Автоматика для теплиц на STM32

Контроллеры управления теплицами

Аппаратное обеспечение

Для примера представлен самый простой вариант контроллера «STM 32_ Mini _02».

Для упрощения написания текста, под словом «контроллер» будем обозначать понятие «контроллер управления теплицей». Не путать  с выражением «микроконтроллер».

Схематичное изображение контроллера.

Рис 1.

На рис1 указаны назначения разъемов контроллера.

Технические характеристики контроллера

• Процессор STM32F407VET6, тактовая частота 168мГц, память flash 512 kBytes, RAM 192 kBytes.
• Память хранения переменных 128 kBytes.
• Аналоговые входа (0-3,3v) -  2 шт.
• Аналого – цифровые входа (0-3,3v) – 5 шт.
• Цифровые входа (0-5v) – 4 шт.
• Порт I2C – 1 шт.
• Модуль WiFi ESP8266 – 1 шт.
• Модуль GPRS SIM800C – 1 шт.
• Гнездо СИМ карты – 1 шт.
• Расширитель портов MCP23S17 (16 выходов) – 3 шт.
• Порт RS485 – 1шт.
• Радио модуль LoRa (868мгц) SX1276 или RFM95 – 1шт.
• Радио модуль nRF24L01 SMD Mini или nRF24L01 SMD PA (с усилителем) – 1 шт.
• Дисплей 4 дюйма OTM8009A_800X480 – 1 шт.
• Внешний сторожевой таймер – 1 шт.
• SD карта 4-16 мб. – 1 шт.
• USB порт – 1 шт.
• Звуковой модуль (пищалка) – 1 шт.
• Встроенный модуль часов (батарея автономного питания часов CR1220).
• Питание 12 вольт 3 ампера.
• Защита от статического электричества входов и цепей питания.
• Размеры контроллера 140мм х 80мм.

Для лучшего восприятия и навигации по конструкции контроллера, основные компоненты отмечены стрелками и пронумерованы. 

Ниже будет описано назначение каждого модуля.

Рис2.

1)     Микроконтроллер STM32F407VET6. Это главный компонент, в который записана программа управления теплицей. В других вариантах исполнения контроллеров могут быть установлены микроконтроллеры с другими характеристиками, но функция остается прежней – управлять всеми процессами контроля и управления.

Необходимо иметь ввиду, что питание микроконтроллера составляет 3,3 вольта.

Поэтому все входные сигналы, подаваемые на микроконтроллер не должны превышать 3,3 вольта.

 2)   Кнопка сброса в исходное состояние. Иногда при тестировании необходимо, что бы программа начинала работу контроллера с самого начала. В постоянной работе использование кнопки не требуется.

3)   Разъем подключения питания. Как правило, применяется питание 5 или 12 вольт. Величину питания нужно уточнять в конкретной версии контроллера. Мощность источника должна обеспечивать не менее 2 - 2.5 ампера для нормальной работы.

В текущем варианте контроллера и последующих применено схемное решение, позволяющие питать контроллер напряжением от 5 до 18 вольт.

 4)   Разъем для подключения устройств, которые обмениваются с контроллером по протоколу RS485. Это могут быть различные устройства типа модулей датчиков, исполнительных механизмов, подключения модуля метеостанции. Связь модулями осуществляется  по трем проводам - «Общий», «А», «В».

5)   Разъем USB предназначен для подключения контроллера к персональному компьютеру.

В основном он применяется для настройки контроллера с помощью программы «GreenHouseConfig». Данная программа позволяет настроить систему под индивидуальные требования пользователя, а так же получать некоторую информацию о работе системы. Программа применяется только в момент конфигурирования, в процессе управления не используется. Описание работы с программой «GreenHouseConfig» будет выполнено отдельно.

 6)   Разъем для установки SD карты. Данная карта необходима для хранения технической информации о работе комплекса, а также для записи и хранения программ «сценариев», созданных пользователем и не входящих в стандартное программное обеспечение.

Для создания сценариев применяется программа «SceneCreator». Данная программа упрощает создание сценариев пользователями не знакомыми с программированием.

 7)   Разъем для подключения устройств, работающих по протоколу I2C. Как правило, к данному  разъему подключается датчик света, но могут быть подключены и другие устройства, работающие по данному протоколу. Основное ограничение – длина провода подключения не должна быть длиннее 20-30 см. Иначе контроллер будет зависать.

Дополнительные модули подключаются параллельно датчику света.

Рис3. Датчик света BH1750

8)   Разъемы для подключения различных датчиков. Это могут быть датчики температуры, влажности, датчики других типов, концевики. В данном контроллере применяются три типа входов для входных сигналов микроконтроллера:

а)  Цифровой. Диапазон изменения «0» и «1» ( 0 вольт или 3,3 вольта). Эти входа могут работать не только как цифровые но и с различными протоколами связи типа 1Ware и другими.

     Некоторые датчики работают в диапазоне 0-5 вольт, в связи с эти применяются    специальные согласователи уровней сигналов в диапазоне от 5 до 3 вольт. Дополнительно применение диапазона 0-5 вольт повышает помехозащищенность длинных линий. Это особенно актуально при использовании датчиков, установленных на значительном удалении от контроллера.  Данные согласователи установлены на части входов контроллера. Их количество зависит от варианта исполнения контроллера.

б)  Аналоговый. Предназначен для измерения напряжения в диапазоне 0-3,3 вольта.

К данным входам подключаются датчики, на выходе которых формируются аналоговые сигналы. Это могут быть датчики влажности, СО2, pH и другие. Теоретически они могут работать и как цифровые (в диапазоне 0-3,3 вольта). На эти входа установлена защита от статического электричества.

в)   Комбинированные аналого-цифровые. Диапазон входного сигнала 0-3 вольта. Изначально они позиционируются как аналоговые, но при замыкании перемычки возле разъема, к входу микроконтроллера подключается резистор 5,1ком, подключенный одним выводом к шине питания 3,3 вольта. Такое подключение дает возможность управлять датчиками с цифровыми входами. На эти входа так же установлена защита от статического электричества.

 Количество таких комбинированных  входов зависит от варианта исполнения контроллера.

На рис4. показаны варианты датчиков.

Рис4.

Датчики DS1820, DHT22, Емкостной датчик влажности почвы.

Конкретное назначение функционирования входов устанавливается  программой «GreenHouseConfig».

 9) Разъемы для подключения блоков из 16 реле. Микроконтроллер имеет большое количество входов, но часто даже этого количества недостаточно.

В этом случае применяют различные расширители портов. В наших контроллерах применяются два типа расширителей MCP23S17 и MCP23017.

Эти расширители практически идентичные, отличаются только способом связи с микроконтроллером по протоколу SPI или I2C.

Данные расширители в нашем случае могут работать только  на прием или выдачу цифровых сигналов. Использование управления через эти входа с помощью различных протоколов типа 1Ware не предусмотрено. Диапазон входных сигналов 0-5 вольт. Это позволяет подключать блоки реле и другие устройства без согласователей уровней.

На рис5 представлен блок на 16 реле, но могут подключаться блоки и с меньшим количеством, но это не рационально в использовании возможностей контроллера.

Рис5.

На блоке реле установлен разъем из 20 выводов.

Рис5а. Разъем блока реле на 16.

Подключение к контроллеру производится плоским шлейфовым кабелем.  В составе разъема 16 управляющих сигналов, 2 общих провода и 2 провода питания (в исходном состоянии провода питания отключены). Питание модуля реле желательно подключать отдельными проводами и от отдельного источника питания. Это позволит исключить влияние помех при переключении реле на контроллер. Но может быть подано питание 5 вольт по 2 проводам плоского шлейфового кабеля от контроллера. Для этого необходимо запаять специальную перемычку на самом контроллере, расположенную возле выводов 1,2 разъема (на обратной стороне разъема).

На рис 6 показан вариант подключения блока реле.

На разных вариантах  исполнения контроллеров может быть установлено различное количество разъемов расширителя портов.

     Какие расширители портов (MCP23S17 или MCP23017) применены в конкретном изделии необходимо уточнить в инструкции на контроллер.

     Информация по применению типа микросхемы расширителя необходима при дальнейшем конфигурировании в программе «GreenHouseConfig». С помощью данных расширителей портов можно управлять большим количеством различных устройств.

10) Разъемы расширителя портов. К данным разъемам имеется возможность подключать не только блоки реле, а и другие устройства, а также различные концевики. Отличаются от предыдущего пункта только типом применяемых разъемов. Остальные характеристики идентичные. Обозначаются данные разъемы как «BLOCK N3 8-15» и «BLOCK N3 7-0».

      Нумерация выводов в разъеме идет слева направо. К примеру, «BLOCK N3 7-0» означает, что вывод 1 это «Общий», у выводов со 2 по 9 порядок следования 7,6,5,4,3,2,1,0. Вывод 10 – питание (отключено перемычкой).

11) Разъемы аналоговых и цифровых  портов. Применение описано ранее в пункте 8.

12) Модуль WiFi для подключения к локальной сети и интернет. К нему так же возможно подключение внешних датчиков с модулями WiFi. Имеет встроенную антенну, но есть возможность подключения внешней выносной антенны. Параметры настройки (логин, пароль итд) подключения к сети устанавливаются программой «GreenHouseConfig».

13) Телефонный модем (SIM800C) так же предназначен для дистанционного управления контроллером посредством СМС,

 а также обеспечивает выход в интернет по GPRS. Модули WiFi и SIM800C взаимодействуют с сайтом http://gardenboss.ru/

14) Разъем подключения внешней антенны модуля SIM800C.

15) Батарея резервного питания встроенных часов.

16) Разъемы подключения внешних антенн модуля LoRa.

17) Звуковой модуль (пищалка).

Обратная сторона контроллера.

Рис7.

1) Гнездо СИМ карты телефонного модема SIM800C

2) Разъем подключения радио модуля nRF24L01 SMD Mini. Модуль предназначен для связи с внешними устройствами по радиоканалу.

Рис8.

3) Разъем подключения радио модуля nRF24L01 SMD PA. Модуль предназначен для связи с внешними устройствами по радиоканалу.

Рис9.

4) Разъем для подключения модулей LoRa. Модуль предназначен для связи с внешними устройствами по радиоканалу. 

Типы применяемых модулей SX1276  и RFM95

Рис10. SX1276                                                                 Рис11. RFM95

5) Расширители портов MCP23S17 (или MCP23017)

 6) Перемычки переключения режима портов аналоговый/цифровой.

 7) Разъем подключения 4 дюймового дисплея.

На всех контроллерах установлен сторожевой таймер. В случае непредвиденного зависания контроллера таймер выполнит полную перезагрузку системы. 

Рис 12. Модуль в сборе.

 На момент написания этой статьи разработаны контроллеры разных модификаций. 

Их описание будет выполнено  в последующих статьях. 

Рис13.

На рис13. показан пример монтажа комплекса управления теплицей.

1) Контроллер.

2) Силовые реле

3) Автоматы питающей сети.

4) Силовой блок питания 12v (24v).

5) Блоки исполнительных реле.

6) Блоки питания контроллера и блоков реле.