleepcount++;
  }  
  if (DEBUG) { 
    Serial.print("Sleeping,"); 
    delay(10); 
  }
  system_sleep();
  if (DEBUG) Serial.println ("Wake Up");
  if (sleepcount < (300/8) ) goto sleeploop_start;  // Solange Zeit noch nicht abgelaufen nicht weiterspringen, sondern weiterschlafen -> Powersafe 300 = 5 Min
  sleepcount=0;  
  if (DEBUG) Serial.println("Nächste Messung...");  
 
}
 
void SendData(char *Bezeichnung, uint8_t Port) {
  long sensorValue = 0;
 
  int loops = 5;
  // read the value from the sensor:
  for (i=0;i<loops ;i++) {
    sensorValue += analogRead(Port);
    //delay(2);      // ADC beruhigen lassen-
  }
  sensorValue = round(sensorValue/loops);
 
 
  Serial.print(Bezeichnung);                       
  Serial.print("=");
  Serial.print(sensorValue);  
  Serial.print(";"); 
 
}
 
 
 
/************************************ Setup_SLEEP *********************************************************************/
void Setup_Sleep()
{
  // CPU Sleep Modes 
  // SM2 SM1 SM0 Sleep Mode
  // 0    0  0 Idle
  // 0    0  1 ADC Noise Reduction
  // 0    1  0 Power-down
  // 0    1  1 Power-save
  // 1    0  0 Reserved
  // 1    0  1 Reserved
  // 1    1  0 Standby(1)
 
  cbi( SMCR,SE );      // sleep enable, power down mode
  cbi( SMCR,SM0 );     // power down mode
  sbi( SMCR,SM1 );     // power down mode
  cbi( SMCR,SM2 );     // power down mode
 
  setup_watchdog(9);	// 9 = 8 sek. schlafen
} 
 
//****************************************************************  
// set system into the sleep state 
// system wakes up when wtchdog is timed out
void system_sleep() {
 
  cbi(ADCSRA,ADEN);                    // switch Analog to Digitalconverter OFF
 
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // sleep mode is set here
  sleep_enable();
 
  sleep_mode();                        // System sleeps here
 
    sleep_disable();                     // System continues execution here when watchdog timed out 
  sbi(ADCSRA,ADEN);                    // switch Analog to Digitalconverter ON
 
}
 
//****************************************************************
// 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms
// 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec
void setup_watchdog(int ii) {
 
  byte bb;
  int ww;
  if (ii > 9 ) ii=9;
  bb=ii & 7;
  if (ii > 7) bb|= (1< &lt;5);
  bb|= (1<<WDCE);
  ww=bb;
  //Serial.println(ww);
 
 
  MCUSR &= ~(1<<WDRF);
  // start timed sequence
  WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
  // set new watchdog timeout value
  WDTCSR = bb;
  WDTCSR |= _BV(WDIE);
}
 
 
//****************************************************************  
// Watchdog Interrupt Service / is executed when  watchdog timed out
ISR(WDT_vect) {
  f_wdt=1;  // set global flag
}
 
 
 
 
 
// Liefert Spannung in Millivolts retour, 5000 = 5V, 3300 = 3.3V
// http://code.google.com/p/tinkerit/wiki/SecretVoltmeter
 
long readInternVcc() {
  long result;
  // Read 1.1V reference against AVcc
  ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);
  delay(2); // Wait for Vref to settle
  ADCSRA |= _BV(ADSC); // Convert
  while (bit_is_set(ADCSRA,ADSC));
  result = ADCL;
  result |= ADCH<&lt;8;
  result = 1126400L / result; // Back-calculate AVcc in mV
  return result;
}

Projektbeschreibung:

Die Erfassung der Helligkeit erfolgt mit einer selbstgebauten Hardware. Zum Einsatz kommen ein ATMEGA328P Microprozessor (Datenblatt), welcher die Helligkeit von einem hochempfindlichen TSL237 Lichtsensor (Datenblatt) via Frequenz in Form eines Rechteckssignals empfängt. Der Sensor sendet je nach Helligkeitswert eine Frequenz <2Hz bis zu ca. 500kHz. Das ganze wurde in ein Gehäuse verpackt und mittels 1W-Solarzelle wird unter Tag der verbaute LiPo-Akku geladen. Der Sensor wacht unter Tags alle 20 Minuten auf und detektiert, ob es Nacht wird. Ist es dunkel, sendet er alle 5 Minuten die gemessenen Helligkeitswerte via XBee-Modul (Datenblatt) an das Empfangs-Gateway des Heimservers. Der Sensor ist auf ein GPRS-Modul umrüstbar, um Ihn auch im Feld, fernab des Heimservers einsetzen zu können. Die Datenwerte werden dann über das GPRS-Netz eines Mobilfunkanbieters an den Zentralserver übertragen.

Die Homepage zur Lichtverschmutzungsmessung ist hier: http://62.218.47.86/Lichtverschmutzung/

[Show as slideshow]