Итоговый проект: неблокирующий термостат с watchdog и сном

Инкубатор на тридцать яиц я собрал за выходные и месяц доводил до ума. Скетч был классический по ранним урокам: loop() читал датчик, сравнивал с целью, щёлкал реле и в конце делал delay(2000) — DHT22 нельзя опрашивать чаще, чем раз в два секунды. Кнопка смены цели висела на обычном пине и опрашивалась тем же loop(). Чтобы поднять цель с 22 до 24 градусов, надо было попасть нажатием в тот глазок, когда loop() добирался до digitalRead, — а глазок был открыт 150 миллисекунд из двух тысяч. Из десяти нажатий до инкубатора долетало меньше одного.

Реле показало себя вторым. Датчик на границе цели выдавал то 23,8, то 24,2 — и реле честно отрабатывало каждый шорох: четыре-пять щелчков в минуту. У типового реле модуля вроде SRD-05VDC ресурс коммутаций — порядка ста тысяч; при таком темпе контакты кончаются за две-три недели, это не теория, я так похоронил первый модуль. Третьим симптомом приехала батарейка: когда инкубатор переехал в гараж без розетки, семь ампер-часов хватало на шесть с половиной суток — 45 миллиампер постоянного жора Uno съедали их, хотя сам нагрев питался отдельным блоком.

Итоговый проект раздела собирает ответы на все три беды в один скетч: неблокирующий millis-цикл — шаблон if (millis() - prev >= N) из первого урока раздела — вместо delay, кнопка цели на прерывании, гистерезис у реле, watchdog как страховка от зависаний и сон для батарейки. В симуляторе ниже термостат работает целиком; watchdog и сон движок не эмулирует — их смотрим на честном коде для настоящей платы.

Скелет — планировщик задач на millis() из урока про планировщик: три независимые задачи, у каждой своя пара «метка плюс период». Опрос датчика и решение по реле — раз в 500 мс (DHT22 отвечает не чаще раза в два секунды, запас четырёхкратный), печать состояния — раз в 1000 мс, события кнопки — по флагу из прерывания, без расписания. Ни одного delay() в loop(): правила кооперативного цикла из соответствующего урока здесь не пожелание, а условие жизни — заблокируетесь, и обе оставшиеся задачи перестанут успевать.

Кнопка цели живёт на пине 2 — это INT0. Опрос в loop() работал бы, пока скетч бодрствует, но в итоговой версии loop() уходит в сон на восемь секунд, и разбудить его может только внешнее прерывание. В обработчике три строки: цель плюс единица с переносом по диапазону 18-28 и флаг для loop(); печать, зуммер и решения — всё в loop(), по флагу. Правила те же, что в уроке про attachInterrupt: volatile, краткость, никакого Serial.

Реле решает автомат с гистерезисом — мёртвой зоной вокруг цели. Включили нагрев, когда температура упала на градус ниже цели; выключили, когда доросла до цели; внутри полосы реле не трогаем, что бы ни показывал датчик. Именно полоса в один градус превращает дрожащую границу в редкие осмысленные щелчки. Логику я подробно разбирал в уроке про термостат на DHT — здесь она встроена в общий millis-цикл и обязана пережить сон, зависание и смену цели на ходу.

Движок симулятора watchdog и сон не эмулирует, зато весь остальной термостат здесь живой. Датчик изображает pot на A0: ползунок — температура от 15 до 35 градусов. Почему не DHT? Макетка DHT садится на пин D2, а этот пин отдан кнопке INT0; конфликт пинов решён заменой датчика, а не отказом от кнопки — на настоящей плате вернёте DHT22, тайминг опроса не изменится.

Шум random(-1, 2) изображает дрожь реального сенсора в плюс-минус градус: на идеально ровном сигнале вы бы не увидели, как гистерезис держит реле в мёртвой зоне. Светодиод D12 зеркалит реле D7, зуммер D8 подтверждает смену цели, печать раз в секунду идёт парами имя=значение — эти же ряды построит плоттер из урока про Serial. Крутите ползунок через цель и считайте щелчки: включение — на градус раньше цели, выключение — ровно на цели.

Watchdog в итоговом проекте играет две роли, и перепутать их легко. В активной фазе — страховка: wdt_enable(WDTO_2S), и каждый круг обязан дойти до wdt_reset() за две секунды; зависло чтение датчика — чип перезапустится сам, без вашей поездки в гараж. Во сне — будильник: watchdog переводится в режим прерывания через регистр WDTCSR, дзынькает раз в восемь секунд, и обработчик ISR(WDT_vect) будит чип. А вот наивный wdt_enable(WDTO_8S) на весь скетч со сном не годится: в режиме сброса досчитавший watchdog не будит, а перезагружает — каждые восемь секунд, вечно. Это уже не будильник, а молоток.

Сон — power-down, самый глубокий режим: set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN) и sleep_mode(), после чего чип замирает до внешнего события. Из power-down ATmega328P будят ровно два источника: сам watchdog и низкий уровень на INT0 или INT1 — поэтому в скетче со сном кнопка ловится через attachInterrupt(0, naPress, LOW), хотя в бодрствовании логичнее FALLING. Об это я споткнулся первым делом: скетч с FALLING засыпал навсегда, и сутки я подозревал датчик, а не регистры. Перед сном — Serial.flush(): при 9600 бод строка из шестнадцати символов выходит примерно за семнадцать миллисекунд, и сон посреди печати режет её на полуслове. Выходы пинов уровень во сне держат: реле, включённое перед засыпанием, греет все восемь секунд — для термостата это правильно.

Теперь арифметика узла. Активная фаза — чтение датчика, решение по реле, строка печати — занимает 15-20 мс при примерно 15 мА. Остальное — сон, где чип в power-down с включённым watchdog берёт 5-7 мкА. Средний ток выходит 40-50 мкА — в тысячу раз меньше активной платы с обвязкой. Честная оговорка к красивому числу: катушка механического реле тянет 70-90 мА, пока нагрев включён, и сон её не отключает. Поэтому в батарейном термостате нагрузку я коммутирую полевым транзистором или твердотельным реле, а не модулем с катушкой — тогда батарейка АА на 2500 мА·ч живёт месяцами. Полную историю энергопотребления я считал в уроке про watchdog и режимы сна.

Докрутите планировщик до полного. Добавьте четвёртую задачу — раз в десять секунд печатать uptime и число сторожевых рестартов; пятую — мигать светодиодом, если нагрев не выключался дольше пятнадцати минут подряд: так себя выдаёт залипшее реле. Цель сохраняйте в EEPROM и восстанавливайте после сторожевого перезапуска — иначе каждый сброс возвращает уставку к 22 градусам, а вашему инкубатору нужны свои 37,8.

И пересчитайте батарейный бюджет под свои условия: свой период сна, свою длительность активной фазы, свой ток нагрузки — подставьте в формулу среднего тока из разбора. Вышло больше обещанного — ищите жреца по очереди: катушка реле, светодиоды, незакрытый Serial. Находить жреца в собственной схеме — главный навык раздела, и после этого проекта он у вас в пальцах.