智能自動換水水族箱(二)

智能自動換水水族箱(二)

上期談及了智能自動換水水族箱的設計和原理,以及其科學相關概念。接下來就是讓大家理解相關的電子組件和感應器的相關知識。

今期會以 Arduino 通過超聲波測距器控制水泵。換水系統最主要透過 Arduino 微控制器開關水底水泵,以及用超聲波測距器監控水位,現在讓我們認識當中的各部分元件及接線圖:

智能自動換水水族箱與各組件接線關連圖。

智能自動換水水族箱與各組件接線關連圖。

繼電器

一般家用電器(如換水系統中的水底水泵),香港電壓是 220V 運作,而 Arduino 輸出的電壓是 5V,我們怎樣以 Arduino 控制它們呢?使用繼電器就可以了。

繼電器模組能利用小電壓控制大電壓,運作原理為利用電磁鐵的磁力,吸引開關的切換。繼電器的一端需連接至 Arduino 的數位輸出(Digital Out),而另一端則連接至電器並與市電電源接通。

NO 是常開(Normal Open)的意思,代表於繼電器未通電的情況下電路是斷開的。當 Arduino 的相應數位輸出被指定為高輸出(1 or HIGH)時,繼電器的開關便會使電路閉合,電器便會開始運作。相反當 Arduino 的相應數位輸出被指定為低輸出(0 or LOW)時,電器便會停止運作。

繼電器連接至電器的一端。把電器的火線斷開,斷開的兩端分別連接至繼電器的 COM 及 NO 接口。(注意: 因涉及大電壓的使用,必須由合資格人士處理,並於接駁好後把整個裝置絕緣。)

繼電器連接至電器的一端。把電器的火線斷開,斷開的兩端分別連接至繼電器的 COM 及 NO 接口。(注意: 因涉及大電壓的使用,必須由合資格人士處理,並於接駁好後把整個裝置絕緣。)

繼電器連接至 Arduino 的一端。IN 接口需連接至 Arduino 其中一個數位輸出,而 DC+ 及 DC- 分別連接至 Arduino 的 5V 輸出及接地(GND)接口。

繼電器連接至 Arduino 的一端。IN 接口需連接至 Arduino 其中一個數位輸出,而 DC+ 及 DC- 分別連接至 Arduino 的 5V 輸出及接地(GND)接口。

超聲波測距器

超聲波測距器是由超聲波發射器、超聲波接收器和控制電路所組成。

聲音在空氣中的傳播速度大約是每秒 340 米。要得知聲音傳播 1 厘米所需的時間,可用下例數式計算:

1 / 340米 = 1 / 34000 厘米 = 0.00002941118…秒

經換算後約等於 29.4 微秒,即聲音傳播 1 厘米需時 29.4 微秒。
由於超聲波從發射到返回是兩段距離,因此在計算時必須將結果除以 2 才是正確的物體距離。我們可以利用下例公式以 Arduino 編程計算出以厘米為單位的物體距離:

測量得到音波來回傳播所需時間 / 2 / 29.4

超聲波測量距離的方法,是測量聲音在模組與物體之間往返經過的時間。

超聲波測量距離的方法,是測量聲音在模組與物體之間往返經過的時間。

左方的是模組的超聲波發射器,而右方的為超聲波接收器。

左方的是模組的超聲波發射器,而右方的為超聲波接收器。

WEMOS D1 微控制器用作連接無線網絡。

WEMOS D1 微控制器用作連接無線網絡。

物聯網程式設計

即使不在家中也能隨意控制家中的一事一物,這就是物聯網的強大優勢,讓我們的換水系統也接上網絡,解決學校長假期水族箱維護的難題。

因為整個系統以 Arduino 編程,所以必須把 Arduino 微控制器接上網絡。我們所使用的是能兼容 Arduino 編程的 WEMOS D1 微控制器,這個微控制器已經安裝了一個能夠連接無線網絡的模組,只要下載 Arduino IDE 編程軟件就能夠為系統編寫程式並連接至網絡。

WEMOS D1 微控制器:https://www.wemos.cc/product/d1.html
Arduino IDE 編程軟件:https://www.arduino.cc/en/main/software

Arduino IDE 編程軟件支援Windows、macOS 及 Linux 平台。

Arduino IDE 編程軟件支援Windows、macOS 及 Linux
平台。

整個系統的操控,會利用 Blynk 這個智能手機應用程式處理。它提供多種元件(Widget)用來自行設計 App 界面,透過 Blynk Cloud 端與各式硬體設備例如 Arduino、Raspberry Pi 等連結。其功能可讓智能手機控制遠端設備,同時也可以擷取遠端設備狀態顯示於手機上。

於手機或平板下載了 Blynk 後,申請一個免費帳戶,或以 facebook 登入。除此之外,還需下載 Blynk 函式庫,利用當中的韌體程式及例子,就能以 Arduino IDE 編程透過 Blynk 控制我們的換水系統。下期會進入程式設計的部份。

Blynk 智能手機應用程式,官方網站可下載 Android 及 iOS Apps。

Blynk 智能手機應用程式,官方網站可下載 Android 及 iOS Apps。

Blynk:http://www.blynk.cc
Blynk函式庫:https://goo.gl/7C0h2F