APIW – systém úlové váhy

Existují na světě lidé, kteří jsou neskutečným způsobem zapájení pro svou věc. Pokud se budete chvíli v blízkosti takových lidí pohybovat, je jisté, že některá z jejich jisker přeskočí i na vás.

A to se mi přesně stalo.

Stačilo strávit týden společné dovolené s Jankou a Danem. Oba dva jsou úplně bláznivě zamilovaní do chovu včel a výrobě všeho možného z jejich produktů. V průběhu diskusí o životě včel jsme se dostali i k tématu vážení jednotlivých úlů. Do této doby mě vůbec nenapadlo, že pravidelná kontrola hmotnosti úlu může včelaři poskytnout užitečné informace. A tak se zrodil:

Projekt APIW (úlová váha)

Zadaní projektu:

Systém musí umět zvážit úl a případně zjistit další parametry v okolí úlu.
Zařízení je pevně umístěné na úlu (nebude se po ukončení vážení odstraňovat).
Vážení probíhá bezobslužně v pravidelných intervalech.
Systém musí být schopen zajistit vážení až 100 úlů v na jednom stanovišti.
Data zjištěná při vážení se musí odesílat do databáze, kde budou k dispozici pro mobilní případně webovou aplikaci.
Systém musí fungovat na stanovišti bez připojení k elektrické napájecí síti.
K dispozici je bateriové napájení se solárním dobíjením.

Řešení projektu:

Hardwarovou část projektu jsem rozdělil na dvě části
- Modul váhového senzoru, který zajistí změření hmotnosti a teploty uvnitř a vně úlu.
  - Řídicím obvodem modulu je ESP8266 s možností komunikace prostřednictví Wi-Fi.
  - Vážení zajistí čtveřice tenzometrů s váživostí do 50kg a převodník HX711.
  - Teplotu měří dvě vodotěsná digitální teplotní čidla DS18B20. Venkovní teplota je důležitá kvůli případné teplotní kompenzaci naměřených hodnot. Vnitřní teplota je pro včelaře nezajímavá informace, ale to jsem se dověděl až dodatečně.
  - Tlačítko a LED kvůli možnosti spuštění modulu v konfiguračním režimu.
  - Modul je v době mezi jednotlivými měřeními v režimu hlubokého spánku. Tím snižuje svoji spotřebu na minimum.
  - Schéma váhového senzoru
- Modul datového serveru, který zajistí odesílání naměřených dat prostřednictvím internetu.
  - Řídicím obvodem datového modulu je ESP32 s možností komunikace prostřednictvím Wi-Fi.
  - RTC modul zálohovaný baterií, který zajistí informace o aktuálním datu a čase.
  - GSM modul SIM800, který zajišťuje připojení k internetu v místě, kde není dostupná žádná Wi-Fi. Do modulu je nutné vložit datovou SIM kartu. Před vložením karty chráněné PIN je nutné dodržet správný postup, aby nedošlo k jejímu zablokování. Viz Uživatelský manuál.
  - Napájecí napětí je rozděleno na dvě větve. Jedna pro napájení řídicího obvodu (6V) a druhá pro napájení GSM modulu (modul vyžaduje velice přesné napájení 4,0V).
  - První prototyp navíc obsahovat dvouřádkový LCD displej. Ten jsem v dalších modulech zrušil, protože je plně nahrazen mobilní aplikací.
  - Plánoval jsem využití SD karty pro ukládání nasbíraných dat. V žádném z prototypů jsem tuto možnost nevyužil.
  - Schéma datového serveru
Mobilní aplikace
- Přihlašování pomocí uživatelských účtů chráněných heslem.
- Vytváření stanovišť, kde budou umístěné jednotlivé sledované úly.
  - Možnost nastavení jména a přiřazení obrázku stanoviště.
- Vytváření konkrétních úlů na jednotlivých stanovištích
  - Možnost nastavení libovolného jména a přiřazení obrázku úlu.
- Zobrazuje poslední naměřená data v úlech na jednotlivých stanovištích.
- Možnost zobrazení grafu libovolného rozsahu dat.
- Při spojení s váhovým modulem slouží pro nastavení jeho konfigurace.
- Při spojení s datovým serverem slouží pro nastavení jeho konfigurace.
Webová aplikace
- umožňuje prakticky to stejné co mobilní aplikace s výjimkou konfigurace modulů.
- za vývoj této aplikace děkuji Tondovi

Nedokončené části a nápady na vylepšení

Ke každému modulu je nutné přivést napájecí napětí. Chtěl bych k nim doplnit solární napájecí moduly, které by udržely v chodu celý systém i bez lokálního napájení.

Stručný popis funkce celého systému

Chování modulu váhového senzoru
- Modul se po přesně určené době probere z hlubokého spánku.
- Změří hmotnost a teploty úlu.
- Pokud proběhl požadovaný počet měření, spojí se prostřednictvím Wi-Fi s modulem datového serveru a odešle mu naměřené hodnoty.
  - Co to znamená požadovaný počet měření?
    - Systém se může například probouzet každých 5 minut a provádět měření. Výsledek provedeného měření si modul uloží do paměti.
    - Za pět minut se znovu probudí, nahraje si uložený výsledek měření. Provede nové měření a tento nový výsledek zprůměruje s dříve uloženou hodnotou. Tento nově vypočtený průměr uloží.
    - Toto probíhá tak dlouho, než se provede předepsaný počet opakovaných měření.
    - Předpokládejme, že v systému je nastaveno provedení 12 opakování.
    - Po posledním 12. opakování systém odešle průměrnou hodnotu datovému serveru.
  - Proč je to tak složité?
    - S rezervou nám stačí, když budeme od každého úlu dostávat informace o hmotnosti 1x za hodinu. Proč tedy nenastavit dobu hlubokého spánku na 1 hodinu?
    - Co se stane v okamžiku nečekané události (krádež, rojení včel, pád stromu, …)? Pokud by modul spal po celou hodinu, tak se o této události dovíme třeba až za 1 hodinu od jejího vzniku. V našem případě se měření dělá každých 5 minut, a proto se o této události dovíme nejpozději 5 minut po jejím vzniku. V případě vzniku nečekané události systém odesílá informace okamžitě a nečeká na požadovaný počet opakovaných měření.
- Pokud by se naměřené hodnoty výrazně lišily od posledních hodnot, odešle navíc datovému serveru jedno z následujících varování:
  - hmotnost úlu se prudce zvýšila (na úl spadl strom nebo si na něj sedl medvěd, …)
  - hmotnost úlu se prudce snížila (úl se převrátil, včely se začaly rojit, …)
  - vnitřní teplota úlu je příliš nízká (jako neznalec včelaření jsem si myslel, že by to mohlo být zajímavé, ale dověděl jsem se, že teplota uvnitř úlu je i v zimních měsících stejná jako venku)
  - vnitřní teplota úlu je příliš vysoká (platí to stejné jako na předcházejícím řádku)
  - napájecí napětí na vstupu řídicího obvodu je nižší než požadovaná hodnota. Tato vlastnost se může využít při napájení modulu přímo z baterie. Je to jen myšlenka, která nebyla zatím nikde realizována, ale modul je na tuto možnost připraven.
- Modul přejde do režimu hlubokého spánku a v tomto režimu vydrží po nastavenou dobu.

Chování modulu datového serveru
- Modul je nepřetržitě v provozu a sleduje přicházející data.
- Váhové moduly postupně posílají naměřená data (počet váhových modulů připojených k datovému serveru může být teoreticky až 250)
- Dle nastavení se s naměřenými daty pracuje následovně:
  - Naměřená hodnota se okamžitě odešle do SQL databáze na internetovém serveru
  - Naměřená hodnota se uloží do zásobníku. Modul čeká, až bude mít nashromážděn určitý počet měření (max. 100), a pak provede hromadné odeslání.
  - Naměřená hodnota se uloží do zásobníku. Modul čeká po nastavenou dobu (třeba 6 hodin) a pak provede hromadné odeslání. Pokud by se zásobník naplnil na maximální hodnotu 100 měření provede se odeslání okamžitě.
  - Dvě výše uvedené možnosti jsou určeny pro případ, kdy se data odesílají prostřednictvím mobilní datové sítě. Díky těmto možnostem se nebude GSM modem připojovat do sítě po příchodu každého měření, ale až v okamžiku, kde se hodnoty nashromáždí.
- Dle nastavení se data odesílají buď prostřednictvím Wi-Fi sítě, nebo pomocí mobilní datové sítě, pokud Wi-Fi není k dispozici.
- V případě příjmu varování z kteréhokoliv úlu odešle informační SMS na zaregistrované telefony (systém umožňuje registraci až 4 telefonních čísel). To samozřejmě předpokládá, že v GSM modulu je aktivní SIM karta.
- Varování se současně odesílá i do databáze. Tyto informace využijí mobilní a webové aplikace k zobrazení upozornění.

Odkaz pro stažení nejnovější verze mobilní aplikace.

Pravděpodobně bude nutné povolit instalaci aplikací z neznámých zdrojů. Až bude aplikace hotová bude ke stažení i z Google Play.

apiw.app

Odkaz pro přechod na úvodní stránku webové aplikace:

webová aplikace APIW

Stejně funguje i ikona „chytré včely“ na úvodní stránce.

Detailní popis fungování celého systému

je popsán v uživatelském manuálu, který je k dispozici ke stažení pomocí následujícího odkazu:

Uživatelský manuál APIW

Podrobný postup sestavení váhového modulu

je popsán v příručce pro jeho sestavení. Následující odkaz slouží pro stažení tohoto manuálu:

Příručka pro sestavení váhového modulu

Postup provedení upgrade jednotlivých modulů

Postup provedení upgrade datového modulu ve verzi menší než 2.0.0 stáhnete pomocí následujícího odkazu:

Návod na provedení upgrade modulu APIW-S

Postup provedení upgrade váhového modulu ve verzi menší než 3.0.0 stáhnete pomocí následujícího odkazu:

Návod na provedení upgrade modulu APIW-C

Přehled dostupné dokumentace

Uživatelský manuál aplikace	Zobrazit PDF dokument
Scháma váhového senzoru	Zobrazit PDF dokument
Návod na sestavení váhového senzoru	Zobrazit PDF dokument
Schéma datového serveru	Zobrazit PDF dokument
TI001 … Upgrade datového modulu	Zobrazit PDF dokument
TI002 … Upgrade váhového modulu	Zobrazit PDF dokument
TI003 … Snížení spotřeby modulu úlové váhy	Zobrazit PDF dokument
TI004 … Varinty v konfiguraci	Zobrazit PDF dokument