UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Blaž Kovač Nadzor temperature ter vlage v kletnih prostorih Diplomsko de

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Blaž Kovač Nadzor temperature ter vlage v kletnih prostorih Diplomsko delo Maribor, september 2017

2 Nadzor temperature ter vlage v kletnih prostorih Diplomsko delo Študent: Študijski program: Blaž Kovač Visokošolski strokovni študijski program Elektrotehnika Smer: Mentor: Avtomatika doc. dr. Andrej Sarjaš

3

4

5 Nadzor temperature ter vlage v kletnih prostorih Ključne besede: Arduino, merilnik temperature in vlage, klet UDK : (043.2) Povzetek V diplomskem delu je prikazan način, kako lahko s pomočjo razvojne ploščice Arduino merimo in spremljamo temperaturo in vlago v prostoru. Vse podatke o trenutnem stanju temperature in vlage pošiljamo uporabniku. V jedru naloge so opisani izbrani elementi, predstavljene so metode, s katerimi lahko izvajamo meritve, ter rezultati testiranja. Glede na dane pogoje smo izbrali senzor, ki meri temperaturo in vlago hkrati, in naredili napravo, ki je postavljena v željenem prostoru. Modul je preko kabla povezan do modema in pošilja signal nazaj na spletno stran. V

6 Control of temperature and humidity in basement rooms Key words: Arduino, temperature and humidity sensor, basement UDK : (043.2) Abstract In this thesis we will present a way on using the Arduino development board to measure and observe room temperature and humidity. All the current temperature data is sent to the appliance. In the core of this thesis methods of measuring and testing are presented and the elements that are used are described. We used a sensor wich measures temperature and humidity at the same time and built a device which can be situated in a desired room. The module is connected to the modem with a cable and sends data back to the internet page. VI

7 Kazalo Povzetek... V Abstract... VI Kazalo... VII Kazalo slik... IX Kazalo tabel... X Uporabljene kratice... XI 1 UVOD Opredelitev diplomskega dela Struktura diplomskega dela MERJENJE TEMPERATURE TER VLAGE Nastanek plesni Merjenje vlage Merilniki vlage Merjenje temperature ZASNOVA SISTEMA ARDUINO Okolje IDE Arduino knjižnice Arduino UNO R ATmega8328/P ELEMENTI NAPRAVE Senzor temperature in vlage DHT Ethernet Shield W WH1602 LCD-zaslon Ventilator ISKRA TP-Link Tianbo HJR-3FF-S-Z OBVEŠČANJE UPORABNIKA Spletna stran Prikaz na pametnem telefonu Prikaz na LCD-zaslonu REZULTATI VII

8 7.1 Analiza rezultatov SKLEP LITERATURA PRILOGE VIII

9 Kazalo slik Slika 1: Prikaz plesni v našem prostoru... 3 Slika 2: Mehanski merilnik vlage... 5 Slika 3: Uporovni vlagomer... 6 Slika 4: Psihrometer... 7 Slika 5: Kapacitivni senzor vlage (Prečni presek)... 8 Slika 6: LC blokovna shema... 8 Slika 7: Blokovna shema IR vlagomera... 9 Slika 8: Merilna območja termometrov Slika 9: Živosrebrni termometer Slika 10: Upogib dveh kovin Slika 11: Bimetalni termometer Slika 12: Karakteristika PTK-termistorja s pozitivnim temperaturnim koeficientom Slika 13: Karakteristika NTK-termistorja z negativnim temperaturnim koeficientom Slika 14: Plinski termometer Slika 15: Priključitev Pt Slika 16: Zračnik na steni Slika 17: Zračnik na stropu Slika 18: Zasnova sistema Slika 19: Arduino UNO R Slika 20: Izdelki Arduino Slika 21: Serijski vmesnik Slika 22: Diagram vhodno/izhodnih enot Slika 23: Atmega Slika 24: Komponente Slika 25: DHT Slika 26: Ethernet Shield Slika 27: Povezave LCD-zaslona Slika 28: Prikaz na LCD-zaslonu Slika 29: Ploščica ventilatorja Slika 30: Ventilator Slika 31:TP LINK Slika 32: Rele TIANBO Slika 33:ThingSpeak Slika 34: Prikaz temperature na pametni napravi Slika 35: Izpis na LCD-zaslonu Slika 36: Slika naprave Slika 37: Naprava s priključki Slika 38: Temperaturni senzor Slika 39: Prikaz meritev vlage v grafu Slika 40: Prikaz meritev temperature v grafu IX

10 Kazalo tabel Tabela 1: Meritve temperature in vlage X

11 Uporabljene kratice CLIENT stranka ISP angl. In System Programming GND angl. Ground USB angl. Universal Serial Bus TX angl. Transceiver SS angl. Slave Select LED angl. Light Emitting Diode IDE angl. Integrated Development Environment ICSP angl. In Circuit Serial Programming ASK - angl. Amplitude Shift Keying RX angl. Reciver TTL angl. Trasnsistor Trasnsistor Logic TCP angl. Transmission Control Protocol RH Relativna vlažnost zraka Va absolutna vlažnost zraka Vamax največja absolutna vlažnost zraka Va absolutna vlažnost zraka mv masa vode Vz volumen zraka XI

12 1 UVOD 1.1 Opredelitev diplomskega dela Za shranjevanje ozimnice in sušenje izdelkov doma uporabljamo kletne prostore velikosti š = 6 m, d = 5 m, v = 2,2 m. V prostorih se hranijo ozimnica, sadje, suho meso in pijače. Zaradi hitrih sprememb temperatur in vlage je prihajalo do plesnenja hrane in posledično do gnitja. Preden smo se odločili za izdelavo naprave, smo temperaturo odčitavali tako, da je bilo potrebno iti v klet in odčitati temperaturo s termometra ter vlago z vlagomera. Za odčitavanje temperature smo uporabljali tekočinski termometer, za odčitavanje vlage pa analogni vlagomer. V primeru prevelike temperature v prostoru smo morali odpirati vrata. Odpiranje vrat ni bilo vedno mogoče. V primeru, ko je bila zunaj večja temperatura kot v kleti, smo klet še dodatno segrevali. Kadar je bilo v prostoru preveč vlage, smo uporabljali sušilec zraka, v primeru, ko je bilo premalo vlage, pa smo polivali vodo po tleh. Zaradi teh težav smo se odločili za izdelavo naprave, ki nam bo olajšala nadzor temperature in vlage. V diplomskem delu je v celoti predstavljena naprava, ki meri temperaturo in vlago v kleti, izsesava zrak iz prostora ter pošilja podatke do uporabnika. Naprava je sestavljena iz dveh senzorjev, vsak senzor meri temperaturo in vlago, ventilatorja, ki je nameščen v zračnik, in vmesnika ethernet, ki pošilja podatke do uporabnika. Celotna naprava deluje preko mikrokrmilnika Arduino, na katerem so priključene vse vhodno-izhodne enote. 1

13 Namen projekta je, da naprava omogoča konstantni nadzor nad prostorom preko spletne strani. Naprava mora v primeru previsoke temperature ali vlage v kleti vklopiti izsesavanje zraka iz prostora. Celoten potek pa je odvisen od zunanje temperature. V diplomski nalogi želimo preveriti naslednji hipotezi. 1. Naprava bo pošiljala podatke na spletno stran, ki jo bomo lahko opazovali preko računalnika ali aplikacije za pametni telefon. 2. Brezžični RF-modul bo zadostoval za prenos podatkov od kleti do stanovanja (uporabnika). 1.2 Struktura diplomskega dela Diplomska naloga je razdeljena na različna poglavja. V uvodu je opisana opredelitev dela, v nadaljevanju so opisani različni postopki merjenja temperature in vlage v prostoru. Sledi zasnova, natančno opisan problem in postopek, kako ga bomo rešili. V jedru naloge so opisane vse komponente, ki sestavljajo napravo, potem še testiranja in rezultati. Nato sledi sklep, v katerem ugotovimo, ali končni izdelek izpolnjuje zastavljene cilje. 2

14 2 MERJENJE TEMPERATURE TER VLAGE 2.1 Nastanek plesni V bivalnem prostoru je zaželena vlaga nekje med 40 % in 60 %, idealna vlaga je 50 %. Plesen v prostoru nastane zaradi prevelike vlage. Da se plesen lahko začne razvijati, mora biti v prostoru 80 % vlage. Vlaga nastane v odvisnosti od temperature zraka, hladen zrak je manj vlažen kot topel zrak. Pri temperaturi 5 C je lahko v zraku največ 5 g vode na m 3, kar pomeni, da takrat zrak vsebuje 100% vlage, pri temperaturi 22 C pa je lahko v zraku največ 22 g vode na m 3, kar pomeni, da zrak vsebuje 100 % vlage. Iz teh dveh podatkov lahko ločimo, kakšna je odvisnost temperature od vlage. Spodnja slika 1 prikazuje našo težavo v prostoru. Slika 1: Prikaz plesni v našem prostoru 3

15 2.2 Merjenje vlage Merimo lahko dve vrsti vlažnosti zraka: absolutno vlažnost zraka in relativno vlažnost zraka. Absolutna vlažnost zraka je podana v [kg/m 3 ], izmerimo jo tako, da skozi napravo za merjenje absolutne vlažnosti posesamo zrak. Zrak posesamo skozi poseben filter, ki veže vodo nase. Z znano maso filtra pred sesanjem zraka in z znano maso filtra po posesanem zraku ter z znanim volumnom posesanega zraka lahko izračunamo absolutno vrednost vlage v zraku. Va absolutna vlažnost zraka mv masa vode Vz volumen zraka Enačba: v a = m v V z [ kg m 3] Relativna vlažnost zraka je določena kot razmerje med absolutno vlažnostjo in največjo mogočo absolutno vlažnostjo zraka pri določeni temperaturi, podana je v [%]. Enačba: RH = v a v amax 100 [%] RH relativna vlažnost zraka Va absolutna vlažnost zraka Vamax največja absolutna vlažnost zraka 4

16 2.3 Merilniki vlage Vlago lahko merimo z različnimi senzorji oziroma z napravami. Nekoč so uporabljali mehanske vlagomere, danes pa uporabljamo elektronske vlagomere, uporovni vlagomer, kapacitivni vlagomer, piezoelektrične merilnike vlage in termični merilnik vlage. Mehanski merilnik vlage: Nekoč so uporabljali mehanske vlagomere (lasni vlagomer). Mehanski vlagomer je bil narejen iz skupka človeških las, ki so bili izpostavljeni neposredno na zrak. Lasje so se ob spremembi vlage v zraku navlažili, s tem pa se jim je spremenila tudi dolžina. V primeru, da se vlažnost zraka spremeni z 0 % na 100 %, so se lasje podaljšali za 2,5 % prvotne dolžine. To razdaljo so s posebnimi mehanskimi prenosi prenesli na umerjeno skalo. Na sliki 2 lahko vidimo mehanski vlagomer. Slika 2: Mehanski merilnik vlag 5

17 Uporovni merilnik vlage: Uporovni merilnik vlage, ki ga prikazuje slika 3, je narejen iz materiala, ki ima zelo majhno upornost. Material, iz katerega je sestavljen, je obdan s snovjo, ki nase veže vlago. Elektrode so razporejene in izpostavljene neposredno na zrak tako, da so v stiku z zrakom in posledično z vlago. Ob spremembi vlažnosti se senzorju spreminja upornost, ki jo lahko odčitavamo in preračunamo v relativno vlažnost. Slika 3: Uporovni vlagomer Poznamo še uporovne vlagomere s solid state senzorjem. Izdelani so na principu silicijevih substratov. Silicij potrebuje dobro prevodnost, da zagotovi pot do aluminija. Na aluminij je nanešen aluminijev oksid, ki dobro absorbira vlago. Količina vlage v zraku je premo sorazmerna količini absorbirane vlage. Aluminijev oksid ima zelo veliko upornost, zato ga uvrščamo med dielektrike. Njegova konstanta je odvisna od vlažnosti, zato se mu s spreminjanjem vlažnosti spreminja upornost, ki jo lahko odčitavamo in preračunamo v relativno vlažnost. 6

18 Psihrometer: Psihrometer sestavljen iz dveh termometrov: suhega in mokrega. Suhi termometer prikazuje temperaturo zraka, mokri termometer pa prikazuje nekoliko nižjo temperaturo, ker imajo vlažni predmeti nižjo temperaturo. Iz obeh termometrov lahko odčitamo temperaturo. Razlika med temperaturama nam pove, kakšna je relativna vlažnost zraka v prostoru, ki jo moramo odčitati iz tabele. Spodnja slika 4 nam prikazuje, kako izgleda psihrometer. Slika 4: Psihrometer 7

19 Kapacitivni merilnik vlage: Kapacitivni vlagomer je kondenzator z zračno režo, kot dielektrik se lahko uporablja za senzor relativne vlažnosti. Kapacitivni vlagomeri dosežejo točnost do 98 % pri merjenju vlažnosti zraka v obsegu od 5 % do 90 % RH. Sprememba kapacitivnosti takšnega vlagomera je približno med 0.2 ter 0.5 pf pri spremembi relativne vlažnosti za 1 %. Kapacitivni senzorji vlažnosti lahko delujejo pri visokih temperaturah do 200 C in so zelo dobro kemično odporni. Slika 5: Kapacitivni senzor vlage (prečni presek) Takšni kapacitivni senzorji vlage se najpogosteje uporabljajo v farmacevtske namene. Za senzorje vlažnosti se uporablja LC-oscilirajoče vezje, kjer se nam glede na spremembo vlažnosti spreminja kapacitivnost kondenzatorja, ta pa vpliva na frekvenco oscilatorja. Na spodnji sliki 6 lahko vidimo blokovno shemo LC-oscilirajočega vezja. Slika 6: LC-blokovna shema 8

20 IR-higrometer: IR-merilnik vlage deluje v področju od 1 do 2 nm. V tem območju imajo molekule vode možnost absorbirati IR-svetlobo. Takšen senzor črpa zrak iz okolice in ga pošilja skozi snop svetlobe. Senzor ima izvir svetlobe, ki skozi lečo sveti na zrcalo, od katerega se svetloba odbije. Odbita svetloba pada na foto-detektor. Zaradi molekul vode v zraku, ki imajo možnost absorbiranja svetlobe, se vrednost na foto-detektorju spreminja. To vrednost lahko beremo in preračunamo v relativno vlažnost. Slika 7: Blokovna shema IR-vlagomera 2 črpalka zraka 3 zrcalo 4 barvni filter 5 zbiralne leče 6 foto-detektor 7 ojačevalna stopnja 8 ohišje 9 vir IR-svetlobe 10 zbiralne leče 9

21 2.4 Merjenje temperature Temperaturo merimo s termometri, za merjenje temperature lahko uporabljamo različne termometre. Za domačo rabo najpogosteje uporabljamo tekočinske termometre v steklu, ti so najbolj priljubljeni za merjenje sobnih temperatur. Pogosto še uporabljamo bimetalne termometre, ki se uporabljajo za merjenje temperature tekočin in zraka, ali elektronske termometre, ki vsebujejo uporovni merilnik temperature. Poznamo plinske termometre, živosrebrne termometre, bimetalne termometre, uporovne termometre. Vsi ti termometri so lahko sestavljeni iz različnih materialov ali plinov, s katerimi dosežemo različna temperaturna območja. Spodnja slika 8 nam prikazuje različne termometre ter njihova merilna območja. Iz slike je razvidno, da ima termočlen največje merilno območje nekje od 220 C do 1900 C. Najmanjše območje ima uporovni termometer PTK, od 20 C do 400 C. Slika 8: Merilna območja termometrov 10

22 Živosrebrni termometri: Živosrebrni termometer je sestavljen iz steklene cevke in živega srebra. V stekleni cevki je zaprto živo srebro, ki s spremembo temperature spreminja svoj volumen. Ob povečanju temperature se živo srebro razteza in s tem dviga po stekleni cevki, v primeru ohladitve pa se živo srebro skrči in tako spušča po stekleni cevki. Steklena cevka je pritrjena na merilno letev. Na merilni letvi je označena skala, po kateri odčitamo temperaturo. Skala je lahko v [ C] ali [ F]. Slika 9: Živosrebrni termometer 11

23 Bimetalni termometri: Bimetalni termometer je narejen iz dveh različnih kovin. Kovini imata različne koeficiente raztezanja. Če takšni dve kovini spojimo trdno skupaj, se ob segrevanju ne bosta raztezali ravno. Spodnja slika 10 nam prikazuje upogib dveh kovin z različnim koeficientom raztezanja. V prvem delu slike je prikazano raztezanje kovin v primeru, ko kovini nista pritrjeni trdno skupaj. V drugem delu slike sta kovini trdno pritrjeni skupaj in se v primeru segrevanja začneta upogibati. Upogibata se zaradi različnih koeficientov raztezanja. Slika 10: Upogib dveh kovin Na koncu kovin je pritrjen poseben vzvod, ki je povezan na mehanizem, ki nam prikazuje temperaturo. Takšni dve kovini sta lahko nameščeni na različne načine, lahko sta zaviti v spiralo ali polža, preko katerega sta povezani na mehanizem in nato na skalo, iz katere odčitavamo. Slika 11 nam prikazuje takšen termometer. Slika 11: Bimetalni termometer 12

24 Uporovni termometer: Med uporovnimi termometri sta najbolj znana NTK in PTK-termistorja. PTK je uporovni termistor s pozitivnim temperaturnim koeficientom. To pomeni, da se ob povečanju temperature upornost termistorja veča. Materiali za te elemente so polikristali barijevega titana. PTK-termistorji imajo zelo nelinearno karakteristiko, na sliki 12 je prikazana krivulja PTK-termistorja: spreminjanje upornosti po temperaturi. Zaradi nelinearne krivulje, kakršno ima PTK-termistor, ga lahko uporabljamo za temperaturna stikala in varnostno-temperaturna stikala. Slika 12: Karakteristika PTK-termistorja s pozitivnim temperaturnim koeficientom NTK-termistor je uporovni element, ki ima negativni temperaturni koeficient, kar pomeni, da se mu ob povečanju temperature upornost manjša. NTK-termistorji so narejeni iz oksidne keramike. NTK-termistor ima v določenem območju linearno karakteristiko, ki jo lahko uporabimo za merjenje temperature v prostorih, merjenje temperature v napravah (klima, mikrovalovna pečica ). Na sliki 13 vidimo karakteristiko in območje, v katerem je NTK-termistor linearen. 13

25 Slika 13: Karakteristika NTK-termistorja z negativnim temperaturnim koeficientom Plinski termometri Plinski termometri delujejo s pomočjo raztezanja idealnega plina. V spodnjem delu steklene cevke je plin, ki se glede na spremembo temperature giblje po cevki navzgor. Slika 14 nam prikazuje delovanje takšnega termometra. Slika 14: Plinski termometer 14

26 Temperaturni senzor Pt 100: Kot lahko razberemo iz imena temperaturni senzor Pt 100, gre za senzor iz platine, ki ima pri 0 C upornost 100 Ω. Takšni temperaturni senzorji se največkrat vgradijo v kovinska ohišja, da so zaščiteni pred zunanjimi vplivi. Ob spremembi temperature se na senzorju spreminja izhod od 4 ma do 20 ma. Senzorji kot je Pt 100 imajo linearno karakteristiko. Senzorju lahko nastavimo merilno območje. Npr. če želimo meriti temperaturo od 25 C do 25 C, imamo zaradi njegove linearne karakteristike na izhodu pri 0 C 12 ma. Slika 15 nam prikazuje primer priključitve s temperaturnim pretvornikom od 4 ma do 20 ma. Slika 15: Priključitev Pt 100 Temperaturni senzor Pt 100 lahko priključimo na pretvornik in imamo na izhodu od 0 do 10 V, vendar se ta metoda ne uporablja pogosto, saj lahko pride do napak zaradi daljšega vodnika. Pri sami vgraditvi senzorja moramo biti pozorni, saj lahko imamo zaradi napačne postavitve senzorja težave. Prav tako lahko imamo težave ob napačni izbiri senzorja, saj ta ne sme biti prevelik ali premajhen. 15

27 3 ZASNOVA SISTEMA Klet, v kateri želimo meriti vlago in temperaturo, je pod zemljo. Klet je narejena iz dveh prostorov, prostora sta ločena s steno in vrati. Pri sami izgradnji kleti je bilo načrtovano prezračevanje prostorov. V vsakem prostoru je na stropu luknja velikosti 130 mm, ki preko cevi vodi skozi zemljo na površje in služi kot zračnik. Ker v prvem prostoru ne želimo vplivati na temperaturo in vlago, nam takšno prezračevanje zadostuje. V drugem prostoru, kjer sušimo in hranimo ozimnico, pa želimo vplivati na vlago in temperaturo. V sam prostor nismo hoteli posegati z velikimi spremembami, zato smo se odločili, da bomo izdelali napravo, s katero bomo lahko vplivali na vlago in temperaturo v kleti. Ker imamo na stropu že zračnik, ki bo zadostoval za dovod zraka, smo se odločili, da naredimo še luknjo v steno, kamor bomo namestili ventilator, ki nam bo služil za izsesavanje zraka iz prostora. Slika 16 nam prikazuje zračnik, ki smo ga dodatno naredili v steno. Slika 16: Zračnik v steni V prostoru bomo imeli tudi senzor temperature in vlage. Prav tako bomo senzor namestili v zračnik, ki vodi iz prostora, da bomo lahko spremljali temperaturo in vlago zunaj. Vse podatke o spremembah temperature in vlage bomo pošiljali na spletno stran, ki jo bomo lahko ogledali preko računalnika, pametnega telefona ali kar na napravi, ki bo nameščena v kleti. Na sliki 17 lahko vidimo zračnika na stropu, ki vodita iz prostora na površje. 16

28 Slika 17: Zračnik na stropu Merilno-oddajno enoto sestavljajo Arduino, dva senzorja temperature in vlage, LCD-zaslon, Ethernet modul, rele za krmiljenje ventilatorja in ventilator. Kot lahko vidimo na sliki 15, imamo en senzor v prostoru, drugi senzor pa je zunaj. Ethernet modul je povezan je povezan z modemom v stanovanju, kar nam omogoča, da lahko spremljamo spremembe temperature preko spleta. LCD-zaslon 16x2 pa smo namestili na ohišje, ki je nameščeno v prostoru. Slika 18: Zasnova sistema 17

29 4 ARDUINO Arduino je odprtokodna platforma, ki temelji na enostavni uporabi strojne in programske opreme. Arduino ploščice lahko berejo vhode, kot so stisk tipke, senzorji, sporočila na spletu in družabnih omrežjih. Arduino UNO R3 je mikrokrmilniška ploščica, ki vsebuje mikrokrmilnik. ATmega8328 ima 14 digitalnih vhodno-izhodnih enot, od katerih jih je mogoče 6 uporabiti kot PWM-izhod. Ima USB-priključek, napajalni priključek ter tipko za»reset«. Za delovanje Arduino ploščice potrebujemo DC-adapter in USB-kabel, ki ga priključimo na računalnik ter na razvojno ploščico Arduino. Na sliki 19 lahko vidimo sliko takšne ploščice. Poleg same ploščice lahko kupimo tudi druge izdelke, za katere so že pripravljene knjižnice za lažjo uporabo izdelkov, izdelki sami pa so razdeljeni v sklope, kot lahko vidimo na sliki 20. Za delovanje same ploščice in njenih komponent potrebujemo tudi programsko opremo Ardino, v kateri napišemo program v Arduino programskem jeziku. Vsi moduli so cenovno ugodni in delujejo na vseh operacijskih sistemih. Arduino je programsko okolje, ki je za začetnika zelo prijazno in enostavno za uporabo, saj že ima vnaprej napisane knjižnice za posamične komponente. Slika 19: Arduino UNO R3 18

30 Slika 20: Izdelki Arduino 4.1 Okolje IDE Arduino okolje IDE potrebujemo za pisanje programa in nalaganje programa na mikrokrmilnik. Programsko okolje nam omogoča urejanje besedila, vsebuje orodno vrstico, v spodnjem delu programa je okno o napakah v programu ali o napakah krmiljenja programa. V samem programskem okolju lahko izbiramo med knjižnicami, nekatere so dodane v osnovi, ostale, ki jih program ne vsebuje, pa lahko dodamo. Program vsebuje tudi funkcijo serijski monitor, preko katerega lahko komuniciramo z mikrokrmilnikom ter spremljamo vhode in izhode. Na sliki 21 lahko vidimo programsko okolje in serijski vmesnik. 19

31 Slika 21: Serijski vmesnik Zgornja slika 21 prikazuje serijski monitor, ki je v našem primeru izpisoval stanje temperature in vlage. Na obeh senzorjih za izpisovanje na serijski monitor smo uporabili ukaz»serial.print«, v oklepaje smo napisali, kaj želimo, da nam izpiše. Če želimo, da nam izpiše rezultat, moramo v oklepaje vnesti, katero vrednost naj izpisuje. V primeru, da želimo samostojno besedilo, pa moramo v oklepajih ter pod narekovaji napisati želeno besedilo, npr. ("Temperatura:"). Z znakom (\n) pa sporočimo, da želimo nekaj zapisati v naslednjo vrstico. 20

32 4.2 Arduino knjižnice Razvojno okolje IDE vsebuje nekaj že pripravljenih in napisanih knjižnic. Knjižnice nam pomagajo pri delu z vhodnimi in izhodnimi komponentami. Kljub temu da je že veliko knjižnic napisanih ter v osnovi nameščenih zraven programa, pa jih še vedno lahko namestimo sami ali ustvarimo svojo knjižnico. Knjižnice, ki so že nameščene: EPROM: bere in piše v trajni spomin Ethernet: za priključitev na internet Firmata: uporablja se za komunikacijo z aplikacijami na računalniku s standardnim serijskim protokolom SD: za branje in pisanje na SD-kartico Servo: za krmiljenje servo motorjev Keyboard: pošilja znake pritiskov tipk na računalnik Mouse: za nadzor premikanja kazalca na povezanem računalniku Wire: za sprejem ali pošiljanje podatkov senzorjev preko mreže Primer knjižnic, ki smo jih dodali: DHT: za senzorje DHT-različic LiquidCrystal: za krmiljenje LCD-zaslona SPI: za komunikacijo z napravami, ki uporabljajo SPI-vodila Ethernet: za priključitev na internet 21

33 4.3 Arduino UNO R3 Napajalni priključki: VIN: na VIN-priključek ali na zunanjo napajalno vtičnico lahko priključimo zunanje napajanje 5 V: stalna napetost je 5 V, zagotavlja jo regulator napetosti 3.3 V: stalna napetost, ki jo zagotavlja regulator napetosti do max. 50 Ma GND: negativni potencial Vhodno/izhodni priključki: PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11; ti priključki so 8-bitni PWM-izhod Serial RX-TX: RX se uporablja sprejemanje podatkov, TX pa za oddajanje podatkov SPI(10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK)): priključki za SPI-komunikacijo AREF: priključki za referenčno napetost Tehnične lastnosti razvojne ploščice Arduino: napajalna napetost: 7 V 12 V delovna napetost: 5 V tok za vhode/izhode: 20 Ma pomnilnik: 32 KB SRAM: 2 KB EEPROM: 1 KB teža: 25 g dimenzije: dolžina 68,6 mm, širina 53,4 mm 22

34 Slika 22: Diagram vhodno/izhodnih enot Slika 22 prikazuje vhode in izhode razvojne ploščice Arduino. Označene so vse povezave analognih in digitalnih vhodov. Prikazana sta tudi napajalni priključek ter USB-port, preko katerega se povežemo z računalnikom, da lahko naložimo program, ki smo ga napisali v programski opremi Arduino. Zgoraj levo vidimo ATmega8328/P mikrokontroler, ki je nameščen na razvojno ploščico Arduino. 23

35 4.4 ATmega8328/P Mikrokontroler je majhen računalnik na enem čipu, imenujemo ga lahko tudi krmilna naprava. Podobno kot računalnik je mikrokontroler izdelan z različnimi vhodno/izhodnimi enotami, kot so pomnilnik, časovnik in serijska podatkovna komunikacija. Mikrokontroler je izdelal Atmel Coroiration. Ti mikrokontrolerji so zelo hitri in porabijo nizko moč za delo v različnih pogojih. AVR-mikrokontrolerje lahko dobimo v različnih tipih: lahko imamo 8-bitne, 16-bitne ali 32-bitne. AVR-mikrokrmilniki se delijo na: TinyAVR-mikrokrmilnik, ki je zelo majhen in se uporablja v preprostih aplikacijah; MegaAVR-mikrokrmilnik, ki je znan zaradi velikega števila integriranih komponent in dobrega pomnilnika, uporablja pa se v sodobnih aplikacijah; mikrokrmilnik XmegaAVR, ki se uporablja v zahtevnih aplikacijah, ki zahtevajo veliko hitrost in velik programski pomnilnik. Slika 23: Atmega8 24

36 5 ELEMENTI NAPRAVE Za izdelavo naše naprave smo potrebovali dva senzorja, ki merita temperaturo in vlago, LCD-zaslon, Ethernet Shield w5100, Arduino razvojno ploščico, ventilator in rele. Vse komponente so povezane z razvojno ploščico Arduino. Modem TP-link je povezan preko Ethernet priključka na Ethernet Shield. Slika 24: Komponente 25

37 5.1 Senzor temperature in vlage DHT22 Za naš izdelek smo se odločili za senzor DHT22 zaradi enostavne uporabe in zelo dobre natančnosti merjenja. Senzor DHT22 ima uporovni NTK-termometer in uporovni merilnik vlažnosti. Na spodnji sliki vidimo, kako je sestavljen takšen senzor. Slika 25: DHT22 Priključki senzorja: VCC: napajanje 3,3 V 6 V GND: negativni potencial DATA: podatkovni signal Tehnične lastnosti: napajanje 3,3 V 6 V merilno območje od 40 C do 80 C pogrešek vlažnosti ±2 % (največ 5 %) pogrešek temperature ± 0,5 C občutljivost vlage 0,1 % občutljivost temperature 0,1 C 26

38 5.2 Ethernet Shield W5100 Ethernet Shield W5100 je enočipi internetni krmilnik, zasnovan za vgrajene aplikacije, kjer so enostavnost integracije, stabilnost in zmogljivost. W5100 je zasnovan tako, da olajša enostavno izvajanje internetne povezave brez operacijskega sistema. W5100, ki ga lahko kupimo preko Arduino spletne strani, vsebuje še prostor za SD-kartico, na katero lahko naložimo večje datoteke, kot so slike in PDF-dokumenti, katere nam kasneje odpira spletna stran. Plošča s čipom W5100 je zasnovana tako, da jo samo nasadimo nad razvojno ploščico Arduino in je pripravljena za uporabo. Slika 26: Ethernet Shield 5100 Tehnične lastnosti: napajane: 5 V tok: 5 ma temperaturno območje: od 40 C do 85 C SD-kartica do 16 GB RJ45 Ethernet priključek 27

39 5.3 WH1602 LCD-zaslon Za prikazovanje temperature v samem prostoru smo se odločili za LCD WH1602T 16x2 zaslon. Je zaslon, na katerem lahko prikazujemo šestnajst znakov v vrstici, vsebuje dve vrstici. LCD-zasloni imajo vzporedni vmesnik, kar pomeni, da mora mikrokrmilnik manipulirati z več vmesniki hkrati. Vmesnik sestavlja 16 povezav. RS-povezava nadzoruje, kje v pomnilniku LCD-ja je vpisan podatek. Bralni/pisalni (R/W) pin izbere način branja in način pisanja. En pin omogoča pisanje v registre, 8 podatkovnih povezav od D0 do D7. Poleg teh kontaktov so kontakti za napajanje Vo, to je 5 V, GND, LED-Backlight, ki ga lahko uporabimo za nastavljanje kontrasti zaslona. Nato še A+ in K za vklop in izklop osvetlitve zaslona. Spodnja slika 27 nam prikazuje zgoraj omenjene kontaktne povezave, tako kot so prikazani na zaslonu, ki smo ga uporabili za našo napravo. Na sliki 20 vidimo stanje naših senzorjev, katerih rezultati se prikazujejo preko zaslona. Slika 27: Povezave LCD-zaslona Slika 28: Prikaz na LCD-zaslonu 28

40 5.4 Ventilator ISKRA Za izsesavanje zraka iz prostora smo uporabili starejši ventilator, ki je namenjen za izsesavanje zraka v večjih klimatskih sistemih. Ventilator ima veliko vetrnico, ki je narejena tako, da zajema zrak in ga pošilja po zračniku iz prostora. Na sliki 29 je ploščica elektromotorja. Elektromotor potrebuje izmenično napajanje 220 V in 50 Hz, njegova moč je 5 W ter ima 1300 vrtljajev na minuto. Slika 29: Ploščica ventilatorja Slika 30: Ventilator 29

41 5.5 TP-Link Za pošiljanje podatkov na spletno stran smo se morali z Ethernet Shield W5100 povezati na modem. Uporabili smo modem TP-Link, ki je povezan na Telekomov internetni modem. Ima pet priključnih mest, na katera se lahko povežemo z UTP-kablom. Modem ima dve usmerjevalni anteni 5dBi, gumb za vklop ter izklop napajanja, prav tako ima gumb za vklop in izklop brezžičnega signala. Slika 31: TP-LINK Tehnične lastnosti: frekvenca 2,4 ~ 2,4835 GHz antena 2x Omni usmerjevalna, 5 db zaščite SSID-nadzor za oddajanje MAC-nadzor dostopa priključki 4 10/100 Mb/s, prilagodljiv RJ-45 podprti standardi IEEE n (Draft 2.0), IEEE g, IEEE b, IEEE 802.3, IEEE 802.3u napajanje preko adapterja (9 V) prepoznava kabla Auto MDI/MDIX 30

42 5.6 Tianbo HJR-3FF-S-Z 4 Tianbo je elektromagnetno stikalo, s katerim smo vklopili ali izklopili elektromotor. Elektromagnetno stikalo smo prožili z vhodno enosmerno napetostjo 5 V, rele je prožil elektromotor z izmenično napetostjo 230 V. Slika 32: Rele TIANBO Tehnične lastnosti: temperaturno območje max.: 105 C 5 V DC 10 A 120 V AC 7 A 240 V AC 5 A 240 V AC 31

43 6 OBVEŠČANJE UPORABNIKA Pri izvedbi projekta je poleg točne meritve in dobre komunikacije pomembno, da lahko uporabnik dostopa do podatkov kadarkoli in kjerkoli. V našem primeru smo se odločili, da bomo podatke pošiljali na spletno stran in da bomo lahko do podatkov dostopali tudi preko pametnega telefona. Uporabnik lahko vidi podatke na zaslonu v prostoru. Uporabnik ima dostop do podatkov preko računalnika na spletni strani ali preko pametnega telefona preko mobilne aplikacije. Uporabnik lahko prav tako dostopa do podatkov v samem prostoru na ohišju naprave smo namestili LCD zaslon na katerem lahko odčitavamo trenutno stanje. 5.1 Spletna stran Pri izdelavi naprave smo se odločili, da bomo podatke pošiljali na spletno stran ThingSpeak, ki nam omogoča sprotno analizo podatkov in shranjevanje podatkov. ThingSpeak je platforma, ki nam omogoča zbiranje in shranjevanje podatkov v oblaku ter razvijanje aplikacij. Platforma ThingSpeak nam omogoča, da pošiljamo podatke iz različnih razvojnih okolij Arduino, Raspberry Pi, BeagleBone Black. Na razvojno ploščico Arduino smo priključili Ethernet Shield W5100, ki ima svoj MAC-naslov ter svoj IP-naslov. Preko razvojne ploščice Arduino pošiljamo podatke na W5100, ki je povezan preko ethernet priključka na modem Tp Link kateri je povezan na modem domačega operaterja Telekom ter samostojno pošilja podatke na spletno stran (ThingSpeak). Pri odprtju računa na spletni strani ThingSpeak smo dobili svoj API-ključ in ID številko. API-ključ potrebujemo za samostojno nalaganje na spletno stran ta ključ je namenjen samo uporabniku, da lahko pošiljamo podatke na pravilno mesto. Z ID številko ter geslom, ki smo si ga ustvarili ob odprtju računa smo potrebovali za prijavo v mobilno aplikacijo. ThingSpeak spletno mesto nam omogoča, da lahko vse podatke, ki smo jih pridobili, tudi prenesemo z našega računa. Omogoča nam tudi ustvarjanje različnih grafov. Mi smo se odločili za graf, ki prikazuje temperaturo v odvisnosti od časa. Prav tako si lahko izbiramo barve in naslove. 32

44 Na spodnji sliki 33 vidimo prikaz našega uporabniškega računa na računalniku. Spletno mesto lahko urejamo samo preko računalnika, aplikacija za pametni telefon nam tega ne omogoča. Pri nastavljanju našega računa smo si nastavili tudi, koliko podatkov želimo prikazovati na grafu. Slika 33: ThingSpeak 33

45 6.2 Prikaz na pametnem telefonu Spletno mesto ThingSpeak ima narejeno aplikacijo, ki si jo lahko namestimo na pametni telefon in spremljamo stanje temperature in vlage v prostoru. Aplikacija je na spletu, možno jo je pridobiti brezplačno, imenuje se ThingView. Po namestitvi aplikacije je potrebno poznati ID svojega računa ter API-ključ, ki ga pridobimo ob odprtju. Na spodnjih sliki 34 vidimo prikaz temperature in vlage preko mobilne naprave. Slika 34: Prikaz temperature na pametni napravi 34

46 6.3 Prikaz na LCD-zaslonu Glavni namen je, da lahko odčitavamo temperaturo s spletne strani oziroma z mobilne naprave. Zaradi lažjega sledenja v samem prostoru pa smo dodali še LCD-zaslon, na katerem izpisujemo trenutno stanje temperature in vlage v kleti. Arduino knjižnica nam omogoča, da si lahko na enostaven način izpišemo podatke na zaslon, vendar nastane težava zaradi velikosti zaslona. Za to rešitev poznamo TFT-zaslone, na katerih si lahko sami oblikujemo črke in velikost besedila. Spodnja slika 35 nam prikazuje izpis na klasičnem LCD-zaslonu. Slika 35: Izpis na LCD-zaslonu 35

47 7 REZULTATI Rezultat projekta je naprava, ki izpolnjuje zastavljene cilje. Naprava deluje in opravlja svoje funkcije. Celotna naprava je vgrajena v plastično ohišje in nameščena v klet. Senzor, ki meri zunanjo temperaturo, je nameščen v zračniku, ki je nameščen na stropu ter sega iz prostora. Senzor, ki meri temperaturo v prostoru, je nameščen na stropu v prostoru. Ventilator smo namestili v prostor na steno tako, da izsesava notranji zrak ven iz prostora. Potrdili smo hipotezo: Naprava bo pošiljala podatke na spletno stran, ki jo bomo lahko opazovali preko računalnika ali aplikacije za pametni telefon. Naprava nam pošilja podatke na spletno stran, kar nam omogoča, da lahko opazujemo temperaturo preko računalnika in aplikacije za pametni telefon. Spodnja slika 36 prikazuje izdelek, ki je nameščen v plastično ohišje. Na plastično ohišje smo namestili še USB-vtičnico, ki jo lahko uporabimo za programske spremembe, prav tako smo namestili še ethernet vtičnico, preko katere smo povezani na modem. Na ohišje smo namestili tudi dva tri-pinska konektorja, na katera imamo priključena senzorja. Slika 36: Slika naprave 36

48 Slika 37: Naprava s priključki Slika 38: Temperaturni senzor 37

49 7.1 Analiza rezultatov Zaradi zunanjih neprimernih temperatur je težko pridobiti rezultate, saj je zunanji zrak toplejši od notranjega. Z vklopom ventilatorja bi notranji zrak segrevali in ne ohlajali. V spodnji tabeli vidimo rezultate delovanja senzorjev, ki merita vlago in temperaturo v prostoru ter vlago in temperaturo zunaj prostora. Meritve natančnosti smo izvajali tako, da je bil eden senzor zunaj, drugi pa v prostoru na sobni temperaturi. Za testiranje točnosti bi potrebovali senzor, ki meri temperaturo in vlago v boljšem rangu točnosti, kot je to meril senzor, ki smo ga uporabili mi. Ker takšnega termometra in vlagomera nismo imeli, smo samo primerjali rezultate z napravo, ki ima točnost v istem merilnem razredu. Tabela 1: Meritve temperature in vlage Št. meritve Tzunaj [ C] Tprostor [ C] Hzunaj [%] Hprostor [%]

50 Meritve vlage Hzunaj[%] Hprostor [%] Slika 39: Prikaz meritev vlage v grafu Meritve temperature Tzunaj [ C] Tprostor [ C] Slika 40: Prikaz meritev temperature v grafu Na grafu, ki prikazuje temperaturo, vidimo, da je temperatura v prostoru bila dokaj enakomerna skozi cel dan. V šestnajsti točki vidimo, da je bila temperatura nekoliko nižja, za kar je lahko krivo odprto okno v prostoru ali napake senzorja. Temperatura okolice se je spreminjala, čas meritve je potekal od jutra do večera. Z grafa, na katerem so prikazane meritve vlage, vidimo, da je bila vlaga v prostoru dokaj enakomerna okoli 55 %. Meritve vlage so povečane v enem delu grafa, za kar je lahko krivo odprto okno, voda v prostoru, rastline ali pogrešek meritve. 39

51 8 SKLEP Po končanem diplomskem delu lahko potrdimo, da naprava deluje tako, kot je bilo zasnovano. Celotna izdelava naprave je potekala brez večjih težav. Problem s previsoko vlago in temperaturo v prostoru smo rešili z majhnimi stroški. Naprava nam pošilja podatke na spletno stran, ki jo je mogoče opazovati preko računalnika ali pametnega telefona, kar nam olajša opazovanje. Sama zasnova izdelave naprave se je izkazala kot dobra, saj smo napravo uspeli narediti brez večjih težav. Med samim izdelovanjem naprave smo opazili, da bi lahko v prihodnosti naredili nekaj izboljšav. Za izboljšanje delovanja naprave bi lahko vključili še klimatsko napravo, ki bi nam še dodatno pomagala hladiti prostor v času visokih temperatur, dodali bi lahko še razpršilec vlage, ki bi ga uporabljali takrat, ko bi potrebovali povišano vlago v prostoru. Obe nadgradnji sta cenovno višji, kar je tudi razlog, da jih nismo upoštevali že ob sami izdelavi naprave. 40

52 LITERATURA»Arduino,« [ ]»Instrucrable« Internet-as-a-W/ [ ]»Starting Electronics« [ ]»Arduino« [ ]»Instrucrable« PHP-MySQL-D3js/ [ ]»Arduino« [ ]»CDN« [ ]»Wikipedija« [ ]»ThingSpeak« [ ] 41

53 PRILOGE 42

54 43

55 44

56 45

57 46

58 47

59 48

60 49

61 50