ハウス栽培用防滴ワイヤレス複合温度センサ Wireless temp sensors using XBees

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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]

参照 Ref

[1] ハウス栽培の高温対策

Enoki is a private project about on-line measurement for farmers. My reports describes the measurements, some experiments and scratches about electronic circuits and mechanical devices.









News

室温気温チャートの日報を Blogger に1箇月間投稿しました 2016-12-25 / Have Uploaded daily temperature charts for a month everyday Download.com が Slip21 ver 1.8.6.1 を認証しました 2016-11-22 / Download.com approved Slip21 ver 1.8.6.1

フィールド試験 Field test

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。 #1の測定値不調の原因は低温によるマンガン電池性能低下でした。2017-01-17

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. The irregular measurement of #1 was because of Mn batteries bad performance at lower ambient temperature. 2017-01-17

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.


01Hay
Fig.5 #1 Hay temperature 2016-10-10
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。

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。#2 の急激な温度上昇は居室における電池 交換によるものです。2017-01-15

参照
[1] 日除けの体をなさない笠

#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 sensro 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. #2 Air temperature rises up sharp because of battery replacement on my warmed desk. 2017-01-15


使用温度 Ambient temperature

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。
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.

電源 Power supply

電池選択に際して

JISC では,アルカリ乾電池には定電流負荷の規格がある一方,マンガン電池の放電規格は固定抵抗負荷のみであるから,単純に両者の放電性能を比較できません。 Panasonic の古いカタログにマンガン電池の連続定電流特性が記載されているので両者の放電性能を比較できます。単3電池 100mA 連続定電流負荷の場合,マンガンとアルカリは7h,20hと読み取れ,容量はそれぞれ 700mAh と 2000mAh に相当します。したがって放電性能比は 2.9 倍になります。

ニッケル水素電池の放電性能もアルカリ電池の試験仕様と異なります。 アルカリ電池の最も寿命が長くなる放電時間は1日に1時間(100mA)のデューティです。ニッケル水素電池だと,放電電流 0.2C において20℃だと5時間の放電時間が,0℃だと2時間に低減する規格になっています。

これまで,劣化したと思われる NiCd 電池を使用してきましたが,もう量販店では流通していないようです。Tbl.1 に現在入手が容易な電池とその屋外使用試験結果を示します。ニッケル水素電池のサイクル数に ついて注意が必要です。0.2C の放電電流において放電時間5時間が3時間未満になるまでのサイクル数の事です。例えば初期 1000mAh の容量が 600mAh までの低下を許容した回数になります。

温度による影響 Ambient temperature effect

Panasonic が電池の温度特性を公開しています。マンガン電池 100mA の定電流負荷において20℃の場合,7時間放電します。温度特性図の7時間と20℃のグラフが交差した抵抗値を求め,下方に移動して0℃の 交点を求めると,およそ 5.5 時間を得ます。これは 20% の減少に相当します。

使い捨ての乾電池を使うか,もしくは充電池にするのかを選択する判断基準は使用温度と充電池を適切に管理できるかです。本センサは電池電圧をモニタしているため, 充電池の過放電を避けられます。また電池切れ直前の電池交換も可能になります。試験結果は屋外フィールド試験を行った実際の電池寿命です。季節による温度変化により電池寿命も 変るようにみえますが,Panasonic が公表しているマンガン電池の温度特性とは一致しません。連続電流負荷とパルス負荷,電池本体も Panasonic と Daiso と異なります。実際のフィールド試験では温度は 絶えず変動する一方,Panasonic の公表温度特性は一定温度と違いがあります。季節による温度変動が電池寿命に影響を及ぼしているのは確かなようです。

外部電源使用

本センサの絶対最大電圧は 3.6V です。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。





フィールド試験結果 Field test results

Tbl.1 Filed test results
TypeWork tempSizeRetail priceResult days
Mn-R6¥108/8pc Daiso77/72, 60/64
Mn-R14¥108/2pc Daiso
Daiso & Pana
122, 185, 214
97
Alkaline5 to 45°CR6¥108/5pc Daiso166, 190
Alkaline5 to 45°CR14¥108/pc Daiso-
NiMH0 to 50°CR6¥480/2pc 2000mAh Toshiba
Deteriorated 950mAh Eneloop
Deteriorated 1000mAh Evolta
83
85, 45
54
NiCd-20 to 60°CR6Deteriorated 1000mAh GP42, 35, 28
Li-20 to 60°CR6¥550/1pc Yodobashi

二重笠効果 Double shade effect

Fig.5 にアルカリ R6(単3) とマンガン R14(単2) を用いた秋から春にかけての電池寿命結果を示します。これまでのマンガンとアルカリを比較すると,寿命が倍以上延びています。 5℃以下になると,R14 のマンガン電池の出力はアルカリに比べ,出力が低下した結果が得られています。0℃まで下がるような環境ではマンガン電池は不利なようです。

ワイヤレス温度センサは間欠的に動作し,待機電流は極めて少ないですが,データ送信時には 100mA 程度のピーク電流が必要となります。ピーク負荷に対してもアルカリ電池は マンガン電池より優れており,R6に関してはマンガン電池を採用するメリットはないようです。

R14 マンガン電池寿命が前回と比べ,大きく伸びています。動作停止電池電圧が上昇しているものの高温に曝されないため放電期間が延びたのでしょうか。よくわかりません。 これもフィールド試験から得られた知見です。その後 2016-03-19 に電池を交換した #01 機は 3.20V からスタートし,10-19 に 1.43V に至り電池を交換しました。214日間の寿命となりました。 太陽輻射熱を避ける二重笠が電池の寿命を伸ばしているようです。

Fig.5 shows a battery life of Alkaline R6 and Mn R14 in fall throungh spring. Alkaline battery life is more than Mn twice. R14 Mn battery did not work as well alkalin below 5℃. Mn battery seems not to be good below 0℃.

Wireless temperature sensor wakes at instant and sleeps. Though the waiting current is negligible, 100mA dissipates at peak when transmitting data. It seems that Mn battery works worse than alkaline at peak load. You might not use R6 Mn battery.

R14 Mn battery life is much longer than before. I do not know why discharging time is longer in low ambient temperature with getting higher terminal discharging voltage. #01 started at 3.20V 2016-03-19. I replaced batteries 2016-10-19 at 1.43V. It worked for 214 days. The double shade seems to decrease the sun radiation heat and it might be longer life.

Calc
Fig.5 Batteries dissipation in winter
Calc
Fig.6 NiMH discharge threshold in summer

デジカメを起動しなくなった劣化充電池の再利用 Reuse deteriorated NiCd and NiMH unavailable to run digital camera

2016 年6月新たに Daiso LR6 電池消耗データが得られました。最近の円安のせいか乾電池の価格が上昇しています。Daiso は LR14 価格を倍に改定しました。同年8月 NiMH の実測データが得られました。 アルカリ電池と比較すると半分の寿命になっています。NiMH はデジカメ GE A1455 に使用し,4回充放電させています。自己放電が大きく間欠動作のミリ秒 ms 単位微小パルス負荷に不向きなのか, それとも満充電になっていなかったのかもしれません。一方,2000mAh の容量表示は JISC 8708 密閉形ニッケル・水素蓄電池の試験要領によれば,容量ではなく回数だとわかります[3]。 0.25It の電流が極端な話,1分未満の放電でも1回として加算されてしまう内容です。50回単位です。従来の C とは異なる概念と思っていいのではないでしょうか。

ゲーム機のワイヤレスコントローラとして使用に耐えなくなった NiCd と Evolta をワイヤレスセンサの電源として使いまわしています。使い古した NiCd はデジカメにも使用できていますが, Evolta は劣化が酷くデジカメを起動できません。NiCd は劣化していても,新品のアルカリ電池よりも大ピーク電流を取り出せるのでカメラを起動させられます。8月28日にワイヤレスセンサに適用したところ, 42日間の寿命となりました。電源電池電圧が 2.01V からたった45分間の間に 1.03V まで低下しました。片方の電池電圧を DMM で計ると零ボルトでした。電池個体間の劣化程度およびバラツキを管理しない事には 寿命を伸ばすのは困難でしょう。Panasonic は使いまわしと電池の組み換えを電池寿命の観点からしないようにと説明しています。今は 4000 カウントの DMM が安く入手できるので,高精度に電池電圧が計れます。 通常型潜水艦乗組員のように充電池組み換えもいいかなと思います。Panasonic が推奨するような使い方だと電池数が増えてしまいますし,まだ他の用途に使えるのに廃棄するのはムダというか, 経済的ではありません。

手間をかけたくなければ,使い捨て電池がいいかと思います。

Figure 8 に劣化 Eneloop の電池交換例を示します。NiMH を 1.0V 以下まで放電させると過放電となり寿命が短くなります。交換時の装荷状態での電池単体電圧はそれぞれ 1.03V と 0.942V でした。 記録周期までに電池を交換すれば,測定データの欠損は生じません。交換後の電池はつい最近デジカメを起動できなくなった NiCd です。

劣化 Evolta が冬期間において54日の寿命を得ました 2017-01-15。 ピーク負荷には適用できないものの XBee の駆動には十分だと思います。

参照 Ref

  1. JISC8500 一次電池通則
  2. JISC8515 一次電池個別製品仕様
  3. JISC8708 密閉形ニッケル・水素蓄電池
  4. Panasonic 電池データ
  5. NiMH 定電圧解放または電圧カットオフ
  6. 新たな用途展開を図るニッケル水素電池の新技術

I got Daiso LR6 dissipation data in June 2016. I got NiMH data in August. The NiMH life is half of Alkaline. The NiMH was for GE A1455 digital camera. I discharged and charged four times. Is self discharge big or unsuitable for mili second pulse load? Or it did not charge full.

I reuse NiMH Eneloop and Evolta that cannot use for wireless game controller. Deteriorated GP NiCd and Eneloop NiMH can run the camera, but NiMH Evolta ones cannot run. Deteriorated NiCd can discharge peak current than new alkaline batteries. The NiCd batteries started on August 28. They worked for 42 days. It took only 45 minutes to drop down 1.03V at higher 2.01V. One of both batteries measured 0V by DMM. It is difficult to enlarge battery life without controlling individual deterioration. Panasonic recommends not to reuse and change pair of batteries. We can buy 4000 count DMM at low price now. So we can measure battery voltage at high accuracy. The crews of usual battery driven submarines change pairs of batteries. Panasonic recommendation increase stock of batteries. Throwing away, it is not economical to be able to reuse ones, I think.

You may choose primary batteries without extra routine.

If you use NiMH battery below 1.0V, the life will shorten. I show an example of battery replacement within recording period in Figure 8. I measured the pair of batteries each by DMM. They are 1.03V and 0.942V. The replaced deteriorated batteries are NiCd that have not been able to run GE digital camera.

Deteriorated 1000mAh Evolta duration is 54-day in winter 2017-01-15, though their peak load available are poor. They could drive XBee.

BATdropE11E12
Figure 8 Deteriorated NiMH voltage drop in winter

測定結果を Web から無料簡単に見る方法 Free to look at the Measurement Results (Meas.txt) in Web

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,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




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 電話代のように未使用問わず必要なのでしょうか。

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。

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。

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

 


Links

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