【限水大作戰】想知道水塔庫存剩多少?來DIY水塔水位偵測計吧

【限水大作戰】想知道水塔庫存剩多少?來DIY水塔水位偵測計吧
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….
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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….
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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….
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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….
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(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~
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(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~
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(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
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將圖檔實際列印出來
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能容納SR04超音波測距元件的零件裝上後….
正面
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背面
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再來是MCU晶片的容納盒裝上WEMOS D1 mini…..
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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….
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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
不過看完以上流程,就知道ESP8266的韌體內容絕對是重點….小弟軟體實力也不怎麼樣,所以進一步上網找多個arduino範例,進行程式碼的組合,若看官有興趣,可以用ESP8266、MQTT、thingspeak找找,就會很有收穫


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~
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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
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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

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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

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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
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經過第一天水位還有約70cm
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(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~
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後記:

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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

雖然現在水庫滿滿,大約一年內都不需再擔心缺水,不過曾經能掌握水塔水位,對於掌控慾強的人而言,就像上癮一樣,不太能接受無法得知水塔水位的過去了~

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
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(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
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(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
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(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~
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(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 ~
DIY無敵,5分奉送,也非常感謝分享。
最簡單應該是~做個浮動系統,插根木條看高度.
zzzrrrzz wrote:
(上部空間還很大,有點可惜..(恕刪)


停水前,我是把浮球的銅桿往上彎,增加容量,後來想再高一點,又再彎,結果銅桿就斷掉了!夭壽…,才準備要停水…

就趕緊找手邊壓接電線的銅管,用噴燈錫焊回去。


下次買PVC對接和硬質膠合劑後,把插入水塔的PVC管切短一點轉接,可增加約10公分的儲水量。

浮球桿有銅的也有白鐵的,白鐵的才不會斷。臨時出狀況,是可拿馬桶水箱的浮球桿撐著點用。
RentHA wrote:
停水前,我是把浮球的(恕刪)


小弟也好想把浮球折彎一點,不然就算把原本液位開關調更高也沒用反而增加最後階段抽水馬達的阻力⋯不過還沒折彎就看到您的案例,反而有點害怕了⋯小弟還不會焊接
id104140alex wrote:
最簡單應該是~做個浮(恕刪)


可是這樣就要一直爬水塔才看得到耶,小弟這邊比較麻煩,要上到水塔比較不容易,要有一點湯姆克魯斯的膽識⋯
商品化的話,我第一個買,讚讚讚!!!!!!
id104140alex wrote:
最簡單應該是~做個浮動系統,插根木條看高度.真心不騙(恕刪)

插根木條看高度後,還要裝一台WiFi視訊攝影機,才能不用爬頂樓…

也可用PVC管,把兩邊開口封起來。

因為只能省下跑到頂樓的時間…還是照樣要用水,因洗澡的用水量最大,主要是控制洗澡的時間。停水的第一天洗澡,大多沒問題。第二天就24點後再洗。

但這次台中限水,第二天大約晚上5、6點就復水了…但還是不要賭這個…

大多還是…再多裝一個水塔並聯好了!就連看都不用看了…。

現在水塔很缺,要等解除限水後再買水塔。
Ryanfon.K wrote:
商品化的話,我第一個(恕刪)


目前若要商品化有點難,因為超音波測距元件是暴露狀態,在水塔內高濕環境可能無法撐幾年,只是因為這零件很便宜,壞了可以隨時換就是....

另一重點是電源供應,目前小弟為了省掉可能一周要換一次電池的麻煩,已經準備土炮微型太陽能充電蓄電系統,預計下周末就能裝上運作~

氣象局預計五月中旬以前中部很難下雨,不過這代表小弟還有時間解決外面物聯網晶片的防水問題...
RentHA wrote:
插根木條看高度後,還(恕刪)


水塔真的很缺,聽說有抬價,願意付錢是可很快拿到水塔,只是比較不甘心....這次怕民怨四起,水公司有略早就開始供水,確保半夜12點出頭,多數地方就能復水....如果一家四口省著用,是有機會1噸水撐2天(但一定要額外備水沖馬桶、洗滌之類,也不能洗衣服),但人口更多或時間加長,水就不夠用,比較需要類似這種即時水位偵測裝置,精準控水要求家人省水才行~
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