Zdalne sterowanie ogrzewaniem budynku część 2 - GSM

Wykorzystanie wejść alarmowych - GSM AVT3065

Sterownik GSM AVT3065 wyposażony jest w dwa wejścia alarmowe i szkoda byłoby ich nie wykorzystać. Tym bardziej że dwupoziomowa informacja o „niepowołanym gościu” ma sens. Jako czujkę ruchu dla poziomu pierwszego wykorzystano prosty tani dzwonek stosowany często przy wejściu do (małouczęszczanego) sklepu. Donośny gong informuje ekspedienta przebywającego chwilowo na zapleczu – wszedł klient.

Dzwonki te zasilane są bateryjnie, a czujka ruchu jest nadzwyczaj prosta: jest to zwykły fotorezystor, rzadziej – fotodioda. Jeśli czujnik ulokowany jest tak, by wchodzący klient musiał „rzucić cień” na fotoelement, taka prymitywna czujka może być pewniejsza od profesjonalnej.

W moim systemie ulokowanie dzwonka widać na fotografii tytułowej. Funkcję gongu można pozostawić lub nie. Uznałem, że lepiej nie informować intruza o wykryciu jego obecności, ale funkcję pozostawić jako informację dla siebie. W szereg z 32-omowym głośniczkiem włączony jest rezystor (aż) 5 kiloomów. Mimo to, cichutki gong jest słyszalny, ale cichy na tyle, że ktoś, kto o nim nie wie, nie zwróci na niego uwagi.

Pierwszy poziom alarmu poinformuje mnie (SMS-em), gdy np. wejdzie sąsiadka, która zna kod odblokowujący alarm. Jeśli to „gość niepowołany”, po minucie rozlegnie się wycie syreny alarmowej. To drugi poziom alarmu i kolejny SMS. Sprzężenie obu sygnałów informacyjnych ze sterownikiem GSM jest bardzo proste. Wejścia Alarm1 i Alarm2 pobudzane są stanem niskim, a interfejs upraszcza się także dzięki programowo wbudowanej funkcji blokowania wejść alarmowych po jednorazowej ich aktywacji.

Schemat elektroniki, którą trzeba było dobudować (w zakresie funkcji informacji o alarmie), pokazuje rysunek 4. Na rysunku 4a jest fragment elektroniki umieszczonej w dzwonku, rysunek 4b to sprzężenie systemu z centralką alarmową. W dzwonku przede wszystkim zrezygnowano z zasilania bateryjnego, dobudowując stabilizator 7805.

Przy okazji przestrzeń przewidziana dla baterii przyda się na ulokowanie elementów widocznych na rysunku 4a. A to prosty przerzutnik monostabilny wykonany na dwóch tranzystorach. Wyjście (będące wejściem dla systemu GSM) można pobrać (przez diodę) z kolektora Q1. Ponieważ jednak zaobserwowano fałszywe alarmy, dobudowano trzeci tranzystor (Q3).

Rys.4 Schemat elektroniki - funkcje informacji o alarmie

W zakresie wejścia alarmowego nr 2 interfejs jest jeszcze prostszy. Centrala alarmowa ulokowana jest na stryszku, i była tam już wcześniej, bo przewidziano ją na etapie budowy budynku. Na szczęście w wiązce przewodów, łączących centralę alarmową z klawiaturą (kodu) umieszczoną w pobliżu systemu GSM, znaleziono dwa wolne przewody. Zawsze warto dać przewody z liczbą żył większą od planowanej. W moim przypadku ich brak oznaczałby konieczność rezygnacji z tej funkcji.

Budowa centrali alarmowej nie była analizowana. Pomierzyłem tylko napięcie na wyjściu podającym sygnał na syrenę alarmową w stanie spoczynku i aktywacji alarmu. Wyszło 1,2V i ok. 13V. Nie jest źle! Sprawdzono także obciążalność prądową odszukanego „węzła” obwodu (tzn. ile prądu można z tego węzła pobrać): okazała się niewielka.

Aby uniknąć niespodzianek, postanowiono odizolować masy centrali alarmowej i GSM transoptorem. Małe CTR typowych TL817 nie zachęca do takiego (być może niepotrzebnego) zabiegu, ale da się wykonać. Niestety, tu także zaobserwowano fałszywe alarmy. Czasem to dziwne, gdzie różne problemy się pojawiają. Sytuację poprawiło dołożenie kondensatorków i diod widocznych na rysunku 4b.

Na potrzeby wejść alarmowych potrzebna była drobna przeróbka na module GSM. Aby nie przekroczyć bezpiecznego zakresu napięcia, rezystory podciągające (pull-up) należy podłączyć do +2,8V. Można by takie napięcie wygenerować zewnętrznie. Wyprowadzono je jednak z modułu GSM, adaptując na tę potrzebę złącze któregoś z niewykorzystanych wyjść cyfrowych.

Pomiar temperatury - AVT3065

AVT3065 wyposażony jest w 8 wejść analogowych, w których wykorzystano przetworniki analogowo-cyfrowe mikroprocesora ATMEGA-128. Zakres napięcia wejściowego to od 0 do 2,8V i warto byłoby wykorzystać go w pełni. Jako czujniki/sondy temperatury wykorzystano termistorki NTC o rezystancji (w temp. pokojowej) 5 kiloomów. O dziwo, stwierdzono dużą powtarzalność charakterystyk w posiadanych egzemplarzach – nie trzeba kalibrować każdego z osobna.

Nieliniowości nie mają większego znaczenia, gdyż i tak będzie trzeba wykonać przelicznik między woltami a stopniami Celsjusza w postaci tablicy look-up-table. Da się to zrobić programowo, przynajmniej teoretycznie, gdyż autor w tym miejscu się poddał („look-up-table” jest tylko na kartce papieru). Gdyby któryś z Czytelników chciał uzupełnić ten fragment, byłoby to bardzo mile widziane.

Rys.5 AVT365 pomiar temperatury - schemat

Obwód wejściowy przetwornika A/C wykonano w sposób najprostszy z możliwych: w postaci dzielnika rezystancyjnego z termistorem. Zadbano, aby wykorzystać pełny zakres pomiarowy. W tym celu zdjęto wstępnie charakterystykę termistora i pozostałe rezystory obliczono tak, aby napięcie bliskie zera było dla temperatury –3°C, a bliskie +2,8V dla ok. +33°C. Dobór rezystancji jest tu jednak niewystarczający, potrzebne jest także napięcie ujemne. Pozyskano –4V stabilizowane zenerką. +4V pobrano ze stabilizatora obecnego na module GSM.

Opis modułu AVT3065 ostrzega przed przekroczeniem dopuszczalnego zakresu pomiarowego przetworników, dlatego zastosowano diody ograniczające ze świadomością, że może to być kiepskie zabezpieczenie (na kolanie diody aż 0,6–0,7V). W spodziewanych temperaturach, w pomieszczeniu i podanym wyżej doborze wartości rezystorów, zakres 0–2,8V nie powinien zostać przekroczony. Prosty schemat związany z pomiarem temperatury pokazuje rysunek 5.

Obwody wejść cyfrowych - AVT3065

Za pomocą wejść cyfrowych możemy odczytać: obecność napięcia za zegarem (w punkcie A), obecność napięcia na grzejnikach głównych, stan głównego termostatu oraz poprawność napięcia zasilania. Trzy pierwsze stany są istotnymi informacjami, zaś poprawność napięcia zasilania systemu jest trochę „wodotryskiem”, bo przy braku poprawnego zasilania nic nie odczytamy. Dwie pierwsze informacje sprawdzają faktycznie napięcie 230VAC, nie cyfrowy sygnał pośredni. Sygnał informacyjny podawany na port mikrokontrolera odseparowany jest za pomocą transoptora. W przypadku dwóch pierwszych sygnałów konieczność tego zabiegu jest oczywista.

W przypadku sygnału trzeciego: kontroli stanu termostatu głównego, separacja też jest potrzebna, gdyż nie zapewnia jej prymitywny obwód zasilania obwodów elektroniki termostatu. Wykorzystano typowe transoptory PC817. I od razu autor przekonał się o ich ułomności w postaci małego współczynnika CTR (Current Transfer Ratio). Bezpieczny projekt powinien zakładać gwarantowaną wartość CTR. Założono konserwatywną wartość 50%, choć transoptory dla sygnałów p. A i p. T wyselekcjonowano najlepsze spośród posiadanych. A i tak nie wiadomo, czy na liniach tych nie wystąpią przekłamania po kilku latach użytkowania systemu.

Obwody wejść cyfrowych związane z sygnałami p. A i p. T są identyczne i pokazuje je schemat z rysunku 6a.

Rys.6a Obwody wejść cyfrowych związane z sygnałami p. A i p. T

Po stronie gorącej wykorzystano wysokonapięciową diodę Zenera R2M. To dioda o napięciu 150V używana często jako transil w obwodach snubber przetwornic indukcyjnych typu flyback. W starszych odbiornikach OTV diodę R2M wykorzystywano jako element bezpieczeństwa.

Wartości rezystorów w obwodzie pokazanym na rysunku 6a dobrano tak, aby prąd diody w transoptorze był na poziomie 2–3 mA, gdy w punkcie A (i/lub w p. T) jest obecne napięcie sieciowe. Jest to wartość kompromisowa, ale bezpieczna, powyżej której obserwuje się wyraźne nagrzewanie diody R2M. Po stronie izolowanej/wtórnej stan aktywny to stan niski, a wysoka impedancja wejściowa wejść cyfrowych mikrokontrolera pozwala na pracę z niewielkim prądem w obwodzie tranzystora w transoptorze.

W założeniach projektowych przyjęto ten prąd na poziomie 1 miliampera. Tranzystor transoptora mógłby pracować jako „otwarty kolektor”, gdyż „pull-up” rezystory są obecne po stronie mikroprocesora. Niezależnie od tego, aby uniknąć przekłamań, zastosowano też rezystory podciągające (do 2,8V) w obwodach transoptorów.

Realizacja zdalnego odczytu stanu głównego termostatu także napotkała nieprzewidziane problemy. Wykorzystano fabryczny termostat CRAFTEL typ C-0103 i trzeba było odrysować choć fragment jego schematu. Jego elektronikę zaprojektowano bardzo oszczędnie, aczkolwiek wystarczająco dla realizacji pełnionej przez niego funkcji. Elementem porównującym napięcie z dzielnika zawierającego termistor i z (wyskalowanego) potencjometru jest popularny wzmacniacz operacyjny 741. Cewka przekaźnika wpięta jest bezpośrednio na wyjście WO i cały stopień wyjściowy pracuje na napięciu +24V. Termostat wyposażony jest w dwie diody LED.

Zielona informuje o obecności zasilania, zaś czerwona o aktywności wyjścia (przekaźnika). Tutaj mamy do czynienia z niższymi napięciami, więc niska wartość CTR nie stanowi problemu dla doboru wartości (pozostałych) elementów. Zaobserwowano jednak, że pobór nawet niewielkiego prądu z wyjścia, prądu nie powodującego włączenie styków przekaźnika, powoduje świecenie czerwonej diody LED, którą wpięto, uwaga, w szereg z cewką wykonawczego przekaźnika termostatu. Dla ograniczenia tej niekomfortowej sytuacji trzeba było założyć pracę transoptora także z niewielkimi prądami (1–2 miliampery) jak w przypadku dwóch poprzednich sygnałów (p. A i p. T).

Tak wykonany obwód wejścia cyfrowego ma aktywny stan niski (już po stronie odczytu danych). SMS z parametrem „0” na linii digital input – WT (stan termostatu) oznacza stan aktywny (termostat włączył grzejniki). Wszystkie pozostałe sygnały mają stan aktywny 1. Aby ujednolicić tę konwencję, można sygnał WT zanegować w dowolny sposób (hardware’owo) lub (prościej, a może trudniej) programowo. Pozostaje jednak inna niewygodna okoliczność. Brak zasilania termostatu daje aktywny stan linii WT. Należy wtedy taką informację zignorować. Jak wyjaśniono wcześniej, zasilanie termostatu najrozsądniej jest pobrać z punktu A.

Pozbycie się zaistniałej niedogodności jest proste dla osoby potrafiącej wprowadzić poprawki/dodatki w oprogramowaniu mikroprocesora. Oczywiście, hardware’owo także problem da się „wyczyścić” (z wykorzystaniem np. kostki z bramkami NAND), aczkolwiek rozwiązanie takie należy uznać za mniej eleganckie. Fragment obwodów elektroniki, które należało dobudować w termostacie CRAFTEL, pokazano na rysunku 6b.

Rys.6b Fragment obwodów elektroniki, które należało dobudować w termostacie CRAFTEL

Dodatkowy obwód sterowania oświetlenia zewnętrznego

W budynku, do którego wykonano omawiany system, było oświetlenie wykonane na palikach wokół posesji. Był z tym wieczny problem, często wybijał bezpiecznik różnicowy (czemu nie należy się dziwić). Wykonano przeróbkę na oświetlenie LED-owe. W puszce (elektrycznej) zmieścił się niewielki zasilacz. Dysponowałem 19-woltowym – i tak żarówki trzeba zrobić! Wykorzystałem LED-y z podświetlenia złomowanych telewizorów LCD–LED. Dysponując napięciem 19V, można by dać 6 sztuk na żarówkę, plus niewielki rezystor. Bezpieczniej – 5 diod plus (większy) rezystor. Oświetlenie zyskało na estetyce, a problem z wybijaniem „różnicówki” ustał.

Rys.7 Schemat interfejsu między modułem GSM a wykonawczym relayem

Dobrze byłoby móc włączyć je zdalnie, tym bardziej że szkoda niewykorzystanych portów na module GSM. Ale pozostaje problem okablowania. Myśl o tej dodatkowej funkcji pojawiła się za późno. Obok montowanego systemu jest skrzynka z bezpiecznikami, a tam wydzielony bezpiecznik dla oświetlenia zewnętrznego. Opuszczając dom, można włączyć przełącznik, a wyłączyć bezpiecznik. A ten można zbocznikować przekaźnikiem z dodatkowym drugim (malutkim) bezpiecznikiem. I taki obwód wykonano. Schemat interfejsu między modułem GSM a wykonawczym relayem jest identyczny jak w przypadku czterech pozostałych wyjść cyfrowych – rysunek 7.

Zasilacz do zdalnego sterowania ogrzewaniem budynku

Wykorzystano 12-woltowy zasilacz typu laptopowego po wymontowaniu z obudowy. Pobór prądu w wykonanym systemie jest niewielki, zatem wymagania dla zasilacza nie są krytyczne. Jednak do pomiaru temperatury potrzebne jest też napięcie ujemne. Zastosowany zasilacz jest konfiguracji flyback i wytwarza jedno napięcie wyjściowe +12V. W zasadzie w drugiej fazie pracy z flybacka energii pobierać nie należy.

Nam jednak wystarczy w gałęzi napięcia ujemnego prąd 7mA, dlatego podkradniemy trochę energii w pierwszej fazie pracy, gdy wyjściowe napięcie z transformatora jest ujemne (i niestabilizowane, zależne od napięcia wejściowego). Przy tak skromnych wymaganiach prądowych, stabilizację wykonano na diodzie Zenera, co pokazuje schemat na rysunku 8.

Rys.8 Zasilacz - stabilizacja na diodzie Zenera

Wykonany system rozbudował się nieco względem pierwotnych wyobrażeń, czego się nie spodziewałem. Czym dalej w las, tym więcej drzew. Mnogość połączeń widać także na fotografii 3. System należy traktować jako przykładowy. Możliwa jest bardzo szeroka jego modyfikacja i rozbudowa.

Fot.3 Zdalne sterowanie ogrzewaniem budynku - połączenia