Автополив: RTC, реле и датчик почвы

Расписание из прошлого урока я поставил в теплицу целиком и получил два поучительных провала за одну неделю. В четверг ночью прошёл ливень, утром в пятницу автомат покорно открыл клапан по плану «пт» — поверх лужи. А во вторник, когда жара за три дня выжгла ящик с рассадой до состояния глины, полив не пришёл: вторник в плане был выходным. Формула «по расписанию, но только если сухо» лежит на поверхности, и именно её делает возможной пара датчик почвы плюс реле: календарь решает, когда полив разрешён, земля решает, нужен ли он вообще.

В этом уроке закрываем проект целиком. Добавим к каркасу расписания два устройства: ёмкостный датчик влажности почвы на аналоговом входе A0 и модуль реле на D7, который коммутирует помпу. Разберёмся, почему показания датчика надо калибровать двумя числами, зачем порогов два, а не один, и почему питание помпы никогда не берут с пина платы. Всё это — три условия в одном if и десяток строк сверх того, что вы уже написали, но именно здесь начинаются грабли, которые сжигают насосы и заливают подоконники.

Удобно думать о системе как о трёх фильтрах, через которые проходит команда насосу. Календарь отвечает на «когда поливать можно»: день в плане, час в окне. Датчик почвы отвечает на «нужно ли»: сухо ли там наверху, где растут корни. Страховка отвечает на «сколько»: максимальная длительность одного полива, чтобы оторвавшийся шланг или пустой бак не превратили полив в вечный. Каждый фильтр — простое сравнение, а надёжность системы растёт от их произведения: чтобы вода полила, должны совпасть все три условия разом, и отказ любого из них виден в журнале по тому, какое из них не пустило.

Датчик — это либо пара оголённых щупов, либо ёмкостная планка с покрытием. Резистивные щупы — те, что голым металлом втыкаются в землю, — работают по проводимости: сухо — ток хуже, значение analogRead больше; мокро — проводимость растёт, значение падает. Хитрость природы в том, что постоянный ток через мокрые щупы устраивает электролиз, и металл облезает за пару-тройку недель — показания плывут, датчик выбрасывается. Ёмкостные планки (самая ходовая — версия v1.2) измеряют ёмкость грунта вокруг себя, металл закрыт защитным слоем и живёт сезонами, поэтому для установки на месяц и дольше я беру только их. Основное чтение то же: analogRead(A0), сухо — большие значения, мокро — маленькие; основы чтения аналоговых входов повторены в уроке про analogRead.

Калибровать нужно свой экземпляр, потому что значения гуляют от партии к партии и от длины проводов. Ритуал простой и занимает пять минут: датчик в воздухе (это сухой предел, у моих планок около 820–850), затем в стакане воды (влажный предел, около 300). Между ними — реальная земля: свежеполитая грядка ляжет ближе к влажному пределу, пересохшая — к сухому. Порог включения насоса ставят примерно посередине между «свежеполитая» и «воздух» — у меня вышло 700, а порог выключения ниже, 550, и в следующем разделе объясню, почему их именно два. Ещё одна привычка, удлиняющая жизнь датчику: питать его не постоянно, а подавать питание на планку за пару сотен миллисекунд до замера и снимать после — меньше времени под током, меньше электрохимии.

Модуль реле подключается тремя проводами: VCC, GND и сигнальный на D7 — digitalWrite(7, HIGH) щёлкает якорем, и помпа на силовых контактах получает питание. Саму помпу питают от отдельного блока — у небольшой 5-вольтовой мембранной помпы рабочий ток 100–200 мА, пиковый при старте выше, а пин Arduino отдаёт порядка 40 мА: попытка крутить насос прямо от пина или от 5V платы просаживает питание и перезагружает контроллер в самый интересный момент. Землю блока питания и земли платы соединяют — общий минус обязателен, иначе сигнал реле не будет иметь смысла. И проверьте свой модуль: немалая доля китайских реле активные-LOW — они включаются от LOW, а HIGH — это «выключено»; если насос работает навыворот, причина именно тут.

Теперь пороги. С одним порогом выходит смешное: земля у значения 650 колеблется — насос включается, чуть полил, влажность прошла порог вниз, он выключается, земля снова сохнет — и так по кругу каждые несколько минут. Помпа греется, реле щёлкает, вода размывает лунку у корня. Лечение — гистерезис: включаем при 700 (суше уже некуда), а выключаем только когда влажность дойдёт до 550. Между порогами состояние помпы не меняется, и включений становится в разы меньше — те же физика и логика, что у термостата с парой градусов запаса. Реле при двух поливах в день отработает сотни циклов за сезон — механике хватит с запасом; если бы полив был частым и плавным, я бы ставил MOSFET-ключ и крутил ШИМ.

Отдельная страшилка бочек и баков — сухой ход: мембранная помпа, оставленная без воды, греется за считаные минуты и умирает, иногда с запахом. Поэтому бак ставят выше насоса (самотёк гарантирует залив) или добавляют датчик уровня, и правило скетча простое: нет воды в баке — насос не включается ни при какой сухой земле. Шланг фиксируют хомутом: сорвавшийся в полдень шланг я искал по луже на подоконнике соседа снизу. И плату с реле ставят в закрытый бокс с вентиляцией — брызги от полива и конденс на холодном утреннем стекле с питанием не дружат.

Строка статуса в симуляторе — это журнал платы, только быстрее: den, chas, plan, okno, v и nasos показывают все три фильтра разом. Сухой ползунок вне окна даст v=810 и okno=0 с молчащим насосом — календарь сильнее датчика; в поливной день в окне сухой ползунок включит реле, а зона между 550 и 700 сохранит состояние — так и виден гистерезис. Команды d0..d6 подменяют день недели — приём только для проверки плана, в боевом коде его убирают, а команды часам мы научились слать в уроке про чтение команд из Serial.

В проекте на плате тот же скелет дополняется секундным тиком из урока про SQW-прерывание: расписание проверяется по тику, а не в каждом круге loop, и плата, если ей есть чем спать, живёт в powerDown между поливами. Дальше по наращиванию: пороги и окно — в EEPROM-настройки, журнал — на SD-карту, и ваш автополив перестанет нуждаться в ноутбуке вообще.

Проект собран, и дальше его расширяют уже не схемой, а служебными удобствами. Пороги и окно, которые сейчас вписаны в код, стоит вынести в настройки — как хранить конфиг на плате и не перешивать скетч ради смены порога, показано в уроке про первые настройки в EEPROM; а журнал поливов с датой и влажностью удобно писать на карту памяти — у соседнего раздела есть урок про логирование на SD. Если после сборки что-то работает не так, как в симуляторе, начните с журнала: строка с den, chas, v и nasos показывает, какое из трёх условий не пустило полив, — и проверьте ноль дня недели по прошлому уроку расписания, это самая частая причина сдвига.