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.

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.

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.

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.

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

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

Открыл мониторинг. Убедился, что все параметры измеряются правильно.

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.

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