Концепция проекта.

система TinyOneWireNet

В этой статье я излагаю концептуальные принципы применения систем с устройствами TinyOneWireNet. Затрагиваю технические и коммерческие вопросы. Привожу мое видение относительно коммерческой реализации компонентов системы, вопросы представления технической информации, рассказываю о ближайших планах.

Предыдущая статья    Навигация по рубрике     Следующая статья

Цель проекта.

Разработка и серийный выпуск большого набора различных

  • датчиков,
  • устройств ввода-вывода,
  • устройств согласования с объектом управления,
  • периферийных контроллеров,
  • промежуточных сетевых устройств,
  • программных продуктов

для создания распределенных систем сбора и обработки информации, управляющих систем.

Проект может быть использован:

  • в системах управления технологическими процессами,
  • в области растениеводства,
  • в системах “Умный дом”,
  • в системах малой автоматизации
  • и многих других областях.

В качестве программного обеспечения верхнего уровня могут быть использованы программные среды SCADA.

 

Технико-коммерческая концепция проекта.

Коммерческая целесообразность проекта основана на следующих принципах:

  • Продажная цена компонентов системы в десятки раз ниже стоимости аналогичных профессиональных устройств на мировом рынке. По цене датчики системы вполне конкурируют даже с аналогами на Али Экспресс, значительно превосходя их по параметрам и функциональным возможностям. По крайней мере, цена комплектующих для компонентов системы ниже, чем для аналогов из Али Экспресс. Для большинства датчиков это в пределах 100 руб.
  • Простота разработки новых компонентов системы. Например, для датчиков и управляющих устройств существует сетевой  (TinyOneWireNet) контроллер, который представляет собой 8ми выводную микросхему стоимостью 50 руб. В нем уже реализован обмен данными по сетям системы. Остается добавить собственно датчик. Таким образом, большинство сетевых датчиков состоят из 3-4 компонентов общей стоимостью 60-70 руб и разрабатываются за один рабочий день.
  • Система должна быстро и гибко подстроиться под реальные требования потенциальных заказчиков, благодаря предыдущему пункту. Набор компонентов системы создается ”на лету” по мере необходимости, адекватно отражает потребительский рынок.
  • Система может комплектоваться огромным числом типов датчиков и управляющих контроллеров. Что позволяет оптимально решать любые задачи.
  • Система легко устанавливается на реальных объектах благодаря дешевым и технологичным линиям связи. Стандартные цифровые сети системы это обыкновенные 2х проводные линии. Например, можно использовать кабели в двойной изоляции, применяемые для питания сетевой аппаратуры. Они допускают применение на открытом воздухе без дополнительной защиты, и даже могут быть закопаны в землю. Токи потребления сетевых устройств порядка 0,5 мА. Поэтому сечение кабеля имеет значение только исходя из механической прочности.
  • Даже установленная на объекте система легко расширяется и переконфигурируется. Новые компоненты включаются в систему очень просто. Устройства подключаются параллельно к линиям связи. Питание большинство компонентов получают от этой же сети. Таким образом, подключение нового датчика сводится к присоединению 2х проводов к уже существующей линии.
  • Любые сегменты системы, а также отдельные компоненты допускают подключение к промышленным стандартным сетям, например ModBus. Стандартным сетевым интерфейсом системы является собственный интерфейс с протоколом TiniOneWireNet. Но существуют конвертеры интерфейсов, позволяющие объединять различные сети и протоколы, в том числе и беспроводные. Это позволяет создавать гигантские сети, как по количеству устройств, так и по удаленности компонентов.
  • Благодаря наличию конвертеров для стандартных интерфейсов (ModBusRTU, ModBusTCP, MQTT и т.п.) компоненты TinyOneWireNet являются идеальным набором для создания систем SCADA.
  • Очень простая и дешевая реализация цифровой сети в системе. Самый простой вариант сети TiniOneWireNet это просто 2 провода, подключенных к земле и выводу микроконтроллера. Питание устройства получают через эти же провода от вывода микроконтроллера. Тем не менее, к такой сети может быть подключено до 15-20 датчиков. Идеальный вариант для создания системы контроля, например, десятка контейнеров на подоконнике или маленькой теплички.
  • Компоненты системы легко внедряются в собственные проекты. Существуют библиотеки, поддерживающие протокол TiniOneWireNet в популярном фреймворке Arduino. Таким образом, программная реализация измерения любой физической величины сводится к 3-4м строкам кода. Есть примеры готовых проектов. При необходимости могут быть созданы библиотеки для других сред разработки программных продуктов, например для серии STM32.
  • В числе потребителей компонентов системы явно просматриваются люди увлекающиеся самостоятельным изготовлением систем контроля выращивания растений. Так называемые “самодельщики”, “ардуинщики”. Все необходимые условия для этого есть: низкая цена, легкость и дружественность подключения, поддержка программными средствами и т.п.
  • Существуют аппаратные и программные средства конфигурации и диагностики системы, в том числе с помощью персональных компьютеров.
  • Все выше перечисленное позволяет реализовывать готовые системы управления, например, выращиванием растений от контроля влажности грунта пары горшков на подоконнике, до крупных хозяйств. Цена и потребительские возможности вне конкуренции.

Пример разработки системы.

В качестве примера расскажу, как я за час из готовых датчиков собрал систему контроля за своими 4мя контейнерами с инжирами.

гроубокс с инжирами

Конечно, система не полная, в основном информационная, собрана для примера.

Воткнул в горшки 4 датчика влажности, добавил датчик температуры воздуха DS18B20, датчик температуры и влажности воздуха AHT10, люксометр и диммер для управления лампами.

датчик влажности в горшке

подключение устройств TinyOneWireNet

С каждого сетевого устройства выходит по 2 провода. У конвертера WiFi TinyOneWireNet  2 канала. Датчики влажности я подключил к одному каналу, остальные датчики к другому. Конвертер подключил к блоку питания 5 В от телефона.

подключение устройств TinyOneWireNet

Работа с аппаратурой на этом закончились.

Конвертер WiFi TinyOneWireNet подключился к моей домашней сети WiFi.

Я обратился к Web-интерфейсу конвертера через компьютер. Набрал в адресной строке браузера его IP-адрес. Можно было использовать телефон, планшет, смарт-телевизор - любое устройство из домашней сети.

меню настройки

Сделал поиск устройств сети в обоих каналах. Конвертер автоматически записал в свое EEPROM текущую конфигурацию.

поиск устройств

настройка сети

На всякий случай сделал диагностику сети. Убедился, что все работает без ошибок.

диагностика обмена сети

Открыл мониторинг. Убедился, что все параметры измеряются правильно.

мониторинг устройств сети

Дальше работа с конвертером будет происходить через регистры ModBus TCP. Они стали доступны в сети WiFi после включения конвертера.

На старый планшет за 5 минут установил бесплатную среду NodeRed. Это среда визуального программирования для интернета вещей. Простая, но достаточно мощная система. Я сделаю несколько уроков создания прикладных систем на ней в последующих статьях.

После установки NodeRed отложил планшет во включенном состоянии в сторону и больше его не трогал.

С компьютера запустил браузерное приложение,  которое установлено на планшете. Просто набрал в адресной строке браузера IP-адрес планшета.

В открывшемся IDE установил нужные виджеты, задал в них параметры, IP-адрес конвертера, адреса регистров ModBusTCP, цвета, размеры и т.п.

Через час с начала работы я получил действующую систему с таким графическим интерфейсов.

управляющая система Node Red

В нее легко можно добавить связь с внешним интернетом через MQTT, электронную почту, Твиттер и прочее.

Для того, чтобы система работала, требуется постоянно включенный планшет. Можно использовать Рапсберри, можно старый смартфон с треснутым экраном. Последнее – самый дешевый вариант.

Текущее состояние системы.

Система все время развивается. Не только за счет увеличения количества сетевых устройств, но и за счет расширения областей применения.

Еще месяц назад я не думал об использовании в системах SCADA. Сейчас все для этого есть.

Здесь я коротко приведу текущее состояние на конец апреля 2023 года. А в ближайшем будущем создам статическую страницу на сайте и буду содержать ее в актуальном состоянии.

И еще, я рассматриваю 2 состояния готовности устройства.

  • Собран макет, разработано и проверено резидентное ПО, устройство включено во все библиотеки, конвертеры, диагностические программы. Т.е. устройство полностью разработано и проверено, за исключением окончательной конструкции.
  • К предыдущему пункту добавлена разработанная печатная плата, корпус, если надо.

Сейчас в разных степенях готовности существуют следующие компоненты.

Компонент Готовность Пояснения

Сетевые устройства

Датчик влажности почвы Завершен Емкостной датчик влажности почвы в виде узкой печатной платы длиной примерно 10 см. Герметизирован, втыкается в почву.
Датчик температуры DS18B20 Завершен Точный цифровой датчик DS18B20 (-55 … + 125 C°).
Датчик освещенности Завершен Датчик приблизительного измерения освещенности.

В качестве измерителя используется фоторезистор.

Диммер для светодиодных ламп и ламп накаливания. Без печатной платы Управляет мощностью сети 220 В за счет ШИМ модуляции. Один канал. Очень компактное и дешевое устройство. По сути – умная розетка.
Люксометр Без печатной платы Точный измеритель освещенности в люксах с использованием микросхемы BH1750.
Датчик температуры и влажности воздуха. Завершен Точный датчик температуры и влажности воздуха на микросхеме AHT10. Крайне дешевое устройство с высокими характеристиками.

Конвертеры интерфейсов

Конвертер UART TinyOneWireNet Завершен Формирует шину TinyOneWireNet из интерфейса UART.

Используется для подключения сетевых устройств TinyOneWireNet к различным микроконтроллерам.

Конвертер USB TinyOneWireNet Завершен Предыдущее устройство с конвертером USB/UART. Используется для подключения персонального компьютера к шине TinyOneWireNet.
Конвертер WiFi TinyOneWireNet Без печатной платы Формирует 2 шины TinyOneWireNet. Обеспечивает Web-интерфейс для локальной настройки сети и сетевых устройств, а также поддерживает протокол ModBus TCPдля подключения к промышленным системам, в том числе SCADA.

Диагностические средства

Монитор сети TinyOneWireNet на Ардуино Без печатной платы К плате Ардуино подключен маленький OLED-дисплей и энкодер. Устройство позволяет конфигурировать сеть, настраивать сетевые устройства, осуществляет мониторинг измеренных значений.
Конвертер WiFi TinyOneWireNet Без печатной платы Эти же функции отладки есть в конвертере, только для 2х сетей  TinyOneWireNet и в более удобном виде.
Блок формирования TinyOneWireNet от микроконтроллеров с уровнем 3.3 В. Без печатной платы Формирует 2 шины TinyOneWireNet от 3-вольтовых микроконтроллеров, например ESP32.

Библиотеки.

TinyOneWireNet Завершен Библиотека для поддержки сетевых устройств на Ардуино
TinyOneWireNet_Buf125 Завершен Библиотека для поддержки сетевых устройств на Ардуино с блоком формирования 2х шин TinyOneWireNet на буферной микросхеме 74HC125.

Для нескольких сетевых устройств может быть использована одна и та же плата с разными номиналами компонентов. Например, датчик DS18B20 и измеритель освещенности на фоторезисторе выполнены на одном типе платы. Эта плата поддерживает:

  • датчик DS18B20;
  • датчик DHT22;
  • датчик света (фоторезистор);
  • дискретный датчик (сухой контакт);
  • управляющее устройство диммеров;
  • управляющее устройство модулей дискретных выходов;
  • управляющее устройство любых модулей ввода/вывода (дискретных, аналоговых, кодовых);
  • аналоговый вход;
  • измеритель сопротивления;
  • ШИМ-выход;
  • приемник/передатчик I2Cустройств;
  • приемник/передатчик UARTустройств.

По необходимости я буду расширять число сетевых устройств. Некоторые из них можно добавить за пол дня.

Коммерческая реализация проекта.

Проект открытый за исключением резидентных программ сетевых устройств.

Если кто-то захочет использовать проект, он должен будет купить сами сетевые устройства. В июне они должны появиться на Али Экспресс и в России.

Я думаю, может быть востребован вариант покупки запрограммированных PIC-контроллеров для сетевых устройств.

Все остальные программы будут в открытом источнике.

Коммерческой реализацией проекта занимается мой знакомый из Москвы по имени Юрий. Возможно, он предложит еще какие-нибудь решения.

Техническая информация.

Конечно, я дам полную техническую информацию по использованию компонентов системы, приведу примеры работы с библиотеками, при необходимости разработаю новые библиотеки и т.п.

Еще, собираюсь написать несколько уроков по использованию системы с программными средами SCADA.

Ближайшие планы.

Они очевидны.

  • Увеличение числа типов сетевых устройств. На очереди несколько простых датчиков и модулей управления мощной нагрузкой. Собираюсь разработать PH метр.
  • Увеличение количества функций конвертера WiFi TinyOneWireNet, как одного из основных компонентов системы. Планирую добавить протокол MQTT, работу в качестве TCP-клиента, режимы сна, возможно передачу данных через UDP.

В следующей статье расскажу об общих для всех TinyOneWireNet -устройств сетевых функциях. Приведу примеры подключения датчиков к Ардуино.

Предыдущая статья    Навигация по рубрике     Следующая статья

0

Автор публикации

не в сети 1 день

Эдуард

280
Комментарии: 1936Публикации: 197Регистрация: 13-12-2015

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Нажимая кнопку "Отправить" Вы даёте свое согласие на обработку введенной персональной информации в соответствии с Федеральным Законом №152-ФЗ от 27.07.2006 "О персональных данных".