Горячий, умный, рогатый: разработка анемометра в концепции интернета вещей

image-loader.svg

Приключения железного стартапа в России

Здравствуй, дорогой друг или коллега

Материал является продолжением цикла «Приключения железного стартапа в России». Повествующего о сложной судьбе проекта ClimateGuard. Точнее, все задумывалось как цикл. Первая статья «Приключения железного стартапа в России: сбор команды» вышла в далеком 2019 году. Затем стартап ушел в радиомолчание. Чем же все кончилось? — спросишь ты. Улетели к звездам? Низверглись в долину смерти?

Ваш покорный слуга искупает вину перед сообществом и продолжает рассказывать историю героев. Первые материалы будут посвящены подвигам — обзору продуктов, прототипов и прочих железок, ставших результатам нашего беспокойного творчества. По просьбам @cyber_roach — с фотками железа в стиле «ню».

Затем опишу путь:

  • где и как брали деньги (ведь гранты сами себя не получат);

  • на каких площадках пробовали продавать (есть ли разница между Tindie и Tinder);

  • приносит ли результаты реклама DIY (поставка в Индию за нал, перевод через PayPal);

  • откуда добирали команду (Физтех звездит, Бауманка решает);

  • в каких выставках участвовали (и главное — зачем?);

  • с кем сотрудничали (от Ростеха я ушел, от Роснано я ушел, от тебя, Мегафона, подавно уйду!);

  • и проч. проч. проч.

Но вернемся в настоящее.

Статья посвящена рогатому зверю — IoT анемометру CG-Anemometr с функцией измерения качества воздуха.

Диспозиция

В начале, как водится, пара слов о героях.

ClimateGuard — это железный стартап, созданный с нуля для реализации проектов в области мониторинга климата. Первоначально он занимался пользовательским устройством для создания благоприятной и здоровой среды дома и на работе. Но рок (или рынок) распорядился иначе.

Модели пары наших текущих проектовМодели пары наших текущих проектов

Год создания:

2018

Дислокация:

Электрозавод (МЭЛЗ), Москва

Участники:

технический аналитик-РП, технический директор, конструктор, схемотехник, разработчик C/C++, разработчик web, верстальщик, разработчик android, 2 дизайнера, сборщик, fullstack гуманитарий (руководитель, продажник, бухгалтер и рассказчик в одном лице)

Ачивки с момента выхода предыдущей статьи:

— проект жив (!!!) и летит сквозь долину смерти;
сделано 10+ продуктов разной степени чудесатости и востребованности на рынке;
— родимые северные ады привели проект к продажам b2b и b2g;
— наши железки покупают в США, Германии, Италии, Польше, Японии, Индии;
— подружились с большим количеством производителей, радиоэлектронных магазинов (привет, @CyberBot) и корпораций (даже Мегафон изъявил желание стать нашим стратегическим партнером).

Итак, характеристика героям дана. Давайте уже о подвигах.

Постановка

Почти в одно время в ClimateGuard обратились две компании с просьбой собрать на пилот устройство, которое может измерять скорость потока воздуха внутри вентиляционной трубы.

Первый клиент — сеть коворкингов SOK. Коллеги прикладывают огромные усилия, чтобы арендаторам было комфортно работать. В каждом офисе должна быть правильная температура, влажность, чистый воздух. Запрос от них звучал приблизительно так: «Хотим получить систему, которая позволит в режиме реального времени смотреть скорость потока воздуха и расход в вентиляциях на каждом этаже».

Второму клиенту помимо скорости потока необходимо было оценивать влажность и количество пыли в вентиляционной трубе. И исходя из значений получаемых параметров климата управлять фанкойлами и проводить замену фильтров.

С учетом всех нюансов установки к системе предъявлялись следующие требования:

  • передача данных в режиме 24×7*365;

  • низкие затраты на монтаж;

  • питание 12 В;

  • отображение данных в едином интерфейсе;

  • возможность визуального сравнения значений и динамики данных по разным объектам мониторинга;

  • наличие api для централизованного сбора данных со всех устройств;

  • низкая стоимость комплекта для последующего масштабирования.

На момент запроса коллеги осуществляли проверку скорости потока воздуха «в ручном режиме». То есть проводили регулярные разовые замеры в контрольных точках. В качестве оборудования использовались профессиональные анемометры Testo. Ручное измерение — работа кропотливая, занимает много времени и требует наработанных навыков. Так как показания термоанемометра могут сильно различаться в зависимости от расположения трубки с измерительным сенсором в трубе воздуховода. По этой же причине сложно добиться высокой повторяемости значений в ходе повторных замеров.

Архитектура

Чтобы минимизировать затраты и упростить монтаж было принято решение делать устройства максимально автономными.

Анемометр:

  • устанавливается непосредственно на вентиляционной трубе на стяжки или винты, с выводом сенсорного элемента внутрь трубы (сокращаем количество проводов и узлов в системе, облегчаем монтаж);

  • самостоятельно собирает данные, обрабатывает их и передает в готовом виде на сервер (отказываемся от центрального «контролера»);

  • получает питание по кабелю, закрепляемому в клеммный разъем (отказываемся от блока питания);

  • в качестве интерфейса передачи данных использует wifi, подключаясь к скрытой корпоративной сети (сокращаем затраты на создание дополнительной инфраструктуры передачи данных);

  • имеет систему индикации состояния, основанную на адресном диоде (облегчаем установку и проверку работоспособности);

  • имеет кнопку для переключения между режимами «работа/настройка».

Минусом выбранной архитектуры является отсутствие автономности по питанию. Однако, на борту устройства стоит постоянно работающий wifi-модуль, а также большое числа сенсоров. Сенсор анемометра требует постоянного нагрева. В итоге обеспечение работы устройства от аккумулятора видится крайне сложной (читай — дорогой) задачей.

Техдиректор стартапа на монтажеТехдиректор стартапа на монтаже

Процесс монтажа устройства в подобной архитектуре сводится к следующим шагам:
1. Определяется место установки, при отсутствии канала для вывода сенсора в вытяжке делается отверстие.
2. К месту установки подводятся провод 12 В.
3. Перед установкой, на устройствах настраиваются параметры wifi-сети.
4. В личном кабинете устройства привязываются к местам установки, проводится проверка работы с сетью и факта передачи данных.
5. Устройство устанавливается «сенсором» в отверстие и закрепляется на металлические стяжки или саморезы, при необходимости — герметизируется.
6. Кабель питания подключается к клемме на устройстве.
7. Устройство включается. После того как контрольные диод на устройстве загорелся «зеленым» монтажник переходит к установке следующего анемометра.

.Компоненты и себестоимость

В составе анемометра всего 8 компонентовВ составе анемометра всего 8 компонентовв подключенном виде

ef17a07ab77da72dff5d18a7e245941c.jpg

Для создания анемометра был использован следующий набор компонентов:

  • контролер esp32;

  • плата разработки esp32 CG-Board_mini;

  • датчик скорости потока воздуха CG-Anem;

  • датчик пыли (частиц) PMS7003;

  • датчик климата bme680.

CG_board_miniCG_board_mini

Первым делом при разработке автономного IoT датчика на ум приходит плата из семейства TTGO ESP32. Одна беда — к ней нужно колхозно подключать несколько датчиков. Поэтому команда остановила выбор на решении CG-Board_mini. Плата обладает компактным размером 45×70 мм. ESP32 на борту обеспечивает поддержку wifi «из коробки». На плате есть 7 выходов для подключения датчиков, сторожевой таймер (лечит одну из важнейших болячек esp32 — неконтролируемое зависание), 2 адресных RGB-диода, кнопка и 3 разъема питания (USB, DC и клемма) с диапазоном 5 и 12–48В.

CG-AnemCG-Anem

Как правило, в промышленных решениях используют термоанемометры. Из-за их низкой стоимости, отсутствии механических узлов и компактных размеров. В качестве полезного побочного эффекта — такие датчики очень точно измеряют температуру воздуха. Но термоанемометров в модульном исполнении на рынке немного. Сначала команда смотрела в сторону Wind Sensor от Modern Device. Но в ходе тестирования было найдено несколько критических блокеров:

  • в решении американцев обработка сигнала осуществляется не на модуле, а на стороне внешнего контролера;

  • датчики не имеют заводской калибровки (а сборка калибровочного стенда под Wind Sensor — трудоемкое и достаточно дорогое удовольствие);

  • судя по логистике, датчики производятся «под заказ».

В результате приняли решение делать свой модуль термоанемометра — CG-Anem (процессу его разработки будет посвящен отдельный материал). Для пользователей важными оказались следующие особенности датчика:

  • по точности (0,4 м/с ± 10%) датчик не сильно уступает профессиональному измерительному оборудованию (устройство Testo средней ценовой категории имеет точность 0,3 м/с ± 10%);

  • датчик калибруется производителем и отдает контролеру готовые данные (а значит его легко заменить в случае выхода из строя).

При тестирования IoT-анемометра с датчиком CG-Anem получили неплохую сходимость результатов с эталонным анемометром CEM DT-8880.

image-loader.svgPMS7003PMS7003

Важным преимуществом датчика пыли PMS7003 являются небольшие размеры (он уж точно компактнее популярного у экоактивистов sds011). Это позволяет помещать его внутрь воздуховода и не городить киборга с трубками забора и выпуска проб. Также датчик дешев, прост в подключении. Его точность подтверждена многочисленными исследованиями небританских ученых (см. напр. «Evaluation of Low-Cost Sensors for Ambient PM2.5 Monitoring»).

BME680BME680

Bme680 — очень спорное решение. Настроить его работу с esp32 непросто. За счет нагревающегося элемента в сенсоре, необходимого для измерения ЛОС (VOC) датчик может врать по температуре. Но это все равно швейцарский ножик — дешев и измеряет сразу температуру, влажность, давление, VOC и AQI. Сложно подобрать что-то ему на замену.

Себестоимость компонентов:

  • CG-Board_mini — 2600 рублей;

  • CG-Anem — 1700 рублей;

  • PMS7003 — 1300 рублей;

  • bme680 — 1000 рублей;

  • кабели, винты и проч. — 100 — 200 рублей;

  • корпус — 100–200 рублей. .

Итого:

  • 4600 рублей за CG-Anemometr — простая версия анемометра;

  • 6900 рублей за CG-Anemometr PRO — версия, измеряющая пыль, влажность и ЛОС.

Корпус

Требования к корпусу были представлены выше. Поэтому вместо скучного текста в разделе приводятся картинки ранних прототипов и готового решения.

Хочется только обратить внимание на три момента:

  1. Корпуса проектировались под печать на 3d-принтере.

  2. Вместе с пользователями рассматривали возможность крепления устройства к воздуховоду на неодимовые магниты. Идея себя не оправдала, так как для точной и четкой фиксации параметров климата устройство должно быть жестко закреплено на трубе.

  3. Анемометры проектировались с учетом двух вариантов установки чувствительного элемента (датчика скорости потока воздуха) — у края вытяжки и в ее центре. Для второго варианта было решено использовать стойку-удлинитель. Размер которой выбирается исходя из радиуса и геометрии трубы.

Первые фантазии

61a87600cf724abc6287612ec658b808.jpgеще 10 картинок

Суровый результат

image-loader.svgмодели трех финальных корпусов

Расположение компонентов

image-loader.svgеще пара рендеров в стиле «ню»

Пример печати

image-loader.svgдругие ракурсы

image-loader.svgimage-loader.svg

Модели под печать (для самых любопытных)

архивы с stl

CG_Anemometr (только датчик анемометра)

CG_Anemometr_PRO_low (все датчики, без выноса)

CG_Anemometr_PRO_high (все датчики, удлиненный)

Сбор и обработка данных

Для сбора, анализа и визуализации данных была использована IoT-платформа собственной разработки. Она проста, достаточно функциональна, покрывала пожелания пользователей. И что самое главное — она бесплатна.

Отображение текущих данных скорости потока воздуха, расходе, температуре, частицах пыли, ЛОС и AQIОтображение текущих данных скорости потока воздуха, расходе, температуре, частицах пыли, ЛОС и AQIДанные о параметрах воздуха на суточном интервалеДанные о параметрах воздуха на суточном интервалеСравнение данных с разных объектов на интервале двух суток.Сравнение данных с разных объектов на интервале двух суток.

Для рассылки уведомлений используется телеграм-бот, настраиваемый в web-приложении. Для выгрузки данных на платформе предусмотрено api.

Длительность проекта разработки

Создание датчика CG-Anem заняло 3 месяца. Непосредственно разработка IoT-анемометра длилась около месяца. Задача по тестированию на объекте (по итогам пилотного монтажа) сильно упрощалась за счет поддержки устройством OTA-обновлений.

В проекте участвовали 4 человека. Тайминг выглядел следующим образом.

Задача

Неделя 1

Неделя 2

Неделя 3

Проектирование корпусов

12 часов

12 часов

8 часов

Изготовление корпусов

16 часов

4 часа

Подготовка прошивки

28 часов

12 часов

12 часов

Сборка прототипов

4 часа

8 часов

Тестирование прототипов

12 часов

32 часа

Анемометр на пилотеАнемометр на пилоте

Характеристики IoT анемометра CG-Anemometr

В результате пользователи получили устройство со следующими параметрами.

Общие характеристики устройства

Измеряемые параметры

Скорость потока воздуха, м\с
Температура окружающего воздуха, °С
Расход воздуха, литр/мин
Влажность, %
Давление, мм. рт. ст.
Частицы pm1, pm2.5, pm10, мг/м3
Концентрация ЛОС (VOC), ед.
AQI, ед.

Питание

12 — 48 В, клеммный разъем

Интерфейсы

wifi

Крепление к воздуховоду

стяжки, саморезы

Диапазон рабочих температур

-20°C … +60°C

Размер внешней части

73×38 х 25 мм

Диаметр трубки

29 мм

IoT-платформа

ClimateGuard

Метрологические характеристики анемометра

Тип анемометра

Термоанемометр

Диапазон измерения скорости потока

0.1… 25 м/с

Разрешение температуры

0.1 °С

Погрешность измерений температуры

0,5 °С

Точность

от 0 до 2 м/с: 0,2 + 5%
более 2 м/с: 0,4 +10%

И кругом только тернии, тернии. Когда уже звезды?…

Соратники и сочувствующие, это первый материал с описанием «железок» из планируемого цикла. Маленький, но сильно взволнованный коллектив стартапа ClimateGuard ждет замечаний и будет очень благодарен критике. Постараемся отвечать на все комментарии, обязательно учтем пожелания сообщества в следующих статьях.

Если этот текст заинтересует хабр — далее напишем про разработку самого датчика скорости потока газа CG-Anem. Там есть что рассказать, будет много науки. Недаром наш схемотехник защитил на этом датчике одну из лучших в этом году в Бауманке магистерских работ.

Засим откланиваемся, отдаем свое творение на Ваш суд…

…и верим: «Климат имеет значение!»

© Habrahabr.ru