Горячий, умный, рогатый: разработка анемометра в концепции интернета вещей

Приключения железного стартапа в России

Здравствуй, дорогой друг или коллега

Материал является продолжением цикла «Приключения железного стартапа в России». Повествующего о сложной судьбе проекта ClimateGuard. Точнее, все задумывалось как цикл. Первая статья «Приключения железного стартапа в России: сбор команды» вышла в далеком 2019 году. Затем стартап ушел в радиомолчание. Чем же все кончилось? – спросишь ты. Улетели к звездам? Низверглись в долину смерти?

Ваш покорный слуга искупает вину перед сообществом и продолжает рассказывать историю героев. Первые материалы будут посвящены подвигам – обзору продуктов, прототипов и прочих железок, ставших результатам нашего беспокойного творчества. По просьбам @cyber_roach - с фотками железа в стиле «ню».

Затем опишу путь:

• где и как брали деньги (ведь гранты сами себя не получат);

• на каких площадках пробовали продавать (есть ли разница между Tindie и Tinder);

• приносит ли результаты реклама DIY (поставка в Индию за нал, перевод через PayPal);

• откуда добирали команду (Физтех звездит, Бауманка решает);

• в каких выставках участвовали (и главное - зачем?);

• с кем сотрудничали (от Ростеха я ушел, от Роснано я ушел, от тебя, Мегафона, подавно уйду!);

• и проч. проч. проч.

Но вернемся в настоящее.

Статья посвящена рогатому зверю – IoT анемометру CG-Anemometr с функцией измерения качества воздуха.

Диспозиция

В начале, как водится, пара слов о героях.

ClimateGuard – это железный стартап, созданный с нуля для реализации проектов в области мониторинга климата. Первоначально он занимался пользовательским устройством для создания благоприятной и здоровой среды дома и на работе. Но рок (или рынок) распорядился иначе.

Итак, характеристика героям дана. Давайте уже о подвигах.

Постановка

Почти в одно время в ClimateGuard обратились две компании с просьбой собрать на пилот устройство, которое может измерять скорость потока воздуха внутри вентиляционной трубы.

Первый клиент – сеть коворкингов SOK. Коллеги прикладывают огромные усилия, чтобы арендаторам было комфортно работать. В каждом офисе должна быть правильная температура, влажность, чистый воздух. Запрос от них звучал приблизительно так: «Хотим получить систему, которая позволит в режиме реального времени смотреть скорость потока воздуха и расход в вентиляциях на каждом этаже».

Второму клиенту помимо скорости потока необходимо было оценивать влажность и количество пыли в вентиляционной трубе. И исходя из значений получаемых параметров климата управлять фанкойлами и проводить замену фильтров.

С учетом всех нюансов установки к системе предъявлялись следующие требования:

• передача данных в режиме 24*7*365;

• низкие затраты на монтаж;

• питание 12 В;

• отображение данных в едином интерфейсе;

• возможность визуального сравнения значений и динамики данных по разным объектам мониторинга;

• наличие api для централизованного сбора данных со всех устройств;

• низкая стоимость комплекта для последующего масштабирования.

На момент запроса коллеги осуществляли проверку скорости потока воздуха «в ручном режиме». То есть проводили регулярные разовые замеры в контрольных точках. В качестве оборудования использовались профессиональные анемометры Testo. Ручное измерение – работа кропотливая, занимает много времени и требует наработанных навыков. Так как показания термоанемометра могут сильно различаться в зависимости от расположения трубки с измерительным сенсором в трубе воздуховода. По этой же причине сложно добиться высокой повторяемости значений в ходе повторных замеров.

Архитектура

Чтобы минимизировать затраты и упростить монтаж было принято решение делать устройства максимально автономными.

Анемометр:

• устанавливается непосредственно на вентиляционной трубе на стяжки или винты, с выводом сенсорного элемента внутрь трубы (сокращаем количество проводов и узлов в системе, облегчаем монтаж);

• самостоятельно собирает данные, обрабатывает их и передает в готовом виде на сервер (отказываемся от центрального «контролера»);

• получает питание по кабелю, закрепляемому в клеммный разъем (отказываемся от блока питания);

• в качестве интерфейса передачи данных использует wifi, подключаясь к скрытой корпоративной сети (сокращаем затраты на создание дополнительной инфраструктуры передачи данных);

• имеет систему индикации состояния, основанную на адресном диоде (облегчаем установку и проверку работоспособности);

• имеет кнопку для переключения между режимами «работа/настройка».

Минусом выбранной архитектуры является отсутствие автономности по питанию. Однако, на борту устройства стоит постоянно работающий wifi-модуль, а также большое числа сенсоров. Сенсор анемометра требует постоянного нагрева. В итоге обеспечение работы устройства от аккумулятора видится крайне сложной (читай – дорогой) задачей.

Процесс монтажа устройства в подобной архитектуре сводится к следующим шагам:
1. Определяется место установки, при отсутствии канала для вывода сенсора в вытяжке делается отверстие.
2. К месту установки подводятся провод 12 В.
3. Перед установкой, на устройствах настраиваются параметры wifi-сети.
4. В личном кабинете устройства привязываются к местам установки, проводится проверка работы с сетью и факта передачи данных.
5. Устройство устанавливается «сенсором» в отверстие и закрепляется на металлические стяжки или саморезы, при необходимости – герметизируется.
6. Кабель питания подключается к клемме на устройстве.
7. Устройство включается. После того как контрольные диод на устройстве загорелся «зеленым» монтажник переходит к установке следующего анемометра.

.Компоненты и себестоимость

в подключенном виде

Для создания анемометра был использован следующий набор компонентов:

• контролер esp32;

• плата разработки esp32 CG-Board_mini;

• датчик скорости потока воздуха CG-Anem;

• датчик пыли (частиц) PMS7003;

• датчик климата bme680.

Первым делом при разработке автономного IoT датчика на ум приходит плата из семейства TTGO ESP32. Одна беда – к ней нужно колхозно подключать несколько датчиков. Поэтому команда остановила выбор на решении CG-Board_mini. Плата обладает компактным размером 45*70 мм. ESP32 на борту обеспечивает поддержку wifi «из коробки». На плате есть 7 выходов для подключения датчиков, сторожевой таймер (лечит одну из важнейших болячек esp32 – неконтролируемое зависание), 2 адресных RGB-диода, кнопка и 3 разъема питания (USB, DC и клемма) с диапазоном 5 и 12-48В.

Как правило, в промышленных решениях используют термоанемометры. Из-за их низкой стоимости, отсутствии механических узлов и компактных размеров. В качестве полезного побочного эффекта – такие датчики очень точно измеряют температуру воздуха. Но термоанемометров в модульном исполнении на рынке немного. Сначала команда смотрела в сторону Wind Sensor от Modern Device. Но в ходе тестирования было найдено несколько критических блокеров:

• в решении американцев обработка сигнала осуществляется не на модуле, а на стороне внешнего контролера;

• датчики не имеют заводской калибровки (а сборка калибровочного стенда под Wind Sensor – трудоемкое и достаточно дорогое удовольствие);

• судя по логистике, датчики производятся «под заказ».

В результате приняли решение делать свой модуль термоанемометра – CG-Anem (процессу его разработки будет посвящен отдельный материал). Для пользователей важными оказались следующие особенности датчика:

• по точности (0,4 м/с ± 10 %) датчик не сильно уступает профессиональному измерительному оборудованию (устройство Testo средней ценовой категории имеет точность 0,3 м/с ± 10 %);

• датчик калибруется производителем и отдает контролеру готовые данные (а значит его легко заменить в случае выхода из строя).

При тестирования IoT-анемометра с датчиком CG-Anem получили неплохую сходимость результатов с эталонным анемометром CEM DT-8880.

Важным преимуществом датчика пыли PMS7003 являются небольшие размеры (он уж точно компактнее популярного у экоактивистов sds011). Это позволяет помещать его внутрь воздуховода и не городить киборга с трубками забора и выпуска проб. Также датчик дешев, прост в подключении. Его точность подтверждена многочисленными исследованиями небританских ученых (см. напр. «Evaluation of Low-Cost Sensors for Ambient PM2.5 Monitoring»).

Bme680 – очень спорное решение. Настроить его работу с esp32 непросто. За счет нагревающегося элемента в сенсоре, необходимого для измерения ЛОС (VOC) датчик может врать по температуре. Но это все равно швейцарский ножик – дешев и измеряет сразу температуру, влажность, давление, VOC и AQI. Сложно подобрать что-то ему на замену.

Себестоимость компонентов:

• CG-Board_mini - 2600 рублей;

• CG-Anem - 1700 рублей;

• PMS7003 - 1300 рублей;

• bme680 - 1000 рублей;

• кабели, винты и проч. - 100 – 200 рублей;

• корпус - 100-200 рублей.    .

Итого:

• 4600 рублей за CG-Anemometr - простая версия анемометра;

• 6900 рублей за CG-Anemometr PRO - версия, измеряющая пыль, влажность и ЛОС.

Корпус

Требования к корпусу были представлены выше. Поэтому вместо скучного текста в разделе приводятся картинки ранних прототипов и готового решения.

Хочется только обратить внимание на три момента:

1. Корпуса проектировались под печать на 3d-принтере.

2. Вместе с пользователями рассматривали возможность крепления устройства к воздуховоду на неодимовые магниты. Идея себя не оправдала, так как для точной и четкой фиксации параметров климата устройство должно быть жестко закреплено на трубе.

3. Анемометры проектировались с учетом двух вариантов установки чувствительного элемента (датчика скорости потока воздуха) – у края вытяжки и в ее центре. Для второго варианта было решено использовать стойку-удлинитель. Размер которой выбирается исходя из радиуса и геометрии трубы.

Первые фантазии

еще 10 картинок

Суровый результат

модели трех финальных корпусов

Расположение компонентов

еще пара рендеров в стиле "ню"

Пример печати

другие ракурсы

Модели под печать

Сбор и обработка данных

Для сбора, анализа и визуализации данных была использована IoT-платформа собственной разработки. Она проста, достаточно функциональна, покрывала пожелания пользователей. И что самое главное – она бесплатна.

 Для рассылки уведомлений используется телеграм-бот, настраиваемый в web-приложении. Для выгрузки данных на платформе предусмотрено api.

Длительность проекта разработки

Создание датчика CG-Anem заняло 3 месяца. Непосредственно разработка IoT-анемометра длилась около месяца. Задача по тестированию на объекте (по итогам пилотного монтажа) сильно упрощалась за счет поддержки устройством OTA-обновлений.

В проекте участвовали 4 человека. Тайминг выглядел следующим образом.

Характеристики IoT анемометра CG-Anemometr

В результате пользователи получили устройство со следующими параметрами.

И кругом только тернии, тернии. Когда уже звезды?..

Соратники и сочувствующие, это первый материал с описанием «железок» из планируемого цикла. Маленький, но сильно взволнованный коллектив стартапа ClimateGuard ждет замечаний и будет очень благодарен критике. Постараемся отвечать на все комментарии, обязательно учтем пожелания сообщества в следующих статьях.

Если этот текст заинтересует хабр - далее напишем про разработку самого датчика скорости потока газа CG-Anem. Там есть что рассказать, будет много науки. Недаром наш схемотехник защитил на этом датчике одну из лучших в этом году в Бауманке магистерских работ.

Засим откланиваемся, отдаем свое творение на Ваш суд…

…и верим: «Климат имеет значение!»