貯水タンク リモートモニター 2017年 バージョン
屋外タンクの貯水量を居間で知る装置の自作
Rev.
88
 Original: Mon.Dec.05'16
Updated : Fri.May.12'17
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屋外タンクの貯水量を居間で知る装置の自作 2017年バージョン

 昨年 2016年は屋外4カ所の貯水タンクの水量を屋内(居間や書斎で)知る装置を制作しました。この作品は現時点 ( As at January2017 )で
各地で数セットが大きな問題も無く正常稼働しています。

 今年 2017年は基本的能力は同じで、キャビネットの大きさが異なる二つのモデル。そして無線伝送機能を省いたシンプルモデル。合わせて
三つのモデルを紹介します。

 改めて屋外の貯水タンクの貯水量を屋内で知る装置の概略をおさらいしておきます。基本的な動作は、
 1: 水面へ超音波を照射し、その反射波が返る時間から水面までの距離をマイクロコンピューターが計算する。
 2: その水位情報を無線で送信 
 3: 屋内で無線を受信 
 4: 水位情報から貯水量を導き出し表示する。
図で示せば以下(↓)の様なものとなります。

 




最初の一歩 超音波スピーカーとマイクロフォン

相互の区別はラベルを見ないと判別は困難だ。
 これが超音波のスピーカーとマイクロフォンです。トランスミッター / レシーバーと呼ばれるほうが多いかも知れません。
秋月電子通商で送受セット \300.- で入手可能です。(昔は今の価格の三倍ほどでした。)
 他にオペレーショナルアンプ、コンデンサー、抵抗、・・・・などで回路を組み立てて使用するのですが、

 
 超音波測離モジュールとしてマイクロコンピューターを内蔵した商品が安価に入手可能なので、これを利用します。 HCSR-04 には欠点が
あり、US-015 がベターなのですが秋月電子通商で入手可能な HCSR-04 を今回は採用しました。このモジュールにスタート信号を与えると、、
『はい!、対象物からの反射時間は nnnミリ秒でした。』と距離に比例した時間が返えって来ます。

 FYI HCSR-04 の欠点 ⇒⇒


 画像 #16-R0022153 の HCSR-04 や US-015 と同等の機能を持つ物を超音波 Tx/Rx で組み立てた一例です。アナログ回路を含むため
それなりのスキルが必用で、単純に部品を並べて組み上げただけでは、異常発信などの問題が生じる可能性もあります。



 PIC マイコン PIC16F87 を使って HCSR-04 にスタート(トリガー)信号を送り得られた反射時間から対象物(今回は貯水タンクの水面です)までの
距離を計算させます。計算結果はPIC16F87 の 11pin から画像()右の黒い被服の電線の緑色の導線に出力されます。電気信号を直接読み取ることは
(人間には)できないため、 この計算結果をマイコンに表示させると、、()。



 PIC マイコン PIC16F87 に、計算結果を液晶に表示させるようにプログラムを書き込み、超音波測離モジュールの先にちいさな
段ボール箱を置いたところ、172cm と表示されました。つまりセンサーから段ボール箱までの距離は 172cm と判断されたわけです。
メジャーで実測すると 171.5cm で、ほぼ満足できる結果です。これで簡単な距離計が完成したことになります。
 この回路図(ハンドアウト)とプログラム書き込み済み PIC16F87 は頒布可能です。) ⇒⇒


 トライアル中の画像です。使用中の貯水タンクの蓋に開けた 5cmφの穴から水面に超音波を照射して水位を調べ、ケーブルを経由して表示モジュール
へ情報を伝送中です。



 貯水タンクから離れた場所でも貯水量を知るため、水位データを別のマイコンに伝えて貯水量を表示させたのが上の()画像です。この作品に
ついては、このページ後半に再度記述します。


水位情報を電波で飛ばす


 例えば『裏庭のタンクの貯水量を書斎で知りたい。』など、さらに離れた場所で貯水量を知りたい希望があれば、、、

 貯水量データを無線で送受する手段があります。無線通信と聞くと、国への申請書類や無線免許を連想しますが、そのような煩わしい手順は
不要です。今回採用した製品は MONO wireless 社の TWI-Lite Dip トワイライト・ディップです。秋月電子で \1,600〜\2,000 と今回の作品で最も
コストが高いパーツです


 MONO wireless 社の TWI-Lite Dip トワイライト・ディップ [ 18 ] を追加しました。[ 22 ] のラベルの部品はレベルコンバーター
で、超音波測離モジュールは 5.0 Volt が動作電圧なのですが、 トワイライト・ディップの動作電圧は 3.3Volt と異なるためレベル
合わせの役目を担っています。水位情報は PIC マイコン PIC16F87の 11pin からでた黄色のワイヤーが [ 22 ] の6pin に入り、
5.0Volt ⇒ 3.3Volt と変換され 15pin から黄色のワイヤーが トワイライト・ディップ の3pin に入っています。
 追加した IC は2個、追加した配線は 10本だけです。 たったこれだけの作業で水位情報がマッチ棒アンテナから見通し100m離れた
場所の表示モジュールに伝送できるのです。


 実際にフィールドでノーメンテナンスで数年間安定稼働させる作品として仕上げるには、電気的なノイズ、メカニカルな振動、メンテナン
サビリティ、などの諸問題をクリアーする対策が必要で、。画像 #17-R002130 を実務レベルに組み上げるとこの様な()作品となりま
す。 他に回路図、部品リスト(価格や購入先も記録)なども将来の機能追加・変更、修理のために残しておきます。
 『あっ、動いた!、よかったね。』 パチパチパチ・・・だけで終わらせないのが私の主義なのです。これ()を()の塩ビパイプを流用
したケーシングに収めて完成となります。


 赤/黒のワイヤーは電源 7〜30 Volt 、黒単線はデータ伝送モジュールとのデータライン。


 2個の金属の筒状の物が、超音波の送信/受信部分で、タンクの蓋に開けた直径 5cm の穴から水面へ超音波の送受を行う。
このまま使用すれば有線方式、奥に見える水位情報を送信するアンテナモジュールに繋いで使用すれば無線方式となる。


 貯水タンクの上蓋に開けた 50mmφの穴と2種類の水位センサーモジュール。左はアンテナ分離タイプ、右はアンテナ内蔵のインテグレーテッド・タイプ。


 Camera EOS 10D Lense EF200mm 自作自動撮影装置で撮影 
 この円筒の中に無線送信モジュールが組み込まれている。庭でテスト中に野鳥のジョウビタキが止まってくれた。


 貯水タンク側に設置するモジュールは、水位センサー部とアンテナ部が一体化した作品と個々に独立した2種類を制作しました。貯水タンクの設置状況に応じて
いずれかを適宜選択します。 画像例()は一体化したモジュールです。

 水位センスモジュールの具体的な設置例を紹介しよう。
半閉のキャップの隙間から蚊などの侵入の可能性があった。
 2010年頃の我が家の300肇織鵐は、マグネットフロート(浮き)とリードスイッチ(ガラス管に封入されたスイッチ)を使い電気的に
貯水量をセンスする方式だった。( 画像内黒矢印だが、この画像は以前、別の目的に使った物で、矢印は今回無関係。)


 これは昨年 ( 2016年 ) の試作段階の画像だが、仮蓋には次期モデルのテスト用の直径 5センチの穴
が開けられている。


 蓋に開けた直径 5センチの穴にモジュールを載せて電源を接続すれば、屋内の書斎 or 居間に置いた室内モジュールに
現在の貯水量がリアルタイムに表示される。 マウスポインターを画像上にスイライドイン / アウトして頂きたい・・。
 

水位情報を無線(電波)で受ける


 屋内用の貯水量表示モジュールを2例示します。使用する液晶、 ( 2行 x 16文字 or 4行 x 20文字 ) のサイズの関係でキャビネットのサイズは
異なりますが機能的には同じです。上のモジュールの内部画像を後半に載せておきました。
 個人的なプログラムの勉強のため上のモジュールは PIC18F2320 下は PIC 16F873A を採用しましたが今後は PIC18F2320 に統一するつもり
です。


 タンクの水位情報を無線で受信するためには、受信用のTWI-Lite Dip トワイライト・ディップが必用です。
_

 屋内表示モジュールのプログラムのデバッグなどのため、ブレッドボードに組み上げたセット。タンク側モジュールでは使用していたレベルコンバーター
ICが見えませんが、ブレッドボードがスペース不足のため、ロケーション I-45,46,47 のトランジスター 2SC1815 とその上の2本の抵抗でレベルコンバーター
回路を組み込みました。右端に見える黒い円柱はブザーですが、消費電流は PIC のドライブ能力を超えるため、やはりトランジスター 2SC1815 でドライブ
しています。また、このブレッドボードは3種類の電源 5.0V 、3.3V、12.0V が供給可能な特殊モデルです。
 補足 PIC マイコンは 3.3V でも動作可能なので、3.3V で動作可能な液晶を採用すればレベルコンバーター回路は不要となります。

2017-01-01

 こちらが後ろ姿。 [ 貯水量情報 ] は無線で受信するのでデータ受信用のコネクターなどは存在しません。またキャビネットはプラスチック製
で電磁シールド機能を持たぬことを利用した内蔵タイプアンテナなので外部から見えません。パンチパネルの円い窓はブザー用に開けました。
この窓が無いと内部でブザー音がこもり、音質と音量が落ちてしまうのです。



 貯水タンク側から無線送信される貯水量情報を受信の度に、1:液晶画面左上方の [ * ] が左右に動き2:右側のグリーン LED が点滅します。
マウスポインターを画像上に乗せるとそのイメージがつかめます。
 タンクの水位が満タンやカラッポの時には赤い LED とブザー音で知らせる機能も持っている、

 
 これは昨年 (2016年 ) の作品で、より小型のキャビネット(ケース)に表示文字数の少ない液晶を組み込んだ事例です。
[ 無線通信 ] のイメージを強調するためあえてアンテナを出しましたが内蔵スタイルのアンテナを使用すればキャビネットの穴開け作業
などは不要です。また使用した PIC マイコンの能力の関係で2個のタンクの貯水量しか表示できません。大きさは約 W:100 H: 47 D:140mm 。


 昨年の作品:画像 #16-R0022366 のPIC マイコンとプログラムをアップデートして 2017年バージョンとした作品です。アンテナも
内蔵方式に変更、3個の貯水タンクの貯水量表示が可能です。
 memo' 旧 PIC16F873 ⇒ 新 PIC18F2320


[ 2017年バージョン ]
 画像 #17-R0022953_02 の上側のモジュールの内部画像です。コンポーネントの位置関係を見やすくするため、液晶のコネクターを
抜いて撮影しました。5.0Volt / 3.3Volt レギュレーター、液晶輝度ポット、液晶バックライト On/Off スイッチ、I/O ポートのドライブ能力では
駆動できないアラートブザー、レベルコンバートトランジスターなどが並んでいます。液晶本体は、ぎりぎりでキャビネット内に収まっているこ
とが見て取れると思います。
 memo' キャビネット タカチ電機工業 SY-110A  サイズ:約 W:100 H: 47 D:140mm 。


_

無線伝送機能を持たない、つまり有線式伝送モデル



 たかが雨水タンクに無線伝送機能など不要だとお考えの方も多いのではないでしょうか。下()画像で紹介する作品は有線で貯水量データを
伝送するモデルです。
 基本動作をチェックのためブレッドボードに組み上げた物で、無論このまま現場で使用するわけではありません。

 このモデルのコアは数百円の IC 2個だけです。画像左の超音波測距離モジュールで水位を知り、そのデータを画像下部の黒いケーブルで貯水量表示
モジュールに送り、画像右の [75] とマークされた IC が受信データから貯水量を計算して画像右上の液晶モジュールで貯水量を表示しています。

 参考のために各部品の価格を記します。 ( 紹介する作品は基本的に秋月電子通商で入手可能なパーツで構成しています。)
○ 液晶モジュール 20コラム x 2行  L1672D1J000 @1,620.-  同等の機能で安価な物は @700.- から入手可能。.
○ 超音波測距モジュール HC-SR04 @400.- web ならもっと安価に入手可能
○ [15] PIC16F87 @140.- 、[75] PIC18F2320 @420.-
○ ブレッドボード BB-801 @200 を今回は3枚使用
○ 残りは数十円の小物パーツが数個
○ 伝送ケーブルは電線ならなんでも可。

 あと必用な [ もの ] は数時間から数日間の [ 頭の体操 = プログラミング作業 ] とその結果を PIC マイコンに書き込む PIC ライターです。


 水位を測るタンク側のモジュール。水位情報は画像右の黄色と緑色の2本(電気はプラス・マイナスの2本が基本なので)で送られる。所有するケーブルで
最長の物は 10mだったので、これ以上の長さのテストは行えなかったが、ライン・ドライバー IC などを使えばより長距離通信が可能で、更に希望すれば
特殊の通信ケーブルを使うことで 150m 程度まで延長可能です。


 ラインドライバー IC の一例、ADM232AN です。TTL ロジックレベル ( +5.0Volt〜0Volt) を EIA232対応レベル、(今回の事例では実測 -9.0Volt 〜
+9.0Volt ) にコンバートしてくれます。
 片方のマイクロコンピューターから別のマイクロコンピューターへ送信/受信する場合、一般的なマイクロコンピューターは 5Volt が基準電圧なので
送受の信号レベルも 5Volt となります。マイコン同士をつなぐ信号線は(導線なので)そのままアンテナとして機能します。我々の周囲には様々な電波
AM/FM、 テレビ、WIFI が飛び交っていてそれらの電波信号を、マイコン同士をつなぐ信号線が拾ってしまうのです。電波以外でも、例えば使っていな
い扇風機やファンヒーターの電源線に近づけるだけで望まない信号がマイコン同士をつなぐ信号線が拾ってしまいます。ましてやそれらを On/Off す
れば数倍から数十倍のノイズが侵入してきます。もしこのノイズが 3volt 以上だったら・・・、マイクロプロセサーはどう判断するでしょうか?。
 今回のラインドライバーなら信号レベルが 18Volt なので数Volt 程度なら無視されます。少々乱暴な解説だったので誤解される可能性が高いのです
が、流通している商品はメカニカルにはノイズ対策された信号線、ソフト面では信号形式、など様々な対応がなされています。


 貯水量表示モジュールのクローズアップ画像。タンク側からの信号線は4本だが、使われているのは赤線と黒線の2本だけで残りの
2本は未使用だ。画像例は貯水量表示だけだが、それ以外にブザーを鳴らしたり、ランプの On/Off はプログラム次第で任意だ。
画像の作品ではブレッドボードが2枚使われているが、下側のボードはほとんど未使用と言える。
 ここに無線伝送用の TWELITE を載せて結線してみました。さてどうなるか・・・・。 結果⇒⇒


 貯水量表示は、液晶に比べ、安価で遠くからでも読み取り易い7セグメント LED を使う手段もある(要プログラム変更)。


 最初に記したように、これは完成ではありません。このまま現場にセットしても数ヶ月程度は動作するでしょうが、私が要求するリファレンスはノーメンテナンス
で6年以上正常稼働なのです。


 使用中の貯水タンクの蓋に開けた 50mmφの穴から水面に超音波を照射して水位を調べ、ケーブルを経由して表示モジュールへ情報を伝送します。
この画像はこのページで既に載せたものですが、このケーブルの先に表示モジュールを接続すれば [ 有線方式 ] 、アンテナモジュールを接続すれば
[ 無線方式 ] となります


 このページの前半にも記載しましたが、実際にフィールドで使用する作品として仕上げた作品です。

 さて有線で貯水量を表示していたモジュールに(強引に)無線伝送用の TWELITE を載せて結線してみました。

  我が家には3個の貯水タンクがあり、個々のタンクから常時無線で水位情報が送信されています。この情報を得られるかな?と考えたの
ですが結果は(予想していたとおり)受信できませんでした。液晶画面はプログラムのバージョン情報が表示されているだけです。

 理由は簡単です。我が家の3個の貯水タンクから送信される情報には、我が家だけの ID が書き込まれているため、新品で入荷した
TWELITE にはこの ID が書き込まれていなかったためです。

 IDを TWELITE ディップに書き込むためには TWE-Lite R (トワイ・ライター) が必用で、パソコンから我が家の IDを書き込みます。
これにより、今回の作品でも我が家の3個の貯水タンクの貯水量が表示できるはずです。
 
 FYI TWE−Lite R(トワイ・ライター) 秋月電子価格 1,890.-

 IDを書き込んだ TWELITE ディップをセットすると・・・↓の様に、、。

 3個の貯水タンクの貯水量が表示されました。
_

 送信側(貯水タンク)受信側(屋内表示モジュール)は共通の ID でグループ化されていると前述しました。この(↑)画像はその証明例です。
我が家には3個の貯水タンクがあり、個々のタンクから常時無線で水位情報 ( 正しくは我が家の ID も含まれた情報 ) が送信されています。その情報を
元に表示された貯水量を左側のモジュールが表示しています。
 今回は本稼働中のシステムと並行して3セットのブレッドボードに水位センサーを組み上げ、段ボールの小箱を水面と仮想して、我が家とは異なる ID で
送信させました。当然画像 #17-R0023161 の左側のモジュールは無反応です。その ID に対応した右側のモジュールが仮想の貯水量を表示しています。

 Memo' タンク側から送信される情報は、 /絨名霾鵝↓◆.織鵐の個別の ID コード、 タンクが属するグループの ID コードが含まれています。


 昨年 ( 2016年 ) の事例。同じ ID を使えば、異なる受信ユニットで同一の情報が得られる。


 この作品に接続する電源線を [ つり下げ紐 ] とした壁掛けの様な使い道も面白いのでは・・。

 以下(↓)は別ページにも記載した記事ですが、『読みやすい PIC 解説書を紹介して欲しい。』とのリクエストに応えて、、、。

 以前から欲しいと思っていた書籍をアマゾンで見つけた。2005年5月が初版なので絶版になったものと勝手に思い込み、入手をあきらめていたのだ。
私が PIC マイコンを始めたのはほぼ10年ほど前だが、マイコンに関する書物はこれが最初なのだ。無論、書店へ出向いたときなど専門書コーナーで適当に
選び内容を見ても購入に踏み切れる書籍が見つからなかったのだ。

memo' : 神崎康宏著 『 作りながら学ぶ PIC マイコン入門』 CQ出版社


 私のように個々のコンポーネントを集めて基板にこつこつ組み上げる者にとって、大げさに言えばバイブルとも言える内容だ。街工場で (新人から見れば
おじいちゃんの様な)超先輩が工具の使い方を教えてくれるような・・・・と言ったら大げさだが、書籍のタイトルどおり『作りながら、』解説が進み、若い先輩が
NC マシンの操作手順を教えるように Chip の特性やプログラミングテクニックの解説へと続く内容は Excellece の一言に尽きる。

 この様な書籍類は読者の知識や経験により評価は大きく変わるので単純に人に勧められないが、個人的には強く推薦したいと考えている。

 もう書店には列んでいないだろうが(私は中古本を入手した)、興味を引かれた方へ、この書籍の内容見本は web で見ることが可能です ⇒⇒ 。
 CQ出版社のホームページからこの書籍の発刊後の正誤表や記載されたプログラムのソースリストなどを今でも入手可能です。本屋さんの書架にはカラフル
な PIC マイコンのガイドブックなどが列んでいますが、10年後でもそれらの書籍のフォローアップがなされているでしょうか?その点からも私はこの書籍を推薦
したいのです。


 私が購入したアマゾンの書籍コーナー ⇒⇒






 このページは現在工事中です。今後更に細部の作業画像などを追加して、
自作を試みるお方のお役に立ちたいと考えております




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 誤字脱字には気を付けているつもりだが、ラベルをレーベルとかレベル、ゴールドをゴウルド、測定器のテスターを VOM とかヴォム等と
記述する癖が抜けていない様だ。ご容赦願いたい。(昔、[ a ] と [ o ] の発音で苦労した名残なのだ。)






 開始時期は未定ですが、(2年前にも別のモデルで行った)水量トランスミッターモジュールと屋内表示モジュールの標準的な回路用の
プログラムを書き込み済の PIC マイクロプロセサーや TWE-Lite DIP を有償提供する案も暖めております。


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