«Почти умный» тёплый пол на Arduino из песочницы

Мой обычный вечер — это посиделки за компьютером. Холодными вечерами частенько появлялось желание сделать моё место отдыха комфортнее. Точнее, периодически было просто холодно ногам. Идеи были различные, вплоть до покупки USB тапочек с подогревом. Однако, все они казались мне нелепыми и отметались. И вот однажды, просматривая YouTube канал одного из любителей Arduino, я наткнулся на видео, где рассказывалось про инфракрасную плёнку. Увидев эту плёнку, я сразу понял: «Вот то, что мне надо!»

Данный проект можно кратко описать так: я положил кусок инфракрасной плёнки под дополнительный слой паркета, добавив к нему систему автоматического управления с помощью Arduino, нескольких датчиков и VB.NET. Теперь по порядку, что и как получилось. 

Disclaimer

Я занимаюсь проектами подобного рода уже несколько лет, делаю для себя. Делаю, чтобы делать: сам процесс для меня гораздо интереснее, чем конечное решение. Именно поэтому описание процесса и экспериментов приведены ниже со столь детальными подробностями. Использование элементов иногда не совсем оправдано с финансовой точки зрения — это я понимаю. Периодически я что-то меняю (в подходе, в элементах), но точно не собираюсь переходить на готовые решения, так как это будет просто неинтересно.

Почему «почти умный»? Я бы не назвал измерение температуры и управление реле с таймером «умным». Как задел на будущее — есть идея усовершенствовать алгоритм управления, добавив функции обучения. Вот тогда этот проект можно будет назвать как-то иначе.

Зачем эта публикация:

• интересно получить конструктивную критику/идеи
• познакомить сообщество с инфракрасной плёнкой

Покупка

Решив, что перед действиями следует подготовиться, я отправился в поисковики с целью найти больше информации и отзывов. Комментарии рознились. Кто-то называл плёнку идеальным отопительным элементом и говорил, что успешно обогревает целые дома, кто-то жаловался на полную бесполезность и уверял, что это всё «развод». Я решил экспериментировать, так как люблю новые штуки. 

Комплекты поставки встречаются разные:

• Ширина плёнки (50, 80, 100см)
• Длина (от 2-ух метров) (где-то была информация, что при ширине 50см максимально допустимо использовать до 6 метров плёнки в одном отрезке на одно подключение (источника данных нет))
• Наличие в комплекте термостата
• Наличие в комплекте поставки креплений (типа крокодил) для подключения питания к плёнке (судя по комментариям — важный момент, поскольку некоторые типы китайских креплений со временем ослабевают и контакт ухудшается вплоть до полного исчезновения)

Комментарий продавцов плёнки в моём городе: гарантия на плёнку может составлять до 10 лет, однако гарантия на термостат и, особенно, на датчик температуры не превышает 2 года. Датчик температуры слабое место и устанавливать его рекомендуется таким образом, чтобы обеспечить возможность замены в ходе эксплуатации. Обычно в пол монтируется трубка небольшого диаметра, а датчик просто вставляется в трубку позже при установке.

Для эксперимента мне требовался лишь небольшой кусок «волшебной» плёнки, поэтому главным критерием для покупки была цена и минимальность комплектации (без термостата и креплений).

Проверив цены, я остановился на одном предложении на AliExpress. Продавец предлагал 2 метра плёнки шириной 50 сантиметров за 8€, без термостата и креплений, однако за доставку просил ещё столько же. Это получался самый приемлемый вариант. Я сделал заказ и стал ждать посылки. Примерно через 3 недели кусок плёнки уже лежал у меня дома.



 

Первый тест

После того как плёнка оказалась у меня, я поставил себе первую задачу: проверить работает ли это вообще. Для сборки первого прототипа я использовал три доски ламината, оставшиеся после недавнего ремонта.



 

Процесс сборки элементарен:

Отрезал плёнку нужной длины (мне хватило примерно 100см. теоретически можно резать почти в любом месте) Подключил клеммы (Здесь интересный момент, что плёнка ламинирована полностью с обоих сторон. Даже если контактная полоса выглядит как большой медный контакт с одной стороны плёнки (смотри фото после получения посылки) – прямого доступа к контакту всё равно нет. Если использовать свои клеммы, то сначала нужно проковырять ламинированный слой)




Приклеил плёнку скотчем к ламинату Поверх плёнки закрепил слой фольгированного теплоотражателя



Подсоединил два провода к обычной вилке для розеток на 220-250В

Включил, замерил потребление. Мощность, потребляемая моим куском плёнки, составила 105 Ватт. Если кто-то решит использовать подобную плёнку, может рассчитывать потребление как 200-210 Ватт на квадратный метр. Никаких «пусковых токов» я не наблюдал, потребление стабильно, пока есть питание и со временем не уменьшается. Конечно, не забываем, что использование термостата введёт свой коэффициент в конечные расчёты потребления.



Я встал на пол и стал ждать эффекта. Во время теста периодически переходил на обычный пол, чтобы не упустить изменения, если температура будет подниматься плавно. По прошествии нескольких минут я ощутил приятную теплоту, идущую от пола. Минут через 15 пол уже жарил так, что находиться на нём было некомфортно. Эксперимент можно было считать удачным, так как было ясно видно, что плёнка может дать необходимый уровень теплоотдачи, чтобы обеспечить мои потребности.
 

Реализация «умной» части

За время ожидания посылки у меня в голове сложилась довольно чёткая картина того, как будет работать мой тёплый пол. Так как это уже не первый мой проект — я решил по максимуму использовать уже существующие наработки. По сути, к управлению температурой пола я решил применить тот же алгоритм и схемы, что и для автоматического управления светом. 

Сравним основные правила алгоритмов:
Свет Мы включаем свет, если уровень освещения ниже заданного Мы включаем реле на определённый промежуток времени Мы включаем реле, только если есть информация от датчика движения
Обогрев пола Мы включаем подогрев, если уровень температуры ниже заданного Мы включаем реле на определённый промежуток времени Мы включаем реле, только если есть информация от датчика движения

Своего рода блок-схема всего решения. Прошу не судить схему строго – нарисовал её специально для публикации, чтобы был понятен способ подключения и не заморачивался с подбором правильных иконок.

Реле питания пола

Для управления питанием используется связка из двух плат. 

Первая плата добавляет к Arduino Nano:

• Места крепления в мою стойку автоматики (4 креста по бокам)
• Разъём RJ-45 для портов входа/выхода (разговора про сеть нет — просто я использую эти разъёмы для коммутации)
• Вход для 12В (если используется в подключаемой плате)
• Два сопротивления на 10 кОм для подключения аналоговых датчиков

Вторая плата:

• Места крепления в мою стойку автоматики (4 креста по бокам)
• Содержит JK-триггер для запоминания последней команды
• Мост питания L298D, чтобы передавать повышенный ток на катушку реле
• Реле 5В или 12В в зависимости от версии
• Несколько светодиодов для отображения состояния

Заранее отвечу на вопросы, которые могли возникнуть после ознакомления с платами.

• Почему две платы? Реализация скопирована из уже существующего управления светом, где мне так удобнее. Если бы делал с нуля – скорее всего плата была бы одна.
• Зачем триггер? Действительно, для данного решения мне кажется он излишен. Просто в одной из предыдущих версий системы управляющий контроллер не был подключен к мосту L298D постоянно, а подключался мультиплексором. Поэтому существовала необходимость помнить установленное состояние.
• Почему L298D, если можно использовать оптическую развязку? Опять же наследие и пачка давно купленных по 3€ L298D.

 

Датчики температуры и движения

Делать отдельную плату для датчиков движения и температуры я не стал. Датчик движения поставлялся с удобными контактами и крепить его на дополнительную плату было бы нелогично. Подключение датчика температуры задача тоже не сложная — требуется только одно дополнительное сопротивление. В итоге, можно сказать «на скрутке», я собрал часть с датчиками.



Датчик температуры засунут внутрь оплётки CAT5 кабеля, так как имел очень тонкие контакты и на ощупь казался очень хрупким.
 

Корпус

Предполагалось, что все управляющие элементы будут валяться под столом на полу. Из этого следовало, что будет не лишним сделать нечто похожее на корпус, чтобы систему нельзя было легко повредить, случайно задев ногой. Для корпуса была использована коробочка, предназначенная для хранения мелких вещей.

Корпус в сборе



Сбоку прорезаны отверстия для датчиков



 

Конечный вариант.

Вот так всё выглядит после установки. Примерная зона срабатывания датчика движения обведена. Рисовал по ощущениям – когда срабатывает, а когда нет.



Снимок экрана с окном управляющей программы на компьютере
(Как упоминалось, управляющая логика была скопирована с системы управления светом, поэтому на форме можно заметить надписи «Light» вместо «Temperature»)



 

Заключение

Как во время тестирования, так и во время работы данного решения в собранном виде обнаружились некоторые проблемы и нюансы. Большинство из них связано с электрическими и физическими характеристиками применённой схемы и их описание выходит за рамки данной публикации. Возможно позднее я опишу нюансы более детально в отдельном посте. Инфракрасная плёнка показала себя как интересный материал, и я вполне могу рекомендовать её для применения. Возможно ли применить её как единственный источник отопления в помещении и какое будет при этом потребление электроэнергии – я не знаю.

В общем, с момента «запуска» проекта прошло уже несколько месяцев. Мой «почти умный» тёплый пол работает отлично и выполняет своё предназначение на 100%, хотя иногда и приходится подстраивать желаемую температуру.  опубликовано  P.S. И помните, всего лишь изменяя свое сознание — мы вместе изменяем мир! ©

Источник: geektimes.ru/post/259498/