Мониторинг наполненности контейнера с помощью Arduino и ESP8266

В этом DIY-проекте (сделай сам) проекте мы рассмотрим создание системы мониторинга за наполненностью контейнера/ведра на основе платы Arduino и Wi-Fi модуля ESP8266. Проект относится к категории интернета вещей (IoT) и с его помощью и сети интернет мы из любой точки мира сможем узнать состояние нашего контейнера или мусорного ведра: полно ли оно или пусто. Данное устройство может быть установлено как дома, так и в общественных местах.

Внешний вид процесса мониторинга наполненности контейнера с помощью Arduino

Для оценки состояния наполненности будет использоваться ультразвуковой датчик, позволяющий измерять расстояние до препятствия. Этот датчик будет устанавливаться сверху на краю мусорного ведра/контейнера и будет измерять расстояние до содержимого контейнера. Мы можем установить соответствующую границу, зависящую от размера контейнера/ведра. Если измеренное расстояние будет меньше этой границы, это будет означать что контейнер полон и мы будем на веб-странице печатать сообщение “Basket is Full” (корзина полна). Если измеренное расстояние будет больше этой границы, это будет означать что контейнер пуст и мы будем печатать сообщение “Basket is Empty” (корзина пуста). В нашем проекте мы установили в программе эту границу равную 5 см.

Мы будем использовать Wi-Fi модуль ESP8266 чтобы наша плата Arduino могла подключаться к веб-серверу. В нашем проекте мы использовали локальный веб-сервер чтобы продемонстрировать работу нашего устройства.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Uno (или любая другая)
Wi-Fi модуль ESP8266
Ультразвуковой датчик HC-SR04
Резисторы 1 кОм
Макетная плата
Соединительные провода

Принцип работы ультразвукового датчика HC-SR04

Внешний вид ультразвукового датчика HC-SR04

Ультразвуковой датчик HC-SR04 в нашем проекте используется для измерения расстояний в диапазоне 2-400 см с точностью 3 мм. Датчик состоит из ультразвукового передатчика, ультразвукового приемника и схемы управления. Основные принципы работы ультразвукового датчика состоят в следующем:

  1. Вначале с формируется сигнал высокого уровня длительностью 10 мкс, который запускает в работу ультразвуковой датчик.
  2. Затем модуль автоматически посылает 8 импульсов с частотой 40 кГц, а затем проверяет приняты они или нет.
  3. Если эти излученные сигналы принимаются, то вычисляется время между временем передачи этих импульсов и их приемом.

Расстояние затем можно рассчитать по следующей формуле:

Distance= (Time x Speed of Sound in Air (340 m/s))/2

где Time – измеренное датчиком время;
Speed of Sound in Air – скорость звука в воздухе, равная 340 м/с.

Также о принципах измерения расстояния с помощью ультразвукового датчика более подробно можно прочитать в следующих статьях на нашем сайте:
измерение расстояний с помощью платы Arduino;
измерение расстояний с помощью датчика HC-SR04 и микроконтроллера AVR.

Wi-Fi модуль ESP8266

ESP8266 представляет собой Wi-Fi модуль, который может подключить ваши устройства к сети Wi-Fi или интернет. Это очень дешевое устройство, но оно способно обеспечить вашему проекту огромную функциональность. Его внешний вид показан на следующем рисунке.

Внешний вид Wi-Fi модуля ESP8266

ESP8266 является одним из самых популярных вещей в проектах интернета вещей (IOT). Он работает от напряжения питания 3.3V, подача напряжения 5V может повредить его.

ESP8266 имеет 8 контактов: VCC и CH-PD необходимо подсоединять к 3.3V чтобы Wi-Fi стало доступным. Контакты TX и RX будут ответственны за связь модуля ESP8266 с платой Arduino. Контакт RX работает с напряжением 3.3V поэтому вы должны использовать делитель напряжения как и мы в нашем проекте.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

Схема мониторинга наполненности контейнера с помощью Arduino и ESP8266Первым делом мы должны соединить модуль ESP8266 с платой Arduino. Если мы подсоединим ESP8266 к 5V Arduino, то мы можем повредить его поскольку он работает от напряжения 3.3V. Поэтому мы должны подсоединить контакты VCC и CH_PD к контакту 3.3V платы Arduino. Контакт RX ESP8266 работает с напряжением 3.3V и он не будет работать если мы непосредственно подключим его к Arduino. Поэтому для его подключения мы будем использовать делитель напряжения – три резистора по 1 кОм, соединенных последовательно. Соедините контакт RX ESP8266 с контактом 11 платы Arduino при помощи резисторов как показано на рисунке, а контакт TX подсоедините к контакту 10 платы Arduino.

Соедините контакты VCC и землю датчика HC-SR04 с контактами 5V и землей платы Arduino. Затем соедините контакты TRIG и ECHO ультразвукового датчика с контактами 8 и 9 платы Arduino соответственно.

Исходный код программы

Прежде чем загружать код программы в Arduino убедитесь что у вас работает Wi-Fi и к нему подключен ваш модуль ESP8266. В тексте программы приведены комментарии, поясняющие ее суть. Здесь же объяснены наиболее важные части программы.

Плата Arduino должна сначала получить информацию от ультразвукового датчика. Для этого на контакт TRIG датчика необходимо подать сигнал длительностью 10 мкс, после чего датчик излучает ультразвуковую волну в пространство. После отражения от препятствия этот сигнал улавливается ультразвуковым датчиком. Зная время распространения волны и скорость звука в воздухе можно определить расстояние до препятствия (содержимого контейнера в нашем случае).

digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance= duration*0.034/2;

Для вывода сообщений на веб-страницу мы будем использовать HTML программирование. Мы создадим строку с именем webpage и сохраненным в ней текстом для вывода. Если измеренное расстояние будет менее 5 см, то на веб-странице мы будем показывать сообщение “Basket is Full”, а если больше 5 см – то сообщение “Basket is Empty”.

if(esp8266.available())
{
if(esp8266.find("+IPD,"))
{
delay(1000);
int connectionId = esp8266.read()-48;
String webpage = "<h1>IOT Garbage Monitoring System</h1>";
webpage += "<p><h2>";
if (distance<5)
{
webpage+= " Trash can is Full";
}
else{
webpage+= " Trash can is Empty";
}
webpage += "</h2></p></body>";

Следующий код передаст и покажет данные на веб-странице. Данные, которые мы сохранили в строке с именем ‘webpage’, мы сохраним в строке с именем ‘command’. Затем модуль ESP8266 будет считывать символы по одному из строки ‘command’ и печатать их на веб-странице.

String sendData(String command, const int timeout, boolean debug)
{
String response = "";
esp8266.print(command);
long int time = millis();
while( (time+timeout) > millis())
{
while(esp8266.available())
{
char c = esp8266.read();
response+=c;
}
}
if(debug)
{
Serial.print(response);
}
return response;
}

Тестирование проекта

После загрузки кода в Arduino откройте последовательный монитор (Serial Monitor) и в нем вы увидите IP адрес как на представленном рисунке.

IP адрес в окне последовательного монитора

Введите этот IP адрес в строку браузера и на открывшейся странице вы увидите результат, представленный на следующем рисунке. Необходимо будет обновить эту страницу если вы хотите посмотреть свежее состояние вашего контейнера/ведра (полон он или пуст).

Результат работы нашего проекта

Данный проект можно усовершенствовать при помощи введения дополнительных условий в код программы, например, передавать сообщения когда контейнер наполнен наполовину. Или можно добавить информирование о состоянии контейнера по SMS или на Email.

Далее представлен полный текст программы.

Видео, демонстрирующее работу схемы

(1 голосов, оценка: 5,00 из 5)
Загрузка...
62 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *