Opublikowano: 11.04.2023

Poprawiono: 17.03.2025

Automatyka budynkowa

 

 

Streszczenie

W publikacji przedstawiono dwa proste systemy sterowania urządzeniami domowymi i system monitorowania jakości powietrza. W pierwszym systemie sterowania zastosowano sterownik programowalny  LOGO, w drugim sterowanie urządzeniami odbywa się przez sieć internet. Drugi przedstawiony system sterowania i system monitorowania jakości powietrza stanowi tzw. internet rzeczy IoT (ang. internet of things), publikacja nie dotyczy systemów KNX.
Kolejny przedstawiony system sterowania, przeznaczony do automatycznego odwadniania piwnicy w przypadku zalania, jest celowo uproszczony, ze względu na wymaganą niezawodność - nie wymaga połączeń sieciowych i zawiera wyłącznie niezbędne elementy.

 

 1. Sterownik LOGO - sterowanie oświetleniem zewnętrznym i nawadnianiem

Prosty układ sterowania oświetleniem i nawadnianiem ogrodu został zbudowany z zastosowaniem sterownika LOGO 8 firmy SIEMENS. Oprogramowanie LOGO!Soft Comfort poza edycją programu umożliwia symulację działania i podgląd on-line.

 

 

Sterownik jest zasilany napięciem sieciowym 230 V i posiada 8 wejść cyfrowych i 4 wyjścia przekaźnikowe. Dodatkowo zastosowano moduł I/O wyposażony w 4 wejścia cyfrowe i 4 wyjścia przekaźnikowe.

 

 

Układ automatycznie włącza 3 lampy zewnętrzne za pomocą czujników ruchu, lub ręcznie za pomocą przycisków. Lampa w garażu jest włączana automatycznie za pomocą łącznika krańcowego zamontowanego w drzwiach, lub może być włączana ręcznie za pomocą przycisku.
Ręczne i automatyczne włączenie oświetlenia w trybie pracy automatycznej jest możliwe wyłącznie po zapadnięciu zmroku. Po wyłączeniu trybu pracy automatycznej, sygnały z czujników są ignorowane i sterowanie oświetleniem i nawadnianiem może być realizowane wyłącznie ręcznie (łącznikami przyciskowymi).
Układ automatycznie włącza oświetlenie świąteczne przyłączone do gniazd wtyczkowych w okresie ustawionym w programie jako okres świąteczny, w godzinach ustawionych odrębnie dla poszczególnych dni tygodnia i dni świątecznych.

 

 

Program jest wyposażony w blokadę zbędnych uruchomień oświetlenia zewnętrznego spowodowanych wiatrem. Blokada ma chronić zestyki przekaźników przed szybkim zużyciem. Blokada jest aktywna w godzinach od 23:00 do 05:00. Układ sterowania uruchamia również cyklicznie pompę wody przeznaczoną do nawadniania ogrodu. Układ jest wyposażony w czujnik opadów atmosferycznych, który blokuje uruchomienie pompy na zaprogramowany czas (2 dni). Automatyczne podlewanie jest aktywne w czasie ustawionym jako „Okres nawadniania” (od 15 maja do 15 września).

 

 

Ręczne uruchomienie pompy realizuje się przez przytrzymanie (3 s) przycisku uruchamiającego oświetlenie. Sterownik monitoruje stan ogranicznika przepięć chroniącego wyposażenie elektryczne układu sterowania przed przepięciami.

 

 

Sterownik został przyłączony do domowej sieci wi-fi za pomocą wzmacniacza Wi-Fi D-Link N300 wyposażonego w jedno gniazdo RJ45, które zostało użyte do przyłączenia sterownika LOGO.

 

 

Sterownik został przyłączony do domowej sieci wi-fi za pomocą wzmacniacza Wi-Fi D-Link N300 wyposażonego w jedno gniazdo RJ45, które zostało użyte do przyłączenia sterownika LOGO.

 

 

Od wersji 8.2 sterownik logo umożliwia umieszczenie na wewnętrznej karcie pamięci (microSD) strony internetowej z wizualizacją działania programu.

 

 

Pomiędzy poszczególnymi stronami można przełączać się za pomocą nawigatora dostępnego z menu bocznego.

 

 

 

  Do tworzenia stron internetowych i kopiowania na kartę pamięci sterownika służy oprogramowanie LOGO Web Editor firmy SIEMENS.

 

 

 

 

 

 Schemat elektryczny i inne pliki opisywanego projektu można pobrać ze strony Do pobrania

 

 

 2. IoT – internet rzeczy - sterowanie nawadnianiem i oświetleniem

Drugi system, do sterowania pracą urządzeń, używa sieć komputerową i oprogramowanie SUPLA. SUPLA jest prostym, darmowym i wolnym oprogramowaniem (licencja GPL). System SUPLA składa się z serwera i aplikacji, którą można zainstalować na smartfonie lub tablecie. Istnieje również możliwość zastosowania własnego serwera np. na popularnym mikrokomputerze Raspberry Pi. Serwer łączy ze sobą urządzenia sterowane i aplikację, urządzenia mogą być sterowane przez przeglądarkę internetową na dowolnym komputerze, lub aplikację na smartfonie. Dzięki temu urządzenia mogą być sterowane i/lub monitorowane z dowolnego miejsca, w którym jest dostęp do sieci internet.

 

 

SUPLA umożliwia włączanie i wyłączanie urządzeń, tworzenie harmonogramów i prostych zależności pomiędzy urządzeniami oraz tworzenie linków bezpośrednich.

 

 

 

 

W opisywanym projekcie zostały zastosowane odbiorniki wi-fi firmy ZAMEL (ROW-01) do sterowania pracą pomp do nawawadniania ogrodu i kwiatów balkonowych w skrzynkach i donicach oraz oświetlenim pokoju. Dodatkowo po zastosowaniu mikrokontrolera z wi-fi ESP8266 (Wemos D1 mini) i odpowiednich czujników (BME280 i DS18B22), jest monitorowana temperatura, wilgotność powietrza i ciśnienie atmosferyczne.

 

 

Możliwy jest również odczyt historii wyników pomiarów w postaci wykresu i pobranie historii w postaci pliku.

 

 

 

 Za pomocą aplikacji na smartfony lub tablety można włączać i wyłączać sterowane urządzenia, monitorować stan urządzeń oraz odczytywać wartości zmierzone przez czujniki.

 

 

 Przed konfiguracją urządzeń należy utworzyć konto SUPLA. Konfiguracja gotowych urządzeń takich jak ROW-01 jest bardzo prosta i polega na zaprogramowaniu danych logowania do domowej sieci wi-fi. Nowe urządzenie „rozgłasza” własną sieć wi-fi, na którą należy się zalogować i wprowadzić odpowiednie dane zgodnie z instrukcją.

W przypadku urządzeń takich jak ESP8266 należy wgrać do mikrokontrolera plik konfiguracyjny. Najłatwiejszym i najszybszym sposobem utworzenia pliku konfiguracyjnego jest skorzystanie z generatora dostępnego na stronie projektu SUPLA, pod adresem gui-generic-buidler-supla.io.
Generator umożliwia również stworzenie konfiguracji dla różnych urządzeń, w tym dla popularnych czujników.

 

 

Utworzony plik konfiguracyjny można wgrać do mikrokontrolera za pomocą oprogramowania NodeMCU PyFlasher. Programowanie odbywa się za pomocą złącza USB, istnieje również możliwość wgrania wygenerowanego kodu bezpośrednio ze strony internetowej.

 

 

 Po wgraniu pliku konfiguracyjnego mikrokontroler „rozgłasza” własną sieć wi-fi, do której należy się zalogować, w celu dokonania dalszej konfiguracji. Konfiguracja polega m.in. na podaniu nazwy serwera (widoczny na pasku adresu przeglądarki internetowej po zalogowaniu na konto SUPLA), loginu i hasła konta SUPLA; podaniu danych logowania do domowej sieci wi-fi; przypisaniu odpowiednich portów mikrokontrolera, do których są przyłączone czujniki i inne.

 

 

 Po restarcie mikrokontroler łączy się z domową siecią wi-fi, dalsza konfiguracja jest możliwa po zalogowaniu się do mikrokontrolera. Domyślne dane logowania to login: admin i hasło: pass. Aktualny adres IP danego urządzenia potrzebny do logowania, można najłatwiej uzyskać po naciśnięciu znaku i (litera "i" wewnątrz kółka) znajdującego się obok ikony stanu urządzenia w aplikacji na smartfony.

System nawadniania jest wyposażony w zbiornik na deszczówkę z pompą i łapacz deszczu zamontowany na rynnie spustowej deszczówki.

 

 

 Poziom wody w „łapaczu deszczówki” powinien być taki, jak oczekiwany poziom wody w zbiorniku, dzięki temu po napełnieniu zbiornika i wyrównaniu poziomów (naczynia połączone) woda samoczynnie przestanie napływać do zbiornika. Pompa zastosowana w zbiorniku jest wyposażona w łącznik pływakowy, zabezpieczający przed pracą „na sucho” po wyczerpaniu wody.
Te cechy w połączeniu z harmonogramami ustalonymi na serwerze SUPLA pozwalają na pracę automatyczną całego systemu, bez konieczności ingerencji. W skrzynkach i donicach z kwiatami są zamontowane kroplowniki, z regulacją ilości dozowanej wody.

 

 

 Drugi z systemów nawadniania wyposażony w zraszacze wynurzalne jest zasilany pompą o niewielkiej wydajności. Ponieważ zraszacze nie mogą być zasilane równocześnie, system został wyposażony w zawory elektromagnetyczne, które umożliwiają automatyczną zmianę zasilanego zraszacza. Zastosowano zawory elektromagnetyczne RainJet f-my claber (90812) zasilane napięciem 9V DC.

Zawory są bistabilne, jednocewkowe – zmiana rodzaju pracy (otwarcie/zamknięcie) odbywa się przez zmianę biegunowości zasilania cewki. Otwarcie i zamknięcie zaworu jest realizowane impulsem prądu, jeżeli zawór jest pod ciśnieniem (min. 0,5 bara), wg producenta jest to zawór z mechaniczną blokadą (latching).

 

 

System uruchamia się za pomocą oprogramowania SUPLA, a do sekwencyjnego uruchamiania zraszaczy za pomocą zaworów bistabilnych zastosowano sterownik wykonany we własnym zakresie. Sterownik jest zasilany napięciem 12 V DC (SELV) i jest wyposażony w mikrokontroler ATmega328P-U - schemat elektryczny i oprogramowanie sterownika są dostępne na stronie Do pobrania.

 

 

 

 Zapewne znacznie lepszym rozwiązaniem, jest jednak zastosowanie programatora oferowanego przez producenta zaworów. Przedstawiony system ma wadę, przepięcia generowane przy wyłączaniu zasilania zaworów elektromagnetycznych, mają odwrotną polaryzację do napięcia roboczego i mogą powodować niekontrolowane zmiany stanu zaworów bistabilnych. Działo się tak pomimo zastosowania warystorów i diod lawinowych do tłumienia przepięć. Przepięcia pomimo ograniczonej amplitudy miały wystarczającą energię do zmiany stanu zaworu. Powodowało to równoległą pracę dwóch lub czasem trzech zraszaczy. Dopiero dodanie diod Shotky`ego do tłumienia przepięć spowodowało stabilną pracę sterownika. Opisana wada nie będzie występować w przypadku zastosowania zaworów monostabilnych, w których otwarcie zaworu wymaga ciągłego podtrzymania napięcia na cewce zaworu, a zamknięcie jest realizowane za pomocą sprężyny po odłączeniu zasilania cewki.

 

 

 

 

 Supla umożliwia również sterowanie innymi urządzeniami: roletami okiennymi, bramami garażowymi itp., są również dostępne liczniki energii elektrycznej. Zastosowanie licznika energii w obwodzie zasilającym pompy systemu nawadniania, umożliwia zgrubne oszacowanie kosztów eksploatacji i umożliwia wykrycie „pracy na sucho” w przypadku niezadziałania łącznika pływakowego.

 

 

Kolejnym urządzeniem sterowanym za pomocą oprogramowania SUPLA może być zawór wody np. zawór czeskiej firmy PEVEKO. Zawór Smart Valve, a po czesku Chytry Ventil nie jest tani w porównaniu z wieloma innymi zaworami, ale jest dość dobrze zintegrowany z oprogramowaniem SUPLA.

 

 

 

Zawór w połączeniu z czujnikami zalania może działać automatycznie, odcinając wodę w przypadku nieszczelności instalacji. Zawór może być sterowany za pomocą oprogramowania SUPLA lub ręcznie przyciskiem OPEN/CLOSE znajdującym się na obudowie. Chytry Ventil, nie przestaje być "chytry" (mądry) po zaniku zasilania w energię elektryczną i dzięki wbudowanemu akumulatorowi działa dalej.

 

 

 

3. IoT – internet rzeczy – monitorowanie jakości powietrza

Do monitorowania jakości powietrza został użyty moduł SEN0515 firmy DFRobot z czujnikiem jakości powietrza ENS160 firmy ScioSense. Układ jest zbudowany na mikrokontrolerze z wi-fi FireBeetle ESP32-E i połączony z serwisem internetowym thinger.io.

 

 

Czujnik ENS160 jest przeznaczony do kontroli jakości powietrza w pomieszczeniach, Za jego pomocą można mierzyć ekwiwalent stężenia dwutlenku węgla eCO2 (ang. Carbon dioxide equivalent concentration) i zawartość lotnych związków organicznych TVOC (ang. Concentration of total volatile organic compounds), czujnik wylicza również ocenę jakości powietrza AQI (ang. Air Quality Index).
Dane zmierzone i obliczone za pomocą czujnika są przesyłane na platformę thinger.io przez mikrokontroler z wi-fi. Serwis thinger.io poza prezentacją danych w postaci wykresów, umożliwia również sterowanie urządzeniami i wiele innych dodatkowych funkcji. W wersji nieodpłatnej serwis umożliwia przyłączenie dwóch urządzeń i jest ograniczony funkcjonalnie.

 

 

Odczyt wysyłanych danych i sterowanie urządzeniami jest możliwy również za pomocą aplikacji mobilnych.

 

 

Płytka mikrokontrolera FireBetle ESP32-E jest wyposażona w diodę LED RGB, co dodatkowo umożliwia sygnalizowanie barwą stanu jakości powietrza.

 

 

Za pomocą czujnika PMS5003, mikrokontrolera NodeMCU v.3 i oprogramowania SUPLA wykonano układ do pomiaru czystości powietrza (ilości pyłu). Zmierzone ilości pyłu są wyrażane wskaźnikami PM1, PM2,5 i PM10. Plik konfiguracyjny dla czujników serii PMSXXXX, można wygenerować za pomocą generatora dostępnego na stronie projektu SUPLA, pod adresem gui-generic-buidler-supla.io.

 

 

Poziom zapylenia jest mierzony w jednostce μg/m3, w oprogramowaniu SUPLA do pomiaru zapylenia używa się kanał do pomiaru temperatury i dlatego wyniki są pokazywane w ºC.

 

 

 

 4. Prosty układ sterujący, tam gdzie wymagana jest wyższa niezawodność - odwadnianie piwnicy

Układ do sterowania pompą do odwadniania piwnicy, ze względu na wymaganą niezawodność jest układem prostym, wyposażonym wyłącznie w niezbędne elementy. Układ pracuje niezależnie od sieci wi-fi, internetu i urządzeń takich jak sterowniki PLC i/lub inne zaawansowane układy sterowania.

W podłodze piwnicy został umieszczony zbiornik drenażowy z nawierconymi otworami w części podziemnej, który ma gromadzić wody gruntowe pojawiające się pod podłogą piwnicy. Górna krawędź zbiornika jest na wysokości powierzchni podłogi i jest wyposażona w kratkę, która umożliwia spływanie wody, która przedostała się do piwnicy. Jako zbiornik drenażowy został użyty gotowy plastykowy zbiornik ze wzmocnioną kratką.

 

 

Jako czujnik poziomu cieczy zastosowano dwupoziomowy czujnik HT275-2 wyposażony w dwa pływaki osadzone na wspólnej osi. Czujnik wykonany ze stali nierdzewnej, jest wyposażony w kontaktrony i magnesy trwałe umieszczone wewnątrz pływaków.

 

 

Producent czujnika oferuje przekaźnik kontrolny, który może uruchamiać i zatrzymywać pompę po zmianie stanu czujników. W omawianym projekcie zastosowano układ sterujący wykonany we własnym zakresie.

 

 

Układ sterujący jest wyposażony w diody LED wskazujące poziom wody i elementy sterujące pracą pompy. Do montażu elementów elektronicznych zastosowano płytkę uniwersalną czyli powstała „płytka drutowana”, która wygląda znacznie gorzej niż płytka drukowana, ale przy starannym montażu może być równie solidna i niezawodna.

 

 

Układ jest zasilany z transformatora bezpieczeństwa napięciem 12 V d.c. i jest układem SELV zapewniającym bezpieczeństwo elektryczne o odpowiednim poziomie. Pompa do wody brudnej o mocy 400 W, jest umieszczona razem z czujnikiem w zbiorniku drenażowym. Zbiornik drenażowy został obłożony żwirem i zabetonowany w podłodze.

 

 

Schemat elektryczny i inne pliki opisywanego projektu można pobrać ze strony Do pobrania

 

 

 

 

Bibliografia:

1. SIEMENS Logo
2. SUPLA
3. BOSH - Humdity Sensor BME289
4. ScioSense - ENS160 Digital Metal Oxide Multi-Gas Sensor
5. DFRobot - SEN0515 (Fermion: ENS160 Air Quality Sensor)
6. thinger.io - The Cloud IoT Platform
7. Strona internetowa firmy claber