• View
• Edit
• History
• Print

PlumbingController

Контроллер водопровода

За основу буду брать систему защиты от протечки для стиральной машины.

Задачи контроллера:

• перекрытие подачи воды по команде;
• защита от протечки: перекрыть ввод и полотенцесушитель в случае срабатывания датчиков;
• переключение источника горячей воды: центральное водоснабжение или водонагреватель;
• учет расхода воды;
• опционально: контроль за температурой воды и давлением.

Характеристики:

• Количество управляемых вентилей: 6
  • 2шт - ввод холодной и горячей воды;
  • 2шт - вход и выход водонагревателя;
  • 2шт - полотенцесушитель.
• Количество входов для датчиков протечки: 4
• Дополнительные датчики:
  • Количество входов для счетчиков расхода воды: 2
  • Количество входов для датчиков температуры: 2
  • Количество входов для датчиков давления: 2
• Автономное питание от батареи в случае отключения электричества.

Структурная схема

Структурно, устройство состоит из 3-х модулей:

• основной модуль, который: управляет вентилями, следит за протечками, общается с Mеsh сетью через коммуникационный модуль и к которому подключаются остальные модули;
• модуль управления и индикации с LCD/LED дисплеем;
• модуль сенсоров, который обслуживает дополнительные сенсоры: счетчики расхода, датчики температуры и датчики давления.

На самом деле, отдельный модуль сенсоров не нужен, но из-за ограничения размеров корпуса, все необходимые разъемы не помещаются в один ряд, поэтому их нужно размещать в два этажа отдельными платами. Поэтому, конструктивно удобнее разместить на второй плате контроллер и передавать данные со счетчиков по SPI интерфейсу. Одновременно, на модуле сенсоров будет размещена EEPROM для хранения значения счетчиков.

Необходимое количество GPIO портов

Выбор микроконтроллеров

• Главный контроллер: ATmega2560-16A
• Модуль управления: ATmega8515 (*)
• Модуль сенсоров: ATmega1284P (**)

* Atmega8515 не имеет контроллера I²C, поэтому для связи будет использована шина SPI.
** ATmega1284P имеет контроллер I²C, но для унификации с модулем управления, также будет использована шина SPI, но с дополнительным выходом прерывания

Конфигурация узлов и моделей BLE Mesh

Чем мы хотим управлять и что хотим контролировать.

Управлять, разумеется, мы может только вентилями. Для этого подойдет простой On/Off сервер. Но существует ряд ограничений:

1. В случае протечки (аварии), все вентили закрываются. Открыть их потом с помощью команды BLE Mesh будет нельзя.
2. Существуют запрещенные комбинации открытия вентилей (TODO: расписать эти комбинации), которые нельзя будет настроить с помощью BLE Mesh.

TODO: предусмотреть возможность отключения датчиков протечки.
Для датчиков протечки можно сделать отдельную ноду с моделями серверов: OnOff и Sensor.

Контролировать нужно будет следующие параметры:

• неисправность вентилей (вентиль не открылся/закрылся за определенное время) - 6шт;
• состояние датчиков протечки: нормально, авария, неисправность - 4шт;
• значения счетчиков расхода воды: текущий расход (л/с), общее потребление (M³) - 2шт.

Всвязи с этим появляются следующие проблемы:

1. Вентили, счетчики и датчики протечки практически никак друг с другом не связаны логически. Разве что, счетчики воды можно совместить с первыми двумя вентилями (вентили ввода). Датчики же вообще никак не связаны ни с вентилями, ни со счетчиками. Поскольку, одинаковые модели не должны располагаться на одном узле, нам придется, либо создавать 12 от дельных узлов, либо группировать модели сенсоров с моделями OnOff как получится, и ограничется 6-ю узлами.
2. В стандартах GATT Specification отсуствуют такие параметры, как: неисправность вентиля, состояние датчика протечки, расход и потребление жидкостей (TODO: хотя, два последних еще могут быть). Поэтому, придется колхозить свои кастомные значения и отходить от спецификации. Хотя, состояние несиправности вентилей и датчиков протечки можно будет попробовать запихнуть в модель Health.

SPI интерфейс

В устройстве имеются две дочерние платы, которые подключаются к основной через SPI интерфейс. Благодаря тому, что в некоторых контроллерах Atmega USART умеет работать в режиме SPI Master, можно использовать SPI не привлекая интерфейс программирования. К сожалению, SPI Slave реализован только в AVR SPI и используется совместно в интерфейсом внутрисхемного программирования, что несколько усложняет отладку ПО. Для простоты, протокол обмена данными для обеих плат унифицирован. С точки зрения мастера, подчиненные устройства представляют собой память с максимальным объемом 256 байт, в котором расположены регистры, через которые и происходит управление. В регисты могут быть только для чтения, только для записи (и тогда из них читаются только FFh) и для чтения/записи одновременно.

Протокол SPI интерфейса

В процессе разработки прошивки для платы сенсоров выяснилась одна неприятная деталь: опрос сенсоров (в особенности датчиков DS18B20) приводило к пропускам приема по SPI, даже если использовались прерывания. Причина так и осталась непонятной: то ли сбой в процессе передачи, то ли библиотека 1Wire блокировала прерывания (хотя в коде я этого не нашел). Время от времени пропадали 1-2 байта, но в целом, данные по SPI как-то передавались. Однако, пропуски вели к срыву statе-машин приемника и передатчика, из-за чего гораздо больше данных передавалось неверно. Было решено разработать протокол передачи данных по SPI таким образом, чтобы как можно раньше обнаружить пропуск, заново синхронизировать автоматы master'а и slave'а и повторить передачу.

Изначально, протокол был очень простым и состоял из двух фаз: адрес и данные. Master передавал адрес, в котором (установкой старшего бита) кодировалась команда: чтение/запись. Далее, второй фазой, в зависимости от команды, либо master передавал байт данных при записи, либо slave - в случае чтения. Между фазами обязательно нужно было делать паузу, чтобы slave успевал подготовить данные для отправки. Если одна из сторон должна принимать данные, то в этот момент она передавала пустой байт FFh. Естественно, что в случае пропуска байта slave'ом, происходил рассинхрон и вместо адреса, получался адрес и наоборот.

В новом протоколе было решено:

• увеличить количество фаз до 4-х: добавлена фаза команды в начале и фаза подтверждения в конце.
• master или slave, в случае, когда они должны принять данные, то в этот момент передается не пустой байт FFh, а текущее состояние автомата в закодированном виде.
• добавить период ожидания для slave'а, по истечении которого, если master не инициировал передачу, автомат возвращается в фазу 1 - прием команды.

Подробности можно увидеть в таблице ниже.

Благодаря этим двум решениям, у обоих автоматов: master'а и slave'а появляется возможность оперативно выявить рассинхронизацию: однозначно - в начале и конце передачи, и, иногда, в середине. Если ошибку обнаружил master, то он переходит в фазу 1 и делает паузу, равную периоду сброса у slave'а. После этого, передача повторяется. Если передачу не удалось осуществить 10 раз, то передача считается не успешной. Если ошибку обнаружил slave, то он переводи автомат в состояние ошибки, из которой можно выйти только с помощью процедуры сброса, описанной выше.

Порядок передачи бит, полярность тактового сигнала и т.д. значения особого не имеют: важно чтобы они совпадали у master'а и slave'а.

Испытания подтвердили эффективность данного решения. Количество повторных передач не превышало 3. Этот протокол был реализован в обоих модулях, подключаемых по SPI: в плате светодиодов и клавиш и в плате сенсоров.

Модуль индикации и управления

Состоит из трех частей: алфавитно-цифрового LED дисплея (одна строка, 20 символов), дополнительного модуля светодиодной индикации и модуля управления с энкодером и тремя кнопками: Select, Ок и Cancel.

Элементы управления и индикации

1. Алфавитно-цифровой индикатор. Отображает элементы меню и различную информацию.
2. Индикаторы состояния вентилей.
   Красный - вентиль закрыт.
   Мигающий красный - вентиль в процессе закрывания.
   Зеленый - вентиль открыт.
   Мигающий зеленый - вентиль в процессе открывания.
   Мигающий попеременно красный и зеленый - неисправность вентиля.
3. Индикаторы датчиков протечки.
4. Индикаторы счетчиков расхода.
5. Индикатор состояния питания.
6. Кнопка "Ок".
7. Кнопка "Cancel".
8. Ручка энкодера и кнопка "Select".

SPI интерфейс блока UI: светодиоды и кнопки

Карта памяти

Все значения хранятся в формате Little Endian.

Статус

Флаговый регистр "Статус" показывает текущий статус модуля. К сожалению, у модуля отсутствует отдельная линия прерываний, поэтому необходимо периодически опрашивать состояние этого регистра. Значение регистра автоматически сбрасывается при чтении.

События от клавиатуры

Команды светодиодов

Меню настройки и управления

Структура

• Главный экран
  • Управление
    • Открыть/Закрыть/Авто для каждого вентиля
    • Включить/Выключить датчик протечки
    • Включить/Выключить датчик расхода
    • Включить/Выключить датчик температуры
    • Включить/Выключить датчик давления
    • - Опросить шину 1-WIRE на наличие датчиков температуры -
  • Информация
    • Текущие значения счетчиков расхода
    • Значения датчиков температуры
    • Значения датчиков давления
    • Статус питания: от сети или от батареи
    • Напряжения линии питания от сети
    • Заряд батареи
    • Статус подключения к Mesh сети: подключено/не подключено, адрес узла
    • Версия прошивки
  • Настройка
    • Группы вентилей
    • Тип вентиля: двух/пяти проводные
    • Задержка срабатывания датчиков протечки
    • Калибровка счетчиков расхода: кол-во литров на один импульс
    • Текущее значение счетчиков расхода
    • Соответствие кода ROM датчика DS18B20 с каналом температуры
    • Калибровка датчиков давления

Информация на главном экране

• Загрузка
  • Приветственное сообщение: "Plumbing Cоntroller"
  • Установка вентилей в закрытое состояние
  • Тестирование датчиков протечки
  • Количество обнаруженных датчиков температуры
• Основное состояние
  • дисплей выключен
  • обнаружен/потерян датчик температуры
  • работа от батареи - остаточный заряд батареи
• Переключение групп вентилей
  • Цель переключения, прогресс
• Авария от датчиков протечки
  • Датчик протечки неисправен: просто сообщение о неисправности, подробности - на дополнительном дисплее
  • Сработал датчик протечки
    • Таймер до перехода в аварийный режим
    • Сообщение о том, что устройство находится в аварийном режиме

Плата сенсоров

Поскольку на основную плату поместились только разъемы для подключения вентилей и датчиков протечки, все-равно пришлось бы делать дополнительную плату с разъемами остальных датчиков и расположить ее вторым этажом. Исходя из этого, было разумным на этой плате разместить собственный контроллер, опрашивающий эти датчики, чтобы снять нагрузку с контроллера основной платы и упростить физическую шину подключения.

К плате сенсоров возможно подключить следующие датчики:

• Импульсные выходы счетчиков воды, работающие на размыкание. Существуют несколько видов интерфейсов для счетчиков воды, в том числе и с резисторами, но я таких в глаза никогда не видел, и мне всегда попадались только действующие на размыкание. Чтобы не усложнять схему и не затягивать проект, решил реализовать только его.
• Датчики температуры на DS18B20. Изначально я сглупил и при разводке платы использовал один вывод микроконтроллера для шины 1-Wire, к которому подключил оба датчика. В результате, пришлось усложнить прошивку, и выбор того, какой датчик будет считаться первым, а какой - вторым, выбирается не порядком подключения в разъемам, а значением ROM этих датчиков, которые придется указывать при конфигурировании.
• Датчики давления: распространенные аналоговые датчики, у которых выходное напряжение линейно зависит от давления. В прошивке заложена возможность калибровки датчиков.

Значения счетчиков хранятся в отдельной энергонезависимой памяти и автоматически восстанавливаются при перезагрузки платы. Значения счетчиков можно изменить через SPI интерфейс. Остальные параметры, передаваемые через SPI интерфейс в энергонезависимой памяти не сохраняются и нуждаются в восстановлении основной платой. Имеется механизм, позволяющий основной плате определить нештатную перезагрузку платы сенсоров.

EEPROM счетчиков

EEPROM счетчиков расположен на отдельной микросхеме 24C02, которую должно быть легко заменить в случае выхода ее из строя. Он имеет емкость 256 байт и должен хранить текущие значения двух счетчиков расхода воды. Поскольку, обновлять значения счетчиков необходимо на каждый импульс, а ресурс EEPROM ограничен, нужен некий трюк, чтобы этот ресурс увеличить. Предлагается разбить весь EEPROM на 16 блоков по 16 байт в каждом и записывать значения в эти блоки циклически. Чтобы модуль мог определить, какой блок записывался последним, то в сам блок нужно добавить счетчик, который бы увеличивался при каждой записи. Таким образом, блок, у которого это поле будет наибольшим и будет последним. Этим самым, мы увеличим ресурс EEPROM в 16 раз.

Предлагается следующая структура блока:

Поле sign должно быть равно: EEPROM_SIGN + block_index, где: block_index - это порядковый номер блока, определяющий его положение в адресном пространстве EEPROM. Таким образом, каждый блок имеет уникальный идентификатор, который показывает, что он инициализирован и его поля имеют валидные значения.

Хранимые параметры

Параметры настройки модуля хранятся во внутреннем EEPROM микроконтроллера, так как изменяются не часто и быстрая деградация ему не грозит.

• разрешение/запрещение каждого канала сенсорного блока
• периоды обновления для каждого канала температуры и давления
• калибровка счетчиков расхода: кол-во литров на один импульс (на каждый счетчик)
• калибровка датчиков давления:
  • напряжение, соответствующее нулевому (атмосферному) давлению
  • референсное напряжение
  • давление, соответствующее референсному напояжению
• соответствие кода ROM DS18B20 с каналом температуры (на каждый канал)

SPI интерфейс

Карта памяти

Все значения хранятся в формате Little Endian.

Статус прерывания

Флаговый регистр "Статус прерывания" показывает причину, по которой была поднята линия прерывания. Значение регистра автоматически сбрасывается при чтении.

Формат значений.

• Значение потребленной воды представлено в виде 1/1000 м³. Размера в 32 бита хватит, чтобы представить число: 4'294'967.296, или 999'999.999 - то есть 9-ти разрядный счетчик, что более, чем достаточно, так как бытовые счетчики обычно имеют 8 разрядов.
• Количество количество потребленной воды на один счетный импульс также представляется в виде литров.
• Значения потребленного объема в GATT не представлены, есть только расход: литры/секунду. В GATT вообще нет значения объема. Как буду выходить их этой ситуации - не знаю.
• Значения напряжения представлены в виде 1/64 Вольта. Такое представление напряжения представлено в спецификации GATT.
• Значение давления в GATT представляется в десятых долях Паскаля и занимает 32 бита. В данном проекте, такое представление избыточно, поэтому давление представлено в виде 1/128 Бара. В случае необходимости, бары легко пересчитываются в паскали.

Калибровочные значения датчиков давления:

Модель: XIDIBEI SENSOR XDB401 SERIES Выход: 0.5-4.5В Диапазон измерения: 1МПа (10Бар)

Основная плата

Ссылки

• Репозиторий проекта: http://svn.stdio.ru/svn/trunk/smarthome/plumbing_controller/
• Модуль LED дисплея: http://svn.stdio.ru/svn/trunk/mt-32/sed1200led/