Отопление загородного дома на arduino с передачей данных в internet

Мне хотелось бы представить очередной пример использования Arduino в реальных задачах. Тут я представлю максимально простой, но реально работающий проект регулировки отопления дома с помощью электрокотла на базе Arduino. Я очень надеюсь, что эта статья поможет кому-то отбросить страхи и попробовать самостоятельно применить свои руки по назначению, это очень здорово тренирует руки, мозги и даёт редкое чувство удовлетворения созданием чего-то интересного. Начав работать с этим контроллером, я до сих пор нахожусь в некотором замешательстве от возможностей, открывающихся при его использовании.

История

Почему, собственно, Arduino? Простота, доступность, масса документации и библиотек. Как, наверное, многие, я долго присматривался к Arduino, с детства люблю всякие батарейки и моторчики, а тут новый уровень, полноценный язык программирования и куча возможностей ввода-вывода. Когда его начали выпускать наши “наиболее вероятные экономические партнёры”, цены на него упали до приемлемого уровня. В результате купил старт кит и, вдоволь наморгавшись светодиодами и индикаторами, поимел желание применить его где-то по хозяйству.

Что отапливаем

У меня бабушка живёт в деревенском доме под Москвой, там нет ни нормального водоснабжения, ни газа, ни отопления, а решение всех этих задач требует больших капиталовложений либо приложения рук. Вот тут и виделось место, где можно полноценно использовать arduino, есть где развернуться. Самый большой плюс деревенского дома в том, что он традиционно не большой и очень простой. Так и мой — типичный дом крестьянской семьи середины 20-го века, представляет из себя бревенчатый сруб с одной большой комнатой и кухней. Других отапливаемых помещений нет, что для нас плюс, достаточно поддерживать и контролировать температуру в единственной комнате.

Отопление

Оборудование для отопления. Традиционно в доме было печное отопление. Одна “немецкая” печь в комнате (греет за счёт длинной извилистой трубы), вторая “русская” на кухне (греет за счёт больших размеров самой топки). Если кто-то витает в киношных представлениях, что печь это классно и к тому же натурально и романтично, то беру на себя смелость предположить, что эти люди никогда не жили в доме с печным отоплением. На самом деле, это не очень комфортно, неудобно и пожароопасно. Поэтому лет 5 назад был заказан и осуществлён проект по разводке простейшего двухтрубного отопления с газовым котлом. Питать котёл предполагалось из газовых баллонов.

Впоследствии решено было систему модернизировать, добавить насос для принудительной рециркуляции теплоносителя и небольшой 2-киловаттный электрокотёл, чтобы не мучиться с разжиганием газа, когда ещё не очень холодно. Вся автоматизация сводилась к наличию большого рубильника на стене, когда становилось холодновато, его включали, а когда жарковато — выключали. Двух киловатт хватало где-то до температуры 0°C, дальше приходилось зажигать газ или печь, что было крайне неудобно.

Экономическая целесообразность

Перед тем как что-либо менять, естественно, было решено посчитать, имеет ли вообще вся эта задумка смысл. Просчитав по опыту расход газа из баллонов, прикинув ожидаемый расход дизтоплива, я пришёл к выводу, что в таких типах отопления нет никакого смысла при наличии достаточного количества электроэнергии. По цене баллоны выходили где то 6-7 тыс в месяц, дизтопливо, если покупать что-то палёное или летнее зимой, можно наэкономить до расхода 5 тысяч в месяц, при этом на чистой электроэнергии получалось 7 тыс. Прибавим сюда стоимость котла, постоянные таскания баллонов и запах от саляры, и станет ясно, что электричество куда проще и вовсе не дороже. Ещё, конечно, есть модные в последнее время пеллетные горелки, но они мне не подходили, так как они не умеют зажигаться сами и потому имеют минимальную мощность, при том совсем не малую (порядка 5кВт), которую 90% времени просто некуда девать, и требуют хотя бы 2 раза в неделю засыпать топливо, что иногда делать некому. Да и стоимость самих котлов на порядок больше предыдущих вариантов, поэтому они подходят для больших домов, где нужна большая мощность и большие затраты, а не в моём случае.

Heavy hardware

Попытался прикинуть требуемую мощность исходя из расхода газа и других прикидок, получилось, что надо 4-5 кВт, с запасом 6. Обзор рынка показал, что существует модель электрокотла, аналогичная уже установленному, но с 3-мя нагревательными элементами по 2 кВт каждый. При том продавалась она без управления, что мне было даже удобнее и дешевле. Вообще, сам котёл это крайне простая конструкция, металлический цилиндр с входной и выходной трубами, сверху притянутая болтами крышка, в которой закреплены ТЭНы. Дополнительно в корпус врезаны 2 датчика, резистивный датчик температуры и датчик, замыкающийся при перегреве, оба от системы охлаждения авто. Теперь встал вопрос о электроэнергии. Моя ситуация упрощалась тем, что рядом с домом находится мастерская, к которой подведены 3 фазы (в народе — 380). Естественно, возник соблазн питать каждый ТЭН от своей фазы, поэтому был куплен и проложен в котельную специализированный 4-жильный кабель в металлической оплётке для подземной укладки. Кабель введён в щиток с последовательно включенными УЗО и блоком из 3-х автоматов по 10А. Далее кабель шёл уже непосредственно в щиток с arduino и уже оттуда к элетрокотлу.

Light hardware

Понятно, что управлять ТЭНами будем с arduino, вопрос — как? Придерживаясь принципа — чем проще, тем надежнее, будем их просто включать или выключать с помощью реле безо всяких переходных вариантов. Облазив алиэкспресс, нашёл блок реле для ардуино, который может управлять сразу 5-ю силовыми линиями. Одна беда, максимальный ток, который эти реле могут выдерживать — 10А, а у меня получается 2кВт / 220В ~ 9А. То есть практически максимум, а желательно иметь запас хотя бы 25%. Однако решил рискнуть. Реле честно продержались почти неделю, затем просто начали плавиться. Надо было что-то решать и быстро, ибо была зима и останавливать отопление было нельзя. Потому были прикуплены 30А реле, правда, с обмотками на 12В. Поэтому быстренько припаял к каждому реле по транзистору, чтобы включать их от 5В ардуино.

Схема неплохо работала почти месяц, а потом я заметил, что дома как-то слишком жарко. Проверка показала, что одно реле “запало” в включенном положении. Постучал по нему — заработало опять, но хватило на несколько дней. Поменял его в надежде, что это брак, но уже через неделю то же самое случилось со 2-м реле. Поставив последнее запасное, отправился опять на али. Там были обнаружены специализированные реле для ардуино на 40А! Этих-то должно хватить наверняка, подумал я. Пара-тройка недель ожидания, и вот опять выкидываю транзисторы и ставлю новые реле с уже готовой обвязкой и индикацией. Радость была недолгой, недели через 2-3 опять залипшее реле. Начал изучать вопрос, оказывается, чтобы уменьшить нагрузку на реле и убрать искрение контактов, реле надо включать не как попало, а в момент, когда синусоида напряжения проходит через 0. Ну, в теории это можно сделать с помощью нашего же ардуино, только на подключить через делить все три фазы и смотреть напряжение. Проблема ещё и в том, что реле имеет некоторое время реагирования и, собственно, нам ещё надо его установить опытным путём. В общем, задачка не такая простая.

И тут я наталкиваюсь на так называемые Solid State Relay, проще говоря — электросхемка, собранная на мощном тиристоре, в корпусе, похожем на обычное реле. Из его плюсов — нет механики, ничего не залипнет. Не создаёт мощных ЭМ-помех, что важно для ethernet’a, о котором ниже. Они уже содержат схему, которая включает и отключает реле при проходе нуля. На реле есть индикатор включения. Ну и ещё они беззвучные, хотя для нашего случае это не так и актуально. После изучения инструкций и характеристик были заказаны SSR-40DA, что по-русски означает — твёрдотельное реле с постоянным управляющим током 3-5В и током нагрузки до 40А. Заодно решил немного отойти от принципа «проще-лучше» и сделать ещё контроль тока в ТЭНах. Это позволило бы узнать о перегоревшем ТЭНе/реле или отключении питания на одной из фаз. Добавил в заказ модуль контроля тока на 20А, хотя выглядели они хлипковато для такого тока (2.5 квадрата кабель даже не лез в их зажим). Когда реле и модули измерения тока пришли, оказалось, что реле достаточно громоздкие, поэтому было решено перенести всё, что связано с высоковольтной частью в новый ящик, а ардуино оставить в старом.

После первых экспериментов оказалось, что я совершенно забыл, что эти реле, так как собраны на тиристорах, довольно сильно греются. Через сутки работы реле нагревались так, что я не мог терпеть, держа на них палец, то есть градусов 60C, а это уже близко к критическим 80C. Опять полез на али, прикидывая, какие радиаторы приспособить, и тут узнал, что для этих SSR есть штатные радиаторы! На момент установки радиаторов также обнаружил, что один модуль контроля тока сам ток больше не пропускает, а со стороны платы видна подгорелая дорожка. Ещё один модуль также не вызывал уверенности, решил снять их все. В таком виде они всё же слабоваты и опасны, а толку от них не так и много. Проблему отключения фаз или ТЭНов пока отложил как не очень актуальную, за 3 года ни первого, ни второго не случалось не разу.

Теперь о ПО

Arduino

Сразу же в примерах был найден кусок, который позволял управлять средней мощностью, имея двоичное управление — вкл и выкл. Смысл простой, берём некое окно времени, скажем, 1 минута, и в цикле включаем либо выключаем нагрузку в зависимости от пройденного времени. То есть, если нам надо 50% мощности, то включаем нагрузку в первые 30 сек и выключаем в последние 30, затем цикл повторяется. Быстренько переделал это под 3 независимых реле, если мощность больше 33%, то включаю второе реле, если больше 66% — то третье, а первое включаю и выключаю по основному алгоритму. Теперь встаёт главный вопрос, а по какому алгоритму подбирать мощность? Будучи программистом по профессии сначала решил, что задачка довольно простая, холодно — добавляй, тепло — отбавляй, и попытался прикинуть всё это в уме.

Оказалось, не так и просто. Полез смотреть, как это делают в продаваемых системах, оказалось, там всё либо максимально просто, как в утюге — +1C = выкл, -1 = вкл. Но тогда мы получаем почти 4C колебаний из-за инертности системы! Это слишком грубо, ибо мы можем получать данные с точностью до десятой доли градуса. Также посмотрел алгоритмы работы с использованием температуры уличного воздуха, они оказались достаточно простые и работали на готовых таблицах, которые были заранее зашиты и просто менялись в зависимости от теплопотерь дома. Копая глубже и глубже, я докопался до промышленных установок, в них повсеместно использовали алгоритмы PID-регуляторов. И, о слава популярности, оказывается, у Arduino есть бесплатная PID-библиотека!

Пару слов о том, что такое PID применительно к нашему случаю. Смысл алгоритма в том, что мы сообщаем ему требуемое значение некоторого параметра (температура внутри дома) и в цикле передаём текущее значение, а он выдаёт нам необходимое воздействие (мощность, которую надо подать на котёл). Не вдаваясь в подробности математической модели, как же он работает с точки зрения программиста. Итак, мы имеем температуру в комнате, пусть 20C, желательную температуру 22С, и даём их нашему PID-алгоритму.

Сам алгоритм имеет 3 независимые части, по имени P, I и D. Первая часть работает крайне просто, смотрит на разницу между желательной температурой и текущей температурами. То есть чем холоднее, тем большую мощность нам даст алгоритм. Вроде бы, этого и достаточно, но ведь у нас есть постоянные теплопотери дома, то есть, чтобы держать нужную температуру, нам надо постоянно давать какую-то мощность. То есть даже если температура в комнате равна заданной, нельзя отключать котёл, а надо как-то искать какую-то мощность, равную теплопотерям. А теплопотери меняются в зависимости от температуры на улице. Вот этим и занимается вторая часть под именем I. Алгоритм пытается подобрать мощность, при которой наша температура будет постоянной. И вроде тут-то уже точно всё, но нет.

Дело в том, что сам котёл, теплоноситель, а тем более дом имеют очень большую инертность. И если вы врубили котёл на 100%, то снижать мощность нужно куда раньше, чем температура достигнет желательной, иначе даже при полном отключении мы всё равно успеем перегреть комнату градуса на 2. То же самое при понижении температуры, добавлять мощность надо ещё до того, как температура дошла до нужной. Вот этим и занимается третья часть алгоритма D. Ну теперь, конечно, всё, осталось только понять, какой части давать какой вес, а вот этим занимаются множители каждой части, которые и надо подбирать. Кстати, подбор этих множителей — отдельная и довольно сложная математическая задача, я подбирал их “на глаз”, вспоминая сказанное выше. Сначала ставил все нули, кроме P, и подбирал его так, чтобы не началось само возбуждение. Потом добавлял I, а в конце и D.

Меряем температуру

Для измерения температуры всё на том же волшебном сайте были заказаны цифровые датчики температуры на базе DS18B20. Датчик сам по себе просто замечательный, его не надо ни калибровать, ни как-то настраивать, при этом он может мерить температуру с заданной точностью, а общается с Arduino по протоколу OneWier. То есть на 3 провода длиной до 50 метров можно вешать практически неограниченное число датчиков. При желании их можно даже не питать, а работать только по 2-м проводам (на самом деле, они питаются, но от провода с сигналом), но работают медленнее. В моём случае датчики я заказал в герметичном корпусе, а соединял обычной витой парой. Я поставил 3 датчика, один в котельной, один в доме, в комнате, и один на чердаке под потолком, чердак никак не отапливается и там я получаю температуру на улице.

Список закупленного железа

— Плата arduino. Я использовал UNO r3. Цена около 350 р.
— Ethernet Shield, около 500 р.
— Витая пара (смотря сколько надо), бухта в 305м обойдётся около 4 тыс.
— Датчики температуры, около 200 р.
— Блок питания на 110-240 — 12В 2А, 420 р.
— Стабилизатор LM7805, где-то 20 р.
— Реле SSR-40DA 3 шт. по 330 р.
— Радиаторы для реле по 200 р.

То есть, не считая витой пары и самого котла, весь проект укладывается в 4 тысячи рублей.

Складываем данные в базу и показываем.

Но всё это, конечно, хорошо, но не стоять же постоянно с компьютером рядом с котлом, всё же хотелось бы знать о том, что происходит дома, удалённо через инет. У меня давно уже был самый простенький VPS сервер от majordomo для чего попало. На нём создал базу данных на MySQL для хранения данных о температуре.

Теперь нам надо как-то положить данные из arduino в эту базу. Для этого, естественно, понадобится как минимум связать arduino с интернетом, это не просто, а очень просто. Для этого нам и понадобится Ethernet Shield и его библиотека. В доме давно уже установлен простенький роутер со “свистком” сначала от megafon, а потом от yota. Тянем стандартную витую пару к роутеру и добавляем в программу передачу данных. Передача идёт через вызов странички на PHP с параметрами — данными. Создаём страничку с именем temp.php на нашем инет-сервере

<?php
$dbhost = 'localhost';
$dbuser = '***';
$dbpass = '***';
$dbname = 'nikolaarduino';
$client_ip = $_SERVER['REMOTE_ADDR'];
$temp1 = $_GET["t1"];
$temp2 = $_GET["t2"];
$temp3 = $_GET["t3"];
$power = $_GET["p"];

$connect = mysql_connect($dbhost, $dbuser, $dbpass);
if(! $connect )
{
  die('Could not connect: ' . mysql_error());
}
mysql_select_db ($dbname, $connect);

$sql = "INSERT INTO Temp (datetime, temp1, temp2, temp3, power, ip) VALUES (Now(), '$temp1', '$temp2', '$temp3', '$power', '$client_ip')";

if(!mysql_query($sql))
{echo '<p><b>Data upload error!</b></p>';}
else
{echo '<p><b>OK</b></p>';}
mysql_close($connect);
?>

После этого мы имеем данные о температурах и мощности работы котла, чтобы каждый раз не лазить в базу, а посмотреть последние данные, написал “временный” скриптик на php, но, как известно, нет ничего более постоянного, чем временные вещи, так им и пользуюсь.
gettemp.php

<?php
$dbhost = 'localhost';
$dbuser = '***';
$dbpass = '***';
$dbname = 'nikolaarduino';
$client_ip = $_SERVER['REMOTE_ADDR'];

$connect = mysql_connect($dbhost, $dbuser, $dbpass);
if(! $connect )
{
  die('Could not connect: ' . mysql_error());
}
mysql_select_db ($dbname, $connect);

$query = 'SELECT * FROM Temp WHERE id=(SELECT MAX(ID) FROM Temp)';
$result = mysql_query($query) or die('Error get data: ' . mysql_error());

echo "<table style='text-align: left; width: 100%;' border='1' cellpadding='2' cellspacing='2'>n";
while ($line = mysql_fetch_array($result, MYSQL_NUM)) {
  echo "<tr align='center'><td colspan='2' rowspan='1'>$line[1]</td></tr>";
  echo "<tr align='center'><td>TempIN = $line[2]</td><td> TempOUT = $line[3]</td></tr>n";
  echo "<tr align='center'><td colspan='2' rowspan='1'>TempKotel = $line[4]</td></tr>n";
  echo "<tr align='center'><td colspan='2' rowspan='1'>Power = $line[5]</td></tr>n";
}
echo "</table>n";

mysql_free_result($result);

mysql_close($connect);
?>

Что хочется добавить в будущем

Конечно, это, в принципе, минимум, который однако позволяет сделать полноценное и достаточно удобное управление отоплением в небольшом доме. Хотя с некоторыми переделками его можно использовать и в многокомнатных и вообще строениях любой сложности, arduino может тут очень многое, если не всё. Именно в этом проекте хотелось бы добавить в будущем:

• регулятор температуры. Хотя практика показала, что 22.5 это вполне оптимальное значение и в принципе не требует корректировки. Опять же, регулятор хотелось бы сделать удалённо от основного arduino, но для этого надо либо сложную схему, либо ещё один arduino. В общем, есть о чём подумать.
• Хотелось бы возможность не только читать температуру, но и менять параметры PID на лету. Возможно, сделать отдельно режим “первоначального прогрева”, а то параметр I долго нормализуется после каждого перезапуска программы.
• Хочется простенькое приложение под android, чтобы на телефоне не тыкать в мелкий браузер. Это самое простое и уже в процессе.
• Всё же подключить датчик температуры теплоносителя и передавать его данные, как и другие данные температуры.
• Сигнализация аварийных случаев. То есть автоматически определять потерю напряжения на линиях, отказ реле или ТЭНов.
• Сделать “карусель”, менять местами назначения ТЭНов. Иначе получается, что один ТЭН работает всегда больше других, и он в теории должен отказать первым. Надо просто время от времени менять PIN’ы в программке. Вроде просто, но никак не дойдут руки добавить.

Текст программы для Arduino:

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <PID_v1.h>
#include <DHT.h>
#include <Ethernet.h>
#include <SPI.h>

// OneWire DS18S20, DS18B20, DS1822 Temperature Example
//
// http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_OneWire.html
//
// The DallasTemperature library can do all this work for you!
// http://milesburton.com/Dallas_Temperature_Control_Library

OneWire  ds(6);  // on pin 10 (a 4.7K resistor is necessary)
DallasTemperature sensors(&ds);
boolean waithTemp = false;
int TEMPERATURE_PRECISION = 10;

int  lamp1 = 7;
int  lamp2 = 8;
int  lamp3 = 9;

DeviceAddress IntThermometer = { 0x28, 0x8E, 0xF4, 0x28, 0x05, 0x00, 0x00, 0x07 };
DeviceAddress OutThermometer = { 0x28, 0x65, 0x15, 0x32, 0x05, 0x00, 0x00, 0xE2 };
DeviceAddress KatThermometer = { 0x28, 0x61, 0x43, 0x28, 0x05, 0x00, 0x00, 0x14 };

byte addr[8];
unsigned long StartTime = 0;
unsigned long WorkWindow = 60000; // 10min
unsigned long WorkTime, TenTime;
float maxData = 100;
float celsius, temp;
double Setpoint, Input, Output;

int ThermometerCount;
DeviceAddress Thermometer[100];

PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, 10, 0.1, 5, DIRECT); //0.000006 0.03 40

double targetTemp = 22.5;

byte mac[] = { 0xE0, 0x69, 0x95, 0x72, 0x65, 0xE8 };
byte ip[] = { 192, 168, 1, 100 };
byte server[] = { ?, ?, ?, ? };
EthernetClient client;
byte webskipcount = 10;
byte webcount = 0;  

void setup(void) {

  Serial.begin(9600);
  
  //Ethernet.begin(mac, ip);
  Ethernet.begin(mac);
  
  sensors.begin();
  
  pinMode(lamp1, OUTPUT);
  pinMode(lamp2, OUTPUT);
  pinMode(lamp3, OUTPUT);
  


  Setpoint = targetTemp;
  myPID.SetOutputLimits(0, maxData);
  myPID.SetMode(AUTOMATIC);
  
  celsius = targetTemp;
  
  StartTime = millis();
}

long filter(long x, long Nb, long k) {
  static long y = 0, z = 0;
  z += (x - y);
  return y = (Nb * z) >> k;
};  

void loop(void) {

  byte i;
  byte type_s;
  byte data[12];
  long Out;
  
  if (millis() < StartTime) {
    StartTime = millis();
  }
  
  WorkTime = millis() - StartTime;
  if (WorkTime > WorkWindow) {
    WorkTime = WorkTime - WorkWindow;
    StartTime = millis() + WorkTime;
  }

  //Serial.println("cycle");
  sensors.requestTemperatures();
  celsius = sensors.getTempC(IntThermometer);
  Input = celsius;
  if (webcount >= webskipcount) {
    char buffer[10];
    String temperatureS1 = dtostrf(celsius, 2, 2, buffer);
    String temperatureS2 = dtostrf(sensors.getTempC(OutThermometer), 2, 2, buffer);
    String temperatureS3 = dtostrf(sensors.getTempC(KatThermometer), 2, 2, buffer);
    String OutputPowerS = dtostrf(Output, 2, 2, buffer);
    String msg = "GET /temp.php?t1="+ temperatureS1 + "&t2=" + temperatureS2 + "&t3=" + temperatureS3 + "&p="+OutputPowerS;
    Serial.println(msg);
    client.connect(server, 80);
    client.println(msg);
    client.stop();
    webcount = 0;
  } else {
    webcount += 1;
  }

  myPID.Compute();
  //Serial.print(Input);Serial.print(" ");Serial.print(Output);Serial.print(" ");Serial.println(Setpoint);
  
  if (Output > maxData/3*2) {
    digitalWrite(lamp1, HIGH);
    digitalWrite(lamp2, HIGH);
    Out = Output - maxData/3*2;
  } else if (Output > maxData/3) {
    digitalWrite(lamp1, HIGH);
    digitalWrite(lamp2, LOW);
    Out = Output - maxData/3;
  } else {
    digitalWrite(lamp1, LOW);
    digitalWrite(lamp2, LOW);
    Out = Output;
  }

  TenTime = map(Out, 0, maxData/3, 0, WorkWindow);

  Serial.print(celsius);
  Serial.print("  ");
  Serial.print(sensors.getTempC(OutThermometer));
  Serial.print("  ");
  Serial.print(sensors.getTempC(KatThermometer));
  Serial.print("  ");
  Serial.print(Output);
  Serial.print("  ");
  Serial.print(TenTime);
  Serial.print("  ");
  Serial.println(WorkTime);
  
  if (WorkTime < TenTime) {
    digitalWrite(lamp3, HIGH);
  }
  if (WorkTime > TenTime) {
    digitalWrite(lamp3, LOW);
  }
  
}

Автор: vanalaizer

Источник