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防滴ワイヤレス温度照度センサ

PCで動作するソフト Slip21 は複数のセンサ出力をワイヤレスモジュール TWE もしくは XBee から受信し,記録するソフトです。施設栽培の営農管理用途を考えています。 外付けの温度センサのケーブルは最大 4m あり,地表温測定とか電波が伝わりにくい場所の温度測定が可能になります。オンライン測定の利点は遠隔でも状況を把握できる事です。 自動記録により,測定結果を翌朝,就寝時の測定結果を知る事ができます。特に夏夜間の高温障害,冬場の霜対策も立てやすくなるのではないでしょうか。[1][2]

兼業稲作農家の苗床温度外気温度やサンルーム内の温度水温を勤務先から無料サイトを開設して監視できます。

Monowireless が提供する TWE-Lite は簡単に Table 4 に示す I2C デジタルセンサ信号を取り込めます。アナログセンサのようにある程度の電子技術がなくとも簡単な工作により, ワイヤレスセンサが製作できます。配線半田付け点数は数分の1に激減しており製作時間も少なくて済みます。

Table 4 I2C sensors supported by Monowireless App_Tag
ModelWorkingConsumptionAccuracy etc
ADT74102.7 to 3.6V210uA±0.5°C
SHT212.1 to 3.6V300uA±0.3°C 5.5mW(humidity)
TSL25612.7 to 3.6V240uAmax 65000lux

参照 Ref

[1] ハウス栽培の高温対策
[2] 温度調節が難しい、小型ハウスでの高温期栽培について

Wireless sensors for greenhouse

'enoki.net' is a private project about on-line measurement for greenhouse. I have developed temperature, light intensity measurements devices by wireless module XBee. I have uploaded the experiments and scratches on this site and my blog. Now I am developing another one by TWE (Tocos Wireless Engine). I use wireless TWE-Lite module with 2.54mm pitch DIP.

TWE offers wireless tag app which is easier than XBee to apply for I2C sensor. I have measured temperature by analog semiconductor sensor, while I2C temperature sensors have little errors than analog ones, as I2C sensors are digital signal. I confirmed that the analog temperature sensors have accuracy by simple insulator box with high precison I2C HDC1000 sensor. With I2C temperature sensors, We will not have to correct analog sensors or do confirmation test with reference.

Standard output of TWE wireless tag app supports I2C temperature sensor ADT7410, illuminance sensor TSL2561 and temperature and humidity sensor SHT21 as shown in Table 4. I adopted Akizuki's module of ADT7410 at first, because it includes 2 pull-up resistors. See the comparison in Table4. While SHT21 dissipates 5.5mW for humidity heater at continuous mode. You can buy TWE at Chip1stop.[1]

[1] MONO+WIRELESS

News

Draft effect article moved to Reports / 記事ファンの影響を Reports に移動 2017-05-15 Enoki's new site enoki.net supports SSL communication / 新サイト enoki.net SSL 通信を採用 2017-05-12

TWE-Lite radio wave intensity comparison ワイヤ式と平面アンテナ強度比較

E4andE5
Photo 6 #4 & #5 on desk


Table 3 DIP LQI 2017-04-28
TimesWirePlanar
1135114
2132111
3141111
4135111
5141111
6141114

ワイヤ式と平面アンテナタイプの TWE-Lite を購入してワイヤレスセンサを製作しました。両者のアンテナ性能の違いがいかほどか Slip21 を用いて簡単にチェックしてみました。Monowireless の 無線タグアプリは電波強度の指標となる LQI を親機に返します。[1] その両者をスチール机の上にセットした様子を Photo 6 に示します。#4にはワイヤアンテナ TWE-Lite と温度センサが搭載され, 平面アンテナ TWE-Lite と照度センサは#5に搭載されています。両者のほぼ直上 1.5m の位置に Monostick が吊下されています。得られた LQI の値を Table 3 に示します。

屋外に設置した#4と#5の LQI 値は60とか84に低下しました。受信強度の強かったワイヤアンテナの#4がたまたま遠方への設置となっています。センサ装置の厚みにこだわらければ,受信感度が 良く設置方向の制約の少ないワイヤ式がいいでしょう。平面アンテナは「通信性能はマッチ棒アンテナに劣ります」とあります。[2] 屋外にある別棟内にセンサを設置し,親機も 自宅の屋内設置なら親機を Monostick にするのは歓迎しません。実際 Monostick のアンテナ部の面積をみると TWE-Lite の DIP 平面アンテナモジュールと比べかなり小さいです。

ワーストケースでの組み合わせによるレンジテストをやっておいた方がいいかもしれない。

I bought TWE-Lite wire and planar antenna. I made wireless sensors #4 and #5 side by side on my steel desk as shown in Photo 6. I checked their antenna performance by LQI value. Slip21 shows their values. Monowireless App_Tag replies LQI. Their Parent Monostick is hooked on ceil over 1.5 m. I recorded LQI values shown in Table 3.

When installing #4 and #5 outdoor, Their LQI values lowered to 60 or 84. It happened that the higher sensitivity #4 was farer than #5. You should choice wire antenna without wire type thick. "Planar type is inferior than wire type", as Monowireless refer to.[2] If you install TWE-Lite sensor indoor and the parent another indoor, you should not choice Monostick as parent. Actually the antenna area of Monostick is smaller than TWE-Lite DIP type antenna.

I might do range test in my worst pair of planar antenna sensor and Monostick.


Minimum measurement system 最小システム構成

Slip21MiniA
Fig.3 XBee Minimum System
Slip21MiniTWE
Figure11 TWE Minimum System

Fig.3 に XBee を用いた最小測定システムを示します。外付けの温度センサは電波が減衰する水中,もしくは局所の測定に適しています。ワイヤレスセンサを電池駆動にするにはスリープ動作が 欠かせません。XBee の場合だと API 形式のバイナリ通信が必要になり,ビギナには敷居が高かったけれど,Figure11 に示す TWE は通信アプリ Teraterm を用いて簡単に無線タグアプリによる 測定結果が得られます。

アプリ Slip21 は XBee もしくは TWE による測定結果を記録し,直近24時間の日報 Meas.txt もしくは TWE.txt をリアルタイムに出力します。PC 内蔵のタスクスケジューラと FTP により, FC2 などの無料ホームページにアップロードできます。出先でスマホ等でインターネット接続すればリアルタイムに測定結果がわかります。

Fig.3 shows minimum measurement system by XBee. The extension temperature sensor is suitable in water or shielded local radio wave point. Although XBee's API binary format communication is hard for a beginner to handle, TWE is easy to get measurements by App_Tag and communication app Teraterm as shown in Figure11.

Field test フィールド試験

Slip21a
Fig.1 My Measurement System

Fig.1 に応用例として,私の測定システム構成を示します。東側の裏庭と西側の窓下に各1個の XBee 装置を置いています。各装置に外付けの温度センサが接続されています。 気温,地温,液温の測定に使用します。本体内部には気温測定用の温度センサと光強度測定セルが内臓されています。ワイヤレスモジュール XBee は全て同じ無印 ワイヤアンテナタイプを 使用しています。コーディネータ Coordinator は親機を意味し,EndDevice は子機に相当します。そのほかに2個の TWE-Lite を用いた装置を XBee の装置に 隣接して設置しています。 モノワイヤレスの無線タグアプリによる温度と照度測定を開始しました。

改定中のマニュアルをサイトに掲載しています。XBee と TWE による測定結果 Meas.txt と TWE.txt もサイトに公開しておりモニタできます。下のボタンをクリックすれば,表示されます。 F5キーを押すと,画面が更新されます。

Meas.txt TWE.txt Meas.txt on fc2.com TWE.txt on fc2.com

Fig.1 shows my measurement system. Wireless sensor #1 is at the east back yard. #2 is on the east outdoor window. The sensors has another extension temperature sensor each. The extension sensor can apply for air, soil and liquid temperature measurement. Each wireless sensor includes a temperature sensor and a photo cell for Sun light intensity.

All the XBee wireless modules are the same type of wire antenna. 'Coordinator' means parent device. 'EndDevice' means child device.

This site shows revising manual. Slip21 updates daily record Meas.txt of XBees and TWE.txt of TWEs in my field all day long at real time. Click the below button, You see Meas.txt or TWE.txt. Press F5 key to refresh the screen.

Meas.txt TWE.txt Meas.txt on fc2.com TWE.txt on fc2.com

E1andE4kako
Photo 5 #1 & #4 2017-04-29
E2andE5kako
Photo 4 #2 & #5 2017-04-29
Chart
Figure 7 Daily outputs change chart
Chart
Figure 9 Analog sensors outputs chart compared with I2C
20170505
Figure 10 Photo cell saturates up to 3500 lux

Photo 4 に示す #2機と#5幾は西向き窓に設置しています。太陽光輻射熱の影響を軽減するために,プランタを逆さまにした二重化日除けを被せています。#5には温度センサを搭載 していません。

ポットを逆さまにした日除け用の笠は,本来排水のための穴があり直射日光による輻射熱の影響が避けられません。[1] #1 機の笠を Photo 5 に示すように Seria と Daiso で 入手したゴミ箱を二重日除けにしてみました。

外付けセンサは雑草温度を測定しています。このようにサイレージ,堆肥,ボカシ,苗床の長期温度管理に適用できます。

本体ケースは防滴構造になっており,ハウス栽培内での使用を想定しています。光を検出するフォトセルのためにクリアケースを採用しています。

Figure 9 に示すチャートはサーバに記録された Slip21 のデータをローカルPCから Meas.txt および TWE.txt にアクセスして LibreOffice Calc により作成しました。 同一場所に設置した#1と#4の測定結果を比較すると,#1のアナログ温度センサの低温における誤差が大きいです。夜間は太陽の輻射熱の影響もないからセンサ単体の誤差でしょう。 20°ないし25°で誤差が小さくなるようにセンサが設計されているのと辻褄が合います。恒温槽での評価の際よりも悪い結果となったのはよくわかりません。光強度は両方とも同じ 型番のフォトセルを使用し,負荷抵抗も同じ値です。XBee と TWE の ADC の違いによるものなのか。設置場所は異なるけど,同じ XBee 同士でも#1の出力は半分程だから, フォトセル(光電池)のゲインの違いの可能性の方が高いような気がします。安価な I2C デジタル照度センサが入手できるので光スイッチ用途でもない限り,照度測定するためにフォトセル個別に キャリブレーションをするメリットはないと思います。

参照
[1] 日除けの体をなさない笠

#2 is on the west window outdoor shown in Fig.4. #2 is capped with double shades of planters to cut off the sun radiation heat.

The upside-down shade passes the sun light radiation through the drain hole of the planters. #1 is capped with double shade of one coin trash boxes shown in Photo 5. The extension sensor measures hay temperature through PVC pipe. The sensor is capable for silage, compost, bed and bokashi.

The splashproof case is applicapable for much humidity green house. The clear case passes the sun light for photo cell.

Figure 9 shows daily sensors outputs change chart. I get Meas.txt and TWE.txt on local PC and work them by LibreOffice Calc. I confirmed that analog temperature sensor error would be least around 20°C or 25°C. The error grows big as temperature lowers as shown. #1T and #4T are analog and I2C temperature sensors.

A photo cell saturated up to 750 mV as shown in Figure 10, when illuminance sensor was 3500 lux. The 5S peak was flat, though 5L increased more at the peak. Although #1 and #4 are installed side by side, Photo cell output 1S is far smaller than 4S. They are the same type and the same load resistors. It means that the photo cell has to calibrate to measure photo power. I found that the cheap I2C illuminance sensor was better than photo cell.


使用温度

使用する温度範囲は電池の種類によります。リチウム電池だと-20 - 60°C になります。ただし,結露および凍結繰り返しは不可です。 外部電源コードから電源を供給すれば,最低温度は -40°C になります。上限は現在使用しているケースの耐熱温度 60°C になります。 耐熱容器に変更すれば,上限は 70°C になります。

Ambient temperature

Working temperature depends on battery types. Li battery works on -20 to 60°C. Work without dew condense and frost, however. The minimum ambient temperature is -40°C with external power cable. The upper temperature limit is 60°C which is allowable case material temperature. The maximum upper limit is 70°C.

Power supply 電源

外部電源使用

本センサの絶対最大電圧は 3.6V です。この電圧を一瞬たりとも超えてはいけません。私の場合,XBee モジュールの電源に DC/DC コンバータ回路を搭載していますので最小入力電圧は 0.7V です。 栽培ハウスの商用電源を利用する場合,ACアダプタの使用が簡単でしょう。秋月電子だと3V出力の物が ¥750(送料別途)で入手できます。



External power supply

XBee maximum power supply voltage is 3.6V. You must not supply more than 3.6V even instantly. The minimum supply voltage is 0.7V, as I adopted DC/DC converter.

As for TWE module, the minimum power supply voltage is limited by I2C sensor working voltage. Refer Table3.

測定値を無料サイトに定時アップロード

自ハウスの温度管理を特定の人だけに見せるには,私のようにバックアップPCをサーバと Slip21 の運用に使用している方は httpd ソフトにパスワードを設定します。私はフリーの AN HTTPD を使用しています。

例えば FC2 の無料ホームページだとパスワードの設定ができます。とりあえず,サイトを開設してみてはいかがでしょうか。Meas.txt を定期的にアップロードするにはフリーの自動アップロードソフト AsFtp と FTPbox があります。AsFtp は Windows 98 対応の 16bit プログラムなのでロバスト性に疑問が残ります。ただ,私はこのソフトを運用した事がありません。他方の FTPbox を無料ホームページサイトで試したところ, うまく動作しませんでした。

Slip21 のマニュアルに記したように Windows 内蔵の FTP を用いてバッチファイルを記述して,タスクスケジューラにより第三者の無料ホームページにアップロードできています。

ある商用ウェブサービスでは,出先から栽培ハウスの温度状況を確認しようとすると,月額 ¥1800 の費用がかかります。しかし毎日,外出出張するような就農者以外は,上記の無料ホームページを開設して, パスワードを導入すれば,他人に自分のハウス管理情報を公開せずに,勤務先,外出出張先とか遠隔地からハウスの温度状況を無料で確認できます。

参考
AN HTTPD ユーザ認証の設定
AsFtp 詳細
Meas.txt アップロード検証無料ホームページ http://enokie.web.fc2.com/index.html
FC2 が提供するサービスと他社が提供されているサービスを解りやすく比較
FC2レンタルサーバーLite マニュアル

Upload the measurement on time at a free site

When you want not to show your greenhouse temperature data, set up password to your httpd program. I use free AN HTTPD.

Without httpd program, you may open your own site provided by FC2 for example. Free FC2 site can set up password to look up any page. In order to upload Meas.txt on time, free 'FTPbox' can do. I tried it, but FTPbox could not work at my FC2 site.

I upload Meas.txt to my FC2 site, as I describe Slip21 online manual, I use FTP program and task scheduler in Windows and wrote a simple bat file.

A commercial web service costs ¥1800 monthly to check your greenhouse temperature, when you are out. If you open such a free site as described, you can check the temperature with password from your remote working place.






農用に使えそうなワイヤレスセンサ一覧

Table.2 Wireless sensors apps for agriculture
名称月額経費警報見通し距離本体構造外部センサ測定対象本体価格
Slip21無料Yes1,200m防滴4m気液地温,光¥1,944[5]
おんどとり[3]無料Yes150m防滴不明温湿度, 光¥65,000
SmartLogic[2]¥1,800Yes500m防水温湿度,光オープン
PaddyWatch[1]¥1,980Yesモバイル通信防滴2m温湿度水位¥99,800


I have started my external site 'enoki.net' to be an original domain name, which is secured by Rapid SSL. And the rental server supports SNI SSL. GeoTrust certified my new site on 2017-05-10. rapid-_ssl-img-270

農用ワイヤレス温度センサが増えてきたようなので Table.2 にまとめてみました。

SmartLogic と PaddyWatch は Web で動作し,測定データも運営会社のサーバに蓄積されます。隣の営農方法を真似ていたり,他に営農指導を仰いでいたりするような農家なら際立った営農ノウハウの必要性もないとすれば, 営農情報が第三者に漏洩してもさして支障がないでしょう。

しかし他の農家とか事業者と競争差別化しようとするなら,営農ノウハウを秘匿すべきではないでしょうか。 そもそも競争がないのなら,この種のセンサ自体の存在も大して意味がないのかもしれません。必要なのは隣国のオランダ農法に対抗しなければならない花卉と野菜農業くらいでしょうか。 水田用農用センサはピントが外れている可能性が高いかもしれません。測る必要のない秋冬期は月額経費は LPG のように無料なのか,それとも NTT 電話代基本料金のように未使用問わず徴収されるのかもしれません。

例えば自家用車なら運転日誌を自動車メーカとか代理店に公開しないのが普通ではないでしょうか。データセンタと守秘義務を取り交わしたとしても,ベネッセの不祥事のように漏洩リスクを考慮しておかなければなりません。 大規模な農業法人になればなるほど,この種の外部データセンタの運用を避けるでしょう。しかし運用会社がデータ集積が目的の場合,交渉しだいでは装置の無料貸与が可能になるかもしれません。

私はワイヤレスモジュール XBee を用いたフィールド(屋外)試験を通じて,風雨降雪に耐え得ると確信しました。クリティカルな制御なら別途考慮しなければならないけれど,環境測定のような監視系ならワイヤレス通信で十分だと思います。 さて,おんどとりease の通信距離は 50m と短いですが,子機のディジーチェーン(数珠つなぎ)により延伸が可能です。ただ,ケースが防滴ではないので散水の際は何らかの工夫が必要です。[4]  とりあえず,蔵,納屋小屋,鶏舎とかに設置して自宅内PCから監視記録を始めてももいいかもしれません。おんどとり ease は 安価ですが,室内仕様であり防滴構造に工作の必要があります。 意外と運用保守が面倒です。本体内蔵の湿度センサの場合,屋外環境もしくは高湿度のハウスだと電子部品の劣化加速が避けられず結局,防滴構造が必須になります。メンテナンスの煩わしさと光測定がないので温室用としては 少し物足りない感じです。おんどとり RTC-500C は中継器もしくは親機になり,子機 RTR-574 は温湿度光を測れブラウザ対応となっているので Web でも測定結果を見られると思います。

Slip21 は電波法の審査をクリアしているワイヤレスモジュール XBee もしくは TWE-Lite を用いて基板を組み立てます。どちらも, 電池駆動による長期間のワイヤレス通信を実現するために スリープ間欠動作します。TWE-Lite の無線タグアプリ Tag_App は I2C 対応のセンサに標準対応しており非常に便利です。従来のアナログセンサの場合,正確に測定しようと思えば,それなりに 校正とか補正をしなければなりませんでした。I2C センサは微小なマイコンが組み込まれていて本体の無線モジュールとはデジタル信号のインタフェースになります。アナログセンサを駆動するには 定電圧が必要になり,XBee モジュールの場合,DC/DC コンバータを搭載し,さらに他の信号処理ICも必要になります。その点,TWE-Lite の場合,I2C センサと直結が可能で電子部品数が半減して, 配線が簡単に済みます。さらに信頼性も向上するかもしれません。一覧表記載の単体の価格とはTWE-Lite モジュールの価格です。子機の部品代は防滴ケース等の機構部品を含め \3,000 以下 となるでしょう。おんどとりの 1/10 のコストになります。おんどとりを3台調達すると10万円になりますが,自作だと1万円で済みます。2台目3台と自作回数を重ねると,製作のコツがわかり要する 時間も短縮されます。記録ソフトは Slip21 を使えば,ソフト代のコストは零になります。

参照 Ref

[1] 田んぼの見回り、代行します
[2] ワイヤレスセンサーネットワークシステム
[3] おんどとりeaseで温度と湿度をモニタ
[4] おんどとりease の結露対策
[5] 共立電子の店

How to assemble wireless sensor

Slip21 works for XBee with analog temperature sensors or TWE with I2C sensor. XBee and the analog sensors are supplied with regulated DC/DC converter. And the wireless module needs 2 ICs. You have to assemble them on a universal board by soldering wires. With a PWB (PCB), you will be able to assemble easily.

If you share to make the PWB, a single board cost will be cheaper. I invite cooperative friends to develop wireless sensors. Please contact me. you will find my address, if you look at 'Profile'.

ワイヤレスセンサ組み立て

Slip21 はワイヤレスセンサの組立が必要になります。回路自体はさほど複雑ではないけれど,半田付けをしなければなりません。その際ネックになるのは配線です。真空管時代のラジオテレビは 空中配線でしたから,それなりの技量は必要でした。今は配線が印刷された基板 PWB (PCB) に置き換わりました。印刷基板になれば,半田付けの経験がなくともお箸を使えるスキルがあれば DIY で 十分半田付けが可能です。

基板作成費の経費分担とか有志,並びにスポンサを募っています。よろしくお願い致します。半田付け組み立てを代行します。関心のある方,ぜひコンタクト(Profile に記載)をお待ち申し上げます。

 


Links

ともさんのノマドな生活 Tomosan's no mud life
nabezoco: My blog in Japanese
XBee 仕様
モノ”をつなぐ無線マイコン TWELITE-トワイライト
XBee Specifications
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Expedition Where is the Polarstern (German ice breaker)?
BENEDICTINE ABBEY OF ST. HILDEGARD
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