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防滴ワイヤレス複合温度センサ

PCで動作するソフト Slip21 は複数のセンサ出力をワイヤレスモジュール XBee から受信し,記録するソフトです。施設栽培の営農管理用途を考えています。 外付けの温度センサのケーブルは最大 4m あり,地表温測定とか電波が伝わりにくい場所の温度測定が可能になります。オンライン測定の利点は遠隔でも状況を把握できる事です。 自動記録により,測定結果を翌朝,就寝時の測定結果を知る事ができます。特に夏夜間の高温障害,冬場の霜対策も立てやすくなるのではないでしょうか。[1]

兼業稲作農家の苗床温度外気温度やサンルーム内の温度水温を勤務先から無料サイトを開設して監視できます。

参照 Ref

[1] ハウス栽培の高温対策

Table4 I2C temperature sensor comparison
ModelWorkingConsumptionAccuracyHumidity
ADT74102.7 to 3.6V210uA±0.5°CNone
SHT212.1 to 3.6V300uA±0.3°C5.5mW

Wireless complex sensors

'enokie.dip.jp' is a private project about on-line measurement for greenhouse. I have developed temperature, light intensity measurements devices by wireless module XBee. I have uploaded the experiments and scratches on this site and my blog. Now I am developing another one by TWE (Tocos Wireless Engine). I use wireless TWE-Lite module with 2.54mm pitch DIP.

TWE offers wireless tag app which is easier than XBee to apply for I2C sensor. I have measured temperature by analog semiconductor sensor, while I2C temperature sensors have little errors than analog ones, as I2C sensors are digital signal. I confirmed that the analog temperature sensors have accuracy by simple insulator box with high precison I2C HDC1000 sensor. With I2C temperature sensors, We will not have to correct analog sensors or do confirmation test with reference.

Standard output of TWE wireless tag app supports I2C temperature sensor ADT7410, illuminance sensor TSL2561 and temperature and humidity sensor SHT21. I adopted Akizuki's module of ADT7410 at first, because it includes 2 pull-up resistors. See the comparison in Table4. While SHT21 dissipates 5.5mW for humidity heater at continuous mode. You can buy TWE at Chip1stop.[1]

[1] MONO+WIRELESS

News

Have uploaded mix of deteriorated NiMH and NiCd. / 劣化 NiMH と NiCd の混用をアップロードしました。2017-02-26 Have uploaded daily report charts in December 2016. / 12月の日報チャートをアップロードしました。2017-02-23

TWEicb88g
Photo4 On universal board

TWEpeakCurrent
Photo5 With peak current detector

TWE peak current consumption measurement

I wired and soldered TWE-Lite and I2C temperature sensor module of ADT7410 on the universal board of ICB-88G shown in Photo4. I wanted to know the actual peak current consumption of TWE to estimate battery life. I had made a peak current detector to measure a wireless temperature sensor with XBee before. I used it as before. The photo5 shows the measurement of the peak current.

The peak current detector consist of 0.1Ω resistor, OP amplifier and negative voltage generator power supplied with single +5VDC. The TWE-Lite and ADT7410 were power supplied with my tiny variable voltage regulator. DMM PC510 measured the voltage regulator output. DSO TDS 2002 (CH1 50mV/div, 5ms/div) recorded the peak current shape at single SEQ. The DSO cursor read the peak. The recorded shape of the wave was a twin peak. The bottom time width was always 8ms.

I have programmed that Slip21 shows power supply voltage of TWE-Lite. TWE is the power supply voltage shown in Table3. Ip is calculated current by OP amplifier gain and the detector resistor value.

Conclusion

Varying 2.2 to 3.3V to supply power voltage, The peak current is about 17mA at peak, including constant consumption current 0.22mA. I measured it at 2.8V by PC510. The maximum deviation of PC510 and TWE was 11mV. How does it dissipate consumption current, if monostick fail to power down? I confirmed 4.2mA height and 6ms width pulse at the same period in a few minutes. DSO was CH1 50mV/div and 10ms/div.

In case of XBee, the peak current is about 10mA with successive sharp pulses. the number of the pulses is the same of packet number. The base current is also successive pulses with 40us period.

TWE ピーク電流測定

温度センサモジュール ADT7410 を搭載した状態で,供給電源電圧を変えながら,消費電流を自作ピーク電流検知器により,測定しました。[1]

ADT7410 の定常消費電流を公開 API により連続動作から,TWE 内部のファームウェアを書き換えて,XBee のように駆動センサをスリープ動作させるのは難しそうです。パワーセービング モードだと比較的簡単に書き換えができるかもしれません。[2]

  1. 入力抵抗0.1Ω電流計特性
  2. TWE-Lite + ADT7410
Table3 Peak consumption current
PC510[V]TWE[mV]Ip[mA]
3.296331016.8
2.801281016.8
2.693270516.8
2.600261017.2
2.494250517.2
2.207221017.2

Field test フィールド試験

Slip21
Fig.1 My Temp Measurement System
Slip21
Fig.3 Minimum Measurement System

改定中のマニュアルをサイトに掲載しています。LAN 内のPCより直近1日の測定結果 Meas.txt をモニタできます。下のボタンをクリックすれば,表示されます。F5キーを押すと,画面が更新されます。

This site shows revising manual. Slip21 updates daily record Meas.txt in my fields all day long at real time. Click the below button, You see Meas.txt. Press F5 key to refresh the screen.

Meas.txt

Fig.1 に応用例として,私の測定システム構成を示します。東側の裏庭と西側の窓下と樹上に各1個の装置を置いています。各装置に外付けの温度 センサが接続されています。気温,地温,液温の測定に使用します。本体内部には気温測定用の温度センサと光強度測定セルが内臓されています。 ワイヤレスモジュール XBee は全て同じ無印ワイヤアンテナタイプを使用しています。コーディネータ Coordinator は親機を意味し,EndDevice は子機に相当します。 Slip21 は USB 接続されたマイコン MCU (Micro Controller Unit) と通信を行えます。室内の温湿度測定とかワイヤレス温度センサの補正に使用できます。私は AVR と 高精度温湿度センサ HDC1000 を使用しています。

Fig.3 に最小測定システムを示します。外付けの温度センサは電波が減衰する水中,もしくは局所の測定に適しています。


Fig.1 shows my measurement system. Wireless sensor #01 is at the east back yard. #02 is on the east outdoor window. #03 is on the wall of my room. The sensors has another extension temperature sensor each. The extension sensor can apply for air, soil and liquid temperature measurement. Each wireless sensor includes a temperature sensor and a photo cell for Sun.

All the XBee wireless modules are the same type of wire antenna. 'Coordinator' means parent device. 'EndDevice' means child device. Application Slip21 can communicates MCU (Micro Controller Unit) connected by USB. It applies for room temperature measurement or analog temperature sensor calibration. I use AVR and high precision temperature humidity sensor HDC1000.

Fig.3 shows minimum measurement system. It is suitable to measure in water or shielded local radio wave point.


01snowUp
Fig.5 #1 Covered with snow 2017-01-16
03Wall
Fig.2 #3 On Wall 2017-01-05
DoubleShade
Fig.4 #2 Double planter shade 2016-09-21
Chart
Figure 7 Daily temperature change chart

Fig.2 に #3 機の室内壁取付様子を示します。床上 1.2m の高さに本体があり,外付けセンサは机下部の床上に置いてあります。[2]

Fig.4 に示す #02 機は西向き窓に設置しています。太陽光輻射熱の影響を軽減するために,プランタを逆さまにした二重化日除けを被せています。

ポットを逆さまにした日除け用の笠は,本来排水のための穴があり直射日光による輻射熱の影響が避けられません。[1] #1 機の笠を Fig.5 に示すように Seria と Daiso で 入手したゴミ箱を二重日除けにしてみました。外付けセンサは雑草温度を測定しています。このようにサイレージ,堆肥,ボカシ,苗床の長期温度管理に適用できます。

本体ケースは防滴構造になっており,ハウス栽培内での使用を想定しています。光を検出するフォトセルのためにクリアケースを採用しています。

Figure 7 に示すチャートはサーバに記録された Slip21 のデータをローカルPCから Meas.txt にアクセスして LibreOffice Calc により作成しました。先月(1月)の下旬に,ファンヒータを 点火する際,デフォルトの設定温度 20℃ を 2℃ 下げたところ立ち上がり時の極端な過温がなくなりました。大した省エネ効果はないかもしれないが,健康にはいいのではないかと思う。動物と 異なり植物の急激な温度変化がどう影響するのかさだかでないけれども,急峻な温度変化は良くないのではないか。温度記録をチャート表示にすると体感とも合致して,温度管理に有効ではないかと思います。

参照
[1] 日除けの体をなさない笠
[2] 干し草温度とOAデスクの冷気対策

#3 is on wall in my room at the height of 1.2m shown in Fig.2. The extension sensor is below my desk on floor.

#2 is on the west window outdoor shown in Fig.4. #2 is capped with double shade of planters to cut off the sun radiation heat.

The upside-down shade passes the sun light radiation through the drain hole of the planters. #1 is capped with double shade of one coin trash boxes shown in Fig.5. The extension sensor measures hay temperature through PVC pipe. The sensor is capable for silage, compost, bed and bokashi.

The splashproof case is applicapable for green house. The clear case passes the sun light for photo cell.

Figure 7 shows daily room and outdoor temperature change chart. I get Meas.txt on local PC and work it by LibreOffice Calc. I set up 2°C less than default 20°C late January. And the overshoot temperature more then 30°C disappeared. I think that the daily temperature change charts are useful to control air conditioning for humans. Plants also grows well, if you control your greenhouse air temperature moderate, I think.


使用温度

使用する温度範囲は電池の種類によります。リチウム電池だと-20 - 60°C になります。ただし,結露および凍結繰り返しは不可です。 外部電源コードから電源を供給すれば,最低温度は -40°C になります。上限は現在使用しているケースの耐熱温度 60°C になります。 耐熱容器に変更すれば,上限は 70°C になります。

Ambient temperature

Working temperature depends on battery types. Li battery works on -20 to 60°C. Work without dew condense and frost, however. The minimum ambient temperature is -40°C with external power cable. The upper temperature limit is 60°C which is allowable case material temperature. The maximum upper limit is 70°C.

Power supply 電源

外部電源使用

本センサの絶対最大電圧は 3.6V です。この電圧を一瞬たりとも超えてはいけません。私の場合,XBee モジュールの電源に DC/DC コンバータ回路を搭載していますので最小入力電圧は 0.7V です。 栽培ハウスの商用電源を利用する場合,ACアダプタの使用が簡単でしょう。秋月電子だと3V出力の物が ¥750(送料別途)で入手できます。



External power supply

XBee maximum power supply voltage is 3.6V. You must not supply more than 3.6V even instantly. The minimum supply voltage is 0.7V, as I adopted DC/DC converter.

As for TWE module, the minimum power supply voltage is limited by I2C sensor working voltage. Refer Table3.


FanDraft
Photo1 Draft

02Floor
Photo2 On floor

DraftBox
Photo3 Behind box

ファンの影響

どうも半導体温度センサはサーミスタなどと比較して熱応答が早く温度感受性が高いようです。微小物体の温度を計るうえで高速応答は良い事だけれども,石油ファンヒータを机下に置いて気温を測定すると 人体が感じる感覚とは一致しません。冬季の室温と外気温度測定結果を日報としてまとめて公開しているので参照してください。

センサの固有応答時間(時定数)を早めることはできないけれど,熱容量を付加するなどして遅らせるのは可能です。流体力学の実験を模してティッシュペーパを壁にピン止めすると,下部からの 上昇気流によりティッシュペーパが Photo1 のように吹き上げられます。センサが暖気で炙られるのだろうと思います。このセンサはケースに外腔があり外気に触れやすいようにしています。他のセンサはケースに 突起を形成してセンサを収容しています。風の影響を過敏に反応するのもどうなのかと思います。植物がどう感じているのかが知りたいが不明です。おそらく動物より時定数は大きいのではと思います。

Photo2 に示すように床の上に置いた外付け温度センサを Photo3 の工具箱の陰に置いていますが,チャートをみると温度センサの出力はオーバシュート気味です。オーバーシューズを履いていても ファンヒータ起動後の昇温時には熱く感じるので,実際に激しく昇温しているのでしょう。こまめにファンヒータの設定温度を変えれば,省エネになると思います。

Draft effect

It seems that semiconductor sensor has higher sensitivity than thermistor. Although the response time of sensor (time constant) cannot speed up, it can be slow with heat capacity. I found that #3 on wall is heated up draft by kerosene fan heater under desk. I pinned a piece of tissue paper shown Photo1, considering aero fluid experiment. #3 has a cavity for temperature sensor. We do not know plants how to feel temperature. The time constant of plants is larger than animal, I think.

I simply put extension temperature sensor on floor shown in Photo2. Now I put it behind my tool box shown in Photo3. But the temperature change chart sometimes shows overshoots.


BATdropE1NiCd1
Figure8 Mix of NiMH and NiCd

Mix of deteriorated NiMH and NiCd

#3 loaded deteriorated 1000mAh Evolta E1 and 1000mAh GP NiCd NiCd1. Their voltage dropped at 9:45 February 26 shown in Figure8. I measured voltage on loading -0.052V (NiCd) and 1.272V (NiMH) each in the afternoon by DMM PC510. Slip21 recorded the battery voltage sharp drop as follows,
09:45 1.15V
09:30 1.72V
09:15 2.14V
09:00 2.21V
08:45 2.23V

The battery life was only 12 days. I will not reuse NiCd1 for wireless sensor.

劣化 NiMH と NiCd の混用

劣化した NiMH 1000mAh Evolta E1 と NiCd 1000mAh GP NiCd1 を#3に装荷しました。バッテリ電圧は2月26日 9:45 に急落しました。その日の午後,MM PC510 で各電圧を装荷状態で計ったら, -0.052V (NiCd) と 1.272V (NiMH) でした。直近1時間の電圧は左に示すように減少しました。その寿命は12日に過ぎません。

測定値を無料サイトに定時アップロード

自ハウスの温度管理を特定の人だけに見せるには,私のようにバックアップPCをサーバと Slip21 の運用に使用している方は httpd ソフトにパスワードを設定します。私はフリーの AN HTTPD を使用しています。

例えば FC2 の無料ホームページだとパスワードの設定ができます。とりあえず,サイトを開設してみてはいかがでしょうか。Meas.txt を定期的にアップロードするにはフリーの自動アップロードソフト AsFtp と FTPbox があります。AsFtp は Windows 98 対応の 16bit プログラムなのでロバスト性に疑問が残ります。ただ,私はこのソフトを運用した事がありません。他方の FTPbox を無料ホームページサイトで試したところ, うまく動作しませんでした。

Slip21 のマニュアルに記したように Windows 内蔵の FTP を用いてバッチファイルを記述して,タスクスケジューラにより第三者の無料ホームページにアップロードできています。

ある商用ウェブサービスでは,出先から栽培ハウスの温度状況を確認しようとすると,月額 ¥1800 の費用がかかります。しかし毎日,外出出張するような就農者以外は,上記の無料ホームページを開設して, パスワードを導入すれば,他人に自分のハウス管理情報を公開せずに,勤務先,外出出張先とか遠隔地からハウスの温度状況を無料で確認できます。

参考
AN HTTPD ユーザ認証の設定
AsFtp 詳細
Meas.txt アップロード検証無料ホームページ http://enokie.web.fc2.com/index.html
FC2 が提供するサービスと他社が提供されているサービスを解りやすく比較
FC2レンタルサーバーLite マニュアル

Upload the measurement on time at a free site

When you want not to show your greenhouse temperature data, set up password to your httpd program. I use free AN HTTPD.

Without httpd program, you may open your own site provided by FC2 for example. Free FC2 site can set up password to look up any page. In order to upload Meas.txt on time, free 'FTPbox' can do. I tried it, but FTPbox could not work at my FC2 site.

I upload Meas.txt to my FC2 site, as I describe Slip21 online manual, I use FTP program and task scheduler in Windows and wrote a simple bat file.

A commercial web service costs ¥1800 monthly to check your greenhouse temperature, when you are out. If you open such a free site as described, you can check the temperature with password from your remote working place.






農用に使えそうなワイヤレスセンサ一覧

Table.2 Wireless sensors apps for agriculture
名称月額経費警報見通し距離本体構造外部センサ測定対象本体価格
Slip21無料Yes1,200m防滴4m気液地温,光応相談
おんどとりease[3]無料50m室内温湿度¥7,452
SmartLogic[2]¥1,800Yes500m防水温湿度,光オープン
PaddyWatch[1]¥1,980Yesモバイル通信防滴2m温湿度水位¥99,800

農用ワイヤレス温度センサが増えてきたようなので Table.2 にまとめてみました。

SmartLogic と PaddyWatch は Web で動作し,測定データも運営会社のサーバに蓄積されます。隣の営農方法を真似ていたり,他に営農指導を仰いでいたりするような農家なら際立った営農ノウハウの必要性もないとすれば, 営農情報が第三者に漏洩してもさして支障がないでしょう。

しかし他の農家とか事業者と競争差別化しようとするなら,営農ノウハウを秘匿すべきではないでしょうか。 そもそも競争がないのなら,この種のセンサ自体の存在も大して意味がないのかもしれません。必要なのは隣国のオランダ農法に対抗しなければならない花卉と野菜農業くらいでしょうか。 水田用農用センサはピントが外れている可能性が高いかもしれません。測る必要のない秋冬期は月額経費は LPG のように無料なのか,それとも NTT 電話代基本料金のように未使用問わず徴収されるのかもしれません。

例えば自家用車なら運転日誌を自動車メーカとか代理店に公開しないのが普通ではないでしょうか。データセンタと守秘義務を取り交わしたとしても,ベネッセの不祥事のように漏洩リスクを考慮しておかなければなりません。 大規模な農業法人になればなるほど,この種の外部データセンタの運用を避けるでしょう。しかし運用会社がデータ集積が目的の場合,交渉しだいでは装置の無料貸与が可能になるかもしれません。

私はワイヤレスモジュール XBee を用いたフィールド(屋外)試験を通じて,風雨降雪に耐え得ると確信しました。クリティカルな制御なら別途考慮しなければならないけれど,環境測定のような監視系ならワイヤレス通信で十分だと思います。 さて,おんどとりease の通信距離は 50m と短いですが,子機のディジーチェーン(数珠つなぎ)により延伸が可能です。ただ,ケースが防滴ではないので散水の際は何らかの工夫が必要です。[4]  とりあえず,蔵,納屋小屋,鶏舎とかに設置して自宅内PCから監視記録を始めてももいいかもしれません。

参照 Ref

[1] 田んぼの見回り、代行します
[2] ワイヤレスセンサーネットワークシステム
[3] おんどとりeaseで温度と湿度をモニタ
[4] おんどとりease の結露対策

How to assemble wireless sensor

Slip21 works for XBee with analog temperature sensors or TWE with I2C sensor. XBee and the analog sensors are supplied with regulated DC/DC converter. And the wireless module needs 2 ICs. You have to assemble them on a universal board by soldering wires. With a PWB (PCB), you will be able to assemble easily.

If you share to make the PWB, a single board cost will be cheaper. I invite cooperative friends to develop wireless sensors. Please contact me. you will find my address, if you look at 'Profile'.

ワイヤレスセンサ組み立て

Slip21 はワイヤレスセンサの組立が必要になります。回路自体はさほど複雑ではないけれど,半田付けをしなければなりません。その際ネックになるのは配線です。真空管時代のラジオテレビは 空中配線でしたから,それなりの技量は必要でした。今は配線が印刷された基板 PWB (PCB) に置き換わりました。印刷基板になれば,半田付けの経験がなくともお箸を使えるスキルがあれば DIY で 十分半田付けが可能です。

基板作成費の経費分担とか有志,並びにスポンサを募っています。よろしくお願い致します。半田付け組み立てを代行します。関心のある方,ぜひコンタクト(Profile に記載)をお待ち申し上げます。

 


Links

ともさんのノマドな生活 Tomosan's no mud life
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XBee 仕様
モノ”をつなぐ無線マイコン TWELITE-トワイライト
XBee Specifications
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Expedition Where is the Polarstern (German ice breaker)?
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