Snímače

Systém lze využít pro připojení různých snímačů celé řady fyzikálních veličin:

  • Měřiče energií (elektroměr, vodoměr, plynoměr)
  • Čidla teploty
  • Čidla vlhkosti
  • Meteorologická čidla (relativní vlhkost vzduchu, barometrický tlak, anemometr…)
  • Spínací kontakty (zjištění otevření oken či dveří)
  • Jiné typy čidel

 

A.    Měřiče spotřeby energií

Tyto měřiče nejčastěji používají pulzní výstup (zvaný též S0). Tj. měřič krátce sepne kontakt, případně vyšle světelný puls pokaždé, když jím proteče pevně dané množství média (např. 0,01 m3 plynu nebo 0,001 kWh elektřiny). Počítáním těchto pulsů jsme schopni vlastně na dálku číst údaj měřiče (nebo aspoň jeho přírůstky). Výhodou je, že se takové měření 100% odpovídá fakturovaným údajům a v případě elektřiny nemusíme nic montovat do obvodů s nebezpečným napětím.


a) Elektroměr
Elektroměry poskytují nejčastěji 1000 či 10000 impulsů na kWh (kilowatt hodinu). Tj. rozlišení našeho měření bude 0,1 až 1 Wh (Watt hodin), což odpovídá ceně v řádu haléřů. Zkontrolujte si svůj elektroměr, můžou nastat různé případy:

  • Elektroměr má vyvedený výstup S0: tento výstup se chová jako bezpotenciální kontakt (představte si, že v elektroměru je ukryté tlačítko, které „někdo“ na okamžik pravidelně spíná). Můžeme se tedy k tomuto kontaktu připojit s naším obvodem. Svorky elektroměru (bohužel včetně výstupu S0) ovšem bývají pod zaplombovaným krytem, aby zákazník nemohl elektroměr „obejít“ a odebírat elektřinu bez placení. S krytem a plombami v žádném případě nemanipulujte! Vyvedení signálu S0 musí provést pověřený pracovník distributora elektřiny a naúčtuje si nejspíše práci okolo 1000 Kč. V takovém případě je asi lepší zvolit další variantu:
  • Novější elektroměry mají vyvedený optický výstup. Jedná se o světelnou diodu (LED), která pravidelně bliká (většinou viditelným, např. červeným či žlutým světlem). Fototranzistorem můžeme toto světlo snímat a převést na elektrický signál.
  • Pokud máme starý elektroměr s otáčejícím se kolečkem, většinou žádný pulzní ani optický výstup nemá. Existují sice návody, jak snímat počet otoček kolečka, ale tím jsem se nezabýval. Doporučuji v takovém případě kontaktovat dodavatele elektřiny a zjistit možnost (případně  cenu) výměny elektroměru za modernější typ s impulzním výstupem.
  • Existuje ještě možnost ponechat stávající starý elektroměr a za něj připojit další s potřebným výstupem. Tento postup však vyžaduje manipulaci s nebezpečným napětím! Výhodou je, že druhý elektroměr můžeme umístit do libovolného místa v obvodu a sledovat spotřebu nejen pro celý byt či dům, ale i pro jednotlivé okruhy či spotřebiče. V porovnání s levnými měřiči spotřeby získáme mnohem přesnější měření i se záznamem časového průběhu spotřeby a online odečtem na dálku.

Na následujícím obrázku vidíme elektroměr s přiloženým fototranzistorem, jež snímá světelné impulzy:

Elektromer


b)    Plynoměr
U plynoměrů se rovněž používá výstup S0, ale oproti elektroměrům se vyskytuje mnohem méně často. Zjišťoval jsem proto u svého dodavatele plynu (Středočeká plynárenská / RWE) možnost jeho doplnění. K mému velkému překvapení mi distribuční společnost namontovala přídavný modul s impulzním výstupem zcela zdarma. V druhém případě již distributor tak vstřícný nebyl. Pro drobné kutily neměl pochopení.
Můj plynoměr teď dává jeden impulz na 0,01 m3 plynu. Jediný problém (v porovnání s elektroměrem) byl fakt, že impulz se generuje mechanicky (magnetem na otočném kolečku). Vzhledem ke kolísavému a pulznímu odběru kotle s dlouhými prodlevami (zejména v létě) se občas stalo, že výstup zůstal po dlouhou dobu v aktivním stavu. Je třeba zajistit, aby obvod v takovém případě nečítal falešné pulzy.

Zde je impulzní výstup (černá krabička s nápisem "elster"), kterou mi plynárny namontovaly na plynoměr. Vodiče již vedou signál S0 do bezdrátového modulu, který pak vyšle zprávu  do ústředny:

Plynomer


c)    Vodoměr
O vodoměrech platí totéž jako o plynoměrech. Asi málokdo již má typ se zabudovaným pulzním výstupem. Bohužel moje distribuční společnost (Veolia) není zdaleka tak flexibilní jako dodavatel plynu a jednání a vysvětlování se táhne již několik měsíců. Asi nejsnazší by bylo přidat za stávající, zaplombovaný vodoměr ještě jeden, ale to bych kvůli tvaru potrubí musel rozbourat polovinu sklepa. Ještě pozor na to, že vodoměry (často i stejný typ či řada) se nabízejí s různou „hustotou“ impulzů. Hodnota se pohybuje od 1 impulzu na 1 litr až po 1 impulz na 1000 litrů. Vyberte vždy co nejnižší objem, který je dostupný pro vodoměr splňující ostatní parametry (průtok, průměr potrubí, stavební délka atd.) Objem na 1  impulz bude i rozlišovací schopností našeho měření. Pro domácnost se tedy hodí jeden impulz na 1, maximálně na 10 litrů. Pro elektroniku není problém počítat i stovky impulzů za sekundu. Pokud ale při běžné spotřebě objektu dostanete 1 impulz za měsíc, ztrácí takové měření zcela smysl.

Výpočet

Dá se jednoduše odvodit, že perioda blikání T (v sekundách) při odebíraném výkonu P (v kW) na elektroměru s převodní konstantou K (imp/kWh) bude:

T = 3600 / (P * K)

a naopak, chceme-li ze změřené periody blikání spočítat odebíraný výkon, použijeme vzorec:

P = 3600 / (T * K)


B.    Čidla teploty

Teplota je jednou z nejvíce měřených veličin a i my se s ním budeme potýkat asi nejčastěji. Je vhodné ji měřit v různých místech: venku, uvnitř příbytku (často i v jednotlivých místnostech), dále lze měřit teplotu vody v bazénu, teplotu radiátorů atd. Čidlo by tedy mělo být přesné, ale pokud možno levné. Tyto požadavky splňuje čidlo Dallas 18DS20. Je to velmi oblíbená součástka, kterou najdeme ve stovkách příkladů z elektroniky. Já ji vybral hlavně z důvodu již hotového příkladu zapojení a programu přímo od výrobce bezdrátových modulů IQRF (kterých je jinak dost málo). Čidlo „Dallas“ používám v tom nejzákladnějším zapojení: po 3 vodičích a jen jedno čidlo k jednomu modulu. Je možné připojit i více čidel na sběrnici, a navíc mohou stačit 2 připojovací vodiče místo tří. Tuto možnost jsem zatím neimplementoval, protože měřím teploty vždy daleko od sebe. Pokud by někdo chtěl měřit teploty v nedalekých bodech, zapojení více čidel po sběrnici k jednomu bezdrátovému modulu by vedlo k finančním úsporám.
Bezdrátový modul IQRF obsahuje i analogové vstupy, takže je možné použít i teplotní čidla s analogovým výstupem. Základní čidla (např. termistor) ovšem poskytují nelineární signál. Připojení takových čidel a zpracování jejich signálu je tedy obtížnější a cenový rozdíl oproti digitálním čidlům je minimální.

Čidlo teploty pro vnitřní prostředí. I s akumulátorem se vejde do vnitřku „Kinder-vejce“. Dolní destička je bezdrátový modul IQRF. Výroba celého čidla spočívá v pospájení asi 5 součástek (celkem cca 15 spojů).

Teplomer

 

C.    Čidla vlhkosti

Pokud by někdo chtěl měřit relativní vlhkost vzduchu, zde je příklad vhodného čidla:
http://pvelectronic.inshop.cz/senzory-mereni-zaznam/teplota/dht22-%5BSEN...
Relativní vlhkost vzduchu velmi závisí na jeho teplotě a proto většina čidel vlhkosti v sobě zahrnuje i snímání teploty.


D.    Meteorologická čidla

Nejsofistikovanější vytápěcí systémy pracují i s meteorologickými údaji (kromě venkovní teploty i třeba s rychlostí větru), případně předpovědí počasí. Spousta dat se dá stáhnout (i bez zásahu uživatele) z internetu. Pokud bychom chtěli znát situaci konkrétně ze svého místa, lze připojit vhodnou meteorologickou stanici.
U téhle by to neměl být problém, ale ještě jsem se k tomu nedostal:
http://pvelectronic.inshop.cz/podle-vyrobce/sparkfun/weather-meters-%5BSEN-08942%5D?ItemIdx=0
Plánuji ještě snímat barometrický tlak. Vybral jsem však čidlo, které nedává „hotovou“ měřenou veličinu, ale je potřeba provádět korekce dle teploty vzduchu, nadmořské výšky atd. Naprogramovat tyto funkce v modulu IQRF by bylo komplikované a navíc u atmosférického tlaku na místě měření příliš nezáleží. Plánuji tedy připojit toto čidlo přímo k ústředně s Arduinem:
http://pvelectronic.inshop.cz/podle-vyrobce/sparkfun/bmp085-%5BSEN-09694%5D?ItemIdx=4


E.    Kontaktní čidla

Ačkoliv systém nebyl stavěn jako zabezpečovací zařízení, zjišťování otevření oken či dveří může být důležité pro vytápění i pohodlnější a bezpečnější bydlení. Stačí použít magnetický dveřní spínač. Tyto spínače se dodávají v různých barvách a díky malým rozměrům a bezdrátové komunikaci kontakt nijak neruší a instalace je velmi snadná.

 

F. Jiné typy čidel

K systému se dají připojit jakákoliv jiná čidla s binárním (spínač, ano/ne), analogovým, či  digitálním výstupem (komunikační sběrnice I2C, SPI, RS-232 či další).

Z čidel, která nejsou přímo popsána v tomto návodu, lze doporučit např: PIR čidla pro detekci pohybu osob, senzory koncentrace různých plynů (CO2, metan) atd.
Čidla lze zapojovat k bezdrátovým modulům, případně přímo k ústředně. Ústředen může být i více a mohou pracovat buď navzájem, nebo zcela nezávisle.