Serial-плоттер: два сигнала на одном графике

Камера дозревания томатов держит два числа сразу: 22-26 градусов и 60-75 процентов влажности. Мой первый журнал был честным — две колонки чисел в мониторе, строка в секунду. Прокручивая вечер, я не видел ничего: корреляция между колонками глазами не читается, а именно она была всей сутью — при провале температуры влажность скакала вверх от конденсата, и по паре чисел это видно, а по столбику — нет.

Плоттер мы уже открывали: в уроке про Serial Plotter были вкладка симулятора, формат «метка=значение» и один датчик с двумя рядами одного происхождения — сырой и масштабированный. Здесь шаг дальше: два разных физических сигнала, у которых разные шкалы, разные размахи и разный характер. Кривая температуры ходит на четыре градуса, влажности — на пятнадцать процентов, и на общей оси младший ряд прижимается к полу и превращается в прямую.

План такой: собрать строку с двумя подписанными рядами t и h, договориться о разделителях — запятая, пробел или таб, — развести масштабы множителем и выбрать частоту выборки, при которой график остаётся читаемым, а канал не захлёбывается. Отдельная ловушка — печать в цикле с delay(1): плоттер заливается тысячей строк в секунду, и кривые превращаются в кашу. В симуляторе — DHT с ползунками температуры и влажности и вкладка «Плоттер» рядом с монитором.

Плоттер читает те же строки, что монитор: сколько чисел в строке — столько рядов сдвинутся на шаг. Голые числа через запятую — «24.3,46.2» — дают два ряда с именами 1 и 2; через пробел или таб работает так же. Как только кривых становится две, имена нужны: формат «подпись:значение» даёт рядам человеческие названия — строка «t:24.3,h:46.2» рисует ряды t и h прямо в легенде. Разделителем между парами служит запятая, пробел или таб — плоттеру безразлично, важно, чтобы пары не слипались и каждая несла своё двоеточие. В Arduino IDE 2 пары подпись:значение принято разделять пробелом или табом; в симуляторе на сайте работает и запятая — проверено на вкладке «Плоттер», и она же экономит пару байтов строки.

Закрывает строку один println: печать собирается Serial.print по кускам — подпись, число, разделитель, вторая подпись, число — и println в конце переводит строку. Обе величины обязаны ехать в одной строке: если печатать t отдельным println, а h следующим, ряды поедут с шагами вразнобой, и ось времени соврёт — события, случившиеся одновременно, окажутся в разных тактах. Это то же правило склейки, что у монитора, только цена промаха выше: график притворяется измерением.

Проверка канала стоит пяти секунд: волна из синуса на millis — идеальный тест без железа; волна пришла — порт и скорость в порядке, и если дальше каша, виноват формат строки. Вторая проверка — проза среди чисел: строка с комментариями разбирается плоттером непредсказуемо, буквы он пропустит, а числа по соседству могут разъехаться по чужим рядам. Строка для плоттера — только числа и подписи, без прозы.

Масштабы — главная причина, почему два сигнала на одном графике выглядят хуже, чем поодиночке. Ось у плоттера общая: при температуре 22-26 и влажности 60-75 оба ряда видны, но у температуры остаётся четверть экрана, и её динамика — плоская линия с дрожью. Множитель решает арифметически: деление размаха старшего ряда на размах младшего даёт стартовую цифру, дальше по глазам. Температуру с размахом в четыре градуса я умножаю на десять: кривая ходит на сорок единиц рядом с влажностью на пятнадцать, и обе читаются.

Плата множителя — подписи на оси: ряд t10 показывает не градусы, а десятки долей градуса, и это надо помнить или подписывать в легенде. Альтернатива — вычитание базы: (t - 21) * 10 переносит кривую в диапазон 0-50 без изменения масштаба делений. Моё мнение: для двух рядов множитель дешевле отдельного окна; когда рядов три и у каждого своя шкала, я разъезжаюсь на два плоттера или увожу данные в Processing — визуализацию на живом порту собирали в уроке про Processing, там у каждого ряда своя ось. Двух окон плоттера на одной Uno не бывает — порт один; второй график значило бы вторую плату или запись в файл с построением отдельно.

DHT вносит поправку в частоту: по даташиту DHT22 отвечает не чаще раза в две секунды, DHT11 — раза в секунду, и опрашивать их быстрее — значит читать одни и те же значения. Для t и h честная частота — 0,5-1 Гц, кривая превращается в медленную волну, и это правильно: температура в камере не дрожит. Датчик подключается как в уроке про DHT11 — сигнальный провод на D2 и подтяжка между сигналом и питанием.

Частота выборки — компромисс между читаемостью и каналом. Для быстрых сигналов — сырой АЦП, фоторезистор, отклик фильтра — берите 20-50 Гц: кривая становится гладкой линией, а не ломаной по трём точкам. Арифметика на 9600 бод: строка в пятнадцать байт занимает 15,6 мс, значит потолок канала — около шестидесяти строк в секунду; двадцать Гц с такой строкой занимают треть канала, пятьдесят Гц — уже три четверти, и на остальное канал не остаётся. При 115200 потолок поднимается до семисот строк, но историю режет не канал — окно графика.

Окно истории у плоттера конечное: около 240 последних точек на ряд. При двадцати Гц это двенадцать секунд — хватает, чтобы разглядеть переходный процесс, не хватает, чтобы увидеть ночной тренд. Для медленных сигналов частоту специально занижают: температура камеры на 0,5-1 Гц даёт окно в несколько минут, и волна читается. Печать держится на планировщике из урока про millis вместо delay — период меняется одной константой, без переделки цикла.

Когда график нужно сохранить, плоттер — не архив: закрыли окно, история ушла. В симуляторе вкладка «Плоттер» выгружает ряды в CSV одной кнопкой — те же данные дальше едут в журнал с кнопкой записи из урока про CSV-лог. Если двух рядов стало мало и нужна своя ось каждому — данные везут в Processing; а при плотной печати помните про буфер приёма на 64 байта, та же цифра, что в уроке про буфер UART: полный буфер — порезанные строки и каша на графике.

Что именно читают в паре кривых — покажу на той же камере. Ночь: температура провалилась с 24 до 21 градуса, и через полминуты влажность рванула с 62 на 70 процентов — холодный воздух держит меньше пара, влага осела на стенках, датчик увидел скачок. По одной кривой это выглядело бы странным поведением каждой величины в отдельности, на паре — диагноз: щель в уплотнителе дверцы, камера тянет уличный холод. График сделал за один взгляд то, чего журнал не делал месяц.

Второе применение — настройка регулятора. Меняю уставку на градус — на графике видно, как кривая идёт к новому значению и насколько перелетает: перелёт в три градуса говорит, что гистерезис мал и реле щёлкает чаще, чем нужно. Вялый подход без перелёта — наоборот, гистерезис великоват, камера дольше выходит на режим. Одна правка — один взгляд: плоттер превращает настройку из гадания в измерение с немедленной обратной связью.

И правило, к которому я пришёл после пары споров с самим собой: лог — для цифр, плоттер — для формы. Числа в журнале отвечают, какой была влажность в 2:04; кривая отвечает, как система к этому значению пришла — плавно или рывком, с перелётом или вялым подходом. Для настройки нужна форма, для протокола испытания — числа, и оба инструмента питаются одним и тем же println.