Контроллер водопровода

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

Задачи модуля:

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

Назначение	Выводов на единицу	Кол-во кдиниц	Общее кол-во
модуль управления (ATmega8515)
светодиоды двухцветные	2	11	22
светодиоды одноцветные	1	2	2
кнопки	1	2	2
энкодер	3	1	3
SPI	4	1	4
итого			33
модуль сенсоров (ATmega1284P)
счетчики расхода (INT)	1	2	2
датчики температуры	1	2	2
датчики давления (АЦП)	1	2	2
EEPROM (I2C)	2	1	2
SPI	5	1	5
итого			13
главный контроллер
вентили	4	6	24
датчики протечки	2	4	8
модуль управления (SPI)	1	1	1
LCD/LED дисплей	7	1	7
модуль сенсоров (SPI)	2	1	2
SPI	3	1	3
BLE Mesh модуль (RS232)	2	1	4
контроллер питания	4	1	4
итого			??

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:

В случае протечки (аварии), все вентили закрываются. Открыть их потом с помощью команды BLE Mesh будет нельзя.
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:

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.
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.

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

Алфавитно-цифровой индикатор. Отображает элементы меню и различную информацию.
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.
Индикаторы датчиков протечки.
Индикаторы счетчиков расхода.
Индикатор состояния питания.
Кнопка "Ок".
Кнопка "Cancel".
Ручка энкодера и кнопка "Select".

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
  - 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

Модуль 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:

#define EEPROM_SIGN 0xA500

typedef struct {
uint16_t sign;
uint16_t cnt;
uint32_t val_fs1;
uint32_t val_fs2;
uint8_t rsvd0;
uint8_t rsvd1;
uint8_t rsvd2;
uint8_t rsvd3;
} eeprom_block;

[$[Get Code]]

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.

калибровка счетчиков расхода: кол-во литров на один импульс (на каждый счетчик)
калибровка датчиков давления:
- напряжение, соответствующее нулевому давлению
- давление, соответствующее максимальному напряжению 5В
соответствие кода ROM DS18B20 с каналом температуры (на каждый канал)

SPI интерфейс

Карта памяти

Все значения хранятся в формате Little Endian.

Адрес	Размер	Тип	Описание	Знач. по умолчанию
00	1	R	Статутс прерывания	0
01	4	RW	Flow Sensor 1 - текущее значение	0
	1	RW	Flow Sensor 1 - счет запрещен/разрешен	1
	4	RW	Flow Sensor 2 - текущее значение	0
	1	RW	Flow Sensor 2 - счет запрещен/разрешен	1
	2	R	Temperature Sensor 1 - текущее значение	0
	8	RW	Temperature Sensor 1 - 1-Wire ROM	0x0000000000000000
	1	RW	Temperature Sensor 1 - запрещен/разрешен	1
	2	RW	Temperature Sensor 1 - период обновления, мс	1000
	2	R	Temperature Sensor 2 - текущее значение	0
	8	RW	Temperature Sensor 2 - 1-Wire ROM	0x0000000000000000
	1	RW	Temperature Sensor 2 - запрещен/разрешен	1
	2	RW	Temperature Sensor 2 - период обновления, мс	1000
	1	R	Pressure Sensor 1 - текущее значение	0
	1	RW	Pressure Sensor 1 - запрещен/разрешен	1
	2	RW	Pressure Sensor 1 - период обновления, мс	1000
	2	RW	Pressure Sensor 1 - V₀	0
	1	RW	Pressure Sensor 1 - P_MAX	10
	1	R	Pressure Sensor 2 - текущее значение	0
	1	RW	Pressure Sensor 2 - запрещен/разрешен	1
	2	RW	Pressure Sensor 2 - период обновления, мс	1000
	2	RW	Pressure Sensor 2 - V₀	0
	1	RW	Pressure Sensor 2 - P_MAX	10
	8	R	1-Wire Device 1 ROM	0x0000000000000000
	8	R	1-Wire Device 2 ROM	0x0000000000000000

Статус прерывания

Флаговый регистр "Статус прерывания" показывает причину, по которой была поднята линия прерывания.

Бит	Описание
7	-
6	Обновился список 1-Wire устройств
5	Изменилось значение Pressure Sensor 2
4	Изменилось значение Pressure Sensor 1
3	Изменилось значение Temperature Sensor 2
2	Изменилось значение Temperature Sensor 1
1	Изменилось значение Flow Sensor 2
0	Изменилось значение Flow Sensor 1

Ссылки

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

PlumbingController