🥇SMS monitoring hmotnosti tří úlů za 30$

Ne, to není komerční nabídka, to je cena komponentů systému, který si budete moci sestavit po přečtení článku.

Trocha historie:

Nedávno jsem se rozhodl chovat včely, a skutečně se objevily... na celou sezónu, ale nepřežily zimu.
A to i přesto, že jsem se zdánlivě snažil správně — podzimní přikrmování, zateplení před chladem.
Úl byl klasický dřevěný systém "Dadant" na 10 rámků z 40mm desek.
Ale tu zimu kvůli teplotním "výkyvům" ztratili i zkušení včelaři mnohem více než obvykle.

Tak přišla myšlenka na systém monitorování stavu úlu.
Po publikaci několika článků na serveru Habr a komunikaci na fóru včelařů jsem se rozhodl jít od jednoduchého ke složitému.
Hmotnost je jediný jednoznačný parametr, ale většina existujících systémů sleduje pouze jeden "standardní" úl.
Pokud se něco pokazí (například vylétnutí roje, nemoc včel), ukazatele nejsou aktuální.

Proto bylo rozhodnuto sledovat změny hmotnosti hned tří úlů jedním mikrokontrolérem, a další "vychytávky" přidat později.
Nakonec vznikl autonomní systém s výdrží přibližně měsíc na jednom nabití baterie 18650 a odesíláním statistik jednou denně.
Snažil jsem se konstrukci maximálně zjednodušit, aby ji bylo možné zopakovat i bez schémat, pouze podle fotografií.

Logika fungování je následující: při prvním spuštění/resetování se v EEPROM uloží hodnoty senzorů umístěných pod úly.
Dále, každý den po západu slunce se systém "probudí", přečte hodnoty a odešle SMS s změnou hmotnosti za den a od okamžiku zapnutí.
Kromě toho se přenáší hodnota napětí baterie, a při poklesu pod 3.5V se vydává upozornění na nutnost nabití, protože pod 3.4V se modul spojení nezapne, a hodnoty hmotnosti již "plavou".

"Pamatuješ, jak to všechno začalo. Všechno bylo poprvé a znovu."

Ano, takový byl původní set "hardwaru", pravda, do konečné verze přežily pouze tenzometry a kabely, ale vše hezky po pořádku.
Ve skutečnosti kabelový svazek nebude potřeba, prostě se ukázalo, že má stejnou cenu jako 30m na kus.

Pokud vás neodrazuje demontáž 3 smd-LED diod a půl stovky bodů běžného (vývodového) pájení — tak směle do toho!

Takže budeme potřebovat následující sadu vybavení/materiálů:

Arduino Pro Mini 3V
Je třeba věnovat pozornost integrovanému obvodu lineárního převodníku — musí být právě na 3,3V — na čipu označení KB 33/LB 33/DE A10 — já jsem měl problém, protože celá dávka
desek v obchodě byla s 5voltovými regulátory a krystaly na 16 MHz.
USB-Ttl na čipu CH340 — může být i 5voltový, ale pak je třeba při nahrávání mikrokontroléru Arduino odpojit od GSM modulu, aby se poslední nespálil.
Desky na čipu PL2303 nefungují pod Windows 10.
GSM komunikační modul Goouu Tech IOT GA-6-B nebo AI-THINKER A-6 Mini.
Proč jsem si vybral tento? Neoway M590 — konstrukce, která vyžaduje určité obraty, GSM SIM800L — nelíbil se mi neobvyklý logický úroveň 2,8V, která potřebovala přizpůsobení i na třívoltovém arduinu.
Kromě toho, řešení od AiThinker má minimální spotřebu energie (při odesílání SMS jsem nepozoroval proud vyšší než 100mA).
Anténa GSM GPRS 3DBI (na obrázku výše — obdélníková deska s "ocáskem", na 9 hodin)
Startovací balíček operátora s dobrou pokrytí v místě umístění vaší včelí farmy.
Ano, balíček je třeba nejprve aktivovat v běžném telefonu, VYPNOUT ŽÁDOST O PIN při přihlášení a dobít kredit.
Nyní existuje mnoho variant s názvy jako "Senzor", "IoT" — mají o něco nižší měsíční poplatek.
Dupont kabel 20cm žena-žena — 3 ks. (pro připojení Arduino k USB-TTL)
3ks. HX711 — ADC pro váhy
6 tenzometrických senzorů na váhu do 50kg
15 metrů 4žilového telefonního kabelu — pro spojení váhových modulů s ARDUINO.
Fotorezistor GL5528 (důležité je mít tento, s temným odporem 1MΩ a světlým 10-20kΩ) a dva běžné rezistory na 20k
Kousek oboustranné "tlusté" pásky 18x18mm — pro připevnění arduina k modulu komunikace.
Držák baterií 18650 a samotná baterie ~2600mAh.
Trochu vosku nebo parafínu (svíčka-tableta aromalampy) — pro ochranu HX711 před vlhkostí.
Kus dřevěného trámu 25x50x300mm pro základnu tenzometrických senzorů.
Dvanáct samořezných šroubů s presspodložkou 4,2x19 mm pro upevnění senzorů k základně.

Baterii můžete vzít z rozebraných notebooků — je to výrazně levnější než nová a kapacita bude mnohem větší než u čínské UltraFire — já mám 1500 místo 450 (to u fire má 6800 😉)

Kromě toho budou potřeba šikovné ruce, páječka EPSN-25, kalafuna a pájka POS-60.

Před 5 lety jsem používal sovětskou páječku s měděným hrotem (pájecí stanice mi nikdy nesedly — bral jsem je na testování a končil s obvodem EPSN).
Ale po jejím zničení a několika hrozných čínských padělcích, z nichž poslední se jmenovala Sparta — věc stejně drsná jako její název, jsem se zastavil
na výrobku s termoregulačním zařízením.

Tak jdeme na to!

Nejprve vypájíme ze GSM modulu dvě LED diody (místo, kde byly, je obkresleno oranžovým oválem)
SIM kartu vkládáme kontaktními plochami k tištěnému obvodu, zkosený roh na fotce je označen šipkou.

Dále provádíme podobný postup se světelnou diodou na desce Arduino (ovál vlevo od čtvercového čipu),
Pájíme hřebínek na čtyři kontakty (1),
Bereme dva rezistory 20k, svážeme vývody z jedné strany, pájíme svazek do otvoru kontaktu A5, zbývající vývody do RAW a GND Arduina (2),
Fotorezistoru zkracujeme nohy na 10 mm a pájíme ho k vývodům GND a D2 desky (3).

Teď přišel čas na modrou izolační pásku oboustranné lepicí pásky — lepíme ji na držák SIM karty modulu, a nahoře — Arduinu — červené (stříbrné) tlačítko je obráceno k nám a nachází se nad SIM kartou.

Pájíme napájení: plus z kondenzátoru modulu (4) na kontakt RAW Arduina.
Jde o to, že samotný modul vyžaduje pro své napájení 3.4-4.2V, a jeho kontakt PWR je přiveden na snižující měnič step-down, proto pro práci z li-ion baterie musíme napětí dodávat mimo tuto část obvodu.

Na Arduinu naopak zavádíme napájení přes lineární měnič — při malých odběrech proudu, pokles napětí drop-out činí 0.1V.
Tím podáváním stabilizovaného napětí na moduly HX711 se zbavujeme nutnosti je upravovat na nižší napětí (a zároveň se vyhneme zvýšení šumů v důsledku této operace).

Dále pájíme propojky (5) mezi kontakty PWR-A1, URX-D4 a UTX-D5, „zem“ GND-G (6) a nakonec napájení z držáku baterií 18650 (7), připojujeme anténu (8).
Teď vezmeme USB-TTL převodník a propojujeme vodiči Dupont s ARDUINO (hřebínek 1) kontakty RXD-TXD a TXD-RXD, GND-GND:

Na výše uvedené fotografii je první verze (ze tří) systému, který byl použit k ladění.

A teď se na chvíli od páječky odkloníme a přejdeme k softwarové části.
Popíšu sekvenci akcí pro Windows:
Nejprve je nutné stáhnout a nainstalovat/rozbalit program Arduino IDE — aktuální verze — 1.8.9, ale já používám 1.6.4

Pro zjednodušení rozbalíme archiv do složky C:arduino-„číslo_vaší_verze“, uvnitř budeme mít složky /dist, drivers, examples, hardware, java, lib, libraries, reference, tools, a také spustitelný soubor arduino (kromě dalších).

Nyní budeme potřebovat knihovnu pro práci s ADC HX711 — zelené tlačítko „clone or download“ — stáhnout ZIP.
Obsah (složka HX711-master) umístíme do adresáře C:arduino-„číslo_vaší_verze“libraries

A samozřejmě ovladač pro USB-TTL z toho stejného githubu — z rozbaleného archivu jednoduše spustíme instalační soubor SETUP.

Ok, spouštíme a nastavujeme program C:arduino-„číslo_vaší_verze“arduino

Přejdeme do sekce „Nástroje“ - vybereme desku „Arduino Pro or Pro Mini“, procesor Atmega 328 3.3V 8 MHz, port — číslo kromě systémového COM1 (ten se objeví po instalaci ovladače CH340 při připojeném USB-TTL adaptéru)

Ok, zkopírujeme následující sketč (program) a vložíme ho do okna Arduino IDE

char phone_no[]="+123456789012"; // Your phone number that receive SMS with counry code 
#include <avr/sleep.h>  // ARDUINO sleep mode library
#include <SoftwareSerial.h> // Sofrware serial library
#include "HX711.h" // HX711 lib. https://github.com/bogde/HX711
#include <EEPROM.h> // EEPROM lib.
HX711 scale0(10, 14);
HX711 scale1(11, 14);
HX711 scale2(12, 14);
#define SENSORCNT 3
HX711 *scale[SENSORCNT];

SoftwareSerial mySerial(5, 4); // Set I/O-port TXD, RXD of GSM-shield  
byte pin2sleep=15; //  Set powerON/OFF pin

float delta00; // delta weight from start
float delta10;
float delta20;
float delta01; // delta weight from yesterday
float delta11;
float delta21;

float raw00; //raw data from sensors on first start
float raw10;
float raw20;
float raw01; //raw data from sensors on yesterday
float raw11;
float raw21;
float raw02; //actual raw data from sensors
float raw12;
float raw22;

word calibrate0=20880; //calibration factor for each sensor
word calibrate1=20880;
word calibrate2=20880;

word daynum=0; //numbers of day after start

int notsunset=0;

boolean setZero=false;

float readVcc() { // Read battery voltage function
  long result1000;
  float rvcc;  
  result1000 = analogRead(A5);
  rvcc=result1000;
  rvcc=6.6*rvcc/1023;
  return rvcc;
}

void setup() { // Setup part run once, at start

  pinMode(13, OUTPUT);  // Led pin init
  pinMode(2, INPUT_PULLUP); // Set pullup voltage
  Serial.begin(9600);
  mySerial.begin(115200); // Open Software Serial port to work with GSM-shield
  pinMode(pin2sleep, OUTPUT);// Itit ON/OFF pin for GSM
  digitalWrite(pin2sleep, LOW); // Turn ON modem
  delay(16000); // Wait for its boot 

scale[0] = &scale0; //init scale
scale[1] = &scale1;
scale[2] = &scale2;

scale0.set_scale();
scale1.set_scale();
scale2.set_scale();

delay(200);

setZero=digitalRead(2);

if (EEPROM.read(500)==EEPROM.read(501) || setZero) // first boot/reset with hiding photoresistor
//if (setZero)
{
raw00=scale0.get_units(16); //read data from scales
raw10=scale1.get_units(16);
raw20=scale2.get_units(16);
EEPROM.put(500, raw00); //write data to eeprom
EEPROM.put(504, raw10);
EEPROM.put(508, raw20);
for (int i = 0; i <= 24; i++) { //blinking LED13 on reset/first boot
    digitalWrite(13, HIGH);
    delay(500);
    digitalWrite(13, LOW);
    delay(500);
  }
}
else {
EEPROM.get(500, raw00); // read data from eeprom after battery change
EEPROM.get(504, raw10);
EEPROM.get(508, raw20);
digitalWrite(13, HIGH); // turn on LED 13 on 12sec. 
    delay(12000);
digitalWrite(13, LOW);
}

delay(200); // Test SMS at initial boot

//
  mySerial.println("AT+CMGF=1");    //  Send SMS part
  delay(2000);
  mySerial.print("AT+CMGS="");
  mySerial.print(phone_no); 
  mySerial.write(0x22);
  mySerial.write(0x0D);  // hex equivalent of Carraige return    
  mySerial.write(0x0A);  // hex equivalent of newline
  delay(2000);
  mySerial.println("INITIAL BOOT OK");
  mySerial.print("V Bat= ");
  mySerial.println(readVcc());
 if (readVcc()<3.5) {mySerial.print("!!! CHARGE BATTERY !!!");}
  delay(500);
  mySerial.println (char(26));//the ASCII code of the ctrl+z is 26
  delay(3000);

//  

raw02=raw00;
raw12=raw10;
raw22=raw20;

//scale0.power_down(); //power down all scales 
//scale1.power_down();
//scale2.power_down();

}

void loop() {

  attachInterrupt(0, NULL , RISING); // Interrupt on high lewel
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); //Set ARDUINO sleep mode
  digitalWrite(pin2sleep, HIGH); // Turn OFF GSM-shield
  delay(2200);
  digitalWrite(pin2sleep, LOW); // Turn OFF GSM-shield
  delay(2200);
  digitalWrite(pin2sleep, HIGH);
  digitalWrite(13, LOW);
  scale0.power_down(); //power down all scales 
  scale1.power_down();
  scale2.power_down();
  delay(90000);
  sleep_mode(); // Go to sleep
  detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(0)); // turn off external interrupt

  notsunset=0;
 for (int i=0; i <= 250; i++){
      if ( !digitalRead(2) ){ notsunset++; } //is a really sunset now? you shure?
      delay(360);
   }
  if ( notsunset==0 )
  { 
  digitalWrite(13, HIGH);
  digitalWrite(pin2sleep, LOW); // Turn-ON GSM-shield
  scale0.power_up(); //power up all scales 
  scale1.power_up();
  scale2.power_up();
  raw01=raw02;
  raw11=raw12;
  raw21=raw22;
  raw02=scale0.get_units(16); //read data from scales
  raw12=scale1.get_units(16);
  raw22=scale2.get_units(16);

  daynum++; 
  delta00=(raw02-raw00)/calibrate0; // calculate weight changes 
  delta01=(raw02-raw01)/calibrate0;
  delta10=(raw12-raw10)/calibrate1;
  delta11=(raw12-raw11)/calibrate1; 
  delta20=(raw22-raw20)/calibrate2;
  delta21=(raw22-raw21)/calibrate2;

  delay(16000);
  mySerial.println("AT+CMGF=1");    //  Send SMS part
  delay(2000);
  mySerial.print("AT+CMGS="");
  mySerial.print(phone_no); 
  mySerial.write(0x22);
  mySerial.write(0x0D);  // hex equivalent of Carraige return    
  mySerial.write(0x0A);  // hex equivalent of newline
  delay(2000);
  mySerial.print("Turn ");
  mySerial.println(daynum);
  mySerial.print("Hive1  ");
  mySerial.print(delta01);
  mySerial.print("   ");
  mySerial.println(delta00);
  mySerial.print("Hive2  ");
  mySerial.print(delta11);
  mySerial.print("   ");
  mySerial.println(delta10);
  mySerial.print("Hive3 ");
  mySerial.print(delta21);
  mySerial.print("   ");
  mySerial.println(delta20);

  mySerial.print("V Bat= ");
  mySerial.println(readVcc());
  if (readVcc()<3.5) {mySerial.print("!!! CHARGE BATTERY !!!");}
  delay(500);
  mySerial.println (char(26));//the ASCII code of the ctrl+z is 26
  delay(3000);

  }

}

V prvním řádku, v uvozovkách char phone_no[]=„+123456789012“; — místo 123456789012 zadejte své telefonní číslo s kódem země, na které budou chodit SMS.

Nyní stiskneme tlačítko zkontrolovat (nad číslicí jedna na screenshotu výše) — pokud dolů (pod trojkou na screenu) uvidíme „Kompilace dokončena“ — můžeme nahrát firmware do mikrokontroléru.

Takže, USB-TTL je připojen k ARDUINO a počítači, vložte nabitou baterii do držáku (obvykle na nové arduince začne blikat LED dioda frekvencí jednou za sekundu).

Nyní nahrávání — trénujeme stisknout červené (stříbrné) tlačítko mikrokontroléru — to bude třeba udělat přesně v určitý moment!!!
Je to tak? Stiskneme tlačítko „Nahrát“ (nad dvojkou na screenshotu) a pečlivě sledujeme řádek v dolní části rozhraní (pod trojkou screenu).
Jakmile se nápis „kompilace“ změní na „nahrávání“ — stiskneme červené tlačítko (reset) — pokud je vše v pořádku — na USB-TTL adaptéru radostně začnou blikat světla a v dolní části rozhraní se objeví nápis „Nahráno“

Nyní, zatímco čekáme na příjem testovací SMS na telefon, povím vám, jak program funguje:

Na fotografii — druhá verze testovacího stánku.

Při prvním zapnutí systém porovná bajty číslo 500 a 501 EEPROM, pokud jsou stejné, znamená to, že kalibrační data nejsou zapsána, a algoritmus přejde do části nastavení.
To samé se stane, pokud je při zapnutí fotorezistor ve stínu (například krytkou z propisky) — aktivuje se režim resetování parametrů.

Tenzometry by již měly být nainstalovány pod úly, protože jen fixujeme počáteční úroveň nuly a poté měříme změnu váhy (teď přijde jen nula, protože jsme ještě nic nepřipojili).
Na Arduinu začne blikání vestavěné diody na pinu 13.
Pokud nedojde k resetování, diode se rozsvítí na 12 sekund.
Poté se odešle testovací SMS s zprávou „INITIAL BOOT OK“ a napětím baterie.
Modul komunikace se vypne a po 3 minutách deska Arduino přepne desky ADC HX711 do spánkového režimu a sama usne.
Tato prodleva je nastavena, aby se zabránilo rušení od pracujícího GSM modulu (po vypnutí ještě chvíli „šumí“).

Dále máme aktivováno přerušení podle fotodetektoru na druhém pinu (plus je tažen pomocí funkce pullup).
Po aktivaci se ještě 3 minuty kontroluje stav fotorezistoru — aby se vyloučily opakované/falešné aktivace.
Co je zajímavé, bez jakéhokoliv nastavení systém reaguje 10 minut po astronomickém západu slunce v zataženém počasí a 20 minut v jasném.
Ano, aby systém při každém zapnutí nedělal reset, musí být připojen alespoň první modul HX711 (piny DT-D10, SCK-A0).

Poté se odečtou hodnoty tenzometrů, vypočítá se změna váhy od posledního spuštění (první číslo v řádku po úlu) a od prvního zapnutí, zkontroluje se napětí baterie a tato informace se odešle ve formě SMS:

Mimochodem, dostali jste SMS? Gratuluji! Jsme na půl cesty! Baterii lze zatím vyjmout z držáku, počítač již dále není potřeba.

Mimochodem, centrum řízení letu je tak kompaktní, že se vejde do sklenice od majonézy; v mém případě se výborně hodila poloprůhledná krabička o rozměrech 30x60x100 mm (od vizitek).

Ano, spící systém spotřebovává přibližně 2,3 mA — na 90 % kvůli komunikačnímu modulu — ten se zcela nevypíná, ale přepíná do režimu čekání.

Začínáme s výrobou senzorů, nejdříve se dotkneme schématu umístění senzorů:

To je plán úlu — pohled zeshora.

Klasicky se instalují 4 senzory do rohů (1,2,3,4)

Budeme měřit jinak. Přesněji řečeno, jako třetí variantu. Protože jinak to dělají kluci z BroodMinder:

V této konstrukci jsou senzory umístěny na pozicích 1 a 2, body 3 a 4 se opírají o trám.
Na senzory tedy připadá pouze polovina hmotnosti.
Ano, tato metoda má nižší přesnost, ale je těžké si představit, že by včely postavily všechny rámky "jazyky" ze včelího vosku podél jedné stěny úlu.

Navrhuji proto úplně spojit senzory do bodu 5 — tím odpadá nutnost stínění systému, a při použití lehkých úlů se dá obejít dokonce i jedním senzorem.

Obecně bylo zkontrolováno dva typy modulů na HX711, dva typy senzorů a dvě varianty jejich připojení — s plným Wheatstonovým můstkem (2 senzory) a s polovičním, kdy druhá část je doplněna 1k rezistory s tolerancí 0,1%.
Ale poslední způsob je nežádoucí a ani výrobci senzorů ho nedoporučují, proto popíšu pouze první.

Takže na jeden úl budeme instalovat dva tenzometry a jeden modul HX711, schéma zapojení je následující:

Od desky ADC jde 5 metrů 4žilového telefonního kabelu — připomínáme si, jak včely nemají rády GSM zařízení v úlu..

Celkově na senzorech necháváme "ocasy" po 8 cm, odizolujeme kroucenou páru a všechno zapojíme jako na fotce výše.

Než začneme dřevařskou část, dáme vosk/parafín do vhodné nádoby, aby se rozpustil ve vodní lázni.

Nyní vezmeme náš trám a rozdělíme ho na tři kusy po 100 mm.

Poté vyznačíme podélnou drážku o šířce 25 mm, hloubce 7-8 mm, a pomocí pilky a dláta odstraníme přebytek — měl by vyjít U-profil.

Rozpustil se vosk? — ponoříme do něj naše desky ADC — to je ochrání před vlhkostí/mlhou:

Umístíme vše na dřevěný podklad (je nutné ošetřit antiseptikem proti hnilobě):

A nakonec upevníme senzory samořeznými šrouby:

Byla tu ještě varianta s modrou izolační páskou, ale z humanitárních důvodů ji nezmiňuji 😉

Z pohledu Arduina uděláme následující:

Odizolujeme naše telefonní kabely, barevné vodiče zkroucíme mezi sebou a cínujeme.

Poté pájíme k kontaktům desky jako na fotce:

Všechno, nyní pro konečné zkontrolování, umístíme senzory po sektorech kruhu, nahoře — kus překližky, nulujeme kontrolér (vložíme baterii s nasazeným víčkem od propisovací tužky na fotodiod).

LED dioda na Arduinu by měla začít blikat a mělo by dorazit testovací SMS.

Dále sundáme víčko z fotoelementu a jdeme naplnit 1,5 litrovou plastovou láhev.
Postavíme láhev na překližku a pokud již uplynulo několik minut od zapnutí, nasadíme víčko zpět na fotorezistor (napodobující západ slunce).

Po třech minutách by se měla LED dioda na Arduinu rozsvítit a měla by vám přijít SMS se změnami hmotnosti kolem 1 kg na všech pozicích.

Gratuluji! Systém byl úspěšně sestaven!

Pokud nyní necháte systém znovu fungovat, první sloupec hmotností bude obsahovat nuly.

Ano, v reálných podmínkách by měl být fotorezistor orientován svisle nahoru.

Nyní přináším krátký manuál k používání:

Instalujte tenzoděly pod zadní stěny úlů (pod přední umístěte prkno o tloušťce ~30 mm)
Zat shadow image fotorezistor a připojte baterii – měla by začít blikat LED dioda a mělo by přijít testovací SMS s textem „INITIAL BOOT OK“
Umístěte centrální blok co nejdále od úlů tak, aby kabely nepřekážely při práci s včelami.
Každý večer po západu slunce přijde SMS se změnami váhy za den a od okamžiku zapnutí.
Při dosažení napětí baterie 3,5V bude SMS končit textem „!!! NABÍJTE BATERII !!!“
Doba provozu na jednu baterii s kapacitou 2600 mAh je přibližně měsíc.
V případě výměny baterie se denní změny hmotnosti úlů neuchovávají.