Automatische Tonnenbefüllung
Der Winter ist fast vorbei und so langsam sollte man wieder seinen Garten "in Betrieb" nehmen. Dazu zählt natürlich auch die Bewässerung. Bei uns im Garten haben wir für die trockenen Tage einen 600l IBC Container als Wassertonne. Zum Befüllen verwenden wir das Regenwasser von unserem Hausdach. Soweit so normal.

Dieser Container ist nicht gerade hübsch, deswegen wurde er weit nach hinten im Garten hinter unsere Gartenhütte verbannt. Das Wasser vom Dach muss natürlich dann auch dorthin gelangen. Deswegen läuft eine 100mm KG Rohrleitung bis hinter die Hütte. Durch das Gefälle läuft das Wasser auch gut durch die Leitung, kommt am Fuße unseres Containers an und muss dann von dort in den Container gepumpt werden.


Als Auffangbecken und Vorfilter dient eine rechteckige 80l Mörtelwanne. Dort hinein ragt das Rohr vom Dach und von dort pumpt dann eine kleine 12V Schmutzwasserpumpe das Regenwasser in den Container. In der Wanne gibt es, neben einer Filtermatte, einen Wassserstandsschalter, der bei 1/2 Füllung die Pumpe ein-ausschalten soll. Am Deckel des Containers ist ebenfalls noch ein Schwimmschalter für die "Container voll"-Anzeige angebracht.

Die Software soll nun bei halber Füllung der Wanne die Pumpe einschalten, bis der Wasserstand in der Wanne wieder gesunken ist. Damit die Pumpe nicht dauernd ein- und ausgeschaltet wird, soll die Pumpe 20 Sekunden nachlaufen. Das ganze Programm soll aber nur starten, wenn der Container nicht bereits voll ist.

Gesamtanlage

 Verdrahtungsplan

Die Elektronik  (Ich habe hier die 2 Kanal Relaisvariante gewählt, weil ich die noch vorrätig hatte.) 

Benötigte Hardware

Es wird benötigt:

Anzahl Bauteil Anmerkung
1 Arduino Nano
3 LEDs mit Vorwiderständen 220Ohm
2 Widerstände 1 kOhm als Pullup für die Schwimmschalter
1 Relaismodul
1 Pumpe 12V
1 Klapp-Schwimmschalter für die Mörtelwanne
1 Pegelschalter für den Container
1 12V Laptopnetzteil
Einige Breadboardkabel
Gehäuse, Kabel, Lüsterklemmen...


Zum Testen kann man das Ganze auch erst einmal auf dem Breadboard aufbauen. Als Ersatz für die Schalter können 2 normale Taster dienen.
Bei den ersten Versuchen hat sich schnell herausgestellt, dass, bedingt durch die Leitungslängen zu den Schwimmschaltern, eine eindeutige Erkennung nur mit Hilfe des internen Pullup Widerstandes des ATMega nicht immer möglich ist. Deswegen wurde hier über einen zusätzlichen Pin schaltbare 1KOhm Pullup Widerstand pro Schalter hinzugefügt.

Die Software 

Zunächst ein paar Besonderheiten in der Software. Das Programm ist als sog. Statemachine (Zustandsautomat) ausgeführt, s.a. 
https://de.wikipedia.org/wiki/Endlicher_Automat.
Das Programm kann somit nur definierte Zustände annehmen und es gibt definierte Übergänge von einem Zustand in den anderen. Leider hat sich im laufenden Betrieb herausgestellt, dass sich der Uno immer wieder mal "aufgehängt" hat. Das heißt, das Programm wurde nicht weiter verarbeitet. Deswegen habe ich dem Programm einen sog. Watchdog hinzugefügt. Dieser ist im ATMega als Hardware Timer integriert. Beim Starten wird dieser mit einer Zeitkonstante initialisiert, hier in unserem Fall mit 4s.

Der Watchdog muss dann in regelmäßigen Abständen vom Programm zurückgesetzt werden. Passiert das nicht, wird automatisch ein Hardware-Reset ausgelöst und der Controller startet neu. 
Seit dieser Implementierung arbeitet das System über Monate einwandfrei.

Den aktuellen Code inkl. der benötigten Bibliotheken finden Sie bei github: 
https://github.com/willie68/Wassertonne.  Binden Sie für die benötigten Bibliotheken nach dem Download und dem Entpacken den Ordner "Wassertonne-develop\src\libraries\MCStools" mit Sketch\Bibliothek einbinden\.ZIP-Bibliothek einbinden ... in Ihre Arduino IDE ein.

 

/*
   Diese kleine Programm dient dazu eine Wassertonne mit Vorfilteranlage zu  steuern.
   Folgende Funktionen übernimmt das Programm.

   - Starten eine Wasserpumpe, wenn der Sensor im Filter einen genügenden Wasserstand meldet
   - Stoppen der Wasserpumpe mit einstellbarer Nachlaufzeit
   - Überprüfung und Ausgabe wenn der Hauptwasserspeicher voll ist.
   - Watchdog falls System in einem undefinerten Zustand gerät.

   Historie
   WKLA 13.07.2018
   - Watchdog implementiert
   - verschiedene Zeitkonstanten für Debug und nicht Debug version
   - Board LED als Status LED

   WKLA 16.06.2018
   - erste Version
*/
#define debug
#define mydebug
#include <debug.h>
#include <avr/wdt.h>

// Durchgangszeit einer Loop in msec
#define LOOP_TIME 250

// Zeiten definiert in Sekunden
#ifdef mydebug
#define PUMP_TIME 5
#define FULL_TIME 5
#define WAIT_TIME 1
#define TEST_TIME 5
#define MAX_AUTO_RESTART 60 * 4
#else
#define PUMP_TIME 20
#define FULL_TIME 60
#define WAIT_TIME 1
#define TEST_TIME 5
#define MAX_AUTO_RESTART 60 * 60 * 4
#endif

// Ausgabestatus
enum OUTPUT_STATES {
  BARREL_FULL, PUMP_ON, ALL_OFF
};

// Status des Zustandsautomaten
enum STATUS {
  WAIT, PUMP, FULL
};

// Der aktuelle Status des Automaten
STATUS state;

// Definition der EIn/Ausgabe Pins
const byte OUT_PULLUP = 11;
const byte OUT_PUMP =  5;
const byte LED_PUMP = 6;
const byte LED_FULL = 7;
const byte LED_STATE = 13;

const byte SENS_BARREL_FULL = 8;
const byte SENS_FILTER_FULL = 9;

void setup() {
  initDebug();

  pinMode(OUT_PULLUP , OUTPUT);
  pinMode(OUT_PUMP , OUTPUT);
  pinMode(LED_PUMP , OUTPUT);
  pinMode(LED_FULL , OUTPUT);
  pinMode(LED_STATE , OUTPUT);
  pinMode(SENS_BARREL_FULL , INPUT_PULLUP);
  pinMode(SENS_FILTER_FULL , INPUT_PULLUP);

  digitalWrite(OUT_PULLUP, 1);
  digitalWrite(LED_STATE, 1);
  
#ifdef mydebug
  digitalWrite(OUT_PUMP, 1);
  digitalWrite(LED_PUMP, 1);
  digitalWrite(LED_FULL, 1);
  delay (1000);
#endif
  doPump(false);
  doFull(false);
  setState(WAIT);
  wdt_enable(WDTO_4S);
}

// Zeit des nächsten Statuswechsel
int nextTime;
// automatische Resetzeit
long autoRestart = MAX_AUTO_RESTART; // einmal die Stunde, Rundenzeit ist etwas 250ms

void loop() {
  // COunter bis zu Reset erniedrigen
  autoRestart--;

  // aktuellen Status ausgeben
  outputState();

  // Wartezeit schon verstrichen?
  if (checkWaitTime()) {
    dbgOut(", WK");
    determineState();
    switch (state) {
      case PUMP:
        doPump();
        break;
      case FULL:
        doFull();
        break;
      case WAIT:
      default:
        doWait();
    }
  }
  dbgOutLn();
  if (autoRestart > 0) {
    // wenn noch wartezeit übrig ist, dann den Watchdog triggern
    wdt_reset();
    // Led blinken
    digitalWrite(LED_STATE, !digitalRead(LED_STATE));
  } else {
    // Wartezeit verstrichen, Watchdog wird resetten
    while (true) {
      // solange hektisch blinken bitte...
      digitalWrite(LED_STATE, !digitalRead(LED_STATE));
      delay(100);
    }
  }
  delay(LOOP_TIME);
}

void doPump() {
  setOutputs(PUMP_ON);
}

void doFull() {
  setOutputs(BARREL_FULL);
}

void doWait() {
  setOutputs(ALL_OFF);
}

/*
   Status bestimmen
   FULL: Die Wassertonne ist voll
   PUMP: FIlter ist voll es muss abgepumt werden
   WAIT: sonst
*/
void determineState() {
  if (isBarrelFull()) {
    setState(FULL);
  } else {
    if (isFilterFull()) {
      setState(PUMP);
    } else {
      setState(WAIT);
    }
  }
}

/*
 * neuen Status setzen und die entsprechende Wartezeit setzen
 */
void setState(STATUS newState) {
  state = newState;
  dbgOut(", cs:");
  outputState();
  switch (state) {
    case WAIT:
      setNextTime(WAIT_TIME);
      break;
    case FULL:
      setNextTime(FULL_TIME);
      break;
    case PUMP:
      setNextTime(PUMP_TIME);
      break;
  }
}

/*
 * Dem Staus entsprechend die Ausgänge setzen
 */
void setOutputs(OUTPUT_STATES outputstate) {
  dbgOut(",o:");
  switch (outputstate) {
    case ALL_OFF:
      dbgOut("off");
      doFull(false);
      doPump(false);
      break;
    case BARREL_FULL:
      dbgOut("bf");
      doFull(true);
      doPump(false);
      break;
    case PUMP_ON:
      dbgOut("pmp");
      doPump(true);
      doFull(false);
      break;
    default:
      ;
  }
}

/*
 * Wartezeit schon verstrichen?
 */
boolean checkWaitTime() {
  int actualTime = seconds();
  if (actualTime > nextTime) {
    setState(WAIT);
    return true;
  }
  return false;
}

void setNextTime(byte secondsToWait) {
  nextTime = seconds() + secondsToWait;
}

/*
 * Ist die Hauptwassertonne schon voll?
 */
boolean isBarrelFull() {
  return !digitalRead(SENS_BARREL_FULL);
}

/*
 * Ist der Vorfilter schon voll?
 */
boolean isFilterFull() {
  return !digitalRead(SENS_FILTER_FULL);
}

/*
 * Pumpe ein/ausschalten
 */
void doPump(boolean start) {
  digitalWrite(LED_PUMP, start);
  digitalWrite(OUT_PUMP, !start);
}

/*
 * Signal LED "Tonne voll" de/aktivieren
 */
void doFull(boolean full) {
  digitalWrite(LED_FULL, full);
}

// ########## Hilfsfunktionen ###########
int seconds() {
  return millis() / 1000;
}

void outputState() {
#ifdef debug
  switch (state) {
    case WAIT:
      dbgOut("st: WAIT");
      break;
    case FULL:
      dbgOut("st: FULL");
      break;
    case PUMP:
      dbgOut("st: PUMP");
      break;
  }
  dbgOut(", F:");
  outputBoolean(digitalRead(SENS_FILTER_FULL));
  dbgOut(", B:");
  outputBoolean(digitalRead(SENS_BARREL_FULL));
#endif
}

void outputBoolean(bool value) {
#ifdef debug
  if (value) {
    dbgOut("1")
  } else {
    dbgOut("0")
  }
#endif
}

Viel Spaß beim Nachbau.

Ich hoffe, der kleine Blog hat Ihnen gefallen.

Bis zum nächsten Mal

Wilfried Klaas

5 Kommentare

Bernd Albrecht

Bernd Albrecht

translate.google.com sagt zu dem Text unseres italienischen Kunden:
Ich möchte diesen Raum nutzen, um der AZ-Delivery Company zu gratulieren. Ich bin Designer und hatte die Gelegenheit, die Qualität der verkauften Produkte, den Versand und die Kundenbetreuung zu überprüfen. Schließlich ist die Veröffentlichung von Projekten auf der Website, die neben Geräten auch Verkabelung und Quellcode enthalten, meiner Meinung nach ein Zeichen höchster Aufmerksamkeit für den Kunden, eine Neigung zur Qualität von Produkten und Dienstleistungen und vor allem eine kontinuierliche Verbesserung. Danke AZ-Delivery!!!
Das Team von AZ-Delivery sagt: “Danke für die Blumen”

Wilfried Klaas

Wilfried Klaas

Moin,
hier ist der Autor.
@Chris
Klar, ich hatte früher da “analoge” Elektronik drin. Die bestand aus einem Wasserstandssensor mit Hystereschaltung plus einem Zeitschalter, des Nachlauf wegens, weil die Hysteresekurve leider nicht gereicht hatte. Hat auch jahrelang funktioniert, nur musste ich da jedes Jahr die Elektroden tauschen. Schwimmschalter ging an der Elektronik leider nicht. Es hätte natürlich auch ein simpler Schalter plus Nachlaufrelais plus Sperrschaltung (Wegen dem Tonnenüberlauf) getan. Es gibt immer viele Wege. Die jetzige Schaltung tut es schon seit 3 Jahren. Und die nächste “Evolutionsstufe” ist schon in Arbeit. Denn wie Sie schon richtig erkannt haben, es fehlt noch eine vernünftige Füllstandsmessung mit Rückmeldung des IBC. Und ein bisschen spielen darf man doch auch. ;-)
@Peter
Nein, das war nicht der Grund, daß der Arduino sich ab und zu aufgehängt hat. Denn das passierte unregelmäßig, mal nach ein par Minuten mal nach 1-2 Stunden und ist seit der Einführung einerseits des Watchdogs und andererseits der Pullups nicht mehr aufgetreten. Ich vermute da eher eine andere Ursache.
Aber ja, ohne Watchdog bestünde die Möglichkeit, daß das Programm in einer Endlosschleife gefangen ist.
Tatsächlich passiert jetzt Überlauf ca. alle 9 Stunden. (32768 Sekunden um genau zu sein) Durch den Autoreset nach 4 Stunden kommen wir dort aber nie hin.
Man könnte natürlich die Variablen nextTime, actualTime und die Funktion seconds() als long definieren.
Damit löst man aber nicht das eigentliche Problem. Statt 9 Stunden träte jetzt das Problem nach ca. 24 Tagen auf. Deswegen bleibt für mich die sicherste Variante ein Neustart nach einer gewissen Zeit.
Wer auf Nummer sicher gehen möchte, kann natürlich auch einen Neustart im Überlaufpunkt provozieren.
Dazu einfach die Funktion int seconds() durch folgende ersetzen:
// ########## Hilfsfunktionen ###########
int seconds() {
int seconds = millis() / 1000;
if (seconds < 0) {
seconds = 0;
autostart = 0;
dbgOutLn(“Timer overflow”);
}
return seconds;
}
Tritt jetzt ein Überlauf ein (dadurch werden die seconds negativ, wird autostart auf 0 gesetzt und beim nächsten Schleifendurchgang wird der watchdog nicht mehr getriggert. Nach weiteren 4s wird dann der Arduino neu gestartet.

Peter

Peter

Moin
Prüft mal den Wertebereich von millis() gegenüber eurer Funktion seconds(), dann dürfte ziemlich schnell klar sein, warum sich der Uno „aufhängt“. Ein unsigned long / 1000 passt nun mal nicht in einen Integer…
Gruß
Peter

ROSSIELLO

ROSSIELLO

Vorrei approfittare di questo spazio per fare i miei complimenti all’Azienda AZ-Delivery. Sono un progettista e ho avuto modo di verificare la qualita’ dei prodotti venduti, della spedizione e del supporto ai clienti.
Infine, La pubblicazione sul sito di progetti comprendenti oltre ai dispositivi, al cablaggio e al codice sorgente, e’ a mio giudizio segno di massima attenzione al Cliente, propensione alla Qualita’ dei prodotti e dei servizi e soprattutto Miglioramento Continuo. Grazie AZ-Delivery!!!

Christian Wulff

Christian Wulff

Moin,
…….ja, kann man so machen und war sicherlich auch interessant und lehrreich.
Denn mache ich auch mal eine Statemachine:

Wenn das Ziel war, das Problem mit dem Wasser und dem Tank zu lösen:
Eine alte Ingenieursweisheit sagt: Eine Konstruktion ist dann ausgereift, wenn man nichts mehr weglassen kann.
Das ganze funktioniert auch mindestens genauso gut, wenn man die komplette Elektronik und das Programm weglässt. Ein Schwimmerschalter und ein Überlauf ergibt genau die gleiche Funktion, ist wesentlich störunanfälliger, billiger und verbraucht keinen Strom.
Meiner Meinung nach völlig over engineerd.

Wenn das Ziel war, unbedingt etwas mit dem Arduino zu machen und etwas dabei zu lernen:
Dann war das sicherlich ein Erfolg.
Da könnte man dann sicherlich noch ein Datenlogging, eine Auswertung und einen Regenmesser daraus weiterentwickeln und die Daten dann in einer Datenbank ablegen, grafisch visualisieren und auf einem Display und einem Webserver darstellen. Das kann die einfache Schwimmerschalter / Überlauf Variante natürlich nicht.

Weiterhin viel Erfolg und Glückwunsch zum vollendetem erfolgreichen Projekt,
Chris

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