Задача

Комплексное обеспечение работы котельной: поддержание заданной температуры в помещениях, управление работой тёплых полов, освещения, контроль протечек воды и топлива, управление вентиляцией, контроль потребляемой электроэнергии, сбор статистики потребления энергии и визуализация её в виде графиков, оповещение по SMS о тревожных ситуациях и т. д.

Оборудование

В качестве контроллера котельной используется Arduino Mega 2560 с сетевой платой Ethernet Shield и microSD картой памяти в качестве хранилища файлов и информации.

Кроме этих комплектующих в проекте используются:

• 4 цифровых температурных датчиков DS18B20
• 2 датчика протечки
• 3 датчика потребления электроэнергии PZEM-004T
• 6 реле для коммутации нагрузок 220 В

Топология подсети «Котельная»

На этой схеме представлена топология подсети «Котельная». Эта подсеть, в свою очередь, входит в более обширную инфраструктурную сеть «Умная дача». Каждый управляющий контроллер которой («Дом», «Баня», «Зимний сад» и т. д.) тоже имеют свои подсети, подобные представленной здесь.

Отопление

Помещение котельной соседствует с курятником, поэтому часть функций по обслуживанию курятника взял на себя контроллер котельной. В курятнике есть брудер для цыплят, обслуживанием которого тоже занимается описываемый контроллер. Итого три зоны обогрева и поддержания заданной температуры: «котельная», «курятник» и «брудер».

Обогрев всех трёх зон осуществляется подачей горячей воды в трубы (тёплого пола), а управление клапанами подачи воды производится коммутацией электромагнитных реле контроллером.

Информация о текущей температуре в систему поступает от датчиков DS18B20, объединённых в 1-Wire сеть. В данном случае в сети находятся 4 датчика — 3 датчика зон контроля температуры и 1 внешний уличный датчик.

Установки температуры в зонах

Для каждой из 3-х зон в интерфейсе системы задаются требуемые значения температуры. Далее система в автоматическом режиме поддерживает заданную температуру.

Контроль температуры

Система позволяет отслеживать температуру во всех зонах и сопоставлять её с требуемой целевой температурой. Тут же виден график изменения температуры в реальном времени.

Лимиты отклонений температуры

Системе можно указать предельно допустимые отклонения температуры от заданной для каждой из зон контроля. В случае выхода температуры за установленные пределы система автоматически отсылает тревожные SMS на мобильный телефон. Передача SMS сообщений от контроллера идёт через SMS-сервер сети «Умная дача» (он виден на схеме, представленной выше).

В данный момент все значения температур находятся в допустимых пределах, в графе «Ошибка» стоят одни прочерки. В случае обнаружения отклонений температуры, в этой графе будет находиться значение величины ошибки.

Управление котлом

В котельной используется промышленный котёл со своей встроенной системой управления. На данный контроллер возложена только функция блокировки котла при возникновении аварийных ситуаций (протечки воды или топлива).

Также в интерфейсе предусмотрена кнопка ручного включения и выключения котла. Цвет кнопки показывает, что котёл включён (оранжевый), при выключении котла кнопка станет серого цвета.

Вентиляция котельной

Управление вентиляцией котельной осуществляется при помощи нажатия на кнопку в веб-интерфейсе. Это можно делать со стационарного компьютера или с планшета или смартфона: благодаря адаптивному дизайну веб-страницы одинаково хорошо смотрятся на любом устройстве.

Контроль электроэнергии

В котельной находится главный распределительный щит «Умной дачи» и через щитовую ЩС-1 электроэнергия поступает во все строения и ко всем потребителям дачи. Поэтому на «Котельную» возложена задача контроля потребляемой электроэнергии, а также слежение за величиной напряжения в сети и потребляемыми токами.

Модуль PZEM-004T

В качестве датчика напряжения, тока и потребляемой мощности был выбран неплохо зарекомендовавший себя модуль PZEM-004T. Поскольку дача питается от трёхфазной сети, то для полного контроля потребляемой энергии по всем фазам, было задействовано 3 модуля PZEM-004T, по одному на каждую фазу.

Данные с этих модулей о текущих величинах напряжения, тока и мощности поступают в систему, где они используются для оперативного реагирования на отклонения этих параметров от допустимых, для индикации этих значений в панели управления и для сбора статистики для последующего анализа и визуализации при помощи графиков.

Информация об электро-параметрах в панели управления. В данном случае напряжение каждой фазы составляет 236 вольт, а потребление 42 ватта по каждой фазе. В случае возникновения аварийной ситуации система автоматически отошлёт SMS уведомление об инциденте на мобильный телефон.

Статистика потребления электроэнергии

Кроме оперативного контроля и реагирования на проблемы с качеством подаваемой электроэнергии, на систему возложена функция сбора статистики по месячному потреблению энергии хозяйством и автоматического вычисления его среднесуточного потребления. Причём обе эти величины разбиты на две части «день» и «ночь» (льготный тариф).

Графики потребления электроэнергии

Система также собирает статистику по среднесуточной уличной температуре и выводит её на графике, совмещённым с данными по среднесуточному потреблению электроэнергии хозяйством по тарифам «день» и «ночь».

Это позволяет наглядно видеть зависимость потребления энергии хозяйством от среднесуточной температуры и отслеживать энергоэффективность настроек поддержания температуры других контроллеров сети «Дом», «Баня», «Зимний сад» и т. д.

Управление освещением курятника

Освещение курятника производится автоматическим способом на основе данных алгоритма определения времени восхода и захода солнца. Иногда требуется включать и выключать свет с некоторой задержкой относительно астрономического восхода и захода. Для этого в интерфейсе можно задать необходимые задержки.

Сохранение настроек

Все настройки, состояние кнопок и установленные состояния объектов управления, изменяемые в веб-интерфейсе, записываются в энергонезависимую память и сохраняются при выключении и последующем включении питания контроллера.

Панель управления

В панели управления собраны все важные параметры текущего состояния системы. Время, дата, подключённые модули, системные настройки, показания датчиков, состояние реле, загрузка контроллера и т. д.

В верхнем левом углу, над панелью управления, видна надпись «КОТЕЛЬНАЯ (ЩС-1)», идентифицирующая контроллер и номер щитовой, в которой он установлен.

Время восхода и захода солнца

Механизм определения времени восхода и захода солнца работает аналогично описанному на странице проекта «Дом», по этой ссылке вы можете более подробно ознакомиться с ним.

SMS-сервер

Работа подсистемы отсылки SMS сообщений описана на странице проекта «Дом», по этой ссылке вы можете более подробно ознакомиться механизмом отсылки SMS сообщений.

Другие контроллеры сети

Работа ссылок на другие контроллеры сети подробно описана на странице проекта «Дом», по этой ссылке вы можете более подробнее узнать об этом.

Индикация температуры

В панель управления выводится информация со всех температурных датчиков, подключённых к системе. В данный момент датчики отключены, поэтому на всех индикаторах нулевые значения.

Реле управления обогревом

Информация о состоянии каждого реле обогрева (котельная, курятник и брудер) в реальном времени. В данный момент все три реле включены.

Реле управления котлом

Информация о состоянии реле котла в реальном времени. В данный момент котёл включён.

Реле вентиляции

Информация о состоянии реле вентиляции котельной. В данный момент вентиляция не работает.

Датчик аварии котла

В котельной установлен датчик протечки, который отслеживает состояния котла. В случае обнаружения аварийной ситуации система отключает реле котла и отсылает тревожное сообщение на мобильный телефон владельца дачи.

Датчик аварии топлива

Этот датчик отслеживает утечки топлива и в случае обнаружения аварийной ситуации система отсылает тревожное сообщение на мобильный телефон. В данном случае датчик сработал и система отослала SMS уведомление на телефон владельца дачи.

Реле освещения

Информация о состоянии реле освещения курятника. Если освещение включено в веб-интерфейсе, то система автоматически включает и отключает его с восходом и заходом солнца (с установленными задержками).

Дизайн

Особенности дизайна интерфейса системы описаны на странице проекта «Дом», также как и описываемый проект, входящего в более обширный проект «Умная дача».

Развитие проекта

С модернизацией котельной и курятника в систему могут быть добавлены любые другие необходимые функции, технологических препятствий тут нет, всё определяется только потребностями обитателей «Умной дачи».

Функции, реализованные в проекте

• Комплексное управление котельной и курятником
• Управление системой из веб-интерфейса
• Адаптивный дизайн для использования на планшетах и смартфонах
• Отсылка тревожных и информационных SMS сообщений
• Сохранение настроек в энергонезависимой памяти
• Развитые настройки поддержания нужной температуры
• Реализация распределённой устойчивой системы без главного компьютера

Датчики и актуаторы

• Подключение 4-х температурных датчиков DS18B20 по сети 1-Wire
• Подключение 3-х датчиков потребления электроэнергии PZEM-004T
• Подключение 2-х датчиков протечки
• Подключение 6-и проводных реле

Отопление

• Управление отоплением 3-х зон
• Управление работой тёплых полов в 2-х помещениях
• Управление работой брудера
• Автоматическое поддержание заданной температуры
• Установка параметров отопления в веб-интерфейсе
• Контроль температуры в реальном времени на веб-странице
• Задание лимитов отклонения температуры в веб-интерфейсе
• Индикация текущих нарушений температурных лимитов
• Отсылка SMS при нарушении лимитов температур

Отслеживание протечек

• Отслеживание протечек воды котла
• Отслеживание протечек топлива
• Отсылка тревожных SMS в случае аварийных ситуаций

Управление котлом

• Включение и выключения котла в веб-интерфейсе
• Автоматическое отключение котла в случае аварийных ситуаций
• Отсылка тревожных SMS при обнаружении аварий

Управление вентиляцией котельной

• Включение и выключения вентиляции в веб-интерфейсе

Электроэнергия

• Подключение к системе 3-х датчиков PZEM-004T
• Контроль напряжения, токов и потребляемой мощности по 3-м фазам
• Индикация электро-параметров в реальном времени
• Отслеживание тревожных ситуаций с электроснабжением
• Отсылка SMS в случае возникновения аварийных ситуаций
• Сбор статистики по потреблению электроэнергии
• Визуализация потребления энергии хозяйством на графиках

Управление освещением курятника

• Включение и выключение освещения из веб-интерфейса
• Отслеживание времени восхода и захода солнца
• Автоматическое включение и выключение освещения по времени суток
• Возможность установки задержки включения и отключения освещения

Работа со временем

• Синхронизация времени с серверами в интернете
• Отслеживание временных интервалов
• Отслеживание времени суток
• Отслеживание времени восхода и захода солнца

SMS сообщения и команды

• Интеграция с AMS SMS-сервером
• Отсылка SMS сообщений на мобильный телефон
• Приём управляющих SMS от SMS-сервера

Сетевая работа

• Интеграция с другими контроллерами сети
• Приём управляющих команд по сети от других контроллеров
• Отсылка управляющих команд другим контроллерам сети
• Ссылки в интерфейсе для перехода между контроллерами сети

Индикация

• Индикация состояния всех объектов системы в реальном времени