Сначала мы делали датчик температуры и влажности для офисов в красивом настенном корпусе с интерфейсом RS-485 Modbus, но пока делали, аппетиты немного выросли.
В итоге, в компактный корпус вместили датчики:
— концентрации СО2,
— температуры/влажности
— освещенности
— шума
— концентрации VOC — «летучих органических веществ (ЛОВ)»
— движения
А также:
— ИК-передатчик (с приемником для обучения)
— а еще умеет пищать и моргать «глазом» красным/зеленым
В итоге количество переходит в качество. Установка одного устройства на комнату полностью покрывает задачу по мониторингу и управлению климатом в помещении. Проще монтаж и настройка, да и само устройство дешевле, чем несколько отдельных.
Как мы делали корпус
Слева направо — датчик в китайском корпусе, первый прототип, серийный корпус.
Комбинированные настенные датчики для жилых и офисных помещений мы делаем уже несколько лет. Было много ревизий, несколько тысяч проданных экземпляров, несколько крупных внедрений: возможно датчик в корпусе слева вы встречали, например, в сетевом магазине или в отделениях какого-нибудь крупного банка.
Естественно, вначале мы использовали стандартный корпус из каталогов бесчисленных китайских производителей стандартных корпусов.
Его мы дорабатывали под себя: фрезеровали отверстия, приклеивали линзы. Получалось вполне прилично и технологично, но хотелось лучше — более твердого пластика, удобные защелки и т. д. Одна из забавных проблем: когда клиенты вешали датчики низко на стенах, то торчащую линзу-рассеиватель посетители иногда принимали за кнопку и пытались её «нажать». У особо сильных получалось вот так:
Когда мы начали делать свой корпус, то за основу взяли старый стандартный: смотрели на него и исправляли, что нам в нем не нравится.
Углубили линзу, расширили монтажные отверстия, добавили прорези под кабель, сделали маленькие ножки на донышке, крепление линзы на винтах. Печать прототипа (мастер-модель) делали на 3D-принтере (~15 000 рублей) + пробная партия литья в силикон.
Мастер-модель была черного цвета, и в целом форма нас устраивала, но получив пробную партию белых корпусов опечалились — получилось хуже, чем китайский оригинал. Принцип «черное стройнит, белое полнит» верен не только для платьев. На фото это не очень видно, но, несмотря на формальное равенство габаритов новый корпус выглядел намного толще. Из-за сглаженных углов, выпуклости вокруг линзы.
А еще сужение стенок к дну у китайского корпуса дает интересный эффект — когда корпус висит на стене, и смотришь на него под небольшим углом, то видно только прямую часть боковой стенки и кажется, что корпус вдвое тоньше.
Поэтому следующую версию занижали с рвением дагестанца — и вообщем-то уперлись в толщину СО2 сенсора. Еще добавили боковой вырез под кабель-канал 10*15 мм — теперь криво отрезанный край кабель-канала прикрывается самим корпусом.
Итогом стало это:
Обратите внимание на мелочи: есть «стаканы» вокруг монтажных отверстий для защиты платы от отвёртки монтажника; технологические отверстия под защёлками работают как окошки для светодиодов состояния; защёлка всего одна, но так утоплена, что пальцем нажать её не получится.
Немного ошиблись с защелками — из-за допусков они получились чуть толще отверстий для них, приходится нежно дорабатывать напильником, но это всего 10-20 секунд на корпус.
Пресс-форму и отливку делали в Китае. по ценам получилось всего-то ~2500$ за пресс форму и ~600$ за отливку 1000 шт. Но работы по конструированию корпуса было намного больше :). Много времени и денег ушло на прототипирование, правда больше по причинам своего разгильдяйства. И еще литье в силикон оказалось лишним этапом — точность литья все равно не позволила заметить отсутствие зазоров на допуски в местах защелок, а общий принцип и внешний вид можно понять и по модели с фотополимерного 3D-принтера, если покрасить её в правильный цвет.
Про корпус рассказали, а что же внутри?
А там зеленая плата! Часть датчиков в виде отдельных модулей (TH, VOC, CO2), остальные на плате.
Кратко о датчиках:
Сенсоры СО2 (углекислого газа)
— известные Winsen MH-Z19B. Они работают по технологии NDIR (nondispersive infrared sensor, недиспергирующий инфракрасный анализатор) — то есть свет определенной длины волны прогоняется через камеру с газом, и измеряется снижение его интенсивности.
Чем больше в воздухе углекислого газа, тем сильнее затухает свет. Эта технология имеет превосходство перед электрохимическими датчиками, в том числе своей высокой селективностью (то есть реакцией именно на углекислый газ, а не на другие похожие (например, CO — угарный газ).
Концентрация углекислого газа сама по себе — важный параметр, напрямую влияющий на работоспособность человека (https://ehp.niehs.nih.gov/doi/10.1289/ehp.1510037) Концентрация CO2 на улице — 400 ppm, хороший уровень для помещения — до 600 ppm, при концентрации от 1000 ppm (что легко достигается, например, совещанием при закрытых окнах) ухудшение работоспособности заметно без специальных исследований. Повышенный уровень CO2 служит сигналом к тому, что помещение нужно проветрить — и не только чтобы снизить концентрацию углекислого газа, но и очистить помещение от бактерий — например, вызывающих простуду.
Датчик температуры/влажности
— ставим цифровой комбинированный T+RH датчик с индивидуальной калибровкой. Был отрицательный опыт работы с китайскими датчиками AOSONG AM2320 — через некоторое время (1-2 года) ~20% из партии стали занижать показания. Ещё раньше обнаружили большой разброс между разными партиями, что косвенно говорило о том, что партии в лучшем случае производителем отбраковывались, но не калибровались.
Чип закрыт в «бутерброд» из печатных плат, чтобы дополнительно защитить чувствительный элемент датчика от пыли, капель воды и пальцев монтажника.
Датчик VOC
— новый мультипиксельный газовый сенсор SGPC3 от Sensirion для измерения качества воздуха. Сам сенсор — это вообще передний край разработки, MEMS технология, низкое потребление, компактность, стабильность показаний и много других красивых слов.
Что такое качество воздуха? Что мы вообще измеряем? Сенсор реагирует на органические газы. Это испарения лаков/красок, спирты, гниющие овощи, выделяемые человеком газы, так же детектирует утечку бытового газа. Он дополняет, но не исключает датчик CO2.
Датчик покрыт газопроницаемой пленкой (слева). Справа датчик со снятой пленкой. А внутри такая красота:
Можно увидеть, что справа-слева подходят провода спирального нагревателя подложки, а сверху и снизу провода к 4 ячейкам. Но это не точно.
Датчик освещенности
— продвинутый, с фильтром, который повторяет кривую спектральной чувствительности человеческого глаза. Поэтому имеет хорошую точность и измеряет настоящие люксы, а не попугаи.
Эффект особенно заметен, если сравнивать показания нашего датчика с устройствами конкурентов, где стоит обычный фотодиод, при разном освещении: дневном свете, лампах накаливания, дешёвых и дорогих светодиодных лампах.
Зачем вообще нужен датчик освещённости? Управление освещением, рольставнями. Так как люксы настоящие, то пороговые значения можно ставить не «на глаз», а по нормам СанПиНа.
Датчик движения
— на основе PIR-датчика D203S. Чувствительность и угол обзора не самые выдающиеся (120°, до 10 м), но для работы в помещении вполне достаточно.
Передается не просто сигнал есть движение/нет движения, а некое «количество» движения в попугаях. Что позволяет программно в системе правил по-разному реагировать на разные пороги срабатывания.
Датчик шума
— микрофон с усилителем и фильтрами для коррекции по шкале А с учётом особенностей восприятия человеческим ухом звуков разных частот. Можно использовать в дополнение к датчику движения.
Можно уменьшать громкость телевизора, если время позднее, а дети увлеклись просмотром остросюжетного фильма. Или громко пищать, если поэтессы слишком громко читают свои стихи :)
Впрочем, у большинства клиентов применения более «скучные»: следить за соответствием тому самому СанПиНу; иногда давать дополнительную информацию о работе шумных агрегатов.
На картинке: шум по помещении и работа ЦХМ (это такой очень большой холодильник) в продуктовом магазине.
Эмуляция ИК-пультов для техники
В новом WB-MSW под линзой спрятаны ИК-приёмник для обучения и 8 ИК-светодиодов. Их мощности достаточно для «покрытия» сигналом большой комнаты.
Обучение делается один раз — команды сохраняются в памяти устройства и могут быть воспроизведены командой по Modbus с контроллера. Количество запоминаемых команд достаточно большое (до сотни, в зависимости от модели пульта), чтобы управлять сразу всеми устройствами в помещении: телевизором, кондиционером, ресивером, плеером, проектором — главное, чтобы ИК-приемники устройств «видели» передатчик.
С учетом рекомендаций размещать датчики температуры, влажности и углекислого газа примерно на высоте человеческого роста, это будет несложно обеспечить. Мощности передатчика хватает, чтобы управляемые устройства приняли не только прямой, но и отраженный сигнал.
В нежилых помещениях по ИК можно управлять кондиционерами (почти все они имеют окошко ИК-приёмника, а управление по ИК стоит в разы дешевле «родных» интерфейсов) и теплозавесами. Естественно, WB-MSW подойдёт, только если всеми устройствами в области видимости нужно управлять синхронно: поставить разные режимы на два разных кондиционера один пульт не сможет. Для индивидуального управления каждым кондиционером подойдёт «младший брат» датчика — WB-MIR.
Индикация
Датчик умеет громко пищать и моргать разными цветами.
Командами по Modbus задаётся период и длительность «вспышек» светодиодов: фактически можно менять частоту и яркость мигания.
На светодиодах можно делать обратную связь для пользователя, например, помигивать красным при высоком уровне CO2. А ещё это удобно, когда в большом помещении устанавливаешь много одинаковых датчиков: дистанционно можно включить, например, пищалку и найти нужный.
Итого
Таким образом, комбинированный датчик оказывается серьезным источником данных для автоматизации помещений. С его помощью продвинутый сценарий на контроллере может обеспечивать комфортное пребывание людей.
1. Температурно-влажностный режим и качество воздуха: управление приточной вентиляцией и увлажнением, головками управления радиаторов отопления, кондиционером, приводами открытия/закрытия окон, автоматическими шторами (температура, влажность, углекислый газ, VOC).
2. Охранные функции: уведомления по движению и звуку (микрофон, датчик движения).
3. Реализация сценариев: управление освещением, автоматическими шторами, фоновой музыкой, включение/выключение видео по расписанию, комфортное пробуждение, циркадное освещение (датчик освещенности, микрофон).
4. Привлечение внимания к нештатным ситуациям (пищалка, сигнальные светодиоды)
5. Энергосбережение: наличие/отсутствие людей в помещении (датчик движения, микрофон, датчик CO2).
Уже хочу купить
Образцы новой модели уже у счастливых тестеров, первая серийная партия — в производстве. Как обычно, и одну и тысячу штук можно заказать на нашем сайте.
Мы готовимся к приходу партии новых MSW v. 3 и расчищаем место на полке: старые («зрелые», «проверенные временем») WB-MSW v. 2 продаются со скидкой ~30%.
Автор: Лесничий Яков
