去年以來,台灣中南部受到老天青睞,給了很久的好天氣,讓大家都能快樂出遊…但總是不下雨,也逐漸演變成大問題,特別是台灣中南部,目前水庫都逐漸亮紅燈,其中又以台中苗栗地區旱情最嚴重,政府不得不開始執行重大民生措施-供五休二停水策略,希望進一步延後水庫乾枯的時間點….
首先台中彰化苗栗旱情最嚴重,是全台最早實施供五休二,而一般來說,若停水一天,大家忍一下就過了,特別是家有水塔,省點用的話,供應一日所需是沒問題的,但若一次停二天,別說沒水塔很不方便,就算有水塔,也不一定能撐到二天….但根據自來水公司所描述,要供五休二才有機會真的省到水庫,也讓管線末端有公平的用水機會….
小弟家裡原本就有安置一顆號稱2噸級水塔,家裡目前有四人是主要生活者,若每個人每天只用150L,其實二天就要1.2噸,而且這次停水是完整48小時,都在半夜停水與來水,而且初期復水,管路應該沒那麼快有水,所以正當來說要有停2天半的心理準備….
由於號稱2噸級水塔,會有上部空間被浮球開關擋水而填不滿,再來是底部也無法全數被用完….後來小弟進一步拿捲尺丈量儲滿水的水塔直徑,高度等,再以半徑*半徑*3.14*滿水高度….天呀所謂2噸級水塔,其實只能裝到1-1.1噸,這就有點不安感了,洗澡洗到一半沒水是很痛苦的….
(上部空間還很大,有點可惜...)
不過,如果有機會隨時掌握水塔庫存量,或許能提醒家人們進一步節約用水,所以小弟趕快上網找看看有沒有這類水位可視化的感測裝置….結果發現蝦皮還可以買到對岸的水位偵測裝置,但台中限水在即,已經來不及等對岸寄來了,更重要是這類裝置若較便宜,通常只能顯示四個等級水位(0、25%、50%、100%),這樣還是無法精準掌握….
開始動手DIY
後來想起以前有玩過arduino+超音波測距的案例,感覺SR04的超音波測距元件或許也可用來探測與水面的距離,然後換算水位…所以就著手設計可掛於水塔邊的超音波測距裝置硬體,主要利用3D列印來製作~(HC-SR04超音波測距元件)
說明一下,MCU若是選用Arduino,本身不具備無線連網能力,但若要實現能隨時隨地用手機上網查詢自家水塔水位,最好的方式就是將水塔液位資料上傳雲端資料庫,這樣手機比較能隨時查,也不需要自己架資料庫…
但要實現將資料上傳雲端,MCU就要選擇物聯網晶片,最後小弟以手邊本來就有的WEMOS D1 mini(ESP8266)晶片來進一步開發此裝置~
(MCU是選擇小巧的WEMOS D1 mini,算是ESP8266家族)
3D列印機真是創意的好朋友,只要想得出來,畫得出來,交給3D列印機就能完成實體零件了
將圖檔實際列印出來
能容納SR04超音波測距元件的零件裝上後….
- 正面
- 背面
將上面兩種零件,鎖上能掛於水塔上方開口的倒U型架子,並接上線路….
設計零件都3D列印出來,再將SR04、WEMOS D1 mini(ESP8266)都組裝起來,最終就會如上圖一樣,看起來是不起眼的裝置,但已能實現水塔水位可視化了~
水塔水位裝置運作原理:
- ESP8266欲偵測水位時,會打出訊號觸動SR04發出超音波。
- SR04發出短暫超音波後,音波撞到水面會部分反射回SR04。
- SR04通知ESP8266收到反射訊號,並可根據音速公式,算出時間差就可得到SR04與水面的距離。
- 有了水面距離後,再用水塔底部出水口位置與SR04之間的距離再扣除水面距離的公式,就可得到水塔液位高度了
- 水塔液位高度數據將透過ESP8266的韌體,將數據送到雲端資料庫儲存
- 連線雲端資料庫,設定報表條件,就撈出可視化的水塔庫存畫面了
採用WEMOS D1 mini的韌體下載網址:(若未有arduino基礎,下載後可能還要辛苦一陣子)
請按此
選用雲端資料庫+連網:
在MQTT雲端資料庫方面,小弟選擇thingspeak,有興趣可先註冊,然後建立一個”頻道”,由於每個頻道獨一無二,裡面會給予一串API碼,而這API碼稍後要寫在ESP8266韌體內,上傳資料才能送達該頻道喔~再來就是家中網路布局,由於此裝置將安裝於頂樓水塔,所以要在附近安置無線基地台,才能順利讓該裝置連上網,而小弟運用的方式是另外購買基地台中繼器來使用,原本的無線網路要涵蓋到水塔水位裝置才能真的發揮作用啊
電力供應:
一般而言,頂樓不一定有電源線,且考量短期使用,在水塔邊附掛行動電源可能較為簡便,但一定要包好,減少下雨帶來風險….另外要選有自動供電功能的行動電源,因有些行動電源是需要按鈕才會啟動,有可能會送出第一筆資料,然後行動電源就自動關機,不會再有第二筆送出….實際使用狀況:
最後安裝完成如上圖,真的是很土炮,有些設計尚未顧慮周全,不過終於可以清楚掌握水塔的當下存量,無論何時手機上Thingspeak網站連到自己頻道,就能查出當下庫存水位
對於一家之主,一定都知道這種隨時掌控水位的意義有多重大,首先是即將停水之前,可以了解水塔是否已達最高水位,若還不夠就要繼續補滿(一般浮球開關,有可能讓水塔只剩一半才會啟動加壓馬達),最簡單就是去頂樓水塔拉浮球線,另外也有改裝抽水馬達切換自動手動的方法(日後再聊)
停水之後,可隨時利用大數據報表,監控及提醒剩餘水量,若有家中成員太浪費,用來罵人這會是很好的證據
但最重要價值是透過當下水塔存量的充分掌握,用水不必太戰戰兢兢,可以減少政府限水對生活品質的衝擊
這次台中地區第一輪供五休二,從雲端資料庫來看,一家四口一天消耗水塔約300L,若透過精準掌控,萬一停水三天其實還有機會應付~
第0天準備開始停水前先補滿水塔
經過第一天水位還有約70cm
(忘記拍第二天,實際剩下約40cm水位,半夜就復水了~)
復水後應該全台中停水區域家家戶戶都在補水,大數據來看,約下午1點,才恢復到自然水壓就可打到水塔的狀態~
後記:
最後仍要感謝政府協調自來水公司部署加水站,盡量善用也能讓自己的水塔盡量保持餘裕,畢竟供五停二是一種計劃性停水,還要注意管路本身爆管的不確定性停水風險啊~
過去科學家提到氣候變遷,總是給人感覺還很久,可能兒孫輩才會遇到的天災….殊不知氣候變遷已是進行式,突然一下子就能改變我們的生活步調,如果不加以重視,再過幾年的變化,將可能超乎想像…及早關切氣候變遷,其實是每個人該有的責任,不只是省水,每個人若能省下20%排碳量,氣候變遷或許就有改善的希望了~
本篇文章獻給正在努力與水情奮戰的鄉民們,大家加油了~
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最終改進版-整合太陽能板+18650電池+超音波偵測模組 |
這段時間,感謝夥伴們大量的建議與分享,小弟也逐步改進,目前已接近土炮的高點,大致說明一下~
1.太陽能板:雖然程式已加入休眠機制,明顯省電,但平均每周仍需要上水塔去更換18650電池,後來決定加入太陽能板充電機制,雖然買來的太陽能板發電量少的可憐,但由於休眠機制的省電性,故足以白天持續充飽18650電池,終於可以永續供電
(雖然太陽能板號稱可防水,但為了更耐久,決定用塑膠袋套起來避免直接淋雨,也可以注意USB接頭被小弟用熱縮套密封,更安全些)
2.儲電系統:主要採用18650行動電池盒改裝,確保太陽能板可以順利幫18650充電,但由於此電池盒不支援同時充放電,所以小弟另外從裡面線路拉出3.7V電源,在旁邊加裝一個升壓模組,再供電給ESP8266晶片
(左邊長長的就是18650電池盒,前面小白盒內裝升壓模組供出5VUSB電源)
以下為接線圖,有點小複雜,真的很土炮,但方便壞什麼換什麼
(所有接頭朝下,是為了避免雨水跑進去)
3.主機盒:主要內部裝有ESP8266晶片及SR04T的電路板模組,如上圖的設計,也是有盡量防雨水跑入裡面的考量,整體運作相當成功,已經快2個月了,偵測非常穩定,雖然SR04T的瑕疵率不低,但若一開始沒壞,加上程式克服訊號不穩的問題,就可如下圖,穩定提供水位資訊了~
(圖中可看到未缺水時,每天半夜水壓會自然補滿水塔喔)
接下來雖然不會再密集更新,但此裝置仍會繼續運作,看看能否撐個半年一年之類,加油啊 ~