Снег.
Для детей это снеговик и снежки с родителями, для подростков — возможность позаигрывать с понравившейся девушкой, но для меня, инженера, который 15 лет занимается крышами, снег — это одна большая головная боль.
Главная проблема – снег нужно убирать и убирать вовремя, а если этого не сделать, то будет как-то так:
Меня зовут Алексей, я работаю инженером в ТЕХНОНИКОЛЬ. Так как я часто общаюсь с клиентами и монтажниками, я заметил проблему: ответственные за крышу зданий неправильно понимают, когда именно нужно чистить снег.
Мне стало интересно разобраться, но ничего подходящего я не нашел. Российские системы только измеряли толщину снега и стоили дорого. Зарубежные — использовали громоздкие платформы 3×3 метра, которые трудно установить. Тогда я задумался о своем устройстве.
Специально для читателей Хабр я распишу процесс разработки и буду рад обсудить ваши идеи и замечания в комментариях.
ДИСКЛЕЙМЕР: я сознательно упростил описания процессов, чтобы статья была понятна без специальной подготовки.
А знаете, почему крыша падает?
Снег изначально ложится на крышу неравномерно. Ветер сдувает снег в углы и к стенам, где образуются сугробы высотой до 2 метров.
Солнце нагревает снег, и он тает. Талая вода просачивается вглубь сугроба, ночью она замерзает, превращая рыхлый снег в тяжелый лед. Этот процесс повторяется много раз за зиму.
В каждом здании есть ответственный за крышу. Обычно это инженер по эксплуатации зданий. Он поднимается на крышу и оценивает — нужно ли чистить снег. И тут возникает две проблемы.
Первая — если инженер смотрит на толщину снега, а не на его плотность. Так делают чаще всего, потому что для этого нужна только рулетка. Если снега меньше 50 см — то не убирают.
Но проблема в том, что к моменту проверки крыши снег уже несколько раз успевает замерзнуть и растаять. Из-за этого тот же объем становится в 10 раз тяжелее. А еще, в других местах может быть снега намного больше.
Вторая — инженер учитывает плотность снега, но он использует неточные инструменты или он опирается на новые нормы снеговой нагрузки для крыш. Например, мой знакомый на складе взвешивает снег с помощью мешка и кухонных весов. Но при сборе снег рассыпается и теряет плотность.
А еще здание старое, но он ориентируется на новые нормы. По новым нормам крыша должна выдерживать до 300 кг/м². Но если новые здания выдерживают такую нагрузку, то старые — нет. Потому что их проектировали под нагрузку в 150 кг/м². Особенно это касается советских зданий с ребристыми плитами.
В итоге крыша падает…
Учусь взвешивать снег
Моя идея была простой: сделать электронные весы, которые будут постоянно измерять вес снега на крыше и передавать эти данные в удобном виде.
Первым делом я искал способ взвесить снег. Первое, что попалось под руку — обычные домашние весы. А именно: тензодатчики, которые установлены внутри. Они помогают определить, сколько весит человек, который встал на весы.
У себя в гараже нашел металлический профиль, сварил из него раму. К ней прикрепил четыре измерительных элемента и накрыл металлической пластиной, на которую должен падать снег. По сути, это были те же напольные весы, только без дисплея и другой электроники.
Для работы весов нужны не только тензодатчики, но и специальная микросхема. Я купил самую популярную для таких задач микросхему — HX711, и подключил ее к небольшому компьютеру для обработки данных.
Сначала я протестировал своё устройство дома — ставил на него пятилитровые бутылки с водой и сверял показания. Всё работало точно: бутылка весила 5 кг, и прибор показывал 5 кг.
Через некоторое время я обнаружил, что показания нестабильны и «ползут» вверх, хотя на весах ничего не менялось. У меня возникло две гипотезы:
Проблема в самой микросхеме HX711, которая обрабатывает сигналы от датчиков.
Температура влияла на тензодатчик, и из-за этого показания менялись.
Ищу проблему в микросхеме
Я решил сначала проверить первую гипотезу — проблему с микросхемой HX711. Оказалось, что два модуля из четырех — бракованные, а в отзывах люди часто жалуются на нестабильную работу.
Чтобы исключить эту проблему, я разработал собственную печатную плату.
В качестве «мозга» системы выбрал небольшой компьютер размером с кредитную карту — Raspberry Pi Zero W. Его преимущество в том, что он работает как полноценный компьютер и позволяет быстро писать и менять программы, не тратя время на сложную перепрошивку, как в случае с обычными микроконтроллерами.
Открыл программу для создания электронных плат — EasyEDA. Изучил примеры других разработчиков и нарисовал свою плату-шилд для Raspberry Pi.
Заказал в Питере изготовление пяти таких плат.
Особое внимание я уделил стабилизации питания для микросхем, добавив фильтрующие конденсаторы и регуляторы напряжения, которые делают напряжение более ровным даже при колебаниях от батареи или сети.
Сама плата расположена под крышкой весовой платформы. Так как платформа не герметичная, я сделал коробку из акрила и залил эпоксидной смолой.
Подключил устройство и начал тестирование.
Я провел серию экспериментов. Сначала держал устройство в тепле, потом выносил на холод. Затем наоборот — с мороза в тепло. Но даже с новыми платами показания продолжали «плавать». Показания менялись до 15% от реальной величины. Стало ясно: дело не в микросхеме.
Температура все-таки влияет
Я вернулся ко второй гипотезе — дело в самих тензодатчиках и их реакции на температуру.
Провел простой эксперимент: поставил весы на батарею отопления и следил за показаниями. Без всякой нагрузки они постепенно росли. Это подтвердило мою догадку: тензодатчики из бытовых весов сильно зависят от температуры.
Я начал искать тензодатчики с температурной компенсацией. На российском рынке ничего подходящего не нашел. Обратился к китайским производителям. Там нашел тензодатчики "балочного" типа. Они обещали сохранять точность при температуре от -40°C до +80°C — то, что нужно для наших крыш. Заказал несколько штук на пробу.
К этому времени ко мне присоединились несколько моих коллег. И мы стали дорабатывать систему вместе.
Как говорится, «доверяй, но проверяй». Поэтому мы устроили тест на температуру и герметичность. За пару тысяч мы договорились с компанией, которая производит холодильные камеры. Они помогли провести испытания при температурах от -80°C до +30°C.
Заявленная производителем тензодатчиков температурная компенсация действительно сработала. В отличие от “кухонных” датчиков, в новых тензодатчиках резисторы объединены в специальную схему — мост Уитстона.
В мостовой схеме (мост Уитстона) у нас есть 4 тензорезистора, расположенных в противоположных плечах моста:
Два из них меняют сопротивление при нагрузке (рабочие).
Два других компенсируют температурные изменения.
Все 4 тензорезистора нагреваются одинаково, но включены так, что температурное изменение сопротивления компенсирует само себя. То есть нагрев влияет на все резисторы одинаково, но баланс моста не меняется → сигнал на выходе остаётся верным. Поэтому новые датчики могут правильно взвешивать снег в любую погоду — и в мороз, и в жару.
Затем мы проверили датчики на герметичность. Сварили из строительной мембраны небольшой бассейн, налили воды и отправили плавать наш датчик.
Позже мы посетили фабрику в Китае, познакомились с разработчиками и увидели производство своими глазами. С тех пор мы работаем с этим производителем и используем их компоненты в своих датчиках.
Задача измерениями — решена. Теперь можно переходить к испытаниям на реальных крышах.
Первые полевые испытания
Пришло время проверить систему в полевых условиях. Крупный торговый центр в Уфе согласился стать нашей испытательной площадкой.
Подготовили комплект оборудования: десять датчиков, приемное устройство, кабели, крепежи. Датчики отправили СДЭКом и полетели в Уфу.
Первым делом мы осмотрели крышу и выбрали места установки. Основной критерий — участки, где снег скапливается больше всего: вблизи стен, вентиляционных шахт, в углах.
Датчики на тот момент подключались к WiFi точке доступа и передавали таким образом информацию. Так как участок был больше 100 метров и для уверенности мы установили в середине WiFi ретранслятор.
Через месяц работы система показала эффективность, но появились две новые проблемы:
корпус для платы треснул, а починить ее нельзя, так как она залита смолой;
снег глушил Wi-Fi сигнал — чем больше снега накапливалось, тем хуже становилась связь.
Решение этих проблем нашлось неожиданно. Заметил, что заказчики ставят над датчиками вешки — деревянные палки высотой около метра. Они служат ориентирами для рабочих при уборке снега, чтобы случайно не повредить оборудование.
Это натолкнуло на идею: объединить датчик с вешкой. Сделали металлическую стойку, которая выполняла несколько функции:
ориентир для уборщиков снега;
так как снег туда не попадает, мы можем хранить там всю электронику без смолы. А значит, и решить вопросы с герметичностью, ремонтопригодностью и удобства сборки.
Вешка со стойкой не полностью решила проблему с сигналом. Даже вынесенная над снежным покровом антенна имела ограниченный радиус действия — не более 50-100 метров на частоте 2.4 ГГц. На больших объектах со сложной геометрией крыши, множеством стен и перепадов высот сигнал всё равно терялся. Нам пришлось искать более комплексное решение.
Делаем датчики автономными
Следующей задачей было сделать датчики полностью автономными — без проводов питания. На большинстве крыш нет электрических розеток, а прокладка кабелей обходится дорого.
Идеальным решением был бы датчик на батарейках, работающий несколько лет без замены. Тут возникла проблема — устройства с Wi-Fi быстро разряжают батареи. Даже в режиме ожидания они потребляют энергию.
Нам пришлось полностью переосмыслить конструкцию. Вместо Raspberry Pi мы поставили микроконтроллер ESP32, который широко используется в бытовой электронике и «умных» устройствах.
Решение нашлось в добавлении второго, сверхэкономичного чипа-таймера TL5111. Он работает как "будильник" и потребляет всего 10-20 наноампер — это в миллион раз меньше, чем потребляет светодиод. Логика работы такая:
Большую часть времени датчик полностью выключен.
Раз в несколько часов таймер включает систему.
Датчик быстро измеряет вес снега и передаёт данные.
Система снова выключается до следующего цикла.
Для питания тщательно выбирали батарейки. Обычные литиевые не подходят — они плохо работают на морозе и могут нестабильно вести себя при летней жаре на крыше.
Остановились на батарейках, которые используют в газовых счетчиках — литий-тионилхлоридных. Они дороже обычных, но работают в диапазоне от -50°C до +100°C. С такими элементами датчик может функционировать до 5 лет без замены.
Создаём умную сеть
Сеть из автономных датчиков требовала особого подхода к передаче данных. Wi-Fi сигнал плохо проходит через снег, а крыши часто имеют сложную геометрию с перепадами высот.
Разработали систему, где датчики не только измеряют вес, но и помогают друг другу передавать информацию — как эстафетную палочку.
Если один датчик не может напрямую связаться с центральным приёмником из-за толстого слоя снега, он передаёт сообщение ближайшему соседнему датчику, который находится в лучших условиях связи. Тот, в свою очередь, передаёт сообщение дальше — пока оно не достигнет цели.
Но и на этом мы не остановились, сейчас мы усовершенствовали алгоритм передачи данных. И стабильность близка к 100%.
Приемное устройство выступает в роли оркестратора, а проводные датчики выполняют его команды. При подаче питания приемник рассылает бродкаст пакеты. Датчики распространяют эти пакеты по сети и отправляют обратно данные о соседях, которых они видят.
Такая система позволяет при необходимости анализировать сеть и прописывать маршруты передачи данных вручную, хотя пока в этом не было потребности.
Решение проблемы обледенения
На второй зимний сезон обнаружилась неожиданная проблема. На некоторых объектах датчики вмерзали в лед толщиной до 20 см.
Это происходило на плохо утепленных крышах. Снег сверху создавал теплоизоляцию, тепло из здания поднималось и подтапливало нижний слой снега. Ночью вода замерзала, образуя ледяной панцирь.
Датчик, вмерзший в лед, не мог измерять вес — показания становились бессмысленными.
Сначала мы сделали сложную систему с подогревом: круглый датчик с Г-образной трубкой, внутри которой циркулировало масло. При нагреве масло создавало контур, прорезающий лед вокруг датчика.
Решение пришло случайно. Откапывая датчик из-под снега, мы заметили вокруг него маленькую проталину. Металл естественным образом проводил тепло и таял снег. Такой же эффект виден весной у металлических столбов.
Это наблюдение натолкнуло на простую идею — создать вокруг датчика металлическую корзину.
Самое сложной в корзине — рассчитать размер отверстий. Они должны пропускать снег внутрь, но при этом быть достаточно маленькими, чтобы сохранять теплоёмкость металла. При этом надо учитывать, что снег редко падает строго вертикально, его сносит ветром.
Мы тестировали разную геометрию: с мелкими отверстиями снег не попадал внутрь, и датчик становился бесполезным; с крупными — датчик вмерзал, и корзина не работала.
В итоге мы создали корзину из металла и нашли подходящий размер и форму отверстий. А чтобы удобнее было переносить — её собираем из четырех частей, как мангал. Многие шутят, что летом в ней можно цветы выращивать или шашлыки жарить.
Создание личного кабинета
Параллельно с разработкой железа создавали программное обеспечение — личный кабинет для пользователей.
Идея возникла не только для отображения данных о снеге. Мы заметили, что многие предприятия теряют техническую документацию на здания: сотрудники меняются, бумаги теряются, и через 10-15 лет никто уже не знает, как устроена крыша.
Система стала ценным инструментом не только для контроля снеговой нагрузки, но и для общего управления эксплуатацией зданий. Владельцы охотно начали пользоваться цифровым архивом. Помимо планов и чертежей, там хранятся акты проверок, фотографии дефектов, история ремонтов и контакты подрядчиков.
Что сейчас
Систему мониторинга снега мы уже запатентовали и проверили на 1 млн квадратных метров крыш. Причём не в лабораторных условиях — датчики работают прямо сейчас на крышах крупных ритейлеров, защищая их от потопов и порчи товара.
Обычно, чтобы видеть общую картину на ровной крыше, достаточно 3 датчиков. На сложных объектах с большим количеством перепадов и снежных мешков количество датчиков нужно считать отдельно.
Их легко установить, поэтому клиенты это делают сами. Беспроводной просто ставят на крышу и подключают к Wi-Fi. С проводным нужно подключить питание через провода, но с этим справится любой монтажник с базовыми знаниями электрики. Если что — мы помогаем.
Эта технология особенно подходит для складов и торговых центров с большими площадями кровли. Представьте: у вас склад с товарами на миллионы рублей, сотни сотрудников — обрушение крыши из-за снега может привести к катастрофе. Наши же датчики точно измеряют реальный вес снега и своевременно оповещают о критической нагрузке, позволяя вам принять меры до возникновения проблемы.
Каждая уборка снега стоит денег. Кроме того, неправильная уборка портит гидроизоляцию кровли. В среднем система экономит ~ 300 тысяч рублей в год. Зависит от частоты чистки, региона, площади кровли.
Система стоит около 200 тысяч рублей вместе с монтажом, т.е. окупается за один сезон. А экономия за все время использования объекта с плоской кровлей — десятки миллионов рублей.
Главные преимущества созданной системы:
Точное измерение веса снега.
Защита от примерзания.
Работа в экстремальных температурах от -50°C до +100°C.
Автономность до 5 лет без замены батарей.
Бесплатный личный кабинет с архивом документации.
Если вам интересно узнать подробнее или хотите защитить свой объект от обрушения — можете заглянуть на сайт Умная Крыша ТЕХНОНИКОЛЬ. Там расскажем про все нюансы установки и ответим на вопросы.
Буду рад ответить на вопросы и выслушать предложения в комментариях. Если у вас есть проблемы со снегом на крыше или другие интересные инженерные задачи — пишите!