Ponúkam mnou naprogramovanú webaplikáciu pre projekt Hladinomer. Webaplikácia umožňuje zaznamenávať údaje o výške hladiny vody v kopanej studni zo senzorového uzla, ktorý je tvorený mikrokontrolérom a ultrazvukovým senzorom vzdialenosti. Uzol v rutine raz za 5 minút vykonáva 10 meraní senzorom, ktoré spriemeruje. Výsledná hodnota sa posiela serveru cez použité rozhranie (WiFi / Ethernet / IoT sieť).

Údaje sú vizualizované používateľovi vo webovom rozhraní v dashboarde aktuálna hodnota s automatickým refreshom dát, zobrazením tendencie vývoja hladiny a objemu studne v litroch. Vo webovom rozhraní dáta dostupné aj historicky v čase v grafoch, tabuľkách až rok spätne.

Princíp merania ultrazvukových senzorov je vyslanie signálu Trigger s dĺžkou 10 μs (mikrosekúnd), ktorý sa od hladiny vody odrazí a vráti sa do prijímača - Echo. Využíva sa metóda Time-of-Flight pre prepočet času medzi vyslaním a prijatím signálu na získanie rozdielovej výšku hladiny vody od senzora.

Po odoslaní dát do webového rozhrania sa vykoná korekcia, kedy sa vypočíta reálna výška hladiny od dna studne, ktorá je zapísaná do databázy. Korekcia sa vykoná na základe známej hĺbky studne a prijatej rozdielovej výšky hladiny vody z ultrazvukového senzora. Webové rozhranie v dashboarde vizualizuje aj aktuálny objem studne v litroch na základe známeho priemeru studne.

Projekt využíva ultrazvukový senzor vzdialenosti HC-SR04 - (detekčný uhol 15°), prípadne vodotestný senzor JSN-SR04T (detekčný uhol 60°).

Možno využiť aj iné ultrazvukové senzory so signálmi Trigger / Echo z rady RCW, US-XXX, IOE-SR0X, SR0X, HC-SR0X, HY-SRF0X, DYP-MEXXX, Parallax PING)))™. Detekčný uhol reprezentuje šírku lúča, resp. kužeľa, ktorý sa so vzdialenosťou rozširuje. Merať je možné výšku hladiny až do 400 resp. 450 cm max (na základe údajov z katalógového listu jednotlivých senzorov).

Možné aplikácie senzorových uzlov do:

• Kopaných studní
• Septikov a žúmp
• Potokov a jazier
• Plastových nádrží na dažďovú vodu
• Silá (meranie naplnenia sypkými materiálmi)
• Kontajnery (monitoring odpadu, naplnenia zbernej nádoby)
• Kotolne (monitoring zásoby dreva, peliet, uhlia, štiepky)
• Šachty a pivnice (monitoring vytopenia - výšky spodnej vody)

Pre senzorový uzol je možné použiť vzorové zdrojové kódy, ktoré sú dostupné pre vývojovú dosku Arduino (Uno / Mega) s Ethernet modulom Wiznet W5100 alebo W5500. Pre prenos dát vzduchom je možné použiť WiFi (2,4 GHz) mikrokontroléry od Espressif Systems - ESP8266 (NodeMCU, Wemos D1 Mini, Generic Board), alebo ESP32 (Devkit, prípadne samostatný modul napr. ESP32-WROOM-32 / ESP32-S). ESP8266 a ESP32 podporujú aj šifrované spojenie s webserverom s využitím koreňového Root CA certifikátu pre Chain of Trust.

ESP32 je možné použiť aj s PHY Ethernet modulom LAN8720 / TLK110 s rozhraním RMII v implementácii Arduino Core. Pre ESP32 (WiFi) dostupná ukážková implementácia vo frameworku ESP-IDF. Podpora FreeRTOS a blokovacích mechanizmov taskov Queue pre Arduino Core implementácie (ESP32) i framework ESP-IDF - Espressif IoT Development Framework.

Mikrokontrolérové platformy ESP8266 a ESP32 - len WiFi firmvér (Wiring implementácie) je možné prevádzkovať aj v režime ULP (Ultra-Low Power), ktorý dramaticky zníži ich spotrebu na úroveň desiatok mikroampérov. Vhodné pre prevádzku na batériu aj niekoľko rokov (nutné použiť aj tranzistor pre spínanie napájania pre senzor, vyžaduje úpravu zdrojového kódu).

Dáta sú do webového rozhrania odosielané po HTTP, alebo HTTPS protokole s POST payloadom. Mikrokontróler využíva token v POST requeste, ktorým sa autorizuje pre zápis dát.

Používateľ môže vo webovom rozhraní meniť údaje o studni - názov, hĺbka a priemer studne. Taktiež môže vymazať nekorektné záznamy (chyba senzora a podobne). Pre prístup k týmto funkcionalitám sa využíva HTTP Auth pre prihlásenie.

Webové rozhranie je univerzálne a je ho možné použiť aj s inými mikrokontrolérmi a senzormi.

Iné typy senzorov pre záznam výšky hladiny vody, ktoré je možné integrovať (nutné vytvoriť vlastný firmvér):

• Laserové (LiDAR)
• Hydrostatické (ponorné, kompenzačné)
• Elektrostatické (kapacitné / indukčné)
• Optické
• Mechanické (plavák)
• Magnetické
• Mikrovlnné (radarové)
• Ultrazvukové - iný typ výstupu (UART, RS-232, RS-485, prúdová slučka 4-20 mA, Modbus TCP / RTU, M-bus, PROFINET, CAN, DQ)
• Poznámka: Ak sa vykonáva prepočet výšky hladiny vody od dna na strane mikrokontroléra, je nutné na webovom rozhraní nastaviť hĺbku studne na 0 cm.

Aplikáciu je možné vopred zdarma vyskúšať s vašim hardvérom na testovaceom webovom rozhraní: https://martinius96.github.io/hladinomer-studna-scripty/