Контроллер теплицы своими руками [10.05]

GyverControl – универсальный контроллер на Arduino для теплицы и других мест, где нужна автоматизация по таймеру или показателям микроклимата/другим датчикам, имеет 10 отдельно настраиваемых каналов управления, собран из недорогих китайских компонентов и заменяет несколько “магазинных” контроллеров разного назначения: управление поливом, освещением, открытием дверей, поддержанием температуры по расписанию и многого другого. Может использоваться как для теплиц/грядок, так и для аквариумов, террариумов, инкубаторов и прочих автоматических систем. Обязательно читайте документацию на контроллер (ссылки выше), там подробно рассказано обо всех возможностях. Здесь лишь краткий перечень!

Данный проект полностью открытый, то есть любой из вас может сделать себе контроллер для теплицы своими руками, GyverControl сочетает в себе контроллер полива, освещения, проветривания и многого многого другого. Самое главное, что сделать себе такой контроллер умной теплицы можно по себестоимости, т.е. по розничной стоимости китайских компонентов. А это очень дёшево.

Железо:

• Arduino Nano (ATmega 328p) как главный контроллер системы
• 10 каналов управления. Из них (в разных комбинациях):
  • 9 каналов с логическим выходом 5V, к которым можно подключать обычное реле, твердотельное реле, силовые ключи (транзисторы, модули на основе транзисторов)
  • 2 канала сервоприводов, подключаются обычные модельные серво больших и маленьких размеров
  • 2 канала ШИМ с высокой частотой (1 кГц) для управления скоростью моторов, яркостью светодиодных лент, мощностью обогревателей
  • 2 канала ШИМ с низкой частотой (1 Гц) для управления мощностью обогревателей
  • 1 канал управления линейным электроприводом с концевиками ограничения движения и работой по тайм-ауту
• Датчик температуры воздуха (BME280)
• Датчик влажности воздуха (BME280)
• 4 аналоговых датчика (влажности почвы или других)
• Модуль опорного (реального) времени RTC DS3231 с автономным питанием
• Большой LCD дисплей (LCD 2004, 20 столбцов, 4 строки)
• Орган управления – энкодер
• Поддержка датчиков влажности DHT11/DHT22, температуры DS18b20, термисторов и датчика углекислого газа MH-Z19

Режимы:

• Таймер – простой периодический таймер
• Таймер RTC – периодический таймер с привязкой к реальному времени
• Неделька – работа в выбранный промежуток времени в выбранные дни недели
• Сенсор – релейная работа по выбранному датчику с настройкой периода опроса и гистерезисом
• ПИД – регулятор для высокоточного поддержания заданного значения с датчика
• Рассвет – плавное включение и выключение (закат) источника освещения в выбранное время

Программные фишки:

• Хранение всех настроек в энергонезависимой памяти (не сбрасываются при перезагрузке)
• Датчики влажности почвы (все аналоговые датчики) не находятся под постоянным напряжением, оно подаётся только на момент опроса, что позволяет продлить жизнь даже самым дешёвым датчикам влажности почвы (напряжение подаётся за 50 мс до опроса и выключается через 50 мс после).
• Оптимизированный вывод данных на дисплей
• Каждый из 10 каналов (7 реле, 2 серво и 1 привод) имеет индивидуальные настройки и может работать по таймеру или по датчикам
• 4-6 режимов работы каждого канала: три разных таймера и работа по условию с датчиков, режимы ПИД и рассвет
• Серво работает с моей библиотекой ServoSmooth, это обеспечивает плавное их движение: плавный разгон и торможение с ограничением максимальной скорости, а также отсутствие рывков и незапланированных движений при старте системы
• Линейный привод имеет концевики, внешние кнопки для управления и настройку скорости движения. Частота ШИМ драйвера – 31 кГц, т.е. не пищит
• Экран отладки, где отображается вся текущая информация о состоянии железа и датчиков
• Графики температуры и влажности воздуха и показаний с аналоговых датчиков за последние сутки. Сохранение графиков за последние 15 минут, последние 15 часов и 15 суток. Сохраняются одновременно все периоды, можно менять какой отображается
• Сервисное меню, позволяющее вручную управлять каждой железкой
• Для ПИД регулятора есть также
  • Вывод графиков на компьютер для облегчения настройки коэффициентов (с версии 1.6)
  • Режим автоматической калибровки коэффициентов (с версии 1.6)

Применение как контроллер теплицы/бокса:

• Периодичный полив (реле)
  • Схема с индивидуальными помпами/клапанами
  • Схема с одной помпой и несколькими клапанами
• Полив на основе показаний датчиков влажности почвы
• Управление освещением (реле) с привязкой ко времени суток
• Проветривание (привод открывает окно/серво открывает заслонку) по датчику температуры или влажности воздуха
• Увлажнение (включение увлажнителя) по датчику влажности воздуха
• Обогрев (включение обогревателя) по датчику температуры
• Выполнение действий сервоприводом (нажатие кнопок на устройствах, поворот рукояток, поворот заслонок, перемещение предметов) по датчику или таймеру

Применение как контроллер аквариума:

• Режим рассвет для светодиодных лент (через МОСФЕТ) и ламп накаливания (сервопривод)
• ПИД регулятор для поддержания температуры воды
• Сервоприводы (2 шт) для сброса еды
• Остальные каналы можно использовать по таймерам для запуска фильтров/аэраторов/подсветки

Применение как контроллер инкубатора:

• ПИД регулятор для поддержания температуры и влажности
  • Режим расписания ПИД, в котором можно настроить автоматическое изменение температуры на выбранный период. Гайд по настройке пока что находится в группе ВК
• Электропривод или серво по расписанию может наклонять лотки с яйцами

Применение как контроллер террариума:

• Режим рассвет для светодиодных лент (через МОСФЕТ) и ламп накаливания (сервопривод). Позволяет настроить время, яркость и продолжительность рассвета и заката. Можно подключить две ленты разной теплоты и сделать тёплое освещение днём и холодное ночью.
• ПИД регулятор для поддержания температуры
  • Режим расписания ПИД позволяет настроить удержание разной температуры в течение суток. Гайд по настройке пока что находится в группе ВК
• Сервоприводы (2 шт) для кормёжки по таймеру
• Остальные каналы можно использовать по таймерам для запуска фильтров/аэраторов/подсветки

Другие применения:

• Система поддерживает 4 аналоговых датчика, это не обязательно должны быть датчики влажности почвы, у китайцев полно других «датчиков-модулей», которые точно так же подключаются к схеме:
  • Датчик света: «умная» система освещения, резервное освещение
  • Термистор (до 80 градусов): контроль нагрева объекта
  • Датчик звука: закрывание окна при сильном шуме снаружи (почему нет? =) )
  • Датчик ИК излучения (датчик пожара) – разные варианты сигнализации, или даже тушения (включаем помпу с водой, открываем кран сервой)
  • Датчик дождя: закрытие окон, сигнализирование, включение помп на откачку
  • Датчик уровня воды/датчик наличия воды: автоматическое наполнение резервуара, автоматическая откачка воды помпой из ёмкости/подвала, перекрытие водяных магистралей при протечке, сигнализация о протечке
  • Газоанализаторы в ассортименте: сигнализатор или даже проветривание (открываем окно) по уровню угарного газа и других промышленных газов
  • Оптический датчик препятствия: тут нужна фантазия
  • Потенциометр: как дополнительный орган контроля системы
• Сервопривод довольно универсальная штука, может открывать/закрывать заслонки, может нажимать кнопки других устройств, вращать ручки регулировки других устройств, с приделанным шатуном получает возможность линейно перемещать предметы/ползунки других устройств. Сервоприводы есть разных размеров, от микро (2 кг/см) и средних (13 кг/см) до весьма мощных (50 кг/см)
• Реле умеет замыкать контакты питания и управлять любыми устройствами, также реле может включить блок питания (например светодиодной ленты). Реле можно поставить параллельно проводам к кнопке другого устройства, и оно будет его включать или выключать.
• Версия 1.4 и выше позволяет поддерживать температуру при помощи ПИД регулятора, для
  террариумов/инкубаторов/любого поддержания температуры:
  – Подавать ШИМ сигнал на полевой транзистор, управляющий нагревом
  – Поворачивать сервоприводом крутилку сетевого диммера
• Версия 1.4 и выше имеет режим Рассвет, позволяющий использовать контроллер для
  аквариума/террариума и прочих «животных ферм»
• Версия 1.5 и выше имеет режим “расписания ПИД”, который позволяет автоматически менять установку (температуру) по расписанию

• Основным органом управления является энкодер, рукоятку которого может вращать и нажимать (она является кнопкой). При запуске системы мы попадаем на настройку канала 0. Вращая рукоятку энкодера можно перемещать курсор выбора (стрелочка) по пунктам меню. Чтобы изменить значение выбранного пункта, нужно нажать рукоятку энкодера и повернуть её, удерживая нажатой. Также можно кликнуть по кнопке, курсор изменится со стрелки на галочку >, и вращением можно изменить выбранную величину. Повторный клик вернёт стрелку, при помощи которой можно выбрать другой пункт меню. Удержанный поворот при выбранном имени канала – смена канала для настройки. Листаем направо и у нас будет по порядку 7 каналов реле, два серво и линейный привод.
• Чтобы перейти к настройке режима, нужно навести на него курсор и кликнуть кнопкой, не поворачивая. Откроется окно настройки режима, выйти из которого можно кликнув по надписи BACK (назад). Удерживая и вращая рукоятку на выбранном названии режима можно сменить режим, всего их 4.
• В корне меню (выбор каналов) листая налево от канала 0 будет экран отладки (DEBUG) и сервисный режим (SERVICE). На экране отладки показаны все текущие положения реле, приводов и показания с датчиков. Вращая рукоятку на экране отладки последовательно листаются суточные графики показаний с датчиков: температура воздуха, влажность и показания с аналоговых датчиков. Деления на графике имеют шаг 1.6 часа. На экране сервиса можно управлять любым каналом в ручном режиме, при активном экране сервиса автоматика не работает, система находится полностью в ручном режиме. Поворотом рукоятки можно выбрать нужный канал, положение серво или настройку текущего времени, и удержанным поворотом её изменить.
• Если включить систему с зажатой рукояткой энкодера, произойдёт полный сброс настроек каналов и режимов.
• В версии 1.5 и выше предусмотрен “быстрый поворот” энкодера: при быстром вращении настраиваемое значение меняетс яс бОльшим шагом.

Режимы работы каналов

1. Таймер – простой периодичный таймер: задаются периоды ПАУЗЫ и время РАБОТЫ в формате ЧЧ:ММ:СС. С периодом ПАУЗЫ совершается выбранное действие и выполняется в течение периода РАБОТЫ. Например, ПАУЗА стоит 1 час, РАБОТА – 10 секунд. Каждый час будет совершаться действие в течение 10 секунд, то есть если выбран канал реле, то реле включится и выключится через 10 секунд, затем снова включится через час и выключится через 10 секунд и так далее. Как канал ведёт себя на участке РАБОТЫ задаётся в параметре НАПРАВЛЕНИЕ, то есть это может быть вкл/выкл и выкл/вкл (реле), направо/налево и налево/направо (серво) и открыть/закрыть и закрыть/открыть (линейный привод). Данный режим не имеет привязки к реальному времени, перезагрузка системы сбрасывает текущий таймер. Внимание! РАБОТА не должна быть дольше ПАУЗЫ!
   • Мин. значение: 1 секунда
   • Макс. значение: 999 часов
   • Привязка к реальному времени: нет
   • Применение: полив в гидропонных системах, проветривание без датчика

2. Таймер RTC – периодичный таймер, в отличие от предыдущего обладает привязкой к реальному времени, имеет настройку ПЕРИОДА включения и продолжительности РАБОТЫ (в секундах), которая будет совершаться, и СТАРТ – начального часа, с которого начинается отсчёт периода (для периодов больше 2 часов). Например, период 15 минут, работа 10 секунд: каждые 15 минут будет производиться действие продолжительностью 10 секунд. Привязка к реальному времени работает следующим образом: действие будет совершаться с выбранным периодом от начала часа, то есть если выбран 15 минутный, то действие будет в 0, 15, 30 и 45 минут каждого часа. Если выбранный ПЕРИОД больше часа (от двух и более) то можно выбрать час СТАРТА, от которого пойдёт отсчёт. Все периоды кратны 24 часам, поэтому работа начинается в одни и те же часы каждого дня! Пример: ПЕРИОД 8 часов, начальный час 0. Действие будет выполнено в 0, 8 и 16 часов каждого дня. Если поставить начальный час (СТАРТ) 3 часа, то действие будет выполнено в 3, 11 и 19 часов каждого дня. При сбросе питания следующее действие будет совершено в ближайшее время «будильника». Внимание! РАБОТА не должна быть дольше ПЕРИОДА!
   • Периоды на выбор: каждые 1, 5, 10, 15, 20, 30, 60 минут и 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24 часа
   • Привязка к реальному времени: да
   • Применение: полив в гидропонных системах, проветривание без датчика

3. Week (бывший Day) – простой таймер на одно действие с привязкой к реальному времени, имеет настройку On (время в формате ЧЧ:ММ:СС) – время, с которого действие активно, и Off (время в формате ЧЧ:ММ:СС) – время, с которого действие не активно. Также имеется 7 «ячеек» – дней недели Days, с понедельника по воскресенье. При перезагрузке действие вернётся в нужное положение согласно текущему времени. Пример: таймер настроен на 6 и 20 часов (Start и Stop). Соответствующее текущему каналу и параметру Direction действие будет активно с 6 до 20 часов, и неактивно с 20 до 6 часов утра следующего дня. При внезапной перезагрузке система совершит действие так, как оно должно быть на этом отрезке времени, то есть из прошлого примера если в промежуток между 6 и 20 часами произойдёт внезапная перезагрузка, при запуске система активирует действие по каналу. Внимание! On должен быть меньше Off!
   Также режим имеет настройку Global, которая вынуждает любой другой режим работать «по расписанию» Week. Что это даёт: например можно настроить полив во вторник и пятницу с 17 до 18 часов вечера (из бочки), поставить галочку global и настроить режим Sensor под полив. Как это будет работать: система будет поливать этот канал по режиму Sensor, но делать это только по расписанию (вторник и пятница 17-18).

    

   • Выбор дня недели
   • Выбор времени: 0-23 часа, кратно 1 часу
   • Привязка к реальному времени: да
   • Применение: идеальный режим для освещения и редкого полива

4. Датчик – действие на основе датчика. С периодом опроса ПЕРИОД опрашивается выбранный датчик под названием ДАТЧИК и при превышении порогового значения ПОРОГ выполняется действие согласно выбранному каналу (реле/серво/привод). ПЕРИОД опроса опроса задаётся в секундах или минутах (по мере увеличения). Датчик выбирается из списка: Т.ВЗД. – температура воздуха, В.ВЗД. – влажность воздуха и 4 аналоговых датчика (влажности почвы) с SENS_1 по SENS_4. ПОРОГовое значение задаётся с 0 до 1023 с шагом 1 до значения 50 и с шагом 10 начиная от 50 (датчики влажности почвы имеют диапазон значений 0-1023). Например, выбран датчик температуры воздуха, период опроса 1 час и пороговое значение 25. Каждый час система проверяет температуру, при превышении 25 градусов будет выполнено соответствующее каналу действие (включить реле, открыть окно). Через час будет снова произведена проверка.
   • Применение: открытие/закрытие створок по температуре/влажности (привод), полив по влажности почвы, управление вентилятором/увлажнителем (реле) или заслонками (серво) по температуре/влажности.

5. PID (для каналов 3, 4 и серво) – пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, позволяет с высокой точностью поддерживать управляемую величину (нагреватель-температура, заслонка-температура, вентилятор-температура, вентилятор-влажность, и так далее). Режим доступен для каналов 3 и 4 (отмечены звёздочкой), а также обоих каналов серво в режиме серво. Имеет настройки коэффициентов P, I, D (D вам скорее всего не пригодится в реальной работе, но он там всё равно есть). Выбираем Sens – источник входного сигнала – один из сенсоров, как в режиме Sensor (Air t. – температура воздуха, Air h. – влажность воздуха и 4 аналоговых датчика (влажности почвы) с SENS_1 по SENS_4). Настройка Set указывает, к какому значению показания с выбранного датчика регулятор будет стараться приводить систему. Настройка
   T задаёт период итерации расчёта, для медленных процессов есть смысл поставить побольше (читайте в отдельной главе «Настройка ПИД регулятора»). Настройки min и max отвечают за минимальный и максимальный управляющий сигнал с данного канала, для каналов 3 и 4 это ШИМ сигнал, рабочий диапазон 0-255. Для каналов серво это угол, 0-180 градусов.
   • Применение: поддержание заданной величины (температура, влажность) не релейным способом, т.е. плавно и без резких включений. ШИМ сигнал может управлять транзистором, который отвечает за нагреватель. Серво может поворачивать заслонки (проветривание) или крутилки диммеров для управления сетевыми нагревателями, вентиляторами и прочим оборудованием.

6. Рассвет (для каналов 3, 4 и серво) – режим «рассвета» для контроля освещения с плавным рассветом и закатом. Режим доступен для каналов 3 и 4 (отмечены звёздочкой), а также обоих каналов серво в режиме серво. Плавно включается в час Start на протяжении Dur минут, затем выключается в час Stop в течение Dur минут. Включается до максимального значения, указанного в max, и выключается до min. На каналах 3 и 4 эта величина задаёт скважность ШИМ сигнала, рабочий диапазон 0 – 255. Управлять можно полевым транзистором, например, светодиодной лентой. На каналах серво рабочий диапазон 0 – 180, градусов поворота вала серво. Может управлять крутилкой сетевого диммера, для ламп накаливания или диммируемых светодиодных.
   • Применение: организация условий освещённости, приближенных к реальным, для аквариумов, террариумов, курятников и проч.

Настройки каналов реле

1. Направление – как ведёт себя реле при активации по таймеру/датчику. ВКЛ-ВЫКЛ или ВЫКЛ-ВКЛ
2. ТИП – логика работы реле
   • Реле – канал реле ведёт себя как обычное реле, может использоваться для управления любой нагрузкой постоянного или переменного тока (управлять сетевыми устройствами): полив индивидуальными помпами, полив индивидуальными клапанами от источника воды под давлением, управления увлажнителями, обогревателями, вентиляторами, приборами освещения и всем другим подобным. Не зависит от других каналов.
   • Клапан – тип канала реле для системы, где есть общая помпа/клапан от источника воды и несколько индивидуальных клапанов на полив разных участков. Канал реле, настроенный как клапан, одновременно со своей активацией (по таймеру/датчику) активирует другой канал/каналы, настроенный как общий.
   • Общий – тип канала реле для системы, где есть общая помпа/клапан от источника воды и несколько индивидуальных клапанов на полив разных участков. Канал реле, настроенный как общий, не имеет настроек режима. Вместо этого он активируется сам одновременно с любым другим каналом, настроенным как клапан. Автоматически сам деактивируется при отсутствии неактивных каналов клапанов.

Настройки каналов серво

1. Направление – как ведёт себя серво при активации по таймеру/датчику. Поворот в направлении МИН-МАКС угол или наоборот, МАКС-МИН угол
2. Пределы – углы поворота серво от 0 до 180 градусов с шагом 10
3. Дополнительно: в скетче в секции настроек есть настройка максимальной скорости движения сервоприводов (SERVO1_SPEED и SERVO2_SPEED) и их ускорение на разгон и торможение (SERVO1_ACC и SERVO2_ACC). Я не стал вносить их в настройки сервисного меню и каналов, т.к. они не так часто нужны.

Настройки канала привода

1. Направление – как ведёт себя привод при активации по таймеру/датчику, ОТКРЫТЬ-ЗАКРЫТЬ или ЗАКРЫТЬ-ОТКРЫТЬ
2. Таймаут – время, которое будет подаваться сигнал на движение привода. Концевик (если он есть) прервёт движение привода

Главное меню, уровень вложенности 0

1. Service (Сервис)
2. Debug (Экран отладки)
3. Channel 0 – Channel 6 (Каналы реле 0-6)
   • Mode (Режим) – клик для перехода в настройки режима
   • Direction (Направление работы)
     • On-Off
     • Off-On
   • Type (Тип канала реле)
     • Relay (Реле)
     • Valve (Клапан)
     • Common (Общий)

4. Servo 1 – Servo 2 (Каналы серво 1 и 2)
   • Mode (Режим) – клик для перехода в настройки режима
   • Direction (Направление работы)
     • Min-Max
     • Max-Min
   • Limits (Пределы поворота)
     • Min
     • Max

5. Drive (Канал привода)
   • Mode (Режим) – клик для перехода в настройки режима
   • Direction (Направление работы)
     • Open-Close
     • Close-Open
   • Timeout (Время движения)

Настройка режима, уровень вложенности 1

1. Timer (Простой периодичный таймер)
   • Period (Время паузы, оно же период работы)
   • Work (Время работы)
   • Left (Осталось до следующего включения)
2. Timer RTC (Периодичный таймер с привязкой ко времени)
   • Period (Период работы)
   • Work (Время работы)
   • Start from (Час, начиная с которого считается период)
3. Day (Суточный таймер)
   • Start (Час начала работы)
   • Stop (Час окончания работы)
4. Sensor (Датчик)
   • Period (Период опроса)
   • Sensor (Выбор датчика)
   • Threshold (Пороговое значение)