Модуль подачи жидкости для гидропоники

Введение

В данной статье мы рассмотрим процесс сборки, программирования и настройки модулей долива, которые могут быть использованы при сборке автоматической гидропоники с автокорректировкой параметров и управлением через интернет. Модули также могут использоваться в качестве системы для полива растений. Если вы собираете систему автополива растений, предлагаем продолжить сборку по отдельной статье. 

Видео

Редактируется...

Нам понадобится

Количество представлено для сборки одного модуля долива. 

• 1х Piranha Trema (с колодками) или другой контроллер
• 1х Мембранный насос 280, 6 - 12В или Перистальтический насос (5-12В)
• 1х Силовой ключ (P или N-канал)
• 1х Датчик расхода воды 0.3-6л./мин.
• 1х Нормально закрытый соленоидный клапан, 12V
• 1х Кнопка
• 1х Светодиод 10мм
• 1х Гнездо питания на корпус 5.5x2.1 мм (DC-022B) (или 2шт. для удобства)
• 1х DC 5.5x2.5 mm Штекер питания 
• 1х 3-проводной шлейф «мама-мама»
• 2х Стойка М3*20 Nylon-black
• 1х Стойка М3*8 Nylon-black
• 2х Винт М3х6
• 1х Гайка М3 Nylon-black
• 1х Силиконовый шланг 6*8 мм
• 1х Силиконовый шланг 4*6 мм
• 2х Мягкий силиконовый провод 20AWG
• 1х ПВХ-корпус
• Стяжки
• Также вам может понадобиться USB-UART преобразователь для программирования контроллера Piranha Trema

Принцип работы и назначение модулей

Принцип работы

Модули долива могут работать как в режиме дозирования порции (по времени или по объёму жидкости), так и в режиме прямого долива (пока есть управляющий сигнал). Вне зависимости от способа управления (кнопкой или управляющим контроллером) дозирование жидкости будет производиться следующим образом:

• Если кнопка нажата кратковременно, то происходит подача порции. Размер порции и способ её измерения задаётся в коде программы модуля долива. Например, можно установить время подачи 2 секунды, или, например, объём подачи 20мл. Задание объёма возможно в случае, если установлен расходомер. Соответственно, если вы не собираетесь использовать задание порции по расходу, расходомер можно не ставить. При этом стоит отметить, что в случае, если будет превышено установленное аварийное время работы модуля, он отключится и светодиод сообщит об ошибке (см. раздел "Режимы защиты и световой индикации").
• Если кнопка удерживается, то происходит подача жидкости до момента, пока кнопка не будет отпущена. При сигнале с управляющего контроллера режим ошибки по аварийному времени также активен.

Используемые элементы

В зависимости от функционала системы, некоторые элементы можно не ставить. В таблице представлен перечень элементов, их предназначение, а также является ли их использование обязательным. 

Электромагнитный клапан предотвращает стекание жидкости из шланга. Это актуально для ситуаций, где необходимо точное дозирование. В модуле долива воды схему можно упростить и клапан не ставить, поскольку её точное дозирование в гидропонике не так важно (имея ввиду точное дозирование речь идёт о нескольких миллилитрах - объёме шланга, который стечёт обратно в резервуар модуля). 

В качестве ориентира приводим конфигурацию наших модулей долива.

Схема модуля долива

(картинка кликабельна)

На обратной стороне расходомера есть стрелка, указывающая направление потока. Жидкость должна двигаться строго в указанную сторону.

Подробное описание подключения элементов

Расходомер

Кнопка

Управляющий контроллер

Силовой ключ

Светодиод

Мотор и электромагнитный клапан подключены параллельно (полярность не важна*)

*Полярность не важна в случае, если вы используете мембранный насос, как у нас. При применении, например, перистальтического насоса от полярности будет зависеть направление подачи жидкости.

Особенности схемы

1) Обратите внимание на установку джампера: его положение указывает, что питание нагрузки осуществляется не от колодки GVS, а от от внешнего источника.

2) Обратите внимание на подключение расходомера: порядок проводов в его колодке не соответствует порядку проводов колодки GVS.

Скетч и настройки модулей долива

Для подключения контроллера Piranha Trema к компьютеру понадобится USB-UART преобразователь и кабель microUSB. В меню "Инструменты" указываем плату "Arduino Mini".

Настройки и конфигурация модулей

Рассмотрим основные настройки, которые требуют комментария:

• mode - режим дозирования жидкости: по времени или по объёму. В случае дозирования по времени расходомер можно не ставить. При этом подача жидкости будет производиться заданное время (см. дальше в настройках). При дозировании по объёму необходим расходомер. При необходимости точного дозирования также рекомендуем поставить электромагнитный клапан, он предотвратит стекание жидкости после выключения насоса.
• powerDevice - устройство коммутации насоса. Вместо силового ключа (у нас на схеме) можно использовать модуль реле (например, такой). 
• percentPowerPump - определяет процент мощности, подаваемой на насос. Если используется реле, то настройка не имеет смысла. Если же используется силовой ключ, то можно указать число меньше 100%, тогда насос будет работать не на полную мощность. При этом, мы не рекомендуем снижать мощность слишком сильно, т.к. это может вызвать невозможность старта насоса и/или невозможность срабатывания электромагнитного клапана.
• timeFlow - время работы насоса. Настройка актуальна при режиме дозирования "по времени".
• volumeFlow - объём жидкости, который должен перекачать насос. Настройка актуальна при режиме дозирования "по объёму".
• timePompBreak - максимальное время работы насоса, по истечении которого он отключится, а модуль начнёт сигнализировать об ошибке (см. раздел "Режимы защиты и световой индикации").

В качестве ориентира приводим настройки наших модулей долива, которые мы указывали в скетче. В таблицах ниже "-" значит, что в выбранной конфигурации параметр не актуален, однако значение (любое) должно стоять.

pH down, pH up

Концентрат А, концентрат В

Вода

Скетч для модуля долива

#define consuptPin 2                      // Определяем № вывода Arduino, к которому подключён датчик расхода воды
#define buttonPin 3                       // Определяем № вывода Arduino, к которому подключёна кнопка для ручного управления. Кнопка при нажатии подаёт +
#define signPin 4                         // Определяем № вывода Arduino, который подключен к центральному контроллеру для получения сигнала. Контроллер подаёт +
#define pumpPin 5                         // Определяем № вывода Arduino, к которому подключён силовой ключ или реле для управления насосом
#define ledPin 6                          // Определяем № вывода Arduino, к которому подключён светодиод-индикатор

// ---------- НАСТРОЙКИ ------------ //
#define mode 0                            // Режим дозирования жидкости. 0 - по времени, 1 - по объёму поданной жидкости (в случае если есть расходомер)
#define powerDevice 1                     // Используемый модуль: 0 - реле / твердотельное реле, 1 - силовой ключ
#define percentPowerPump 100              // Процент мощности, подаваемой на насос (настройка имеет смысл только при работе с силовым ключом). Рекомендуется не указывать близкие к 0 значения.
const uint16_t timeFlow = 10000;           // Время работы насоса (в режиме дозирования по времени), мс. (2000 мс = 2 сек)
const uint16_t volumeFlow = 5;           // Объём жидкости, который должен перекачать насос (в режиме дозирования по объёму жидкости), мл.
const uint16_t timePompBreak = 35000;      // Максимальное время работы насоса, по истечении которого он отключится, мс. (10000 мс = 10 сек)
const uint16_t flowImpulse = 4550;        // Кол-во импульсов расходомера при прохождении 1л. Вы можете откалибровать это значение для более точного измерения объёма.

// __________________________________//

volatile uint16_t varCount = 0;           // Определяем переменную для подсчёта количества импульсов поступивших от датчика расхода
float consumption = 0.0;                  // Расход жидкости в текущей порции, мл
bool prevSignState = false;               // Предыдущее состояние сигнала управляющего контроллера
bool prevButState = false;                // Предыдущее состояние кнопки
uint32_t startSignTime;                   // Время фиксации управляющего сигнала
uint32_t startButTime;                    // Время нажатия кнопки
bool pressFlag = false;                   // Флаг удержания (кнопки или сигнала управляющего контроллера)
bool clickFlag = false;                   // Флаг клика (кнопки или сигнала управляющего контроллера)
uint32_t timeStartPump;                   // Время включения насоса
String message = "OK";                    // Сообщение для передачи в функцию световой индикации
bool pumpState = false;                   // Флаг состояния насос (вкл/выкл)
uint32_t timeOff;                         // Переменная для фиксации времени выключения светодиода-индикатора
uint32_t timeOn;                          // Переменная для фиксации времени включения светодиода-индикатора
bool ledState = false;                    // Переменная состояния светодиода-индикатора
uint16_t timeHigh = 50;                   // Время включения светодиода индикации, мс
uint16_t timeLow = 3000;                  // Время выключения светодиода индикации, мс

void funCountInt(void);                   // Определяем функцию счётчика импульсов расходомера
void startFlow(void);                     // Определяем функцию включения насоса
void stopFlow(void);                      // Определяем функцию выключения насоса
void indication(void);                    // Определяем функцию работы световой индикации

void setup() {
  delay(5000);
  Serial.begin(9600);                     // Инициируем работу последовательного порта
  pinMode(pumpPin, OUTPUT);               // Вывод управления насосом (силовой ключ или реле) - выход
  pinMode(ledPin, OUTPUT);                // Вывод светодиода-индикатора - выход
  pinMode(signPin, INPUT);                // Вывод для получения сигнала с центрального контроллера (Piranha ESP-32) - вход
  pinMode(buttonPin, INPUT);              // Вывод кнопки для ручного управления - вход
  pinMode(consuptPin, INPUT_PULLUP);      // Вывод датчика расхода - вход

  uint8_t intConsupt = digitalPinToInterrupt(consuptPin);    // Определяем № прерывания который использует вывод pinSensor
  attachInterrupt(intConsupt, funCountInt, RISING);          // Назначаем функцию funCountInt как обработчик прерываний intConsupt при каждом выполнении условия RISING - переход от 0 к 1

  if (timePompBreak < timeFlow) {                            // Если время аварийного отключения насоса меньше заданного времени работы
    Serial.println("Ошибка! Время аварийного отключения насоса меньше заданного времени работы. Проверьте настройки."); // Выводим сообщение об ошибке.
  }

}

void loop() { Serial.println(message);
  // ОБРАБОТЧИК РАСХОДОМЕРА
  consumption = consumption + (float)varCount / ((float)flowImpulse / 1000.0); // Определяем количество мл, прошедших через расходомер с момента предыдущего цикла
  varCount = 0;                                              // Сбрасываем счётчик после того как получили от него значения
  
  // ОБРАБОТЧИК НАЖАТИЯ КНОПКИ
  bool nowButState = digitalRead(buttonPin);                 // Определяем текущее состояние кнопки
  if (nowButState && !prevButState) {                        // Если сейчас кнопка нажата и до этого была не нажата
    startButTime = millis();                                 // Фиксируем время срабатывания
    prevButState = true;                                     // Обновляем флаг предыдущего состояния
  }
  if (prevButState && (startButTime + 400 <= millis()) && !pressFlag && !clickFlag) { // Если кнопка была нажата ранее и прошло 400мс и не обработан ни клик, ни удеражние
    if (nowButState) pressFlag = true;                       // Если до сих пор (спустя 400мс) кнопка удерживается, записываем флаг "удержание"
    else clickFlag = true;                                   // Иначе, записываем флаг "клик"
    
    if (message != "ERROR") startFlow();                     // Если нет ошибки, запускаем функцию подачи жидкости
    else {                                                   // Если ошибка есть
      stopFlow();                                            // Сброс всех переменных
      message = "OK";                                        // Записываем в переменную сообщения значение
      consumption = 0;                                       // Сбрасываем расход
      digitalWrite(ledPin, LOW);                             // Выключаем светодиод
      while(digitalRead(buttonPin)){;}                       // Ждём, пока кнопка будет отпущена
      delay(100);                                            // Задержка 
    }
                                           
  }

  // ОБРАБОТЧИК СИГНАЛА С КОНТРОЛЛЕРА
  bool nowSignState = digitalRead(signPin);                  // Определяем текущий уровень сигнала 
  if (nowSignState && !prevSignState && message != "ERROR") { // Если сейчас высокий уровень, а ранее был низкий и устройство не находится в ошибке
    delay(30);                                               // Задержка. Отсеиваем случайные сигналы.
    if (digitalRead(signPin)){                               // Если спустя 30мс сигнал еще есть
      startSignTime = millis();                              // Фиксируем время
      prevSignState = true;                                  // Обновляем флаг предыдущего состояния
    }
  }
  if (prevSignState && (startSignTime + 100 <= millis()) && !pressFlag && !clickFlag) { // Если сигнал был зафиксирован ранее и прошло 100мс и событие не обработано
    if (nowSignState) pressFlag = true;                      // Если до сих пор (спустя 100мс) сигнал еще поступает, записываем флаг "удержание"
    else clickFlag = true;                                   // Иначе, записываем флаг "клик"
    startFlow();                                             // Запускаем функцию подачи жидкости
  }
  


  if (clickFlag) {                                           // Если был клик (или кнопки, или управляющего сигнала)
    if (timeStartPump + timePompBreak < millis()) {          // Если превышено максимально разрешенное время работы насоса
      stopFlow();                                            // Останавливаем насос
      message = "ERROR";                                     // Записываем в переменную значение: есть ошибка
    }

    if ((mode == 0) && (timeStartPump + timeFlow < millis())) { // Если режим дозирования - по времени и пришло время отключить насос
      stopFlow();                                            // Останавливаем насос
      message = "OK";                                        // Записываем в переменную сообщения значение
    }
    else if ((mode == 1) && (consumption >= volumeFlow)) {   // Если режим дозирования - по объёму и перекаченный объём больше или равен заданному
      stopFlow();                                            // Останавливаем насос
      message = "OK";                                        // Записываем в переменную сообщения значение
    }
  }
  else if (pressFlag) {                                      // Если было удержание (кнопки или управляющего сигнала)
    if (!nowButState && ((timeStartPump + timePompBreak) < millis())) { // Если кнопка отпущена и превышено максимально разрешенное время работы насоса
      stopFlow();                                            // Останавливаем насос
      message = "ERROR";                                     // Записываем в переменную значение: есть ошибка
    }
    if (!nowSignState && !nowButState) {                     // Если сигнала нет и кнопка не удерживается
      stopFlow();                                            // Останавливаем насос
      message = "OK";                                        // Записываем в переменную сообщения значение
    }
  }

  indication();                                                // Запускаем функцию световой индикации
  if ((message == "ERROR") || (consumption >= volumeFlow) || (timeStartPump + timePompBreak) < millis()) digitalWrite(pumpPin, LOW);  // Подстраховка выключения насоса
}

void funCountInt() {
  varCount++; // Функция, увеличивающая значение счётчика импульсов с расходомера
}

void startFlow() {                                           // Функция включения насоса
  consumption = 0;                                           // Сбрасываем значение объёма
  pumpState = true;                                          // Инвертируем флаг: насос сейчас будет включен
  timeStartPump = millis();                                  // Записываем время включения насоса
  message = "WORK";                                          // Записываем в переменную значение: идёт залив жидкости
  if (powerDevice == 1) analogWrite(pumpPin, map(percentPowerPump, 0, 100, 0, 255));  // Если коммутационное устройство - транзистор (силовой ключ), включаем насос, применяем ШИМ (переводим из %)
  else digitalWrite(pumpPin, HIGH);                          // Иначе (коммутационное устройство - реле) Включаем насос
}

void stopFlow() {                                            // Функция выключения насоса
  digitalWrite(pumpPin, LOW);                                // Выключаем насос
  pressFlag = false;                                         // Сбрасываем флаг удержания
  clickFlag = false;                                         // Сбрасываем флаг клика
  prevSignState = false;                                     // Сбрасываем предыдущее состояние управляющего сигнала
  prevButState = false;                                      // Сбрасываем предыдущее состояние кнопки
}

void indication() {                                          // Функция индикации
  if (message == "WORK") {                                   // Если сообщение WORK
    digitalWrite(ledPin, HIGH);                              // Включаем светодиод-индикатор
    ledState = true;                                         // Записываем флаг состояния светодиода
  }
  else {                                                     // Иначе
    if (message == "ERROR") {                                // Если сообщение ERROR
      timeHigh = 200;                                        // Устанавливаем время горения светодиода 200мс
      timeLow = 200;                                         // Устанавливаем время паузы светодиода 200мс
    }
    else if (message == "OK") {                              // Если сообщение OK
      timeHigh = 70;                                         // Устанавливаем время горения светодиода 70мс
      timeLow = 3000;                                        // Устанавливаем время паузы светодиода 3с
    }

    if (ledState && (timeOn + (uint32_t)timeHigh <= millis())) { // Если светодиод горит и пришло время его выключить
      digitalWrite(ledPin, LOW);                             // Выключаем светодиод
      timeOff = millis();                                    // Записываем время выключения
      ledState = false;                                      // Записываем флаг - светодиод выключен
    }
    if (!ledState && (timeOff + (uint32_t)timeLow <= millis())) { // Если светодиод не горит и пришло время его включить
      digitalWrite(ledPin, HIGH);                            // Включаем светодиод
      timeOn = millis();                                     // Записываем время включения
      ledState = true;                                       // Записываем флаг - светодиод включен
    }
  }
}

Режимы защиты и световой индикации

Модуль долива имеет защиту от излишнего времени работы насоса. Переменная timePompBreak отвечает за время, через которое насос отключится, а модуль начнёт сигнализировать об ошибке, мигая светодиодом. Подобная ситуация может произойти в случае, если, например, в резервуаре модуля закончилась жидкость. 

Функция защиты работает при любом режиме и способе дозирования жидкости, кроме ситуации, когда подача жидкости производится удержанием кнопки. 

В нормальном режиме работы светодиод вспыхивает раз в несколько секунд. 

Ссылки

• Основная статья: автоматизированная гидропоника с автоматической корректировкой параметров
• USB-UART преобразователь (Piranha)
• Установка/настройка Arduino IDE
• Включаем поддержку контроллеров Piranha в Arduino IDE
• ВПХ-корпус