Arduino: Senzori za rad sa vodom

Ovaj put ćemo se baviti senzorima koji na ovaj ili onaj način imaju vezu sa vodom, ali dobar deo njih funkcioniše i sa drugim tipovima fluida. Kao i uvek kada se radi o Arduinu, materija je zanimljiva, jednostavna i razumljiva svima, a potencijalno može da bude od velike koristi u praksi.

Detekcija padavina

Postoji više vrsta uređaja koji detektuju početak padavina, a njihova cena se kreće od nekoliko desetina centi pa do više hiljada dolara. Po načinu funkcionisanja te senzore možemo podeliti na: mehaničke, optičke, akustičke, rezistivne, kapacitativne i kompleksne. Kao i u mnoštvu drugih situacija, rezistivni (prate promenu otpora) senzori su najjeftinija varijanta, pa ćemo ih koristiti za naš konkretni primer. Naravno, pravilo o parama i muzici važi i ovde, pa tako ova vrsta senzora ima i svoje nedostatke i oni važe za nešto nepouzdaniju varijantu u odnosu na skupe modele. Tipičan problem predstavlja situacija kada površina senzora ostane mokra, a padavine u međuvremenu prestanu. Do nepreciznosti očitavanja može doći i u situacijama kada nakon kiše dođe do pada temperature, pa se površina senzora zaledi. Zato se kod skupljih modela ugrađuju grejači sa ulogom da suše površinu izloženu padavinama.

Glavni deo senzora se sastoji od pločice koja je obično dimenzija četiri sa pet centimetara, sa dve nezavisne linije niklovanog provodnika koje su najčešće u obliku dva spregnuta češlja i koja definišu oblik sličan lavirintu. Postoje i brojni drugi načini da se definiše potrebni dezen, ali svi oni funkcionišu na istom principu. U slučaju suvog vremena, otpor na pločici je visok, što znači da će po formuli U=I*R napon biti viši. U slučaju padavina, otpor se smanjuje, a sa njime i napon.

U paketu dobijamo prateći modul sa elektronikom namenjenom očitavanju vrednosti koje dolaze sa pločice izložene padavinama. Pločica se na modul priključuje preko dva pina iza kojih se nalaze SMD otpornici veličine deset kilooma (103). Cena kompleta senzora, pratećeg modula i kabla za povezivanje iznosi negde oko 80 američkih centi.

Da bismo odredili da li je prekoračen zadati prag merenja, koristimo integralno kolo koje se naziva komparator. Kao što se to može dokučiti iz naziva, njegova funkcija je da upoređuje nivo ulaznog signala sa referentnim naponom i u slučaju da prelazi zadati prag, izlazni pin će biti aktiviran. U konkretnom slučaju je korišćen komparator LM393, ali se mogu pronaći i pločice za čiju izradu su korišćeni čipovi LM193 i LM293. Nivo referentnog signala se podešava putem pratećeg potenciometra koji postaje niži ukoliko se okreće u smeru kazaljke na časovniku i obratno – prag se povećava okretanjem u smeru suprotnom od kretanja kazaljki. Na pločici se nalaze i dve SMD LE diode, od kojih jedna prikazuje da je modul priključen na struju, dok druga svetli u slučaju da je dostignut postavljeni prag osetljivosti očitavanja.

Ovi moduli najčešće na sebi imaju dva izlaza od kojih je jedan analognog, a drugi digitalnog tipa. Kod analognog pina kao izlaz (u slučaju Arduino Uno) imamo vrednosti 0-1023. Kada vrednost iznosi 1023, to znači da je vreme suvo i po gornjoj formuli dobijamo napon od pet volti, dok vrednosti koje se približavaju ka nuli govore da je pločica senzora mokra i da su padavine intenzivne i da vrednost napona opada. Što se tiče digitalnog izlaza, u slučaju da vrednost prelazi zadani prag, on će generisati signal logičke jedinice (5V), dok je u suprotnom tamo logička nula. Što se povezivanja tiče, tu nema neke velike mudrosti i analogne vrednosti očitavamo na pinovima A0-A5, dok za očitavanje digitalnih vrednosti možemo koristiti neki od pinova koji počinju sa slovom „D”. Skečevi su takođe maksimalno jednostavni:

void setup() {

Serial.begin (9600); // brzina serijske veze

pinMode (7 , INPUT); //pin D7 je ulaznog tipa

}

void loop() { //ispis vrednosti

Serial.println (analogRead(A0));

Serial.println (digitalRead(7));

Serial.println ("-----");

delay(10000); // pauza 10 sekundi

}

S obzirom na to da je kod trivijalan, nećemo ga dodatno komentarisati. Samo ćemo da pomenemo da može još više da se uprosti izbacivanjem dela vezanog za očitavanje digitalnog pina. Osim toga, program je moguće proširiti sa nekoliko linija koje bi u zavisnosti od veličine analogne vrednosti davale tekstualnu informaciju o intenzitetu padavina (videti primer sa senzorom nivoa vode). Tako, na primer, ukoliko dobijemo vrednost veću od 1000, možemo ispisati da je vreme bez padavina. Sa vrednostima u opsegu 1000-500 bismo mogli reći da se radi o lakšoj kiši, dok bi vrednosti niže od toga predstavljale obilne padavine. Ovo je samo grubi primer, a preciznije vrednosti se dobijaju eksperimentalnim putem i zavise od vrste senzora, kao i uslova njegovog korišćenja.

Ukoliko nam je potreban dosta pouzdaniji način očitavanja podataka o padavinama, možemo posegnuti za optičkim senzorom, recimo, Hydreon RG-11, čija cena iznosi oko 60 dolara. Napaja se sa naponom od 12 volti i funkcioniše na principu odbijanja infracrvenih zraka od unutrašnjosti poklopca. U slučaju početka padavina, emitovani zrak zbog prelamanja uz pomoć kapi izlazi van kućišta, što IC prijemnik registruje smanjenjem dotoka svetlosti. Povezivanje ovog senzora sa Arduinom je dosta jednostavno, ali se tom temom nećemo baviti zbog cene koštanja i ograničenosti prostora.

Senzor nivoa vode

Kao i u prethodnom slučaju, postoji veći broj različitih senzora za merenje nivoa tečnosti. Pošto se uvek u prvom redu vodimo minimalno mogućom cenom koštanja projekta, ovde predstavljamo modul koji ima dosta sličnosti sa senzorom čija je svrha signalizacija padavina. Standardna najjeftinija varijanta ima mernu površinu veličine četiri centimetra, dok modele većih dužina nije jednostavno pronaći. Reč je o senzorima vrlo jednostavne konstrukcije, pa im je i cena veoma niska, svega 20 do 30 američkih centi. Na sebi imaju samo tri otpornika, jednu LED i jedan tranzistor. Pinovi „+” i „-” se priključuju na VCC i GND konektore Arduina, dok pin sa oznakom „S” povezujemo na neki od analognih ulaza. Maksimalne očitane vrednosti zavise od vrste korišćenog pojačivača (tranzistora), ali i od vrste tečnosti koja se meri. Što je provodljivost tečnosti veća, to su veće i izmerene vrednosti. U našem konkretnom slučaju, maksimalna vrednost na analognom ulazu je iznosila 690 (tačnije 692, ali zaokružujemo radi preglednosti). To je vrednost koju dobijamo kada senzor potopimo do natpisa, što odgovara dužini od četiri centimetra. Za obezbeđivanje preciznog merenja je potrebno proveriti kolike vrednosti će biti na određenoj dubini, a podatke iz našeg konkretnog primera je moguće videti iz pratećeg grafikona. Dakle, u slučaju da tečnost ne dodiruje senzor, izmerena vrednost je nula. Pri potapanju na dubinu od jednog milimetra, vrednost naglo skače do 450, na pet milimetara je 520, a na jednom centimetru 605... Vidimo da što veća površina pločice biva potopljena, to izmerene vrednosti rastu sporije i na kraju kada rebra senzora budu u celosti pokrivena vodom dobijamo pominjanu maksimalnu vrednost 690. Prateći skeč bi mogao izgledati ovako:

int izmereno;

// vrednost sa analognog pina

void setup() {

Serial.begin(9600); // brzina prenosa podataka

}

void loop() {

izmereno = analogRead(A0); //ocitavamo pin A0

if (izmereno<=450){

Serial.println("Nivo: 0mm");

}

else if (izmereno>450 && izmereno<=605){

Serial.println("Nivo: 0-10mm");

}

else if (izmereno>605 && izmereno<=660){

Serial.println("Nivo: 10-20mm");

}

else if (izmereno>660 && izmereno<=680){

Serial.println("Nivo: 20-30mm");

}

else if (izmereno>680){

Serial.println("Nivo: 30-40mm");

}

delay(10000); // pauza izmedju merenja

}

Prilikom vađenja pločice iz tečnosti, očitane vrednosti najčešće neće automatski biti vraćene na nulu, već će imati neke vrednosti bliske k njoj, sve dok se merna površina ne osuši. Dugotrajna izloženost senzora u vodi dovodi do rđanja i velika je verovatnoća da modul u praksi ne bi izdržao više od godinu dana. Zbog toga, kao i zbog malih dimenzija, ova vrsta senzora nije pogodna za praktičnu primenu preciznog merenja nivoa vode, već ga jedino vidimo kao deo sistema koji meri da li voda dopire do nivoa gde se nalazi senzor (kontrola prepunjenosti). To jest, ukoliko izmerimo vrednosti veće od nule, znači da je tečnost dosegnula do nivoa senzora i na osnovu toga možemo da preduzmemo neku akciju. Ovaj senzor može da se primeni i za detekciju padavina, ali je dosta neprecizniji od modula koji smo prethodno predstavili.

Merenje popunjenosti rezervoara

Pažljivi čitaoci će se setiti da smo u okviru rubrike SK LABS predstavljali ultrazvučne senzore za merenje razdaljine. Da ne bismo komplikovali, tom prilikom smo namerno preskočili činjenicu da se oni uspešno mogu primeniti i za merenje dubine tečnosti u nekoj posudi, tačnije, za merenje nivoa popunjenosti te posude, preko čega možemo naknadno da izračunamo i nivo vode u njoj. Za emitovani ultrazvuk senzora voda predstavlja prepreku kao bilo koji drugi predmet, pa kada talas stigne do njene površine, većim svojim delom se odbija i vraća do prijemnika brzinom od 0,034 centimetara u mikrosekundi. Pozitivna strana ultrazvučnog senzora je da ne ostvaruje direktan kontakt sa tečnošću i zbog toga ne dovodi do bilo kakve kontaminacije. U praksi se najčešće koriste ultrazvučni moduli HC-SR04 koji omogućavaju detekciju u opsegu od dva centimetra do četiri metra uz preciznost merenja do tri milimetra. Ovo bi trebalo biti dovoljno za najveći deo primena, ali to nije jedini modul koji nam stoji na raspolaganju. Po karakteristikama su mu slični oni sa oznakama US-015 (preciznost 1-3 mm), HY-SRF05, DYP-ME007 i DYP-ME007TX.

S obzirom na to da je ultrazvučni modul predstavljen u broju SK 1/2018, nema potrebe za dupliranjem materijala pošto skeč objavljen tom prilikom bez prepravki funkcioniše i prilikom merenja vode. Jedino je potrebno dodati logiku koja računa nivo vode u rezervoaru, a to bi moglo da se odradi preko sledeće linije koda:

visina = dno – nivo

Dno predstavlja udaljenost dna rezervoara od senzora, dok nivo reprezentuje distancu senzora od površine tečnosti. Poznajući dimenzije rezervoara, mogli bismo lako doći i do zapremine tečnosti u njemu. U slučaju pravougaonog oblika, po formuli:

Volumen = sirina * duzina * visina

a kod cilindričnog oblika to je

volumen = poluprecnik² * p * visina

U slučaju da nam je potrebno znati na kojoj dubini (posmatrano od vrha) tečnosti se nalazi merna pozicija, možemo koristiti modul zasnovan na senzoru MS5540C, čija cena iznosi oko deset evra. Reč je o uređaju namenjenom merenju pritiska u fluidima, a tu spadaju vazduh, gasovi i tečnosti. Modul sa prateće fotografije je prvenstveno namenjen merenju pritiska vazduha, ali ga je moguće upotrebiti i za merenje dubine vode.

Sam senzor je vodootporan i može da izdrži pritisak do 30 bara, ali je prilikom merenja unutar tečnosti potrebno vrlo pažljivo izolovati sve kontakte. Pri tome je potrebno ostaviti nepokrivenim merni deo senzora (beli krug). To možemo postići korišćenjem voštanih materijala, termoplastičnog lepka ili omotavanjem sa vodootpornom trakom. Standardna podešavanja omogućavaju merenje dubine vode do deset metara, a u slučaju većih dubina (do 100 metara), potrebno je vršiti dodatnu kalibraciju u opsegu koji nameravamo meriti. Preciznost se računa na vrednost ispod jednog centimetra, a u slučaju kvalitetne kalibracije može doseći i do jednog milimetra. Opseg temperatura merenja iznosi od -40 do +85°C, ali je preciznost nešto veća za vrednosti do 40°C. Omogućeno je povezivanje preko I2C ili SPI interfejsa.

Senzor vlažnosti tla (Higrometar)

Nije potrebno previše inteligencije da bi se zaključilo kako informacija o količini vlage u zemlji može biti veoma korisna u mnogim praktičnim primenama. Najčešći oblik senzora nosi oznaku FC-28 i prikazan je na pratećoj fotografiji. Njegov glavni merni deo predstavljaju dve provodne nožice koje se zabadaju u tlo. Princip rada je vrlo jednostavan. Na jednu nožicu se dovodi napon od pet volti preko otpornika od deset kilooma, dok na drugu dovodimo uzemljenje. Pomenuti otpornik u kombinaciji sa otporom tla ima ulogu razdelnika napona, pa se na osnovu toga formira vrednost izlaznog signala. Kada je u tlu prisutno više vlage, smanjuje se otpor i raste provodljivost. Drugim rečima, ukoliko je tlo u potpunosti suvo, otpornost dobija beskonačnu vrednost i napon na izlazu je blizak nivou od 5V. Sa druge strane, ako imamo veliko prisustvo vode, zbog niskog otpora na izlazu dobijamo nisku vrednost napona. S obzirom na to da na Arduinu Uno A/D konverter ima rezoluciju od 1024 koraka (0-1023), napon od pet volti se deli na isto toliko fragmenata, pa svaki korak iznosi 0,048 volti. Po već pominjanoj formuli U=I*R, suvo tlo povećava otpor, a on povećava napon. I obratno – što je tlo vlažnije, otpor je manji, a sa njim i napon. Isto kao u slučaju senzora za detekciju padavina, i ovde uz merni deo dobijamo prateći modul na kojem se nalazi komparator i potenciometar preko kojeg možemo odrediti prag aktivacije izlaznog digitalnog signala. Zahvaljujući tome, ovaj uređaj je moguće koristiti nezavisno od bilo kakve prateće mikrokontrolerske aparature. Dovoljno je dovesti napon do pločice i u slučaju da je prekoračen postavljeni prag osetljivosti, na modulu se aktivira signalna LE dioda koja nam kaže da je vreme za zalivanje.

Ono čime Arduino platforma fascinira korisnike je lakoća dobijanja konačnih rezultata, pa je tako za procentualno računanje vlažnosti tla dovoljan sledeći kod:

void setup() {

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int adc_vrednost = analogRead(A0); // ocitana vrednost

float procenat = ( 100 – ( (adc_vrednost/1023.00) * 100 ) );

Serial.print("Vlaznost zemljista: ");

Serial.print(procenat);

Serial.println("%");

delay(5000);

}

U praksi na izlazu nikada ne dobijamo maksimalnu vrednost, odnosno nulu. Da bismo odredili koja je minimalna vrednost A/D konverzije za konkretni senzor, potrebno je da ga uronimo u vodu i da onda taj podatak koristimo za kalibraciju procenta vlažnosti zemlje.

Moguće je definisati opsege koji određuju da li je tlo suvo, fertilno ili mokro:

if (adc_vrednost > 700) {/*suvo*/}

if (adc_vrednost < 700 && > 400) {/*fertilno*/}

if (adc_vrednost < 400) {/*mokro*/}

Jasno je da suvo tlo ne pogoduje normalnom rastu biljaka, ali je ista (ponekad i gora) situacija sa prekomerno mokrom zemljom koja dovodi do truljenja. Zato, u slučaju da senzor koristimo za automatsku kontrolu navodnjavanja, vrednosti više od 700 uključuju pumpu, dok se njen rad zaustavlja kada vlažnost dostigne vrednosti 400. Shema povezivanja je praktično jednaka onoj kod senzora za detekciju padavina, pa je nećemo ponavljati. Od nas se zahteva da analogni izlaz modula spojimo sa nekim od A/D ulaza Arduina, kao i da eventualno istu stvar odradimo sa digitalnim izlazom.

Ne treba smetnuti sa uma da korozija i u slučaju ovih jeftinih senzora radi svoj posao, tako da ih je nakon određenog vremena potrebno zameniti novim. Da bi se taj rok produžio, potrebno je skratiti broj merenja na što manji nivo. Naime, glavni izazivač korozije kod ovog i sličnih senzora je struja koja prolazi kroz izložene metalne delove. Komplet senzora i pratećeg modula košta 70 do 80 američkih centi. Za oko četiri dolara je moguće nabaviti komplet koji sadrži praktično isti modul kao u prethodnom slučaju, ali uz njega dolazi dosta kvalitetnija i izdržljivija sonda za ubadanje u tlo. Zanimljivi su i modeli senzora koji na sebi imaju integrisan komparator i potenciometar, što donekle pojednostavljuje povezivanje, ali im je cena nešto veća i kreće se u rangu od 1,5 do pet dolara.

Merenje protoka vode

Još jedan od korisnih podataka u radu sa vodom se odnosi na merenje protoka tečnosti kroz cev. Uz Arduino se najčešće koristi modul pod nazivom YF-S201, koji se može nabaviti već po ceni od oko dva dolara, a tu je i varijanta YF-S201C, koja se prepoznaje po telu izrađenom od prozračne plastike. Njihove osnovne karakteristike podrazumevaju merenje protoka u opsegu od jedan do trideset litara u minuti sa pritiskom do 1,75 megapaskala, spoljnji prečnik ulazne cevi iznosi 0,5 inča (G1/2”), a radni napon se kreće u opsegu od pet pa do 24 volta sa potrošnjom struje do 15 miliampera. Moduli YF-S401, S402 i S403 imaju prečnik cevi G1/4”, protok 0,3-6 L/min, maksimalni hidraulički pritisak od 0,8 megapaskala i cenu od dva do tri dolara. Slični, ali i prilično skuplji, jesu moduli SEN-HZ21WA, dok module USN-HS06PA-1 karakterišu manje dimenzije, prečnik ulazne cevi od sedam milimetara, maksimalni pritisak 0,8 megapaskala i merenje protoka u opsegu 0,15 – 1,5 l/min sa preciznošću od jedan posto. Rade sa naponima u opsegu 3,6 – 26,4 volta, a cena im je oko pet dolara. Modul YF-G1 ima prečnik cevi od jedan inč, meri protok u opsegu 2 – 100 l/min, sa preciznošću od ±3% i može se naći za nešto više od deset dolara.

Na ilustraciji koja prikazuje princip rada, vidimo da se na putu između ulazne i izlazne cevi nalazi mala plastična turbina koju pokreće mlaz vode i koja u jednom od svojih krilaca sadrži magnet. Iako je ovakav dizajn moguć, u konkretnom primeru modula YF-S201 magnet se nalazi u obliku prstena postavljenog na osovinu turbine, a aktivacija se postiže prilikom prolaska severnog pola magneta pored tela senzora. Što se tiče elektronike, ona je krajnje jednostavna i sastoji se od pločice na kojoj se nalazi senzor Honeywell 460S i jedan otpornik. Svi nabrojani modeli funkcionišu na principu Holovog efekta, koji u najkraćim crtama predstavlja pojavu napona na obodima tela kroz koje prolazi konstantna struja i to u trenutku kada ga izložimo delovanju magneta. Kada se magnet nađe u blizini senzora, on će uzrokovati pojavu izlaznog napona na signalnom pinu. Taj signal je u slučaju Arduina Uno potrebno dovesti do GPIO pinova D2 (INT0) ili D3 (INT1), pošto jedino oni imaju funkciju obrade eksternog prekida (interapta). Isti pinovi se koriste i kod drugih modela baziranih na čipu Atmega328 (Mini, Nano...), kod modela Due tu funkciju ima svaki digitalni pin, kod Zero svi digitalni pinovi osim D4, dok kod Mega2560 u obzir dolaze pinovi: 2, 3, 18, 19, 20 i 21. Što je protok vode veći, veći će biti broj ponavljanja tih signala prekida, pa ćemo na izlazu moći da proračunamo o kojim količinama se radi. Da vidimo kako to izgleda kada se pretoči u skeč:

volatile int prekida; // broj signala sa senzora

unsigned int lZaCas; // litara za cas

unsigned long trenutno; // trenutno vreme

unsigned long pocetak; // koristimo za poredjenje vremena

void setup() {

pinMode(2, INPUT_PULLUP); // ukljuci pull-up na pinu D2

Serial.begin(9600);

attachInterrupt(0, prekid, RISING); // povezi prekid INT0 sa funkcijom prekid

sei(); // omoguci prekid

pocetak = millis(); // inicijalizujemo tajmer

}

void loop () {

unsigned long trenutno = millis(); //uzmi vrednost tajmera

if (trenutno >= (pocetak + 1000)) { // prosla 1 sekunda?

//jeste, ispisi rezultate

unsigned int lZaCas = (prekida * 60 / 7.5);

// protok=(prekida x 60 min)/ 7.5

Serial.print(lZaCas, DEC); // ispisi vrednost

Serial.println(" L/cas"); // zatim i tekst

prekida = 0; // anuliraj broj prekida

pocetak = millis(); // zapocinjemo novi ciklus merenja

}

}

void prekid (){ // funkcija obrade prekida

prekida++; // uvecaj brojac prekida za 1

}

U bloku Setup() određujemo pin D2 za prijem prekida i istovremeno mu uključujemo pull-up otpornik. Funkcija attachInterrupt() prilikom prijema prekida na pinu D2 (0 označava INT0) u trenutku kada pin prelazi iz stanja logičke nule u jedinicu (RISING), poziva funkciju prekid() koja vrši povećanje vrednosti brojača prekida za 1. Pomoću sei() se postavljanjem fleg, a u registru SREG aktivira korišćenje prekida. Sledi inicijalizovanje tajmera na početne vrednosti. U okviru beskonačne petlje loop() na početku inicijalizujemo varijablu koja pokazuje trenutno vreme tajmera. Nakon toga, u okviru if naredbe ispitujemo da li je prošla jedna sekunda (1000 milisekundi) u odnosu na početak merenja. Ako jeste, prelazimo na deo za računanje protoka. Kod modula YF-S201 se protok vode u litrima na čas dobija množenjem broja generisanih prekida sa 60 (minuta) i deljenjem te vrednosti sa konstantom 7,5. Varijabla za brojanje prekida je tipa volatile int, što kompajleru govori da njenu vrednost ne drži u registru procesora, već da je smesti u SRAM. Ovo je obavezna praksa kada se radi sa prekidima.

Za kraj teksta ćemo još spomenuti da prilikom izrade projekata namenjenih radu sa vodom često imamo potrebu za korišćenjem pumpi. Najjeftiniji modeli nemaju nikakvu oznaku na sebi, poznaju se po beloj plastici i koštaju oko 1,5 dolara. Po specifikaciji rade sa naponom od tri do šest volti, omogućuju protok do 100 litara na čas, imaju unutrašnji prečnik cevi od pet milimetara (0,2”) i maksimalni izbačaj na visinu 40 – 110 cm. Treba imati u vidu da je rok trajanja ovih uređaja ograničen na 500 radnih časova, mada to u praksi zna da bude i dosta kraće. Kvalitetnije pumpe se mogu nabaviti po ceni od pet do petnaest dolara.

Igor S. RUŽIĆ