โปรเจกต์ Arduino ESP32 DIY Water Level Sensor และ DIY Level Indicator

ถังเก็บน้ำถูกนำไปใช้งานในหลายรูปแบบ เช่น ในรถบ้าน (Caravan หรือ Camper) หรือในระบบรดน้ำต้นไม้ เป็นต้น บ่อยครั้งที่เราไม่สามารถมองเห็นปริมาณน้ำที่เหลืออยู่ในถังได้โดยตรง มีหลายวิธีในการวัดระดับน้ำในถังเก็บน้ำ ซึ่งคุณสามารถเลือกซื้อชุดสำเร็จรูปที่มีราคาสูง หรือจะสร้างขึ้นมาเองก็ได้!

แทนที่จะเป็น: Bring your Own Device -> MAKE YOUR OWN DEVICE!

ผมตัดสินใจสร้าง Water Level Sensor และ Water Level Indicator ที่แสดงผลได้ 5 ระดับ

คุณสามารถรับชมผลลัพธ์ได้ที่นี่:

Step 1: การสร้าง Water Level Sensor

DIY Sensor นี้สร้างขึ้นจากวัสดุที่เรียบง่าย:

• สายไฟ 6 ชิ้น (ทองแดง 1.5 มม. หุ้ม PVC สีดำ) ปอกปลายทั้งสองด้านประมาณ 1 ซม.

• ท่อร้อยสายไฟขนาด 3/4 นิ้ว ที่มีความยาวพอดีกับความลึกของถังเก็บน้ำ

• ข้อต่อท่อ PVC ขนาด 3/4 นิ้ว 1 อัน

• 680KOhm Resistor 6 ตัว

• Capacitor 1 nF 1 ตัว (สำหรับลดสัญญาณรบกวน)

• สาย Audio ราคาถูก

• แผ่น Prototype PCB แบบสองหน้า

โปรดทราบว่าการเจาะรูขนาด 5 มม. บางส่วนบนท่อนั้นเป็นสิ่งจำเป็น

หลักการทำงานของ Water Level Sensor อ้างอิงจากคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของน้ำ ยิ่งมีความเค็มสูง การนำไฟฟ้าก็จะยิ่งดี ซึ่งเทียบเท่ากับความต้านทานที่ต่ำลง ค่าการนำไฟฟ้าเฉลี่ยของน้ำประปาที่จ่ายในพื้นที่ของผมอยู่ที่ประมาณ 35 mS/m ยิ่งมีหัววัดทองแดงอยู่ในน้ำมากเท่าไหร่ ความต้านทานของ Ladder network ก็จะยิ่งต่ำลง ค่าความต้านทานที่ต่ำลงนี้จะส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ส่งไปยัง 12 bit ADC ที่ขา GPIO ของ ESP32 สูงขึ้น ด้วยการตั้งค่าแบบนี้ เราจะสามารถวัดระดับน้ำที่แตกต่างกันได้ 5 ระดับ

แผนผังอิเล็กทรอนิกส์ของ Sensor มีดังนี้:

ส่วนประกอบทั้งหมดถูกประกอบและบัดกรีเข้าด้วยกัน:

ชุดประกอบถูกใส่ไว้ในข้อต่อท่อขนาด 3/4 นิ้ว และเติม Silicone แบบใสเพื่อให้กันน้ำ

สายที่ใช้เชื่อมต่อ Sensor เข้ากับ Arduino คือสาย Audio ราคาถูกจากร้าน ACTION ในท้องถิ่น

Water Level Sensor ที่ประกอบเสร็จสมบูรณ์แสดงอยู่ด้านล่าง:

Step 2: การสร้าง Water Level Indicator

ส่วนประกอบที่ใช้สำหรับ Indicator ได้แก่:

• แผ่นรองตัดสีเทาเข้ม (จาก ACTION) เจาะรูตามที่เห็นในภาพถัดไป และใช้ตะไบแต่งรูให้เป็นรูปสี่เหลี่ยม

• สาย LED strip ที่ประกอบด้วย WS2812 LED 5 ดวง (ตัดมาจากเส้นยาว)

• กระดาษ Photo พิมพ์ระดับน้ำ 5 ระดับ (1%, 25%, 50%, 75%, 100%)

• แผ่นฟอยล์ใสสำหรับป้องกันรอยพิมพ์

• ฟอยล์อลูมิเนียมสำหรับปิดทับ (จัดการยากนิดหน่อย แต่นี่คือสิ่งที่ผมเลือกใช้)

ผลลัพธ์สุดท้ายของการประกอบแสดงอยู่ด้านล่าง:

Step 4: การติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การติดตั้งบน Breadboard แสดงในภาพต่อไปนี้:

ในการติดตั้งนี้ผมใช้ ESP32 (Node MCU) เหตุผลที่เลือกเพราะผมวางแผนที่จะขยายฟังก์ชันการใช้งานเพื่อสร้างระบบรดน้ำต้นไม้ที่สมบูรณ์แบบ พร้อมการมอนิเตอร์และแจ้งเตือนออนไลน์ (ESP32 มี WiFi และ Bluetooth ในตัว)

แผนผังวงจร (สร้างด้วย Fritzing) มีดังนี้:

ESP32 ใช้ไฟ 5V จากพอร์ต USB และมี Regulator 3.3V ในตัว ขาเอาต์พุต GPIO หนึ่งขาจะเชื่อมต่อโดยตรงกับ Water Level Sensor และส่งสัญญาณ 3.3V ไปยัง Sensor เป็นเวลาเพียง 200 มิลลิวินาที เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจาก Electrolysis และการกัดกร่อนของปลายทองแดงที่ตามมา

เอาต์พุตจาก Sensor เชื่อมต่อกับ Resistor ขนาด 1 M Ohm สองตัวที่สร้าง "Virtual Wheatstone bridge" ร่วมกับ Sensor และชุดเปรียบเทียบในซอฟต์แวร์

ผมใช้วิธีนี้เพราะพฤติกรรมของ Ladder network ในน้ำเมื่อเทียบกับระดับน้ำนั้นไม่เป็นเชิงเส้น (Non-linear) (ดูแผนภูมิด้านล่าง):

ในทางทฤษฎี เมื่อ Sensor ไม่ได้อยู่ในน้ำ ค่าที่วัดได้ที่ขา Sensor จะอยู่ที่ประมาณ 1.0855 V ซึ่งเทียบเท่ากับ 1347 bits ความคลาดเคลื่อนจากกราฟสามารถอธิบายได้จากค่า Tolerance ของ Resistor, ความต้านทานในสาย Sensor, ความคลาดเคลื่อนของแหล่งจ่ายไฟ 3.3V ของ ESP32 และความเป็น Non-linear ใน 12 Bits ADC ของ ESP32 รวมถึงสัญญาณรบกวนในวงจร

ไฟ 5V สำหรับ LED 5 ดวงใน Level Indicator นำมาจากขา 5V โดยตรง (เชื่อมต่อกับอินพุต 5V จากพอร์ต USB)

ระหว่างการทดลอง พบว่าการใช้ที่ชาร์จโทรศัพท์ 5V ให้ผลลัพธ์ที่ต่างจากการใช้พอร์ต USB ของ PC หรือจาก Power bank สำหรับ Power bank แม้จะให้ผลลัพธ์ที่เสถียร แต่มันจะปิดตัวลง (เข้าสู่โหมดพัก) หลังจากผ่านไปครู่หนึ่ง เนื่องจากระบบกินกระแสไฟต่ำมาก

Step 3: การเขียนซอฟต์แวร์

ฟังก์ชัน Loop ใน Arduino Sketch นั้นเรียบง่ายและประกอบด้วยการเรียกใช้เพียง 2 ฟังก์ชัน:

void loop(){
 MEASUREWATERLEVEL ();
 INDICATEWATERLEVEL ();
 delay(1000);                            // ตรวจสอบค่าใหม่ทุกๆ 1 วินาที;

การวัดผลทุก 1 วินาทีมีไว้เพื่อการทดลองและสาธิตเท่านั้น ในการใช้งานจริงจะวัดถี่น้อยกว่านี้มาก (ขึ้นอยู่กับว่าน้ำในถังถูกใช้งานเร็วแค่ไหน)

Plot monitor ของ Arduino IDE และ Serial monitor มีประโยชน์มากในระหว่างการทดลอง ภาพกราฟจาก Plot monitor แสดงอยู่ด้านล่าง

กราฟแสดงผลการวัด (ทุก 1 วินาที) ของ Sensor ขณะจุ่มลงและยกขึ้นจากน้ำ (เส้นสีเขียว) เส้นสีแดงแสดงค่าอ้างอิงที่ตั้งไว้ใน LEVELarray [] ค่าเหล่านี้ถูกกำหนดโดยการทดลองและแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงพฤติกรรม Non-linear ของ Sensor

//                      0    1    2    3    4    5
int LEVELarray [6] = {1125,1245,1450,1720,2080,2630} ; 

ระดับ "0" ใช้เมื่อไม่มีน้ำในถัง ระดับ "5" ใช้เมื่อน้ำเต็มถัง

พฤติกรรม Non-linear ของ Sensor สามารถแก้ไขได้โดยการสร้าง Ladder network ที่ใช้ค่า Resistor แบบไม่สม่ำเสมอ

แต่ผมสรุปว่ามันง่ายกว่ามากที่จะจัดการเรื่องนี้ในซอฟต์แวร์

นอกจากนี้ อาการสั่นของค่า (Jitter) ตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นในค่า Sensor ที่วัดได้ สามารถกำจัดออกได้อย่างง่ายดายในซอฟต์แวร์โดยการอนุญาตให้มีค่า Tolerance เช่น 4% (และสังเกตว่ามี Capacitor 220nF ต่อขนานกับ Resistor 1 M Ohm ทั้งสองตัว)

for (int i = 0; i < 6 ; i++)
   {
if ((WaterLevelValue > (LEVELarray[i] * 0.96)) && (WaterLevelValue < (LEVELarray[i] * 1.04))) 
// ยอมให้มีส่วนต่าง 4% จากค่าที่วัดได้เพื่อกำจัด Jitter และสัญญาณรบกวน
     {
     level = i;
     } 

สุดท้าย ระดับน้ำที่กำหนดได้จะถูกนำมาแสดงผลบน Level Indicator ด้วยสีต่างๆ ซึ่งทำได้ง่ายมากด้วย Library <Adafruit_NeoPixel.h>:

redVal = color_scheme[level*3];   
greenVal = color_scheme[level*3 + 1];
blueVal = color_scheme[level*3 + 2];
strip.setPixelColor(level-1, strip.Color(redVal, greenVal, blueVal) ); 
strip.show();

สำหรับการดาวน์โหลด Sketch ผ่านพอร์ต USB ลงใน ESP32 จำเป็นต้องกดปุ่ม Boot ค้างไว้

หมายเหตุ:

เมื่อใช้ Arduino ทั่วไป (เช่น Uno) แทน ESP32 จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงใน Code หลายส่วน เช่น:

• การกำหนดขา (Pin allocation)

• ค่าใน LEVELarray โดยคำนึงถึงว่า Uno มี 10 bit ADC (ที่ขา A0) วิธีที่ง่ายที่สุดคือลองหารค่าด้วย 4

• สัญญาณ Trigger pulse 5V ไปยัง Sensor (แทนที่จะเป็น 3.3V) ไม่ควรส่งผลกระทบใดๆ

คุณอาจพบ Resistor 680 kOhm เพิ่มเติมในการติดตั้งจริงบน Breadboard เมื่อเทียบกับแผนผัง Fritzing นั่นเป็นเพราะในตอนแรก ผมต้องการให้สาย Sensor "0" แยกออกจาก Ladder network (เพื่อการทดลอง) ผมจึงใช้สาย Sensor แบบ 3 เส้น ในขณะที่การออกแบบขั้นสุดท้ายใช้เพียง 2 เส้นเท่านั้น

ผมสนใจที่จะทราบว่ามีใครกำลังจะนำโปรเจกต์นี้ไปสร้างตามหรือไม่

พัฒนาและผลิตโดย Pierre Pennings (ธันวาคม 2018)