В данной статье хочу рассказать свой вариант не только датчика, но и всей системы ликвидации утечки воды.
Обращаю Ваше внимание, что статья не содержит принципиальных схем датчика и блока управления(БУ), так как ее цель изложить основные конструктивные и функциональные особенности решения.
Кроме того, отдельные схемотехнические решения проекта еще находятся в стадии разработки и испытания.
В систему входят несколько датчиков, блока управления, который принимает сигналы от датчиков утечки воды и управляет автоматическим закрытием(открытием) двух шаровых кранов, установленных на трубах горячей и холодной воды.
В рассматриваемом варианте системы можно использовать блоки автоматического закрытия/открытия шаровых кранов, доступные на рынке и работающие от 12 вольт.
В статье https://habr.com/ru/articles/925212/ рассказал, как сделать простой датчик контроля утечки воды почти даром и предложил четыре варианта.
Как и следовало ожидать, в комментариях были высказывания, что датчик имеет недостатки: не контролирует разряд батарейки, не позволяет проверить его исправность удаленно, сенсоры подвержены коррозии, датчик не чувствует воду, если она капает на корпус.
Большая часть этих пожеланий не реализуется лишь за счет датчика.
Поэтому сначала расскажу каким образом указанные желания реализуются в данной системе, так как механизм реализации большинства из них реализуется в блоке управления.
Как отмечал в предыдущей статье, мое хобби избегать проектирования и изготовления корпусов.
Поэтому и в этой системе использую уже готовые корпуса и блок питания, что существенно удешевляет развертывание мелкосерийного производства таких систем, если будет потребность.
Датчики в данной системе реализованы по 3-му варианту.
Один блок управления может работать с несколькими датчиками (в разработке варианты с 6 и 30 датчиками). Программировать датчики не требуется. В них используется передающий модуль на 433 МГц.
По сравнению с модулем BLE(ZigBee) 2.4 ГГц, решение на 433 МГц обеспечивает бюджет радиоканала на 20 дБ больше, а поглощение сигнала стенами и перекрытиями помещений примерно на 20 дБ меньшее. В итоге дальность работы такого решения примерно в 3-5 раз больше, при тех же затратах энергии.
Для контроля исправности датчика и степени разряда батарейки, в датчик добавил таймер c периодом срабатывания до 2-х часов. Конкретного значение в настоящее время уточняется.
Алгоритм контроля состояния датчика в стадии разработки. Предположительно один из следующих вариантов. В обоих вариантах таймер активирует передатчик.
В первом случае, активация происходит также, как и при утечке воды, но время активации не более 100 ms. Блок управления опознает этот сигнал по его длительности.
Во втором варианте сигнал с таймера и сигнал утечки передаются по разным каналам, но в этом варианте число подключаемых к блоку датчиков сокращается в два раза, так как каждый датчик использует для своей работы два канала.
Алгоритм контроля разряда батарейки сейчас в стадии разработки. Есть два варианта.
В первом варианте блок управления подсчитывает время наработки датчика и таким образом прогнозирует остаток заряда батарейки.
Во втором варианте остаток заряда определяется по изменению длительности интервала таймера, который зависит от напряжения батарейки.
Кроме того, конструктивно вынес сенсор из корпуса и подключил его к датчику 2-х жильным кабелем с разъемом. Такое размещение сенсора позволяет установить датчик вне зоны возможного затопления, например, на стене, а сенсор разместить в этой зоне.
Если в процессе эксплуатации возникнет коррозия или загрязнение сенсора, то его можно отключить от датчика и заменить или очистить.
Предварительная оценка потребления датчиком энергии следующая. Передатчик 433МГц в режиме ожидания потребляет от батарейки напряжением 3 вольта ток не более 0.2 мкА. Таймер потребляет (в зависимости от варианта не более 0.2мкА(варианта подсчета числа интервалов), не более 1 мкА(вариант изменения длительности интервала от напряжения) .
Передатчик активируется таймером один раз в два часа на время не более 0.1 сек, ток передатчика не более 8 мА. Этот режим потребляет в среднем 0.12 мкА.
Ожидаемое потребление датчика составит не более 1.5 мкА.
Батарейка CR2032 имеет емкость 200 мАч. Предположим, что мы используем лишь 50%. Тогда ожидаемое время работы датчика в дежурном режиме от одной батарейки составит до 7 лет. Можно рекомендовать заменять батарейку по сигналу БУ, но не реже, чем раз в 5 лет.
С учетом всех изменений конструктивно система выглядит так:
Питание блока управления осуществляется от сети переменного тока 220 вольт через любой адаптер AC-DC 220в - 5 в и мощностью 5 Вт.
Если сетевое напряжение отсутствует, то питание осуществляется от аккумулятора 18650, установленного в держателе на боковой стенке корпуса блока.
Аккумулятор автоматически подзаряжается от сети.
Блок управления содержит следующие модули:
Приемник 433 МГц;
Модуль WiFi выполнен на основе ESP8266 или ESP32C3. Возможно установка любых других модулей Wifi/BLE/ZigBee/Lora,2G/LTE.
Приемник 433МГц подключен через UART к модулю WiFi.
С датчиками блок работает на частоте 433 МГц. WiFi или другие протоколы на частоте 2.4ГГц блок использует для взаимодействия с человеком или другими системами управления.
Кроме того, БУ содержит модуль зарядки аккумулятора, модуль DC-DC 5в в 12в, датчик тока, два Н-моста для реверса напряжения для двигателей постоянного тока.
Алгоритм работы БУ реализует три задачи.
Первая задача сводится к контролю исправности датчиков.
Для этого блок принимает сигналы таймера на частоте 433 МГц и по интервалу между ними или их числу определяет емкость батарейки.
В случае отсутствия сигнала таймера или превышения предельного значения интервала, блок начинает периодически посылать сообщения по WiFi, включает звуковой сигнал и соответствующий датчику светодиод ( устанавливаются на корпусе). Светодиоды позволят визуально, без приема сигнала WiFi, локализовать неисправность.
Вторая задача сводится к обнаружению сигнала утечки воды (аварии), передаваемого датчиком на частоте 433 МГц.
По этому сигналу блок начинает посылать оповещение по WiFi, включает звуковой сигнал и переходит к задаче управления шаровыми кранами.
Третья задача сводится к повороту шарового крана для горячей или холодной воды.
Переход к этой задаче возможен в двух условиях.
Первое условие – аварийная ситуация.
В этом случае БУ закрывает кран и ждет, когда аварийный сигнал от датчика завершится и, либо начнет поступать сигнал таймера, либо поступит команда по WiFi на открытие крана, либо выполнится нажатие кнопки “сброс” (устанавливается на корпусе).
Второе условие – профилактика оборудования.
Согласно графику, либо команде по WiFi, БУ закрывает краны и через некоторое время открывает их. Таким образом проверяется исправность шаровых кранов.
В БУ есть датчик тока, который измеряет потребление энергии двигателем при закрытии и открытии шарового крана. По величине тока определяется крутящий момент и по нему исправность шарового механизма. По величине тока определяются пределы поворота шарового крана.
Вся информация о работе системы хранится во flash модуля WiFi.
Таким образом, данная система способна автономно вести диагностику состояния датчиков, шаровых кранов и предотвращать возникновение утечки воды.
B многоквартирных домах такие системы могут быль соединены в сеть и обмениваться информацией. Сообщать друг другу о возникшей ситуации, например, если шаровой кран не удается закрыть.
Передавая друг другу информацию, они могут передать ее на систему закрытия основного крана подачи воды и отключить воду на всех этажах, чтобы предотвратить затопление квартир, расположенных ниже аварийной, сообщить в аварийную службу.