Xây dựng cảm biến mực nước với cảm biến siêu âm và thiết bị trợ giúp tại nhà

Mặc dù có một số thiết bị và chỉ báo mức nước có sẵn để theo dõi mức nước trong bể chứa nước trên cao, nhưng các thiết bị này thường có giá quá đắt và chức năng hạn chế. Bên cạnh đó, chúng yêu cầu nhúng điện cực hoặc một công tắc vào nước để hoạt động; điều này có thể làm ô nhiễm nước và ăn mòn theo thời gian.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể xây dựng một cảm biến mực nước dựa trên Wi-Fi không dây và không tiếp xúc để báo cáo lượng nước còn lại trong bể của bạn trực tiếp trên điện thoại thông minh của bạn? Trong hướng dẫn Tự làm này, chúng tôi sẽ xây dựng một chỉ báo mực nước như vậy bằng cách sử dụng bảng NodeMCU và cảm biến siêu âm đặt ở trên cùng của nắp két nước và báo cáo dữ liệu về điện thoại thông minh của bạn thông qua Home Assistant.

Làm thế nào nó hoạt động?

Cảm biến mực nước siêu âm hoạt động bằng cách gửi sóng âm thanh ở một tần số cụ thể (còn được gọi là sóng siêu âm) và nhận sóng phản xạ từ đối tượng được nhắm mục tiêu. Cảm biến sẽ tính toán và báo cáo khoảng cách giữa cảm biến và vật thể dựa trên thời gian sóng âm hoặc sóng siêu âm truyền đi và phản xạ lại.

Cảm biến siêu âm báo cáo giá trị khoảng cách tính bằng cm (cm) theo mặc định. Cùng với độ sâu của bể, giá trị này do cảm biến siêu âm báo cáo có thể được sử dụng để tìm lượng nước còn lại trong bể bằng cách tính toán khoảng cách giữa mực nước bể và cảm biến siêu âm.

Những thứ bạn cần

Để chế tạo cảm biến mực nước thông minh này, bạn cần những điều sau:

• MCU dựa trên ESP8266, chẳng hạn như NodeMCU, D1 Mini, ESP01, v.v.
• Một cảm biến siêu âm SR04
• Dây nhảy

Đối với dự án này, bạn nên sử dụng cảm biến siêu âm chống nước JSN-SR04 để ngăn ngừa hư hỏng cảm biến do độ ẩm.

Các bước xây dựng cảm biến mực nước thông minh

Bạn có thể làm theo các bước dưới đây để xây dựng cảm biến mực nước siêu âm không tiếp xúc dựa trên Wi-Fi thông minh để theo dõi mức tiêu thụ nước và tiết kiệm cho bạn khi phải leo lên cầu thang hoặc bể nước để kiểm tra bằng tay. Bạn cũng có thể sử dụng cảm biến này để theo dõi mức độ bể muối.

Bước 1: Cài đặt và thiết lập Home Assistant

Home Assistant (HA) được ưu tiên nhưng không bắt buộc phải xây dựng bộ điều khiển hoặc cảm biến mực nước dựa trên Wi-Fi thông minh. Tuy nhiên, nếu bạn muốn nhận thông báo, theo dõi mức tiêu thụ hàng ngày / hàng tuần / hàng tháng hoặc thêm tự động hóa dựa trên cấp độ xe tăng, bạn phải thiết lập Home Assistant.

Bạn có thể làm theo hướng dẫn trước đây của chúng tôi để cài đặt Home Assistant trên Raspberry Pi hoặc máy tính xách tay cũ. Nếu không muốn cài đặt hoặc thiết lập Home Assistant, bạn có thể cài đặt chương trình cơ sở Tasmota và sử dụng nó để kiểm tra mực nước. Mặc dù nó không trực quan như Home Assistant, nhưng nó thực hiện công việc và báo cáo giá trị thô thông qua một trang web.

Bước 2: Đo độ sâu bể chứa

Bạn cần đo độ sâu của bể. Bạn có thể làm như vậy bằng cách sử dụng thước đo chiều cao của bể từ bên ngoài hoặc bên trong.

Khi bạn đã có kết quả đo, hãy đo khoảng cách giữa nắp bể nơi lắp đặt cảm biến siêu âm và vành của bể chứa nước. Đây là khoảng cách mà bạn cần phải trừ đi từ tổng độ sâu.

Ví dụ: nếu chiều cao bể là 120 cm và khoảng cách giữa cảm biến trên nắp và vành nước là 10 cm, thì độ sâu là 120 – 10 = 110cm.

Bước 2: Biên dịch chương trình cơ sở

Để biên dịch phần sụn, hãy mở Home Assistant và cài đặt tiện ích bổ sung ESPHome nếu bạn chưa có. Sau đó làm theo các bước sau:

1. Nhấn vào + Thiết bị mới khuy ao và sau đó nhấp vào Tiếp tục.
2. Nhập tên cho tệp phần sụn, chẳng hạn như waterlevelsensor, và bấm vào Tiếp theo.
3. Chọn MCU bạn có, chẳng hạn như NodeMCU, ESP32 hoặc D1 Mini và nhấp vào Tiếp theo. Sau đó nhấn vào Nhảy.

Bây giờ tìm waterlevelsensor chiếu và nhấp chuột Biên tập. Điều này mở ra waterlevelsensor.yaml tập tin. Trong tệp, sao chép và dán mã YAML này. Trong mã, hãy chỉnh sửa những điều sau:

• Nhập SSID Wi-Fi và mật khẩu của bạn.
• Chỉnh sửa các giá trị trong công thức dưới bộ lọc với khoảng cách giữa cảm biến và vành nước và chiều cao của bình đầy.
• Nhấp chuột Tiết kiệm.
• Kết nối NodeMCU, ESP32 hoặc D1 mini của bạn với PC bằng cáp micro USB, sau đó nhấp vào Cài đặt.
• Chọn Cắm vào máy tính này Lựa chọn. Thao tác này sẽ bắt đầu biên dịch mã YAML và tạo tệp phần sụn (waterlevelsensor.bin). Điều này có thể mất một thời gian.
• Sau khi phần sụn được biên dịch, hãy nhấp vào Tải xuống dự án để tải xuống waterlevelsensor.bin tập tin.

Bước 3: Flash Firmware trên NodeMCU

Để flash firmware waterlevelsensor.bin, bạn có thể tải xuống ESPHome-Flasher hoặc sử dụng web ESPHome. Các bước thực hiện như sau:

Sau khi tải xuống chương trình cơ sở, hãy nhấp vào Mở trang web ESPHome.

Nhấp chuột Kết nối và sau đó chọn cổng COM nối tiếp USB nơi NodeMCU, D1 Mini hoặc ESP32 của bạn được kết nối.

Nhấp chuột Cài đặt. Nhấp chuột Chọn tập tinduyệt đến waterlevelsensor.bin tập tin phần sụn và nhấp vào Cài đặt. Sau khi chương trình cơ sở được flash, hãy ngắt kết nối cáp USB.

Bước 4: Kết nối Cảm biến siêu âm với NodeMCU

Tham khảo sơ đồ bên dưới để kết nối cảm biến siêu âm SR04 với bảng MCU.

NodeMCU / ESP32 / D1 Mini	Cảm biến siêu âm SR04
3V3	Vcc
D5	Trig
D6	Echo
GND	GND

Nếu bạn đang sử dụng mô-đun siêu âm JSN SR04 M-2 chống thấm nước, hãy kết nối các chân như thể hiện trong sơ đồ.

NodeMCU / ESP32 / D1 Mini	Cảm biến siêu âm JSN-SR04
Vin	5V
D5	Trig
D6	Echo
GND	GND

Sau khi cảm biến siêu âm được kết nối với MCU, hãy kết nối lại cáp USB. Thiết bị sẽ tự động kết nối với mạng Wi-Fi dựa trên các chi tiết bạn đã nhập trong mã và sẽ được hiển thị như Trực tuyến bên trong Trang tổng quan ESPHome.

Nhấp chuột Nhật ký Bên dưới cảm biến nước. Thao tác này sẽ hiển thị nhật ký và dữ liệu mà cảm biến nhận được.

Nếu nhật ký hiển thị thông tin như trong ảnh chụp màn hình, bạn có thể tiếp tục và định cấu hình cảm biến trong Home Assistant.

Nếu bạn thấy “Đo khoảng cách đã hết thời gian chờ”, hãy làm như sau:

• Kiểm tra xem bạn đã kết nối đúng các chân cảm biến siêu âm với MCU chưa.
• Mô-đun JSN SR04 M-2 có thể đo được 20-400cm. Vậy phải giữ vật cách xa ít nhất 20cm. Bạn cũng cần thực hiện các thay đổi trong mã cho phù hợp.
• Cảm biến siêu âm mà chúng tôi đã sử dụng có thể không đo được khoảng cách xa hơn 400cm. Nếu bể của bạn sâu hơn 400cm (bất thường), điều này có thể không hiệu quả với bạn.

Bước 5: Thêm cảm biến mực nước thông minh vào Trợ lý nhà

Để thêm cảm biến mực nước siêu âm vào Home Assistant để theo dõi, hãy làm theo các bước sau:

1. Trong Trợ lý gia đình, hãy chuyển đến Cấu hình> Thiết bị và Dịch vụ.
2. Các waterlevelsensor nên được tự động phát hiện và liệt kê. Nếu không, hãy nhấp vào Thêm tích hợp.
3. Tìm kiếm và chọn ESPHome.
4. Nhập địa chỉ IP của waterlevelsensor. Bạn có thể tìm thấy điều này từ nhật ký hoặc bộ định tuyến Wi-Fi của mình. Sau khi nhập địa chỉ IP, hãy nhấp vào Gửi đi.
5. Chọn một khu vực và nhấp vào Hoàn thành.
6. CThe cảm biến sẽ được liệt kê trong ESPHome. Nhấp chuột waterlevelsensor và chọn thực thể.
7. Nhấp chuột Thêm vào Lovelace.
8. Chọn một phòng và nhấp vào Tiếp theo.
9. Điều này sẽ thêm waterlevelsensor vào trang tổng quan.

Bạn có thể tùy chỉnh thêm thẻ mặc định bằng cách thêm phần sau vào trình chỉnh sửa mã:

type: gauge
name: Water Level Sensor
unit: '%'
entity: sensor.waterlevelsensor
green: 0
yellow: 45
red: 85

Bước 6: Lắp đặt cảm biến vào nắp két nước của bạn

Bây giờ bạn có thể lắp đặt cảm biến trong bể nước của mình. Đối với dự án, chúng tôi đã sử dụng cảm biến SR04, không có khả năng chống thấm nước. Để làm cho nó không thấm nước, chúng tôi đã sử dụng một vỏ trong suốt và sơn móng tay đủ để cách điện các bộ phận điện trên bo mạch.

Chúng tôi khoan hai lỗ nhỏ và sử dụng một dây kim loại để giữ mô-đun SR04 được gắn vào vỏ. Một lỗ khác lớn hơn đã được tạo cho các dây kết nối với cảm biến siêu âm. Chúng tôi đã sử dụng một dây dài 4 lõi để giao tiếp cảm biến siêu âm với NodeMCU vì bể được đặt trên sân thượng và nhiệt độ ở đây có thể tăng lên 40-45 ° C.

Bạn có thể giữ cả hai trong một trường hợp và cấp nguồn cho NodeMCU. Ngoài ra, hãy đảm bảo cường độ tín hiệu Wi-Fi tốt khi bạn đang cài đặt NodeMCU hoặc cảm biến. Đọc hướng dẫn của chúng tôi về cách tăng tín hiệu Wi-Fi của bạn để mở rộng phạm vi Wi-Fi.

Kiểm soát máy bơm nước để giữ đầy bể

Bằng cách tích hợp cảm biến mực nước thông minh với Home Assistant, bạn có thể thêm tính năng tự động hóa để nhận thông báo trên điện thoại thông minh của mình hoặc qua Alexa / Google Assistant khi mức bình chứa gần hết hoặc đầy. Tương tự, bạn có thể thêm tính năng tự động hóa để bật máy bơm nước để làm đầy bể chứa khi nó sắp cạn và tự động tắt khi mức độ bể chứa đạt đến một mức nhất định, chẳng hạn như 90-100%.

Ngoài ra, bạn có thể thêm đầu dò cảm biến nhiệt độ chống thấm nước, chẳng hạn như DS18B20, vào cảm biến mực nước thông minh của bạn để kiểm tra và theo dõi nhiệt độ nước trong bể.

Đọc tiếp

Thông tin về các Tác giả